消声器
过滤器 涡轮冷却器
冻结间
变速机构
图 １ 开式回冷低压直接吸热循环空气制冷机原理图
传统的冷库制冷系统的供冷方式是通过蒸发器把 冷量送入冷却环境， 传热是通过蒸发器表面的空气对 流 （ 通风机强制对流或自然对流） 而把冷量从蒸发器 取走， 再把冷量传递给需要冷却和冻结的食品。因此， 空气与蒸发器内制冷剂之间必然存在一定的温差， 为 维持冷却环境的低温， 必须人为降低制冷剂的蒸发温 度， 而在其它条件不变的情况下， 蒸发温度越低， 制冷 循环的效率越低， 温差换热又增大了制冷系统的不可 逆损失。
空气制冷循环系统虽然在普通制冷空调领域 ＣＯＰ 明显低于蒸汽压缩制冷系统的 ＣＯＰ， 但在－ ５０ ￣ － ８０℃范围内两者相差不大， 当制取－ ８０℃以下低温时， 空气制冷机的 ＣＯＰ 要高于蒸气压缩制冷机的 ＣＯＰ， 而 系统却简单得多［４］。空气制冷装置的膨胀机出口温度， 理论上可以降到绝对零度， 随着涡轮膨胀机技术的发 展， 使得与环境很友好的空气工质在低温领域中更具 魅力。
１ 空气制冷循环的特性
１．１ 以空气为制冷剂优点
（ １） 无毒无味、不燃烧、不爆炸， 使用安全； 来源充
足、环境性能优良， ＯＤＰ 为零、ＧＷＰ 很小。
（ ２） 化学稳定性和热稳定性好， 纯净的空气不会变
质， 不与润滑油反应。在工作范围内有适合的压力和压
力比， 不会出现高温分解现象。
（ ３） 空气的导热系数约是同温度下 Ｒ２２ 气体的 ２
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专题研讨
空气制冷循环在冷藏库中的应用
黄艳玲， 陈汝东
（ 同济大学 机械工程学院， 上海 ２０００９２）
摘要： 详细地分析了空气制冷循环的特性， 论述了空气制冷机对冷藏库节能的意义， 探讨 了其应注意的问题及解决方法； 与传统蒸汽制冷循环相比， 空气制冷循环对冷藏库的节能具有 重要的意义， 其在冷藏库中的应用具有广阔的发展前景。
冷藏库是食品冷冻加工储存的重要设施， 是食品低温流通的中枢， 是冷链体系的关键设 备之一。高效冷库的建设既保证食品营养价值 和色香味， 又减少能耗及保护环境。传统的冷 藏库广泛采用蒸汽压缩制冷装置， 消耗大量电 能， 约占总成本的 ２５％￣３０％或更多［６］。采用空 气制冷能减少电能消耗， 对于冷库生产企业具 有相当大的经济效益， 它主要体现在以下两方面。
２．２ 节约除霜能耗
蒸汽压缩式制冷机的冻结装置都是将蒸发器放于 冷间内， 蒸发器表面不可避免地会结霜。为了确保装 置的效率和冷量的足够输出， 经过一定时间间隔必须 进行除霜。除霜的方法在大型装置中以热气－ 水联合 除霜为主， 这种除霜方式具有省能快速和彻底的特点。 在中小型装置中， 则以电热除霜为生， 这种除霜方式虽 具有良好的效果但能耗很大。无论是热气融霜与水冲 霜联合还是电热除霜都属于间歇式， 需要中止制冷过 程， 而且在除霜的整个过程中， 有大量的水蒸汽和热量 散布于冻结本体内， 造成湿、热负荷增加。由于冻结温 度很低， 除霜时排水管道容易冻结， 排水管道与保温管 道的连接处也会产生冷量损失。
