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摘要:空气制冷系统具有无毒、环保、成本低且制冷性能好等优势，因此，在低温领域的应用前景十分广阔。文章阐述了空气制冷系统的优势，并探讨了当前食品冷冻冷藏的现状与发展趋势，最后介绍了空气制冷系统在冷库中的应用，取得了较好的应用效果，为空气制冷系统的推广应用奠定了基础。
关键词:空气制冷；优势；食品冷冻冷藏；冷链建设
中图分类号：TB6文献标识码： A 文章编号：
1 引 言
目前国内冷库中制冷剂有氟利昂和氨两种，采用氟利昂(CFCs) 类物质制冷对臭氧层有破坏作用以及会产生温室效应，因此，《蒙特利尔协议》就全面禁止使用氟利昂(CFCs) 类物质制冷，并寻求氟利昂的替代品；比如氨、有毒、危险等等。如今对一些氟利昂的替代品的研究取得了一定的进展，但是就目前情况看，最具有应用前景的就是空气制冷系统。
2 空气制冷机的优势
2.1 工质(空气)无毒、随取随用、免费、环境友好
CFCs制冷工质对臭氧层有极大的破坏作用，在不久的将来会被全面禁止使用，寻找其替代工质是大势所趋。虽然如今的研究取得了一定的进展，但是就目前情况看，这些替代物并不十分理想，价格昂贵，对人类健康和环境有无危害也是一个未知数，而空气作为人类的生命之源是最理想的“CFCs替代物”。
2.2 空气循环有很好的实用性
空气循环压力较低，设备运行工况安全，不存在制冷剂的购买、运输、保存等工作及由此所引起的一系列问题，也不存在污染环境的问题，大大降低了对制冷机系统的气密性要求，组成简单，简化了维护，更增加了运行可靠性，降低了维修费用。可以根据要求灵活调整冷却温度和制冷能力，而无需高技能人员进行操作。
2.3 在非设计工况下制冷性能不会下降太多
低温工况可以生产出冷量，环境温度较高时也可以生产出热量。国外研究表明，同时制热又制冷的系统，可以得到更高的效率和更低的能量耗费。
2.4 空气制冷机低温运行性能良好
目前空气制冷循环系统虽然在普通制冷空调温度区域COP要明显低于蒸气压缩制冷系统的COP，但在-50～-80℃范围内两者相差不大，这是由于在此低溫下运行，蒸气压缩制冷需采用多级压缩或复叠式压缩，这导致系统COP的降低和投资的增加；当制取-80℃以下低温时，定压回冷空气制冷机的COP要高于复叠式蒸汽压缩制冷机的COP，且系统流程和设备却简单得多。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，近些年来透平膨胀机等技术的发展，使得本已与环境很友好的空气工质在低温领域中更具有魅力。
3 现代食品冷冻冷藏
3.1 冷库的新要求
近年来冷冻冷藏食品发展迅速，一些发达国家冷冻冷藏食品销量已占总量的50%。现代食品冷冻冷藏工艺正因为需求的增加而向低温方向发展，根据食品冷冻或冷藏工艺要求的不同，要求库温在O～-100℃大范围内可调节，并要求制冷系统长期在-30℃以下运行。
3.2 食品的玻璃态冻藏
20世纪90年代至今，冻藏温度被赋予了新的研究内容，那就是玻璃态转化温度Tg。玻璃态是一种非晶状的固体。一般溶液在足够大的冷却速率下可迅速通过结晶区而不发生晶化，过冷成为玻璃态的固体，而且在玻璃化转变温度下，不会发生再结晶的现象。食品处于玻璃态时，结晶、再结晶等受分子扩散控制的反应不会发生，或反应速度比一般冻藏时的大大减小。草莓的玻璃态温度是-43.5℃，与一般冻结方法相比，在低于此温度的环境条件下贮藏草莓能最大程度地保持草莓原有的质量，是一种理想的保存方法。
3.3 冷链建设
