关键词：空气制冷系统；低温送风；关键技术
中图分类号：V245 文献标识码：A
Research on application of air refrigeration system
with cold air distribution
Liu Yunxia Zhao Yuanyang
Abstract: The paper introduces the air refrigeration and cold air distribution systems. And these two systems can combine to form a new system, which is a long term potential and applied foreground refrigeration system. At the same time, the concerned key techniques are researched deeply when it is used in the general refrigeration.
Keywords: air refrigeration system; cold air distribution; key techniques
1. 前言
在环境污染和能源问题日趋严峻的背景下，空气制冷循环作为能满足大气生态环境要求的最佳制冷循环，低温送风技术作为一种有效的节能方式，已经引起了人们的关注。
空气作为空气制冷系统的工质，对大气不会产生任何破坏作用，并且资源无限，不存在蒸气压缩制冷系统中制冷剂的购买、运输、储存、泄漏等诸多问题。因此，进入 90年代以来，空气制冷循环成为了世界科学家关注的焦点，先后有美国、澳大利亚、德国、日本、英国进行了空气制冷装置和技术的研究及试验，应用范围涉及住宅空调、列车空调、食品冷冻和冷藏等几乎所有的制冷技术应用领域【1】。
低温送风技术是随着冰蓄冷系统的发展而逐渐发展起来的一种新技术。所谓低温送风是相对于常规送风而言的。常规送风空调系统中，送风温度通常控制在10～15℃范围内，而低温送风是指一次送风温度控制在4℃～10℃之间【2】。与常规送风系统相比，低温送风系统降低了一次风的送风温度，在相同制冷量的情况下也就减少了一次送风的送风量，从而减少了送风设备而降低系统的初投资，而且还能够减少空气处理过程中对冷量和再热量的需求，大大降低了空气调节的能量消耗，兼顾了节能的目的。另外，在低温送风系统中，因为送入用冷空间的新风量保持不变，而随着送风温差的增大一次送风量也有所减少，因此，新风量在一次送风中的比例也有所增加，有助于获得更为新鲜的室内环境，改善室内的空气品质。
在本文所述空气制冷系统中，由于冷量的来源是靠透平膨胀机吸入作为工质的空气再将其膨胀降压降温来获得的，一般情况下可使空气的温度降低到很低的程度，显然能满足低温送风系统对低温冷源的要求的。
2. 空气制冷基本理论循环
因为空气可以近似当作理想气体处理，当空气进行绝热膨胀时，其温度与压力的关系为：
（1）
即膨胀过程中压力下降，温度下降，当温度下降到需制冷空间温度以下时，就可以用于制冷。空气制冷系统的理论循环包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀、等压吸热四个过程【3, 4】。该循环的热力过程如图1所示。这是空气制冷的基本循环，其他各种循环都是在这一循环的基础上的改进。
图1 空气制冷系统的理论循环
图1中理论循环1点的状态通常为环境大气状态，所以整个系统中的空气压力大于当地大气压，属于正压系统。循环中共使用了两个换热器，其中冷量是通过换热器2来传递的。系统可以提供的最大冷量为：
（2）
式中：Q0为系统提供的冷量；cv为空气的定容比热容， 为系统中空气的质量流量。
另一种开式空气制冷系统是省去换热器2，直接将膨胀后的空气送入用冷空间（如果冷却条件允许），这样不但省去了换热器2，降低了系统的初投资，并且因省去了换热器2而避免了其换热损失，提高了整个制冷系统的性能。
在满足制冷量及新风量的要求下，以上两种制冷系统均可以将送风温度控制在4～10℃之间，达到低温送风的要求。
3. 低温送风系统
低温送风技术是随着能源问题的日益突出及冰蓄冷空调技术迅速发展而逐渐发展起来的一项技术。国际上首次推出该项技术是在1947年，目前已得到了一定的应用。因为低温送风系统的送风温度较低，其送风方式与常规空调系统也有所不同。目前应用较多的送风方式一般有两种：一是从集中空气处理设备送出的低温一次风经高诱导比的末端送风装置送入空调房间，二是采用低温送风专用的散流器直接将低温一次风送入空调房间【5】。
低温送风系统与常规送风系统相比，具有初投资少，运行费用低等优势，表1给出了低温送风方式与常规送风方式相比系统尺寸及能耗减少的程度【6】。
表1 低温送风方式与常规空调方式比较
项目 低温送风方式 常规空调方式
