郝 杰，王 琪，冶文蓮，王麗娜，楊山舉*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

采用逆布雷頓循環(huán)的低溫制冷機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、降溫速度快和制冷范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)[1]、氣體分離與液化[2-3]、熱泵[4]和食品加工[5]等領(lǐng)域。逆布雷頓低溫制冷機(jī)的工質(zhì)通常為空氣、氫氣、氮?dú)夂秃獾龋粴怏w在逆布雷頓制冷循環(huán)中不發(fā)生集態(tài)改變；空氣容易獲得、價(jià)格低廉、無(wú)毒無(wú)害；整個(gè)系統(tǒng)可在開(kāi)放式空間運(yùn)行。因此，本文對(duì)逆布雷頓低溫空氣制冷機(jī)展開(kāi)研究，該制冷機(jī)具有較廣闊的應(yīng)用空間，同時(shí)也可為以氫、氦為制冷工質(zhì)的逆布雷頓制冷機(jī)研究提供借鑒。

Spence等[6]在道路運(yùn)輸中應(yīng)用了空氣制冷機(jī)，設(shè)計(jì)建造了一個(gè)空氣循環(huán)裝置并對(duì)該裝置進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了在同一物理單元內(nèi)用空氣循環(huán)系統(tǒng)提供與蒸氣循環(huán)系統(tǒng)等效制冷量的目標(biāo)；Zhao等[7]采用空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)（ECS）的非設(shè)計(jì)性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)和換熱器等關(guān)鍵部件的性能進(jìn)行了分析；Yang等[8]提出了一種配備氣體軸承透平膨脹機(jī)和板翅式蓄熱器的低溫逆布雷頓空氣制冷機(jī)，并建立了低溫部件的瞬態(tài)冷卻模型，該模型可用于評(píng)估制冷機(jī)不同運(yùn)行模式下的制冷性能和提高能源利用效率。Biglia等[5]基于逆布雷頓循環(huán)，采用氮?dú)鉃橹评涔べ|(zhì)，提出了一種在極低溫度下運(yùn)行的新型食品冷凍系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)食品進(jìn)行快速冷凍。由于氮?dú)馀c空氣物性接近，該冷凍系統(tǒng)對(duì)研究空氣制冷機(jī)有一定的借鑒作用。目前已有將空氣制冷機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品化的案例，如Mycom公司的“Pascal Air”系列產(chǎn)品，采用空氣制冷系統(tǒng)，可制取-100～-50℃超低溫，可對(duì)食品進(jìn)行冷凍和冷藏并進(jìn)行冷凍包裝[9]。我國(guó)目前由于技術(shù)條件的限制，在冷藏速凍領(lǐng)域還沒(méi)有利用逆布雷頓空氣制冷機(jī)制取冷量的相關(guān)成熟產(chǎn)品，對(duì)空氣制冷機(jī)的研究和應(yīng)用與世界先進(jìn)水平尚有一定的差距。

逆布雷頓低溫制冷機(jī)的主要制冷部件是透平膨脹機(jī)，可以為各類(lèi)應(yīng)用領(lǐng)域提供所需的制冷量，其中包括工質(zhì)本身的降溫需求和利用工質(zhì)降溫提供低溫條件這兩種應(yīng)用場(chǎng)景[10]。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)透平膨脹機(jī)的效率從85%提高到90%時(shí)，空氣制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)COP數(shù)值可以提高36%[11]。近年來(lái)，對(duì)透平膨脹機(jī)的研究多采用CFD進(jìn)行仿真分析[12-13]。2016年，楊山舉等[14]對(duì)低溫透平膨脹機(jī)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，有效揭示了透平膨脹機(jī)內(nèi)部的三維流動(dòng)；2018年，Sun等[15]對(duì)低溫透平膨脹機(jī)的非設(shè)計(jì)性能進(jìn)行數(shù)值研究，在ANSYS CFX上對(duì)噴嘴和葉輪的氣體流動(dòng)進(jìn)行模擬從而對(duì)膨脹機(jī)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)；2019年，萬(wàn)婷等[16]對(duì)小型徑-軸流式透平膨脹機(jī)通流部分進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)校核，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存在的損失進(jìn)行了分析。Kumar等[17]開(kāi)發(fā)了ANN和ANFIS模型，該模型可對(duì)透平膨脹機(jī)的最大等熵效率和溫度下降范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，為低溫徑流式透平膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

為了更好地研究逆布雷頓低溫空氣制冷機(jī)的熱力性能及降溫特性，搭建了逆布雷頓低溫空氣制冷機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可在回?zé)岷头腔責(zé)嵫h(huán)之間進(jìn)行切換，不僅可以進(jìn)行常溫實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行-120℃及更低溫度的低溫實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也可進(jìn)行透平膨脹機(jī)熱力及機(jī)械性能、回?zé)崞鱾鳠醾髻|(zhì)及食品凍結(jié)特性等的綜合研究。

