田 源 張周衛(wèi),2 汪雅紅,2 張梓洲 趙 麗 郭舜之

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司)

空氣制冷機(jī)將空氣作為制冷劑，把熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體?？諝庵评錂C(jī)利用氣體膨脹制冷可獲得較大的溫降，因此具有巨大的工業(yè)節(jié)能潛力[1]。近年來(lái)，在深冷和普冷領(lǐng)域，隨著高速氣體軸承透平膨脹機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，空氣制冷機(jī)得到了迅速發(fā)展，為適應(yīng)各種不同冷量和溫度的需要，國(guó)內(nèi)外在微型技術(shù)和制冷機(jī)效率提高方面進(jìn)行了大量的研究工作[2,3]。劉井龍和熊聯(lián)友對(duì)空氣制冷機(jī)制冷系數(shù)的影響因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)膨脹機(jī)的等熵效率對(duì)制冷系數(shù)的影響最顯著，提高膨脹機(jī)的效率對(duì)提高制冷機(jī)的制冷效率最有效[4]。張萬(wàn)里等對(duì)開(kāi)式布雷頓制冷循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)優(yōu)化分析[5]。林韶寧等基于氣體軸承透平膨脹機(jī)，研制了一種小型透平逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)，該制冷機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行狀況良好、效率高、系統(tǒng)降溫啟動(dòng)快[6]。

然而，目前對(duì)制冷機(jī)各部件同軸設(shè)置和膨脹功回收利用的研究較少。為此，筆者從制冷機(jī)體積小型化、各部件同軸設(shè)置及膨脹功可回收等方面出發(fā)，針對(duì)傳統(tǒng)制冷機(jī)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提出一種可實(shí)現(xiàn)開(kāi)式制冷的螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)，并介紹了其工作原理，為制冷機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 傳統(tǒng)制冷機(jī)應(yīng)用中存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)制冷機(jī)在應(yīng)用中主要存在以下問(wèn)題[7]：

a. 壓縮段、冷卻段和膨脹段需要獨(dú)立分開(kāi)設(shè)置，否則會(huì)造成系統(tǒng)安裝運(yùn)行復(fù)雜、制冷機(jī)體積龐大、運(yùn)輸安裝不方便；

b. 布雷頓循環(huán)主要應(yīng)用于大型制冷系統(tǒng)，一般為閉式制冷系統(tǒng)(由兩個(gè)等壓過(guò)程和兩個(gè)等熵過(guò)程組成)，壓縮過(guò)程為等熵過(guò)程，需要消耗較多的壓縮功；

c. 布雷頓循環(huán)采用壓縮機(jī)與膨脹機(jī)同軸設(shè)置時(shí)，一般應(yīng)用于大型離心壓縮過(guò)程和大型離心膨脹過(guò)程，可回收壓縮功，制冷機(jī)氣缸較大，但很難應(yīng)用于小型制冷機(jī)中，需要外加冷卻系統(tǒng)；

d. 采用單一的單級(jí)膨脹葉輪進(jìn)行膨脹制冷時(shí)，膨脹過(guò)程中偏離等熵過(guò)程較遠(yuǎn)，膨脹后氣體溫度較高，回收的膨脹功較少。

2 螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者基于布雷頓循環(huán)提出一種開(kāi)式制冷的螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)(圖1)。該制冷機(jī)的壓縮段、電機(jī)段和膨脹段連接在同一軸上，當(dāng)高溫氣體從螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)左端進(jìn)入壓縮段后，經(jīng)多級(jí)壓縮、冷卻、再多級(jí)膨脹變?yōu)榈蜏貧怏w，并從另一端排出，完成開(kāi)式制冷過(guò)程。由于布雷頓循環(huán)需要消耗較多的理論壓縮功，因此筆者在壓縮過(guò)程中采用較長(zhǎng)的壓縮段，一邊壓縮一邊冷卻，相比于布雷頓循環(huán)更接近等溫壓縮過(guò)程，消耗的壓縮功更少[8]。此外，該制冷機(jī)采用離心壓縮與沖壓壓縮相結(jié)合、以沖壓壓縮為主的壓縮原理，應(yīng)用連續(xù)多級(jí)螺旋壓縮葉片與多級(jí)軸向擴(kuò)壓環(huán)，沿軸向連續(xù)多級(jí)壓縮與擴(kuò)壓的方法。

圖1 螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)

螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)采用多級(jí)螺旋膨脹再擴(kuò)壓再膨脹的連續(xù)膨脹制冷過(guò)程，使得膨脹過(guò)程更接近于等熵過(guò)程，膨脹后氣體溫度更低；將膨脹制冷過(guò)程中的理論膨脹功回收并通過(guò)電機(jī)中軸傳遞給壓縮段進(jìn)行壓縮，不必外加冷卻系統(tǒng)，壓縮段的壓縮功比布雷頓循環(huán)更小，能效比較布雷頓循環(huán)也更高。軸向擴(kuò)壓過(guò)程與壓縮后的氣流直接經(jīng)過(guò)電機(jī)中軸進(jìn)入膨脹段，沒(méi)有多余的輸氣管道，使得整體制冷機(jī)直徑較小。

針對(duì)單級(jí)膨脹葉輪膨脹過(guò)程中回收膨脹功較少的問(wèn)題，采用近似壓縮過(guò)程的反過(guò)程，通過(guò)增大螺旋膨脹葉片螺距和螺旋上升角來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓氣流逐漸膨脹加速的連續(xù)膨脹做功方法。目前，大多數(shù)制冷機(jī)采用外回冷卻系統(tǒng)，制冷機(jī)體積較大，而本制冷機(jī)采用殼內(nèi)電機(jī)風(fēng)扇冷卻電機(jī)的同時(shí)冷卻殼內(nèi)換熱器，以達(dá)到冷卻壓縮段的目的，因此可直接將高溫氣體壓縮、冷卻、膨脹制冷并降溫[7,9,10]。

3 工作原理

螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)機(jī)芯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

首先，待冷卻氣流進(jìn)入離心壓縮葉輪，應(yīng)用離心壓縮原理進(jìn)行初步離心加速，并在第1擴(kuò)壓環(huán)內(nèi)增壓。增壓后的氣流進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的一級(jí)螺旋壓縮葉片進(jìn)氣口，產(chǎn)生沖壓壓縮作用，相對(duì)速度減小后，隨高速旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片逐漸加速產(chǎn)生離心壓縮，并向螺旋葉片下部運(yùn)動(dòng)，靜壓增大；相對(duì)于葉片，高速氣流在進(jìn)入螺旋葉片的瞬間形成沖壓，

圖2 螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)機(jī)芯

并在由螺旋葉片形成的漸縮通道中逐漸擴(kuò)壓，當(dāng)達(dá)到螺旋葉片底部時(shí)，靜壓進(jìn)一步增大；螺旋葉片帶動(dòng)氣流高速旋轉(zhuǎn)，在葉片底部形成高壓氣流，高壓氣流流至葉片底部時(shí)，遇到靜止的第2擴(kuò)壓環(huán)，氣流在第2擴(kuò)壓環(huán)內(nèi)再次擴(kuò)壓，靜壓繼續(xù)增大，隨之改變方向并進(jìn)入二級(jí)螺旋壓縮葉片，進(jìn)行下一級(jí)的離心沖壓壓縮過(guò)程，以及持續(xù)二級(jí)、三級(jí)壓縮和擴(kuò)壓過(guò)程。利用逐級(jí)調(diào)節(jié)螺旋壓縮葉輪葉片螺線螺距和上升角的方法，改變相鄰螺旋葉片的間距和通流截面面積，采用高速旋轉(zhuǎn)螺旋葉片逐級(jí)離心沖壓的多級(jí)壓縮方法和軸向設(shè)置多級(jí)擴(kuò)壓環(huán)沿軸向擴(kuò)壓的方法，最終實(shí)現(xiàn)氣體的逐級(jí)離心沖壓過(guò)程。氣流壓縮過(guò)程中螺旋葉片持續(xù)對(duì)氣體做功產(chǎn)生的熱量通過(guò)壓縮罩外壓縮段散熱片排入大氣。

其次，壓縮后的氣流通過(guò)壓縮中軸徑向孔進(jìn)入壓縮中軸軸向孔后，再通過(guò)電機(jī)定子中軸中心孔輸送到膨脹段。高壓氣體經(jīng)第5擴(kuò)壓環(huán)改變方向后進(jìn)入一級(jí)螺旋膨脹葉片，并推動(dòng)一級(jí)螺旋壓縮葉片旋轉(zhuǎn)，壓力和溫度降低后，流速增大進(jìn)入第6擴(kuò)壓環(huán)擴(kuò)壓并改變方向，然后進(jìn)入二級(jí)螺旋膨脹葉片，推動(dòng)二級(jí)螺旋壓縮葉片旋轉(zhuǎn)，壓力和溫度再次降低后，流速增大進(jìn)入第7擴(kuò)壓環(huán)擴(kuò)壓并改變方向，然后進(jìn)入三級(jí)螺旋膨脹葉片，推動(dòng)三級(jí)螺旋壓縮葉片旋轉(zhuǎn)，壓力和溫度繼續(xù)降低后，通過(guò)排氣接管排出殼體。多級(jí)膨脹過(guò)程與外界通過(guò)絕熱層隔開(kāi)，防止膨脹制冷量擴(kuò)散至外界。