而对空气制冷循环方式， 冷空气直接进入需要冷 却的环境， 直接冷却食品， 不但省去了换热器和风机以 及与这些设备的运转维护有关的元器件。还可以根据 冻 结 食 品 的 形 状 ， 合 理 地 组 织 气 流 ， 提 高 冻 结 效 率［５］。 开式空气制冷循环， 空气的阻力损失小、没有与换热器
２ 空气制冷机对冷藏库节能的意义
（ ６） 制冷剂的工作压力保持正压， 空气压缩机的压 缩比远小于蒸汽制冷压缩机， 系统中的管道和设备管 材都可以采用耐压较低的材料［１］。
１．２ 制冷温度范围宽和低温运行性能良好
空气制冷循环可以满足空调供冷到低温－ １００℃的 要求， 而且温度越低， 与其它制冷方式相比 ＣＯＰ 值越
［３］
高 。现代食品速冻技术需要较低的温度， 用单级压缩 蒸汽制冷循环受压比和制冷剂物理特性的限制， 两级 压缩又受到蒸发压力过低和制冷剂凝固点的限制， 而 多级压缩和复叠式制冷循环，又使系统过于复杂， 维 护、维修困难。
关键词： 空气制冷剂； 空气制冷循环； 冷藏库； 节能
中图分类号： ＴＢ６５７
文献标识码： Ｂ
文章编号： １００６－ ８４４９（ ２００８） ０４－ ００３２－ ０３
０ 引言
冷库制冷系统是耗能较大的行业之一。作为食品 低温流通中枢的冷库， 目前广泛采用的蒸汽压缩式制 冷装置， 当制冷温度降低时， 效率降低、耗电量大。选用 低温性能优良的制冷装置对冷库的节能工作至关重 要。空气制冷机安全环保， 低温性能优良， 能很好地满 足快速冻结的低温要求。将空气制冷机运用于低温冷 库中， 与传统的蒸汽压缩制冷装置相比， 具有节能与环 保的双重优势。
１．５ 设备可靠性高、维护方便
空气制冷装置结构简单， 可靠性高， 安全性好， 制 冷剂可自由获得补充， 不必担心泄漏问题。此外， 蒸汽
压缩制冷装置需要回收制冷剂， 安装过程中的 打压试漏很严格 ， 而空气制冷装置 拆 装 、移 动 方便， 无需回收制冷剂， 便于维护。
三通电磁阀
离心式风机
蓄热器 Ｂ 真空泵
而对空气制冷循环方式， 通过风道直接向制冷环
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境输送冷空气， 冷空气直接进入冷间， 不需传热温差， 在制取相同冷量时， 蒸发温度可相应提高， 提高蒸发温 度能使压缩机的功耗减少。因为当冷凝温度不变时， 提高蒸发温度， 压缩机的吸入压力也相应升高， 吸气比 容减少， 单位容积制冷量增加， 以及压缩比减少， 容积 效率提高。例如对于压缩机， 当蒸发温度每升高 １℃， 每 １ｋＷ 电机功率每 １ｈ 的产冷量将提高 ２．４％左右， 节 能效果显著。空气制冷循环省去了冷风机和冻结装置 以及与这些装置的运转维护有关的元器件， 减少了风 机的占地面积， 空间利用率增大， 维护结构热负荷和电 机运转热量减少， 提高了整个制冷系统的性能， 还能减 少食品干耗。
壳体内， 可起到一定的隔声作用。 （ ３） 部件优化和匹配： 膨胀机、压缩机和换热器效
率的提高可使空气制冷循环的 ＣＯＰ 增大， 尤其是膨胀 机的等熵效率， 因此提高膨胀机的效率是提高其制冷 效率最有效的手段。透平膨胀机与压缩机的匹配技术 对空气制冷循环实际运行性能的提高也有重要意义。 要通过大量的实验， 反复计算来确定压缩机和膨胀机 的最佳匹配参数［６］。另外， 应设计出高效的气－ 气换热 的紧凑式换热器。