1 空氣制冷系統(tǒng)

1.1 空氣制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為逆布雷頓低溫空氣制冷機(jī)的循環(huán)原理圖，其工作過(guò)程包括絕熱壓縮、等壓冷卻、絕熱膨脹和等壓吸熱[18]，氣體在透平膨脹機(jī)內(nèi)絕熱膨脹對(duì)外作功，產(chǎn)生較大的制冷量，對(duì)冷箱內(nèi)的負(fù)荷進(jìn)行冷卻，從而達(dá)到快速制冷的目的。

圖1 逆布雷頓低溫空氣制冷機(jī)的循環(huán)原理圖Fig.1 The circulation principle of reverse Brayton low temperature air cooler

圖1中，過(guò)程1～2為壓縮機(jī)的實(shí)際壓縮過(guò)程，壓縮機(jī)進(jìn)出口參數(shù)滿足以下關(guān)系：

式中：T1、T2分別為壓縮機(jī)進(jìn)、出口溫度，K；ηC為壓縮機(jī)等熵效率；p1、p2分別為壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓力，MPa；εC為壓縮機(jī)壓比；k為空氣絕熱指數(shù)。

過(guò)程3～4為回?zé)崞髦械念A(yù)冷過(guò)程，按照回?zé)崞餍芏x：

式中：ηR為回?zé)崞餍?；T0為制冷溫區(qū)的制冷溫度，K；T3為冷卻器出口氣流溫度，K；T4為膨脹機(jī)進(jìn)口溫度，K。

過(guò)程4～5為膨脹機(jī)的膨脹過(guò)程，透平膨脹機(jī)進(jìn)出口參數(shù)滿足以下關(guān)系：

式中：T5為膨脹機(jī)出口溫度，K；ηE為膨脹機(jī)等熵效率；p4、p5分別為膨脹機(jī)進(jìn)、出口壓力，MPa；εE為膨脹比。

逆布雷頓低溫空氣制冷機(jī)的主要性能參數(shù)是制冷溫度、制冷量和輸入功率，其中制冷量和輸入功率可通過(guò)系統(tǒng)的性能系數(shù)COP綜合體現(xiàn)出來(lái)。此處COP的表達(dá)式為：

式中：cp為定壓比熱容。

采用回?zé)嵫h(huán)的逆布雷頓低溫空氣制冷機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)可獲得的最低制冷溫度為123 K，回?zé)崞餍転?4%。據(jù)此對(duì)設(shè)計(jì)制冷溫區(qū)下的制冷量和COP等進(jìn)行計(jì)算，得到表1所列的系統(tǒng)性能參數(shù)。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能參數(shù)表Tab.1 Design performance parameters of the system

1.2 空氣制冷系統(tǒng)介紹

圖2為逆布雷頓低溫空氣制冷機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)流程圖，該系統(tǒng)由氣源部分、制冷部分和性能測(cè)試部分組成。

圖2 逆布雷頓低溫空氣制冷機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)流程圖Fig.2 System flow chart of reverse Brayton cryocooler comprehensive performance test bed

氣源部分由永磁變頻螺桿式空氣壓縮機(jī)（型號(hào)：PMVF30）、儲(chǔ)氣罐、冷凍干燥機(jī)（型號(hào)：BSJ40 AC）、吸附干燥機(jī)（型號(hào)：HLD-5）、壓縮空氣精密過(guò)濾器（型號(hào)：A-007、C-007、T-007）組成。壓縮機(jī)可提供最大容積流量為309 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）、最大排氣壓力為1.0 MPa。壓縮空氣經(jīng)冷凍干燥機(jī)干燥，吸附干燥機(jī)過(guò)濾，精密過(guò)濾器清潔之后進(jìn)入制冷部分進(jìn)行降溫。

制冷部分由透平膨脹機(jī)、冷箱、冷負(fù)荷、回?zé)崞?、低溫管道和閥門(mén)等組成。從氣源部分過(guò)來(lái)的氣體通過(guò)三通閥的切換，可以直接進(jìn)入透平膨脹機(jī)，或者經(jīng)過(guò)回?zé)崞骱笤龠M(jìn)入膨脹機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)可在回?zé)嵫h(huán)和無(wú)回?zé)嵫h(huán)之間進(jìn)行切換。本文為方便研究透平膨脹機(jī)的熱力性能，采用無(wú)回?zé)嵫h(huán)。