围绕“原料产地→食品加工厂→保鲜冷藏→卖场→家庭”这条食品物流主线，对应着“冷藏车、冷库、商业冷柜、家用冰箱”等产品，将形成一条具有鲜明特色的产业链一一冷链。目前，“链”的两端已经初具规模:冷库总容量已超过50万t，但是介于两端的冷藏运输环节却相对滞后。这表现在冷藏运输能力不足，运输工具相对落后、种类单一且发展不平衡、在数量上和质量上都不能满足当前需要，此外，冷冻机生产技术水平落后。
4 双级压缩中间冷却循环系统理论研究
为使压缩机入口有一定的过热度，在双级压缩系统中采用不完全中间冷却循环。高压级压气机由高速电机驱动，低压级压气机与同轴的涡轮安装在共同外壳内形成涡轮压气机组件，由膨胀机的输出功驱动实现等功率匹配。这种系统制冷量大，回收了膨胀功使性能系数提高。两级压缩回热式空气制冷循环的T-S占图如图1所示。
图1 两级压缩回热式空气循环系统T-S图
Tk一冷凝温度；Q一能量；W一功；T0一蒸发温度
本系统的工作流程如图2所示:环境空气进入一级(高压)压气机，绝热压缩，经中间冷却器，工质气流被冷却，然后工质气流进入由升压涡轮驱动的二级(低压)压气机中被进一步压缩，并在后冷却器中与环境空气等压热交换，再进入回冷热交换器的热通道，而后工质以较低温度、低含湿量、高压力状态进入涡轮膨胀降温，送入到需冷空间。
图2 两级压缩引导系统空气制冷循环理论示意图
1-一级压缩机2-中间冷却器3-二级压缩机4-后冷却器
5-回冷热交换器6-涡轮膨胀机7-需冷空间
5 实验台的构思及实验数据分析
5.1 实验台的构思
对现有的冷藏拖车进行改造，设计了一个空气制冷循环冷藏实验台。表1为现有蒸汽系统冷藏拖车性能数据，图3为本实验台装置图。压缩和膨胀过程用等熵效率ηc和ηt，由式(1)、式(2)计算。热交换过程等熵效率ηk由公式(3)确定，该数值也体现了热交换器压降，制冷系数由公式(4)确定。
表1 现有蒸汽系列冷藏拖车性能
图3 实验台装置图
各种效率公式如下:
(1)
式中ηc—压缩机等熵效率，%
Kc—压缩机压力比；
Ti—压缩机进口温度，K；
T0—压缩机出口温度，K；
γ—制冷剂系数。
(2)
式中ηt—涡轮机等熵效率，%；
Kt—涡轮机压力比；
Ti—涡轮机进口温度，K；
TO—涡轮机出口温度，K。
(3)
式中ηh—热交换器效率，%；
TA—热交换器A边温度，K；
TB—热交换器B边温度，K。
(4)
式中COP—制冷系数；
qo—制冷量，KJ；
W—机械功，KJ；
5.2 实验设备
5.2.1 压缩机
用现有拖车的柴油发动机为实验台提供动力。发动机是四汽缸、装有离心式离合器和全部辅助设备的水冷柴油发动机，由一个微处理器控制。一级压缩机的压力比是1.70，压缩机需要转速约55000r/min。
5.2.2 涡轮机
大多数涡轮增压器使用普通油轴承，成本低、性能可靠并且可以提供轴振动的有效阻尼。但是，普通轴承由于油的粘性损失了大量轴功，用于二级压缩机的引导轴会损失2～3kW机械能，也就是大约25%涡轮机能量。利用高速球轴承或者空气轴承，性能将优于普通轴承，可降低轴承功率损耗、降低增压涡轮叶片间隙损失、增加轴向负载能力。本试验台受到技术资源限制，使用了标准涡轮增压器普通轴承。
5.2.3 热交换器
中间冷却器采用汽车上的板翅式铝制热交换器。由于现有的拖车底盘的布局限制了板翅结构，将损失一部分热交换器性能。基于实验室的测试和热交换器模型，预计回热热交换器和后冷却器的效率是80%。
5.2.4 测量仪表
温度传感器:由于热电偶结构简单，制作方便，材料价格便宜、易得，测量稳定性好，同时考虑到空气制冷机系统性能实验测量范围，选用铜-康铜热电偶，在实验室温度标定台上77～373K温度区间内对自制热电偶进行了标定。
在气源温度、透平膨胀机进出口温度、低温箱进出口温度、箱体内部温度及换热器冷、热气体进出口分别进行温度测量。
压力传感器:本系统选用了尺寸小、可靠性好、价格便宜的GYG01通用高精度固态压阻压力传感器。采用精度较高的活塞压力计对其进行了标定。
