文 献 综 述

1.背景及意义

随着《蒙特利尔协议》的签订，寻求氟利昂制冷剂的替代物成为制冷行业的研究热点。空气作为布雷顿空气制冷机中的循环工质，它无毒无害，可从自然界获取并不会对大自然产生破坏。因此，布雷顿空气制冷机在普冷以及深冷领域都具有了一定的发展优势^[1]。但因为存在不可逆损失等因素，对布雷顿制冷循环仍需要进一步研究。

2.研究进展

布雷顿制冷循环又称为气体制冷机循环，目前国内外对于该循环的研究已经取得较大的进展。简单的布雷顿制冷循环技术^[2-5]已经成熟，随后，研究人员在原系统的结构上添加回热装置，使得带回热的布雷顿制冷循环的制冷效率及制冷系数得到了提高^[6-9]。而随着应用范围的拓宽，小型化^[10-16]成为该制冷系统的发展目标。近年来，许多研究者考虑工质量子特性^[17-21]的影响，量子制冷机应运而生。下面就具体研究内容作进一步综述。

2.1国内研究进展

首先是简单布雷顿循环，也就是中间不带回热器的循环。该循环可以分为简单内可逆和简单不可逆布雷顿循环，在不可逆布雷顿循环中又可以分为恒温热源和变温热源,在以下的研究当中，大部分都采用了有限时间热力学分析方法，对系统研究起到了很大的帮助。林比红等人在恒温热源为条件下，建立更贴合实际的不可逆布雷顿制冷循环模型，导出了制冷机基本优化关系所应满足的方程，并得到优化关系曲线。结果表明内不可逆性对布雷顿制冷循环优化性能的影响是显著的,为提高循环的性能应尽量减小内不可逆度^[2-4]。屠友明和陈林根等人对变温热源不可逆简单布雷顿制冷循环作了热导分配和热容间热容率匹配的优化，文中所得最佳热导分配均小于0.5，工质和热源间热容率最优匹配均小于1^[5]。

随着研究的发展，带回热器的布雷顿制冷循环成为主流。王文华和陈林根团队针对带回热器的布雷顿制冷循环作了一系列的研究分析^[6-9]。他们通过数值计算，得到制冷率随着压力比的增大而增大，存在最佳压比使得制冷系数最大。而最佳压比受回热器有效度、压缩机膨胀机效率、压力恢复系数以及低温热源温度等因素的影响，其中回热器有效度是最重要的因素,同时指出高、低温侧换热器的有效度应当纳入系统的考虑之中^[6]。在接下来的研究中，他们对恒温热源^[7]、变温热源^[8]内可逆闭式布雷顿制冷循环及不可逆闭式布雷顿制冷循环^[9]的回热器、中间冷却器、高低温侧换热器的热导率和中间压比进行优化，使循环输出功率达到最大。

而随着空气压缩制冷系统在航空空天等领域的应用，整个循环系统的小型化成为研究目标。西安交通大学制冷与低温研究所在这方面进行了较为系统的研究。首先，他们在参考了国内外该系统的实际流程设计后，根据本实验小流量的要求，搭建了开式回冷循环试验台并进行了系统测试^[10]。林韶宁等人对该系统的主要部件透平膨胀机的轴承承载性能、振动性能以及稳定性进一步试验，并开发了一套微机动态数据采集和分析系统^[11]。孙郁等人在此试验台上，实验分析流程选择、环境温度、制冷温度等系统参数以及压比等设计参数对布雷顿制冷机性能和制冷系数的影响，得出最佳压比在4时，制冷系数最大^[1]。膨胀机作为制冷系统中的关键部件，为整个系统提供制冷量，是布雷顿制冷循环小型化过程中的技术研究重点。赵红利等人在改建的试验台上，对气体轴承透平膨胀机进行了研究，得到膨胀机膨胀比转速曲线、膨胀机特性曲线、膨胀机流量特性曲线等^[12]。而后对新型弹性支承动压气体轴承的机械性能进行了考核,并进行了超速实验，结果表明各部件运行参数匹配良好^[13]。蔡君伟^[14]、赵祥雄^[15]等人对此系统进行了动态降温特性数值研究，获得了膨胀机实际降温曲线。杨山举等人首次采用CFX数值模拟的方法，揭示了膨胀机内部的三维流动，为膨胀机的发展提供的实验依据^[16]。