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１．３ 可采用节能的直接冷却的开式系统
用于食品冻结的开式回冷低压直接吸热循环制冷 原理流程见图 １。工作过程如下： 含湿空气在离心风机 处获得低压后， 经过滤器除去灰尘和杂质， 空气通过三 通电磁阀进人蓄冷器 Ａ， 与蓄冷填料热交换， 空气的温 度降低， 金属填料被加热， 空气中水分凝结在蓄冷填料 表面且大部分结冰， 使得离开的空气被干燥。之后低 温干燥空气经三通电磁阀进入冻结间， 直接从冷却物 质吸热。然后， 被加热的冷空气通过涡轮冷却器， 降温 后进人蓄冷器 Ｂ， 与蓄冷填料热交换， 冷空气被加热， 蓄冷填料被冷却， 被加热的冷空气经真空泵加压到大 气压后（ 温度也升高） ， 再经消声器排往大气， 至此一个 循环周期结束。接下来， ４ 个三通电磁阀开、闭切换， 使 蓄冷器 Ａ、Ｂ 的蓄放冷作用交换。热空气通过蓄冷器 Ｂ 被蓄冷填料中蓄积的冷量冷却； 冷空气在通过蓄冷器 Ａ 时把冷量蓄存在蓄冷填料中， 为下一个工作周期作 好 准 备［１］。
（ ２） 噪声： 在采用风机作为负载的涡轮冷却器运行 时噪声很大， 可高达 １１５～１２０ｄＢ［５］， 造成严重 的 噪 声 污 染， 影响操作人员的健康。因此， 必须安装简单消声器， 降低它的影响。设计中降低涡轮的转速可有效地降低 涡轮气流的噪音， 但这会是涡轮尺寸变大， 需要寻找两 者的平衡点。将透平机械置于封闭的内衬吸音材料的
２．１ 减少冷库维护结构耗冷、压缩机能耗、风机的电机 功耗、冷却设备能耗
蒸气压缩式制冷的冻结装置都是将蒸发器安放于 冻结本体内， 通过换热器把冷量送入冷间， 通过蒸发器 表面的空气对流把冷量取走， 再把冷量传给需要冷却 和冻结的食品。为维持冷间的温度有两种方法： １） 降低 蒸发温度， 这使得制冷循环的效率降低， 温差换热又增 大制冷系统的不可逆损失； ２） 增大蒸发器的蒸发面 积， 而为了确保冻结速度必须配置大功率的风机， 冷风 机金属耗量大， 占据空间大， 空间利用率低， 风机消耗 功率大， 围护结构传热量和风机电机功耗增加。
（ ４） 除湿、除杂质： 当空气中存在水蒸汽时， 含湿气 流在回冷热交换器或涡轮中降温时， 水蒸汽会冷凝甚 至冻结， 放出大量潜热将大大减小涡轮的实际温降， 不 仅严重影响传热， 阻塞通道， 甚至打坏涡轮喷管环和叶 轮。空气进入膨胀机前必须净化和除湿， 需在系统内设 置严格的过滤和干燥装置。可利用密封闭式循环或干 燥器去除水分， 或利用蓄冷器作为冷干装置， 既能除湿 又降低了运行费用， 但这些措施会造成系统造价高、运 行能耗大或密封工艺困难等问题。
空气制冷机， 直接向冻结冷间送冷空气， 省去了耗 金属量大， 冷却效率差的冷却排管。所以没必要进行 除霜， 节省了与除霜有关的设备和控制元件的费用和 除霜时的电能消耗。
３ 应注意的问题及解决方法
（ １） 空气流量： 空气制冷系统的一个突出问题是系 统内空气的体积流量很大， 单位制冷量很小。可采用 透平式膨胀机和真空泵、也可以采用报废的飞机发动 机， 以降低投资。国外在这方面已作过大量的研究， 认 为是一种有效的节能方式。