流量的测量:采用三个流量计、两个LZB一25型玻璃转子流量计和一个LWGQ一巧型气体涡轮流量计。两个玻璃浮子流量计分别装在气源总管路上和轴承进气管道上，涡轮流量计则安装在气源制冷機前的透平气总路上。
实验在+3O℃的周围环境温度下，分别测试在0℃和-20℃工况下的性能来评价运输冷藏系统，同时测定了非满载状态-20℃的性能。实验中系统运行优良，在三种操作环境下得到了充足的测量数据，性能详见表2。
表2 性能实验测且数据
5.3 实验数据分析
将实验结果绘制成图如图4所示。图4说明空气循环制冷系数和涡轮机出口温度(-2O～30℃)随实验系统循环压力比的变化。循环压力比定义为在二级压缩机出口的最大的循环压力和涡轮机出口压力的比率。对理想的空气循环来说，不计损失，循环制冷系数随循环压力比增加而减少，而且当压力比接近1时，制冷率理论上趋于无限大。但是，实际效率表明存在一个特定的循环压力比使制冷率达到峰值。图4表明了系统在适中变化的制冷率的范围内有广泛的压力比和制冷量取值范围。
为了达到冷却目标，需要更高的循环压力比和流量，这将导致更低的增压涡轮效率，循环设计点也要顾及热交换器性能。管道和热交换器的压力损失与流速的平方成正比。选择高循环压力比，相应增加的空气流量而使后冷却器进口的流体密度增加，其综合效应是热交换器里平均速度的减少、热交换器和管道里的压力损失的减少以及热交换器效率的增加。为了取得热交换器在可提供的实际空间内的性能，选择了一个系统压力比，它稍高于达到制冷率峰值所需的压缩比值。
图4 制冷系数以及空气出口温度随两级压缩循环压力比变化图
6 结语
综上所述，空气制冷循环是能满足大气环境生态要求的最佳制冷循环，并具有其它制冷循环所不具备的优良特性。但正如文章所研究的，应用和推广空气制冷系统，还需解决许多关键技术，这需要我们在实践中不断总结与探索。
参考文献
[1] 李敏华;巫江虹.空气制冷技术在低温领域中的应用分析[J].低温与特气,2004年02期
[2] 刘云霞;刘咸定.用空气作工质的制冷系统研究概况[J].制冷与空调(四川),2006年01期
关键词:空气制冷；优势；食品冷冻冷藏；冷链建设
中图分类号：TB6文献标识码： A 文章编号：
1 引 言
目前国内冷库中制冷剂有氟利昂和氨两种，采用氟利昂(CFCs) 类物质制冷对臭氧层有破坏作用以及会产生温室效应，因此，《蒙特利尔协议》就全面禁止使用氟利昂(CFCs) 类物质制冷，并寻求氟利昂的替代品；比如氨、有毒、危险等等。如今对一些氟利昂的替代品的研究取得了一定的进展，但是就目前情况看，最具有应用前景的就是空气制冷系统。
2 空气制冷机的优势
2.1 工质(空气)无毒、随取随用、免费、环境友好
CFCs制冷工质对臭氧层有极大的破坏作用，在不久的将来会被全面禁止使用，寻找其替代工质是大势所趋。虽然如今的研究取得了一定的进展，但是就目前情况看，这些替代物并不十分理想，价格昂贵，对人类健康和环境有无危害也是一个未知数，而空气作为人类的生命之源是最理想的“CFCs替代物”。
2.2 空气循环有很好的实用性
空气循环压力较低，设备运行工况安全，不存在制冷剂的购买、运输、保存等工作及由此所引起的一系列问题，也不存在污染环境的问题，大大降低了对制冷机系统的气密性要求，组成简单，简化了维护，更增加了运行可靠性，降低了维修费用。可以根据要求灵活调整冷却温度和制冷能力，而无需高技能人员进行操作。
2.3 在非设计工况下制冷性能不会下降太多
低温工况可以生产出冷量，环境温度较高时也可以生产出热量。国外研究表明，同时制热又制冷的系统，可以得到更高的效率和更低的能量耗费。
2.4 空气制冷机低温运行性能良好