在为了获得更低的制冷温度时，研究人员发现，温度越低，制冷工质的量子简并性越强，所以工质的量子特性就不得不被纳入考虑。刘静宜以理想玻色气体和费米气体为工质，进行量子布雷顿制冷循环的性能特性分析。她们应用量子统计理论和理想玻色气体的热力学性质，构建重要参数的表达式，通过数值计算获得性能特性曲线，分析了循环的不可逆性和回热特性对玻色布雷顿制冷性能的影响^[17-20]。刘晓威则在考虑热阻、内摩擦、旁通热漏不可逆损失后，优化了布雷顿制冷机的制冷率和制冷系数性能，并分析了量子摩擦和旁通热漏对性能的影响^[21]。

而除开空气作为循环工质，将非共沸工质替代空气也是一个研究的方向。张永磊采用R290、R152a、R600a和R744、R600a两种工质混合，配比不同的组分，在相同条件下实验比较，结果表明，这些工质也是较为理想的，三元混合工质输出的功率小于二元混合工质，但制冷量前者比后者大^[22]。

与传统气体制冷机相比,磁制冷机具有效率高、易控制、噪声低、更可靠等优点。磁布雷顿制冷循环由两个绝热过程和两个等磁场强度过程组成，顺磁盐作为该循环的工质^[23]。夏峥嵘建立不可逆磁布雷顿制冷循环新模型，应用对数平均温差(LMTD)和最优控制论方法，导出制冷率和制冷系数的数学表式，以制冷率为目标函数对循环的重要性能参量进行优化^[24]。杨宇霖则进一步研究了内不可逆性和传热不可逆性对循环优化性能的影响^[25]。张后程不仅考虑了工质与两热源间的有限速率热传导及绝热过程时间,而且考虑了两热源间的热损和绝热过程不可逆性，为磁制冷优化设计和性能改善提供参数设计参考^[26]。

在最近两年的学术研究中，陈剑军等人提出了无级调节的逆布雷顿制冷技术利用活塞压缩机和透平膨胀机耦合能够实现逆布雷顿制冷循环的无级调节，能通过调节压缩机

进气压力实现制冷负荷的无级调节^[27]。曹春辉^[28]以高低温回热器中最小换热温差的最小值作为夹点温差，研究了高低温回热器夹点位置的变化规律。张富珍^[28]等人同样以CO₂为工质，分析得出提高回热器的温度滑移匹配是提高超临界CO₂透平循环热效率的关键因素。虽然他们的循环系统不是针对制冷，但其研究过程中对回热器所提出的研究方法及概念，对布雷顿制冷循环中回热器的研究具有一定启发意义。

2.2国外研究进展

国外的研究人员已不单纯的研究一个布雷顿制冷循环，而是在实际应用中，将其与其他系统混合使用。Streit,J.R.等人将冷却温度、回热器效率和压降等影响因素考虑在内对带有中间的循环进行了第二定律/#15794;分析和优化^[30]。Kirkconnell,C.S.着眼于空间红外传感器的制冷，分析了将斯特林级制冷机与逆布雷顿制冷机组合在一起，达到质量小，效率高，振动输出低的要求，优于斯特林级机器与焦耳-汤姆森（JT）冷却系统相结合的制冷系统^[31]。Khaliq,A.提出了概念性燃气轮机驱动的热电联产系统，其中采用反向布雷顿制冷循环用于压缩机入口空气冷却，结果显示燃气轮机循环与用于入口空气冷却的反向布雷顿制冷循环相比，提供了比与其他常用进气冷却系统耦合的燃气轮机更高的能量效率^[32]。Biglia,A.研究了基于改进的反向布雷顿循环在极低温度下运行的创新食品冷冻系统的设计。通过非线性多变量优化来确定所提出的系统配置，其被设计系统使设备的性能系数（COP）最大化^[33]。Giannetti,N.将逆布雷顿制冷应用于装卸码头及冷库中，提出了复叠式系统来增加COP，该系统的结构能够比相关简单的布雷顿循环在-50℃冷藏温度下的COP高出50%^[34]。

3.综述小结

从文献综述来看，国内外的对布雷顿制冷循环系统的分析已经较为深入，国内偏于系统性能优化分析，国外偏于将其与其他系统叠加分析，应用到航空航天或冷库之中。而空气作为循环工质的环保性，必将使得布雷顿制冷循环在今后的制冷发展中占据较大份额。

目前主要以针对闭式布雷顿循环为主，对于开式循环研究较少^[2]，而由于添加回热器的系统能够降低压缩机压降，提高制冷系数，因此本课题将基于开式带回热器布雷顿制冷循环进行研究。所谓开式是指进入回热器的冷空气是直接从冷库中取得的，而并非在循环管路中运行。循环路线为从冷库排除的空气由进气口进入回热器预热，然后进入压缩机升压，再在空气冷却器中冷却，再到回热器中冷却，之后在膨胀机中做功冷却，最后将冷空气排入冷库中。

参考文献

[1] 孙郁, 侯予, 赵红利, 陈纯正. 逆布雷顿循环空气制冷机的性能分析[J]. 低温工程, 2006, 32(1): 27-30.

