小型逆布雷顿低温空气制冷机的初步实验研究

郝 杰，王 琪，冶文莲，王丽娜，杨山举*

（1.西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2.中国计量大学机电工程学院，杭州 310018）

0 引言

采用逆布雷顿循环的低温制冷机具有体积小、质量轻、效率高、降温速度快和制冷范围广等优点，近年来被广泛应用于超导[1]、气体分离与液化[2-3]、热泵[4]和食品加工[5]等领域。逆布雷顿低温制冷机的工质通常为空气、氢气、氮气和氦气等；气体在逆布雷顿制冷循环中不发生集态改变；空气容易获得、价格低廉、无毒无害；整个系统可在开放式空间运行。因此，本文对逆布雷顿低温空气制冷机展开研究，该制冷机具有较广阔的应用空间，同时也可为以氢、氦为制冷工质的逆布雷顿制冷机研究提供借鉴。

Spence等[6]在道路运输中应用了空气制冷机，设计建造了一个空气循环装置并对该装置进行了测试，实现了在同一物理单元内用空气循环系统提供与蒸气循环系统等效制冷量的目标；Zhao等[7]采用空气制冷循环系统对飞机环境控制系统（ECS）的非设计性能和动态响应进行了实验研究，并对系统内压缩机、透平膨胀机和换热器等关键部件的性能进行了分析；Yang等[8]提出了一种配备气体轴承透平膨胀机和板翅式蓄热器的低温逆布雷顿空气制冷机，并建立了低温部件的瞬态冷却模型，该模型可用于评估制冷机不同运行模式下的制冷性能和提高能源利用效率。Biglia等[5]基于逆布雷顿循环，采用氮气为制冷工质，提出了一种在极低温度下运行的新型食品冷冻系统，该系统可对食品进行快速冷冻。由于氮气与空气物性接近，该冷冻系统对研究空气制冷机有一定的借鉴作用。目前已有将空气制冷机进行产品化的案例，如Mycom公司的“Pascal Air”系列产品，采用空气制冷系统，可制取-100～-50℃超低温，可对食品进行冷冻和冷藏并进行冷冻包装[9]。我国目前由于技术条件的限制，在冷藏速冻领域还没有利用逆布雷顿空气制冷机制取冷量的相关成熟产品，对空气制冷机的研究和应用与世界先进水平尚有一定的差距。

逆布雷顿低温制冷机的主要制冷部件是透平膨胀机，可以为各类应用领域提供所需的制冷量，其中包括工质本身的降温需求和利用工质降温提供低温条件这两种应用场景[10]。有实验结果表明，当透平膨胀机的效率从85%提高到90%时，空气制冷系统的性能系数COP数值可以提高36%[11]。近年来，对透平膨胀机的研究多采用CFD进行仿真分析[12-13]。2016年，杨山举等[14]对低温透平膨胀机性能进行数值模拟，有效揭示了透平膨胀机内部的三维流动；2018年，Sun等[15]对低温透平膨胀机的非设计性能进行数值研究，在ANSYS CFX上对喷嘴和叶轮的气体流动进行模拟从而对膨胀机性能进行预测；2019年，万婷等[16]对小型径-轴流式透平膨胀机通流部分进行数值模拟和实验校核，并对系统内存在的损失进行了分析。Kumar等[17]开发了ANN和ANFIS模型，该模型可对透平膨胀机的最大等熵效率和温度下降范围进行预测，为低温径流式透平膨胀机的设计提供借鉴。

为了更好地研究逆布雷顿低温空气制冷机的热力性能及降温特性，搭建了逆布雷顿低温空气制冷机综合性能实验台。该实验系统可在回热和非回热循环之间进行切换，不仅可以进行常温实验，还可以进行-120℃及更低温度的低温实验，同时也可进行透平膨胀机热力及机械性能、回热器传热传质及食品冻结特性等的综合研究。

1 空气制冷系统

1.1 空气制冷系统设计

图1为逆布雷顿低温空气制冷机的循环原理图，其工作过程包括绝热压缩、等压冷却、绝热膨胀和等压吸热[18]，气体在透平膨胀机内绝热膨胀对外作功，产生较大的制冷量，对冷箱内的负荷进行冷却，从而达到快速制冷的目的。

图1 逆布雷顿低温空气制冷机的循环原理图Fig.1 The circulation principle of reverse Brayton low temperature air cooler