目前空气制冷循环系统虽然在普通制冷空调温度区域COP要明显低于蒸气压缩制冷系统的COP，但在-50～-80℃范围内两者相差不大，这是由于在此低溫下运行，蒸气压缩制冷需采用多级压缩或复叠式压缩，这导致系统COP的降低和投资的增加；当制取-80℃以下低温时，定压回冷空气制冷机的COP要高于复叠式蒸汽压缩制冷机的COP，且系统流程和设备却简单得多。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，近些年来透平膨胀机等技术的发展，使得本已与环境很友好的空气工质在低温领域中更具有魅力。
3 现代食品冷冻冷藏
3.1 冷库的新要求
近年来冷冻冷藏食品发展迅速，一些发达国家冷冻冷藏食品销量已占总量的50%。现代食品冷冻冷藏工艺正因为需求的增加而向低温方向发展，根据食品冷冻或冷藏工艺要求的不同，要求库温在O～-100℃大范围内可调节，并要求制冷系统长期在-30℃以下运行。
3.2 食品的玻璃态冻藏
20世纪90年代至今，冻藏温度被赋予了新的研究内容，那就是玻璃态转化温度Tg。玻璃态是一种非晶状的固体。一般溶液在足够大的冷却速率下可迅速通过结晶区而不发生晶化，过冷成为玻璃态的固体，而且在玻璃化转变温度下，不会发生再结晶的现象。食品处于玻璃态时，结晶、再结晶等受分子扩散控制的反应不会发生，或反应速度比一般冻藏时的大大减小。草莓的玻璃态温度是-43.5℃，与一般冻结方法相比，在低于此温度的环境条件下贮藏草莓能最大程度地保持草莓原有的质量，是一种理想的保存方法。
3.3 冷链建设
围绕“原料产地→食品加工厂→保鲜冷藏→卖场→家庭”这条食品物流主线，对应着“冷藏车、冷库、商业冷柜、家用冰箱”等产品，将形成一条具有鲜明特色的产业链一一冷链。目前，“链”的两端已经初具规模:冷库总容量已超过50万t，但是介于两端的冷藏运输环节却相对滞后。这表现在冷藏运输能力不足，运输工具相对落后、种类单一且发展不平衡、在数量上和质量上都不能满足当前需要，此外，冷冻机生产技术水平落后。
4 双级压缩中间冷却循环系统理论研究
为使压缩机入口有一定的过热度，在双级压缩系统中采用不完全中间冷却循环。高压级压气机由高速电机驱动，低压级压气机与同轴的涡轮安装在共同外壳内形成涡轮压气机组件，由膨胀机的输出功驱动实现等功率匹配。这种系统制冷量大，回收了膨胀功使性能系数提高。两级压缩回热式空气制冷循环的T-S占图如图1所示。
图1 两级压缩回热式空气循环系统T-S图
Tk一冷凝温度；Q一能量；W一功；T0一蒸发温度
本系统的工作流程如图2所示:环境空气进入一级(高压)压气机，绝热压缩，经中间冷却器，工质气流被冷却，然后工质气流进入由升压涡轮驱动的二级(低压)压气机中被进一步压缩，并在后冷却器中与环境空气等压热交换，再进入回冷热交换器的热通道，而后工质以较低温度、低含湿量、高压力状态进入涡轮膨胀降温，送入到需冷空间。
图2 两级压缩引导系统空气制冷循环理论示意图
1-一级压缩机2-中间冷却器3-二级压缩机4-后冷却器
5-回冷热交换器6-涡轮膨胀机7-需冷空间
5 实验台的构思及实验数据分析
5.1 实验台的构思
对现有的冷藏拖车进行改造，设计了一个空气制冷循环冷藏实验台。表1为现有蒸汽系统冷藏拖车性能数据，图3为本实验台装置图。压缩和膨胀过程用等熵效率ηc和ηt，由式(1)、式(2)计算。热交换过程等熵效率ηk由公式(3)确定，该数值也体现了热交换器压降，制冷系数由公式(4)确定。
表1 现有蒸汽系列冷藏拖车性能
图3 实验台装置图
各种效率公式如下:
(1)
式中ηc—压缩机等熵效率，%
Kc—压缩机压力比；
Ti—压缩机进口温度，K；
T0—压缩机出口温度，K；
γ—制冷剂系数。
(2)
式中ηt—涡轮机等熵效率，%；
Kt—涡轮机压力比；
Ti—涡轮机进口温度，K；
TO—涡轮机出口温度，K。
(3)
式中ηh—热交换器效率，%；