[2] 张万里, 罗京, 陈林根. 开式简单布雷顿制冷循环热力学优化1. 热力学建模[J]. 电力与能源, 2015, 36(2): 164-168.

[3] 张万里, 罗京, 陈林根. 开式简单布雷顿制冷循环热力学优化2. 性能优化[J]. 电力与能源, 2015, 36(2): 169-173.

[4] 林比宏, S. K. Tyagi, 陈金灿. 不可逆布雷顿制冷循环的性能优化[J]. 低温工程, 2004, 22(3): 41-44.

[5] 屠友明, 陈林根, 孙丰瑞. 变温热源不可逆布雷顿制冷循环制冷率和制冷系数优化[J]. 低温工程, 2005, 27(3): 16-22.

[6] 陈林根, 倪宁, 程刚, 孙丰瑞, wuchih. 传热不可逆回热式布雷顿制冷机分析[J]. 低温工程, 1998, 10(1): 15-21.

[7] 王文华, 陈林根, 孙丰瑞. 闭式内可逆中冷回热布雷顿循环的功率优化[J]. 热能动力工程, 2003, 22(5): 482-485.

[8] 王文华, 陈林根, 孙丰瑞. 变温热源条件下内可逆闭式中冷回热布雷顿循环的功率优化[J]. 热科学与技术, 2003, 15(1): 15-19.

[9] 王文华, 陈林根, 孙丰瑞. 恒温热源条件下不可逆闭式中冷回热布雷顿循环的功率优化[J]. 燃气轮机技术, 2004, 25(3): 36-39.

[10] 侯予, 王瑾, 熊联友, 刘井龙, 陈纯正. 逆布雷顿(Reverse-Brayton)循环空气制冷机系统试验台的建立[J]. 低温工程, 2000, 20(2): 7-12.

[11] 林韶宁, 姚艳霞, 王可, 侯予, 陈纯正. 小型透平逆布雷顿循环空气制冷机的研制[J]. 低温与超导, 2004, 26(2): 1-4.

[12] 赵红利, 侯予, 陈汝刚, 陈纯正. -120℃小型逆布雷顿空气制冷机性能的试验研究[J]. 西安交通大学学报, 2007, 22(8): 986-990.

[13] 赵红利, 侯予, 习兰, 刘秀芳. 回冷式逆布雷顿空气制冷机的试验分析[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2009, 41(5): 113-116.

[14] 赵祥雄, 孙皖, 刘炅辉, 侯予. 逆布雷顿空气制冷机动态降温特性数值研究[J]. 低温工程, 2013, 12(2): 46-51.

[15] 蔡君伟, 孙皖, 李斌, 李涛, 侯予. -150℃逆布雷顿空气制冷机动态温降特性研究[J]. 西安交通大学学报, 2013, 47(3): 60-63 101.

[16] 杨山举, 陈兴亚, 张兴群, 陈双涛, 侯予. 逆布雷顿空气制冷机透平膨胀特性研究[J]. 工程热物理学报, 2016, 37(2): 245-249.

[17] 刘静宜. 量子布雷顿制冷循环的性能特性及其优化分析[D]. 厦门大学, 2007.

[18] 刘静宜, 林比宏, 陈金灿. 费米气体布雷顿制冷循环的性能分析[J]. 低温工程, 2003, 23(1): 1-7.

[19] 刘静宜, 林比宏. 理想玻色气体布雷顿循环的性能分析[J]. 应用科学学报, 2004, 24(2): 242-246.

[20] 刘静宜, 林比宏, 陈金灿. 不可逆回热式玻色布雷顿制冷循环性能分析[J]. 低温工程, 2007, 31(1): 50-54.

[21] 刘晓威, 陈林根, 戈延林, 吴锋, 孙丰瑞. 不可逆量子自旋布雷顿制冷机最优性能[J]. 工程热物理学报, 2014, 35(1): 28-33.

[22] 张永磊. 逆向布莱顿循环多元非共沸混合工质组分变化对系统性能的影响[J]. 深冷技术, 2004, 32(3): 1-3.

[23] 严子浚. 磁布雷顿制冷循环[J]. 低温与特气, 1992, 10(1): 23-26.

[24] 夏峥嵘. 两种不可逆磁制冷循环优化性能的研究[D]. 厦门大学, 2006.