图1中，过程1～2为压缩机的实际压缩过程，压缩机进出口参数满足以下关系：

式中：T1、T2分别为压缩机进、出口温度，K；ηC为压缩机等熵效率；p1、p2分别为压缩机进、出口压力，MPa；εC为压缩机压比；k为空气绝热指数。

过程3～4为回热器中的预冷过程，按照回热器效能定义：

式中：ηR为回热器效能；T0为制冷温区的制冷温度，K；T3为冷却器出口气流温度，K；T4为膨胀机进口温度，K。

过程4～5为膨胀机的膨胀过程，透平膨胀机进出口参数满足以下关系：

式中：T5为膨胀机出口温度，K；ηE为膨胀机等熵效率；p4、p5分别为膨胀机进、出口压力，MPa；εE为膨胀比。

逆布雷顿低温空气制冷机的主要性能参数是制冷温度、制冷量和输入功率，其中制冷量和输入功率可通过系统的性能系数COP综合体现出来。此处COP的表达式为：

式中：cp为定压比热容。

采用回热循环的逆布雷顿低温空气制冷机综合性能实验台可获得的最低制冷温度为123 K，回热器效能为94%。据此对设计制冷温区下的制冷量和COP等进行计算，得到表1所列的系统性能参数。

表1 系统设计性能参数表Tab.1 Design performance parameters of the system

1.2 空气制冷系统介绍

图2为逆布雷顿低温空气制冷机综合性能实验台的系统流程图，该系统由气源部分、制冷部分和性能测试部分组成。

图2 逆布雷顿低温空气制冷机综合性能实验台的系统流程图Fig.2 System flow chart of reverse Brayton cryocooler comprehensive performance test bed

气源部分由永磁变频螺杆式空气压缩机（型号：PMVF30）、储气罐、冷冻干燥机（型号：BSJ40 AC）、吸附干燥机（型号：HLD-5）、压缩空气精密过滤器（型号：A-007、C-007、T-007）组成。压缩机可提供最大容积流量为309 m3/h（标准状况下）、最大排气压力为1.0 MPa。压缩空气经冷冻干燥机干燥，吸附干燥机过滤，精密过滤器清洁之后进入制冷部分进行降温。

制冷部分由透平膨胀机、冷箱、冷负荷、回热器、低温管道和阀门等组成。从气源部分过来的气体通过三通阀的切换，可以直接进入透平膨胀机，或者经过回热器后再进入膨胀机，整个系统可在回热循环和无回热循环之间进行切换。本文为方便研究透平膨胀机的热力性能，采用无回热循环。

压缩气体在透平膨胀机内经历等熵膨胀过程，产生较大的制冷量并且将系统内的焓降转换为外功，同时利用制动风机吸收膨胀端输出的膨胀功。本实验装置中的透平膨胀机为自主设计研发，采用基于流线曲率法的准三元流设计方法，对透平膨胀机的通流部件喷嘴和叶轮进行了气动设计和CFD仿真分析。其中，膨胀叶轮采用径轴流式。透平膨胀机采用径向波箔动压气体轴承和小孔供气静压止推轴承支承，运用转子动力学方法对轴承转子系统进行强度校核和模态分析。透平膨胀机及波箔气体轴承参数如表2所列。

表2 透平膨胀机及波箔气体轴承参数表Tab.2 Parameters of turboexpander and bump foil gas bearing

性能测试部分可对系统内的压力、流量、转速、膨胀机及风机进出口温度、压力等进行测量。系统压力采用SMCITV3050电气比例阀进行控制，输入电压为0～5 V、输出压力为0.006～0.9 MPa；系统流量采用SMCPF2A703H流量计测量，量程为160～3 000 L/min（标准状况下），测量精度为±1.5% F.S；主轴转速采用瑞视RS9000XL高精度电涡流位移传感器测量，最大线性度误差不超过±2%；膨胀机及风机进出口压力采用压力变送器测量，测量范围为0～1.0 MPa，测量精度为±0.25% F.S；温度采用热电偶进行测量，测量误差为±0.1 K，并在冰点槽中对热电偶进行冷端温度补偿，减少测量误差。

自主开发了基于Labview的数据采集和处理系统，可对数据进行实时采集、处理、显示和控制。其中，振动和转速信号须进行高速采集，利用Labview高速采集程序与NI USB-6341数据采集卡进行通信，对采集到的振动和转速信号进行运算并输出。利用Labview采集程序与NI9205和NI9213数据采集卡进行通信，对采集到的压力、流量、温度信号进行运算处理。数据处理结果可通过自主编程的控制程序在Labview前面板上实时显示。

2 实验结果及分析

在搭建的低温空气制冷机综合性能实验台上对透平膨胀机进行初步实验，研究并分析透平膨胀机在常温下的热力和机械性能。

图3为膨胀机出口降温特性曲线，实验过程保持膨胀机进、出口压力不变。从图中可以看出，当透平膨胀机的膨胀比为2.15时，在2 min内，膨胀机出口温度由293 K降为260 K，之后温度下降较为平缓。透平膨胀机出口温降大、降温速度快，充分体现了它在快速制冷方面的优越性能。