送风温差（℃） 10～20 8～10
送风温度（℃） 3～11 10～15
空调机组尺寸减少比例（％） 20～30 0
风管尺寸减少比例（％） 30 0
风机功率减少比例（％） 30～50 0
从表中可以看出，低温送风系统确实具有相当可观的节能效果。本文所介绍的空气制冷系统利用透平膨胀机来降低空气的温度，可以达到低温送风系统的送风温度，因此可以考虑将该空气制冷系统与低温送风系统结合起来，以达到环保及节能的双重要求。
4. 关键技术的探讨与研究
4.1 空气制冷系统制冷效率的提高
由于空气的多变指数较高，相同工况下压比大，耗功多，且传热温差大，不可逆损失也较大，这使得空气制冷系统的COP值大大低于传统的蒸气压缩制冷系统的COP值。所以要使空气制冷系统在制冷空调领域被广泛应用，最关键的因素就是对该制冷系统性能的提高。在目前所使用的方法中主要有两级压缩、回冷技术、喷水雾化等【7】。其中回冷技术应用甚广，这里不再赘述。
（1）两极压缩
气体压缩过程最省功的过程为等温压缩。但在实际运行时不可能达到等温压缩（特别是透平机械），多级压缩是从等熵压缩向等温压缩的一种过渡，所以可以减少系统上总的耗功，从而提高制冷系统的性能。当然，这种循环是以增加一个压缩机、一个换热器为代价的。
（2）喷水雾化
由于在空调系统中制冷温度相对较高，我们可以在系统循环中的适当阶段向空气中加入适量水，靠水在传热过程中的相变，降低压缩功、增加膨胀功，使单位容积空气的制冷量增大，设备小型化。在喷水系统中，要求喷水的雾化程度很高，以便能使雾滴在极短的时间内吸热蒸发，因此对喷嘴的要求很高。此外，对喷水量的控制也很重要。在达到饱和喷水量后，再多喷水不但对提高效率无益，反而因系统中液态水分过多而引起机械锈蚀。另外，过多的液滴被吸入压缩机有可能对压缩机叶片形成液击，影响压缩机的安全运行。
4.2 透平膨胀机与压缩机的匹配
在膨胀机-压缩机组合装置中，压缩机和膨胀机共用一根轴，如果两者不匹配将会对空气制冷系统的实际运行性能造成严重的影响。而匹配过程需要对速度、质量流量、压比、效率和功率进行反复的计算。另外要使压缩机和膨胀机在最佳效率下运转，还必须用大量的实验数据来确定压缩机和膨胀机的匹配尺寸以及平衡点。
4.3 噪声消除
由于透平膨胀机的噪声直接影响到空气制冷系统的实际应用，为此，必须对透平膨胀机噪声进行控制。目前应用较多的方法：①在设计透平膨胀机时，尽量降低其转速，这对降低膨胀机的气流噪声最有效；②采用航空涡轮的噪声控制技术，如安装特殊设计的消声器，将产生噪声的部件置于一封闭的内衬吸音材料的壳体内，起到隔声作用；③做好转动件的动、静平衡试验，调整轴承间隙，保持良好的轴承润滑条件，也能有效的降低机械的噪声。
4.4 散流器表面结露
在大多数情况下，因为低温送风能降低室内空气的含湿量与相对湿度，所以室内空气的^***温度也相应地有所降低。因此在这种低^***温度的情况下，低温送风空调系统结露的可能性并不比常规送风空调系统高多少。因此，通过良好的设计完全可以避免结露问题。当然，随着一次风送风温度的进一步降低，送风温度与^***温度的差值也将增大，这时可以重新考虑室内空气参数的选择是否合理。最好的考虑是在满足室内干球温度和相对湿度等舒适性要求的条件下降低^***温度，从而减小^***温度与送风温度的差值，减少结露的可能性。
4.5 低温送风系统对室内空气流动状态的影响
在低温送风系统中，若采用直接送冷风的方式，有可能造成一次风与室内风混合不好，而引起室内温度的不均匀或者是有吹风感【8】,因此，需要开发专用的末端装置。有学者采用粒子追踪技术，通过实验证明了调顶式方形、条缝形两类散流器在送风温度为3.3℃的情况下，同样能获得满意的空气分布性能指数。同时该实验还证明了低温送风系统能获得较为满意的空气品质和热湿舒适性，并指出了室内家具等的存在对室内气流分布的影响不大【9】。另外，很多工程实例也都证明了低温送风系统完全能达到室内空气的流动要求。因此，这个问题不应该继续成为妨碍低温送风系统发展的绊脚石。
5. 结论
（1）空气制冷系统是能满足环保要求的最佳制冷系统，并具有很多的优势；低温送风系统是一种有效的节能系统，其与空气制冷系统相结合兼顾了节能与环保。所以，低温送风空气制冷系统是一种有一定发展潜力的制冷方式。
（2）要将与低温送风系统相结合的空气制冷系统应用于普冷领域，还需要解决很多关键性技术问题：系统COP的提高、透平膨胀机与压缩机的匹配、降噪、散流器表面结露、低温送风系统对室内空气流动状态的影响等。
参考文献：
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作者简介：刘云霞（1977- ），女，讲师，主要从事新型制冷系统及流体机械等方面的研究，通讯地址：710055西安建筑科技大学6＃（环工学院）
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