壓縮氣體在透平膨脹機(jī)內(nèi)經(jīng)歷等熵膨脹過(guò)程，產(chǎn)生較大的制冷量并且將系統(tǒng)內(nèi)的焓降轉(zhuǎn)換為外功，同時(shí)利用制動(dòng)風(fēng)機(jī)吸收膨脹端輸出的膨脹功。本實(shí)驗(yàn)裝置中的透平膨脹機(jī)為自主設(shè)計(jì)研發(fā)，采用基于流線曲率法的準(zhǔn)三元流設(shè)計(jì)方法，對(duì)透平膨脹機(jī)的通流部件噴嘴和葉輪進(jìn)行了氣動(dòng)設(shè)計(jì)和CFD仿真分析。其中，膨脹葉輪采用徑軸流式。透平膨脹機(jī)采用徑向波箔動(dòng)壓氣體軸承和小孔供氣靜壓止推軸承支承，運(yùn)用轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度校核和模態(tài)分析。透平膨脹機(jī)及波箔氣體軸承參數(shù)如表2所列。

表2 透平膨脹機(jī)及波箔氣體軸承參數(shù)表Tab.2 Parameters of turboexpander and bump foil gas bearing

性能測(cè)試部分可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的壓力、流量、轉(zhuǎn)速、膨脹機(jī)及風(fēng)機(jī)進(jìn)出口溫度、壓力等進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)壓力采用SMCITV3050電氣比例閥進(jìn)行控制，輸入電壓為0～5 V、輸出壓力為0.006～0.9 MPa；系統(tǒng)流量采用SMCPF2A703H流量計(jì)測(cè)量，量程為160～3 000 L/min（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），測(cè)量精度為±1.5% F.S；主軸轉(zhuǎn)速采用瑞視RS9000XL高精度電渦流位移傳感器測(cè)量，最大線性度誤差不超過(guò)±2%；膨脹機(jī)及風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓力采用壓力變送器測(cè)量，測(cè)量范圍為0～1.0 MPa，測(cè)量精度為±0.25% F.S；溫度采用熱電偶進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量誤差為±0.1 K，并在冰點(diǎn)槽中對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，減少測(cè)量誤差。

自主開(kāi)發(fā)了基于Labview的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、顯示和控制。其中，振動(dòng)和轉(zhuǎn)速信號(hào)須進(jìn)行高速采集，利用Labview高速采集程序與NI USB-6341數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行通信，對(duì)采集到的振動(dòng)和轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算并輸出。利用Labview采集程序與NI9205和NI9213數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行通信，對(duì)采集到的壓力、流量、溫度信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理。數(shù)據(jù)處理結(jié)果可通過(guò)自主編程的控制程序在Labview前面板上實(shí)時(shí)顯示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在搭建的低溫空氣制冷機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)透平膨脹機(jī)進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)，研究并分析透平膨脹機(jī)在常溫下的熱力和機(jī)械性能。

圖3為膨脹機(jī)出口降溫特性曲線，實(shí)驗(yàn)過(guò)程保持膨脹機(jī)進(jìn)、出口壓力不變。從圖中可以看出，當(dāng)透平膨脹機(jī)的膨脹比為2.15時(shí)，在2 min內(nèi)，膨脹機(jī)出口溫度由293 K降為260 K，之后溫度下降較為平緩。透平膨脹機(jī)出口溫降大、降溫速度快，充分體現(xiàn)了它在快速制冷方面的優(yōu)越性能。

圖3 膨脹機(jī)出口降溫特性曲線Fig.3 Cooling down performance at the outlet of the expander

膨脹機(jī)制冷量會(huì)隨著流量和進(jìn)出口比焓降等改變，是衡量膨脹機(jī)熱力性能好壞的一個(gè)重要參數(shù)。圖4為透平膨脹機(jī)流量與制冷量隨進(jìn)氣壓力變化曲線。當(dāng)保持膨脹機(jī)出口壓力不變時(shí)，膨脹機(jī)進(jìn)口溫度基本穩(wěn)定。從圖中可以看出，流量與制冷量均隨著進(jìn)氣壓力的增大而增大，當(dāng)進(jìn)氣壓力為0.32 MPa時(shí)，系統(tǒng)流量可達(dá)0.023 kg/s、制冷量可達(dá)1.21 kW，充分說(shuō)明了小型透平膨脹機(jī)仍能保持較大的系統(tǒng)流量和產(chǎn)生較大的制冷量，從而體現(xiàn)了透平膨脹機(jī)在低溫制冷領(lǐng)域的優(yōu)越性能。

圖4 流量與制冷量隨進(jìn)氣壓力變化曲線Fig.4 Change of mass flow rate and cooling capacity with inlet pressure

轉(zhuǎn)速是衡量小型透平機(jī)性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是膨脹驅(qū)動(dòng)端與風(fēng)機(jī)制動(dòng)端之間平衡的結(jié)果，會(huì)隨著進(jìn)口壓力和溫度而變化。圖5為轉(zhuǎn)速隨進(jìn)氣壓力的變化。當(dāng)保持膨脹機(jī)出口壓力不變時(shí)，膨脹機(jī)進(jìn)口溫度基本穩(wěn)定。從圖中可以看出，隨著壓力增大，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大，轉(zhuǎn)速在進(jìn)氣壓力為0.32 MPa時(shí)達(dá)到最大值278 kr/min，超過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速11.2%。這說(shuō)明該小型透平膨脹機(jī)具有優(yōu)良的機(jī)械性能，軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)足以支承透平膨脹機(jī)獲得良好的熱力性能。