TA—热交换器A边温度，K；
TB—热交换器B边温度，K。
(4)
式中COP—制冷系数；
qo—制冷量，KJ；
W—机械功，KJ；
5.2 实验设备
5.2.1 压缩机
用现有拖车的柴油发动机为实验台提供动力。发动机是四汽缸、装有离心式离合器和全部辅助设备的水冷柴油发动机，由一个微处理器控制。一级压缩机的压力比是1.70，压缩机需要转速约55000r/min。
5.2.2 涡轮机
大多数涡轮增压器使用普通油轴承，成本低、性能可靠并且可以提供轴振动的有效阻尼。但是，普通轴承由于油的粘性损失了大量轴功，用于二级压缩机的引导轴会损失2～3kW机械能，也就是大约25%涡轮机能量。利用高速球轴承或者空气轴承，性能将优于普通轴承，可降低轴承功率损耗、降低增压涡轮叶片间隙损失、增加轴向负载能力。本试验台受到技术资源限制，使用了标准涡轮增压器普通轴承。
5.2.3 热交换器
中间冷却器采用汽车上的板翅式铝制热交换器。由于现有的拖车底盘的布局限制了板翅结构，将损失一部分热交换器性能。基于实验室的测试和热交换器模型，预计回热热交换器和后冷却器的效率是80%。
5.2.4 测量仪表
温度传感器:由于热电偶结构简单，制作方便，材料价格便宜、易得，测量稳定性好，同时考虑到空气制冷机系统性能实验测量范围，选用铜-康铜热电偶，在实验室温度标定台上77～373K温度区间内对自制热电偶进行了标定。
在气源温度、透平膨胀机进出口温度、低温箱进出口温度、箱体内部温度及换热器冷、热气体进出口分别进行温度测量。
压力传感器:本系统选用了尺寸小、可靠性好、价格便宜的GYG01通用高精度固态压阻压力传感器。采用精度较高的活塞压力计对其进行了标定。
流量的测量:采用三个流量计、两个LZB一25型玻璃转子流量计和一个LWGQ一巧型气体涡轮流量计。两个玻璃浮子流量计分别装在气源总管路上和轴承进气管道上，涡轮流量计则安装在气源制冷機前的透平气总路上。
实验在+3O℃的周围环境温度下，分别测试在0℃和-20℃工况下的性能来评价运输冷藏系统，同时测定了非满载状态-20℃的性能。实验中系统运行优良，在三种操作环境下得到了充足的测量数据，性能详见表2。
表2 性能实验测且数据
5.3 实验数据分析
将实验结果绘制成图如图4所示。图4说明空气循环制冷系数和涡轮机出口温度(-2O～30℃)随实验系统循环压力比的变化。循环压力比定义为在二级压缩机出口的最大的循环压力和涡轮机出口压力的比率。对理想的空气循环来说，不计损失，循环制冷系数随循环压力比增加而减少，而且当压力比接近1时，制冷率理论上趋于无限大。但是，实际效率表明存在一个特定的循环压力比使制冷率达到峰值。图4表明了系统在适中变化的制冷率的范围内有广泛的压力比和制冷量取值范围。
为了达到冷却目标，需要更高的循环压力比和流量，这将导致更低的增压涡轮效率，循环设计点也要顾及热交换器性能。管道和热交换器的压力损失与流速的平方成正比。选择高循环压力比，相应增加的空气流量而使后冷却器进口的流体密度增加，其综合效应是热交换器里平均速度的减少、热交换器和管道里的压力损失的减少以及热交换器效率的增加。为了取得热交换器在可提供的实际空间内的性能，选择了一个系统压力比，它稍高于达到制冷率峰值所需的压缩比值。
图4 制冷系数以及空气出口温度随两级压缩循环压力比变化图
6 结语
综上所述，空气制冷循环是能满足大气环境生态要求的最佳制冷循环，并具有其它制冷循环所不具备的优良特性。但正如文章所研究的，应用和推广空气制冷系统，还需解决许多关键技术，这需要我们在实践中不断总结与探索。
参考文献
[1] 李敏华;巫江虹.空气制冷技术在低温领域中的应用分析[J].低温与特气,2004年02期
[2] 刘云霞;刘咸定.用空气作工质的制冷系统研究概况[J].制冷与空调(四川),2006年01期