图3 膨胀机出口降温特性曲线Fig.3 Cooling down performance at the outlet of the expander

膨胀机制冷量会随着流量和进出口比焓降等改变，是衡量膨胀机热力性能好坏的一个重要参数。图4为透平膨胀机流量与制冷量随进气压力变化曲线。当保持膨胀机出口压力不变时，膨胀机进口温度基本稳定。从图中可以看出，流量与制冷量均随着进气压力的增大而增大，当进气压力为0.32 MPa时，系统流量可达0.023 kg/s、制冷量可达1.21 kW，充分说明了小型透平膨胀机仍能保持较大的系统流量和产生较大的制冷量，从而体现了透平膨胀机在低温制冷领域的优越性能。

图4 流量与制冷量随进气压力变化曲线Fig.4 Change of mass flow rate and cooling capacity with inlet pressure

转速是衡量小型透平机性能好坏的一项重要指标，是膨胀驱动端与风机制动端之间平衡的结果，会随着进口压力和温度而变化。图5为转速随进气压力的变化。当保持膨胀机出口压力不变时，膨胀机进口温度基本稳定。从图中可以看出，随着压力增大，膨胀机转速逐渐增大，转速在进气压力为0.32 MPa时达到最大值278 kr/min，超过设计转速11.2%。这说明该小型透平膨胀机具有优良的机械性能，轴承转子系统足以支承透平膨胀机获得良好的热力性能。

图5 转速随进气压力变化曲线Fig.5 Variation of rotating speed with inlet pressure

为了让透平膨胀机最大限度地提供冷量，提高整个装置的经济性，要求透平膨胀机具有较高的效率，并且在最佳工况下运行[19]。影响透平膨胀机运行效率最重要的因素是特性比，即叶轮出口处圆周速度u1与膨胀机等熵理想速度cs之比[20]。图6为透平膨胀机效率和特性比随膨胀比的变化。保持膨胀机进口温度基本稳定，改变透平膨胀机的膨胀比，其特性比和等熵效率也随之变化。从图中可以看出，在膨胀比从1.95～3.13变化的过程中，透平膨胀机的特性比从0.67增加至0.74，效率从58.4%增加到65.5%。

图6 透平膨胀机效率和特性比随膨胀比变化曲线Fig.6 Variation of efficiency and characteristic ratio of turboexpander vary with expansion ratio

通过比较可知，膨胀机等熵效率尚未达到设计等熵效率72.0%，这是由于透平膨胀机在实验过程中未达到设计工况并且存在着较大的泄漏损失。透平膨胀机设计膨胀比为3.82，而在实验过程中，由于制动端的不匹配，膨胀比未达到设计值。并且透平膨胀机效率达最大值时，特性比为0.74，与最佳特性比0.69相差较大。同时，为了保证膨胀机的机械性能，叶顶安装间隙过大，存在较大的泄露损失。这些因素导致了透平膨胀机效率低于设计等熵效率。

采用无回热循环的逆布雷顿低温空气制冷机，当膨胀比为3.13时，透平膨胀机效率为65.5%。将其代入系统COP的计算公式（6），可知在该等熵效率下，系统在123～193 K制冷温区的性能系数预测值为0.099～0.202。由表1可知，该性能系数与系统的设计性能系数0.115～0.226相差10%以上。这说明在获得较低的制冷温度时，透平膨胀机的等熵效率对系统性能的影响很大。在后续采用回热循环的153 K以下的低温性能实验中，随着降温过程的进行，可逐渐增大系统压力，使膨胀比达到设计值。同时设置闭式风机回路，调节制动压力，使得特性比处于最佳值0.69附近。并且在保证良好机械性能的前提下，调整叶顶间隙，减小泄漏损失。通过以上措施可提高透平膨胀机的等熵效率，改善系统性能。

3 结论

搭建了逆布雷顿低温空气制冷机综合性能实验台，并在该实验台上进行了透平膨胀机的机械性能及常温热力性能实验，得到以下结论：

（1）低温空气制冷机综合性能实验台在常温下运行良好，为进行153 K以下低温性能实验及食品快速冻结特性的研究提供了良好的基础；

（2）自主设计研发的透平膨胀机，主轴径为10 mm，膨胀叶轮外径为20.60 mm，采用波箔动压气体轴承进行支承，其稳定运行转速达到278 kr/min，超过设计转速11.2%，具有良好的机械性能；

（3）该透平膨胀机具有良好的热力性能，当膨胀比为2.15时，膨胀机出口温度2 min内下降33 K以上，且具有较大的流量和制冷量；在远离设计工况点时，仍可实现高达65.5%的等熵效率。