圖5 轉(zhuǎn)速隨進(jìn)氣壓力變化曲線Fig.5 Variation of rotating speed with inlet pressure

為了讓透平膨脹機(jī)最大限度地提供冷量，提高整個(gè)裝置的經(jīng)濟(jì)性，要求透平膨脹機(jī)具有較高的效率，并且在最佳工況下運(yùn)行[19]。影響透平膨脹機(jī)運(yùn)行效率最重要的因素是特性比，即葉輪出口處圓周速度u1與膨脹機(jī)等熵理想速度cs之比[20]。圖6為透平膨脹機(jī)效率和特性比隨膨脹比的變化。保持膨脹機(jī)進(jìn)口溫度基本穩(wěn)定，改變透平膨脹機(jī)的膨脹比，其特性比和等熵效率也隨之變化。從圖中可以看出，在膨脹比從1.95～3.13變化的過(guò)程中，透平膨脹機(jī)的特性比從0.67增加至0.74，效率從58.4%增加到65.5%。

圖6 透平膨脹機(jī)效率和特性比隨膨脹比變化曲線Fig.6 Variation of efficiency and characteristic ratio of turboexpander vary with expansion ratio

通過(guò)比較可知，膨脹機(jī)等熵效率尚未達(dá)到設(shè)計(jì)等熵效率72.0%，這是由于透平膨脹機(jī)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未達(dá)到設(shè)計(jì)工況并且存在著較大的泄漏損失。透平膨脹機(jī)設(shè)計(jì)膨脹比為3.82，而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于制動(dòng)端的不匹配，膨脹比未達(dá)到設(shè)計(jì)值。并且透平膨脹機(jī)效率達(dá)最大值時(shí)，特性比為0.74，與最佳特性比0.69相差較大。同時(shí)，為了保證膨脹機(jī)的機(jī)械性能，葉頂安裝間隙過(guò)大，存在較大的泄露損失。這些因素導(dǎo)致了透平膨脹機(jī)效率低于設(shè)計(jì)等熵效率。

采用無(wú)回?zé)嵫h(huán)的逆布雷頓低溫空氣制冷機(jī)，當(dāng)膨脹比為3.13時(shí)，透平膨脹機(jī)效率為65.5%。將其代入系統(tǒng)COP的計(jì)算公式（6），可知在該等熵效率下，系統(tǒng)在123～193 K制冷溫區(qū)的性能系數(shù)預(yù)測(cè)值為0.099～0.202。由表1可知，該性能系數(shù)與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能系數(shù)0.115～0.226相差10%以上。這說(shuō)明在獲得較低的制冷溫度時(shí)，透平膨脹機(jī)的等熵效率對(duì)系統(tǒng)性能的影響很大。在后續(xù)采用回?zé)嵫h(huán)的153 K以下的低溫性能實(shí)驗(yàn)中，隨著降溫過(guò)程的進(jìn)行，可逐漸增大系統(tǒng)壓力，使膨脹比達(dá)到設(shè)計(jì)值。同時(shí)設(shè)置閉式風(fēng)機(jī)回路，調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，使得特性比處于最佳值0.69附近。并且在保證良好機(jī)械性能的前提下，調(diào)整葉頂間隙，減小泄漏損失。通過(guò)以上措施可提高透平膨脹機(jī)的等熵效率，改善系統(tǒng)性能。

3 結(jié)論

搭建了逆布雷頓低溫空氣制冷機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了透平膨脹機(jī)的機(jī)械性能及常溫?zé)崃π阅軐?shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）低溫空氣制冷機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)在常溫下運(yùn)行良好，為進(jìn)行153 K以下低溫性能實(shí)驗(yàn)及食品快速凍結(jié)特性的研究提供了良好的基礎(chǔ)；

（2）自主設(shè)計(jì)研發(fā)的透平膨脹機(jī)，主軸徑為10 mm，膨脹葉輪外徑為20.60 mm，采用波箔動(dòng)壓氣體軸承進(jìn)行支承，其穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速達(dá)到278 kr/min，超過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速11.2%，具有良好的機(jī)械性能；

（3）該透平膨脹機(jī)具有良好的熱力性能，當(dāng)膨脹比為2.15時(shí)，膨脹機(jī)出口溫度2 min內(nèi)下降33 K以上，且具有較大的流量和制冷量；在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，仍可實(shí)現(xiàn)高達(dá)65.5%的等熵效率。