最后，冷卻氣沿筒體右側(cè)冷卻氣進(jìn)氣孔進(jìn)入殼體，進(jìn)入定子與轉(zhuǎn)子之間的通道冷卻電機(jī)，冷卻后經(jīng)風(fēng)扇左側(cè)進(jìn)入殼內(nèi)散熱片空隙并冷卻殼內(nèi)散熱片，然后沿筒體左側(cè)冷卻氣出氣孔排出殼體。被冷卻的氣體在壓縮機(jī)頭內(nèi)被壓縮時(shí)產(chǎn)生的一部分熱量通過(guò)筒體左側(cè)的壓縮段散熱片與冷卻氣換熱排出，另一部分通過(guò)殼內(nèi)散熱片與冷卻氣進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱后排出殼體[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)采用壓縮機(jī)頭、電機(jī)、膨脹機(jī)頭和殼體完全軸對(duì)稱(chēng)且同軸線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，整體制冷機(jī)體積較小，可直接連接至管道中，適用于小型制冷系統(tǒng)；壓縮段、冷卻段和膨脹段同軸設(shè)置，使得氣流經(jīng)壓縮后直接通過(guò)電機(jī)中軸進(jìn)入膨脹段，不需要外加冷卻系統(tǒng)即可將高溫氣體直接冷卻成低溫氣體，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)式低溫制冷過(guò)程，適用于開(kāi)式制冷系統(tǒng)；螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)采用更接近等溫壓縮過(guò)程的近似布雷頓循環(huán)制冷原理，使得消耗的壓縮功更少，且通過(guò)電機(jī)中軸將制冷機(jī)膨脹制冷過(guò)程中回收的膨脹功傳遞給壓縮段，可使壓縮功進(jìn)一步減小，提高能效比；采用離心壓縮與沖壓壓縮相結(jié)合、以沖壓壓縮為主的壓縮原理，應(yīng)用連續(xù)多級(jí)螺旋壓縮葉片和多級(jí)軸向擴(kuò)壓環(huán)，沿軸向連續(xù)多級(jí)壓縮和沿軸向擴(kuò)壓的方法，有效彌補(bǔ)了離心壓縮過(guò)程的缺陷，拓寬了回轉(zhuǎn)式氣體壓縮機(jī)械在小型制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用能力。

[1] 王偉,吳玉庭,馬重芳.單螺桿膨脹機(jī)制冷系統(tǒng)的逆布雷頓循環(huán)分析[J].化工學(xué)報(bào),2014,65(z1):245～250.

[2] 秦鋼,李敏.空氣制冷機(jī)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1980.

[3] 計(jì)光華.透平膨脹機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989.

[4] 劉井龍,熊聯(lián)友.空氣制冷機(jī)制冷系數(shù)影響因素的分析[J].低溫工程,2000,(2):31～34.

[5] 張萬(wàn)里,羅京,陳林根.開(kāi)式簡(jiǎn)單布雷頓制冷循環(huán)熱力學(xué)優(yōu)化(1.熱力學(xué)建模)[J].電力與能源,2015,36(2):164～168.

[6] 林韶寧,姚艷霞,王可,等.小型透平逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)的研制[J].低溫與超導(dǎo),2004,32(2):1～4.

[7] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi).螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)[P].中國(guó):201310414563.0,2013-12-04.

[8] 彭斌,麥嘉偉,謝小正.自散熱無(wú)油潤(rùn)滑空氣渦旋壓縮機(jī)的研究[J].化工機(jī)械,2016,43(2):204～207.

[9] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)用變螺距螺旋壓縮機(jī)頭[P].中國(guó):201310396324.7,2013-12-04.

[10] 張周衛(wèi),吳金群,汪雅紅,等.螺旋壓縮膨脹制冷機(jī)用徑軸流進(jìn)氣增壓葉輪[P].中國(guó):201310372519.8,2013-12-04.