[25] 杨宇霖, 林比宏. 磁布雷顿制冷循环性能的优化分析[J]. 低温与特气, 2006(1): 22-26.

[26] 张后程, 林国星. 磁布雷顿制冷机优化循环性能及参数设计[J]. 制冷, 2009, 28(4): 1-5.

[27] 陈剑军, 闫红伟, 银延蛟, 吕书山, 张亚清. 一种逆布雷顿制冷循环无级调节技术及工业化总结[J]. 低温与特气, 2016, 34(5): 11-15.

[28] 张富珍, 姜培学, 胥蕊娜, 欧阳小龙. 基于回热器温度滑移匹配的以CO₂为工质的布雷顿循环优化分析[J]. 热能动力工程, 2017, 32(8): 11-16.

[29] 曹春辉, 李惟毅. 夹点对超临界二氧化碳布雷顿再压缩循环性能的影响[J]. 化工进展, 2017, 36(11): 3986-3992.

[30] Streit, J. R. , Razani, A. Second-law analysis and optimization of reverse brayton cycles of different configurations for cryogenic applications[J]. AIP CONFERENCE PROCEEDINGS. 2012, 1434(B): 1140-1148.

[31] Kirkconnell, C. S. , Zagarola, M. V. , Russo, J. T. Hybrid Stirling/Reverse Brayton and Multi-stage Brayton Cryocoolers for Space Applications ; Advances in Cryogenic Engineering[J]. AIP CONFERENCE PROCEEDINGS. 2006. 823(B): 1489-1496.

[32] Khaliq, A. Energetic and Exergetic Performance Evaluation of a Gas Turbine-Powered Cogeneration System Using Reverse Brayton Refrigeration Cycle for Inlet Air Cooling[J]. Journal of Energy Engineering, 1 September 2016, 142(3): 1-5.

[33] Biglia, A. , Gay, P. , Ricauda Aimonino D. , Comba, L. , Fabrizio, E. , Mannini, A. , Mussinatto, A. Reversed Brayton cycle for food freezing at very low temperatures: Energy performance and optimization[J]. International Journal of Refrigeration, September 2017, 81(5): 82-95.

[34] Giannetti, N. , Saito, K. , Milazzo, A. , Rocchetti, A. Cascade refrigeration system with inverse Brayton cycle on the cold side[J]. Applied Thermal Engineering, 25 December 2017, 127(6): 986-995.

1.系统分析

其结构简图如图1所示。从冷库排除的空气由进气口进入回热器预热，然后进入压缩机升压，再在空气冷却器中冷却，再到回热器中冷却，之后在膨胀机中做功冷却，最后将冷空气排入冷库中。

图1.开式回热布雷顿制冷循环结构图

带回热的逆布雷顿制冷热力循环如图2所示， 理论循环由1-2s-3-4-5s-6-1表示。由于制冷机内外部的各种损失，实际循环由1-2-3-4-5-6-1表示。其中1-2s是理想压缩过程，1-2是实际压缩过程， 4-5s是理想膨胀过程，4-5是实际膨胀过程，1-3-4-6-1是回热部分。

图2.带回热的逆布雷顿制冷热力循环T-S图

2.问题研究

本课题研究的目标是制冷率和制冷系数，膨胀机压缩机的压比、膨胀机压缩机的效率等等都是影响性能参数的重要因素。而本课题着重考虑供冷温差对系统的影响，在一定的所需冷负荷下，若供冷温差小，需要的流量大,则增加了流动阻力；若供冷温差大，所需流量小，但压差大，则损失增大。因此需要在这中间找到最佳匹配点。

另外，由于采用的是开式系统，所以从冷库取出的空气带有一定的湿度，湿空气经过回热器吸热，进入压缩机绝热升温后在冷却器冷却，而后进入回热器进一步冷却，但在此过程中若温度降低到该压力下的露点温度，则会结露，增大热阻，影响换热。同时，液滴若进入膨胀机，由于膨胀机温度有可能会低于0℃，形成的冰粒会对膨胀机造成损伤。因此，要解决此问题，可以在冷库出口处加装除湿器。

3.技术路线

首先，分析空气性质特点，得到不同压力下的露点图；然后，根据循环工作参数进行循环工况的热力计算，得到循环制冷系数，以及回热量、循环各部分温度等必须的参数，还可以适当分析循环参数对循环效果的影响，如图3表示其具体流程：

图3.热管式回热器设计流程框图

最后，进行热管式回热器的设计计算，其中包括热力计算和结构计算，以及热力校核，流动阻力校核，根据结构计算进行结构设计以及作图，流程如图 4 所示。