逆布雷顿循环空气制冷机采用空气作为工质，通过压缩机等熵压缩，经后冷却器冷却，回热器降温，在透平膨胀机内等熵绝热膨胀并对外作功，获得低温气流来制取冷量。由于工质空气的多变指数较大，在相同工况下压比较大，传热温差增加，不可逆损失增大；在相同压比下消耗功多，使得逆布雷顿循环空气制冷机在常温区的效率略低。随着高速透平膨胀机特别是气体轴承透平膨胀机和高效紧凑换热器的发展，透平逆布雷顿循环空气制冷机的效率得到显著提高，可获得很低的制冷温度和很宽制冷量范围，具有高的可靠性。因此近几十年来，逆布雷顿空气制冷机得到了很大的发展，主要应用于飞机空调系统、列车空调、环境试验室、石油化工加工、食物保鲜及快速冷冻等领域。
2逆布雷顿循环空气制冷机逆布雷顿循环空气制冷机是以无环境公害的空气为循环工质，利用空气状态在制冷机内的循环变化，实现把热量从低温物体不断转移到高温物体的机器。基本循环包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热4个过程。实际的空气制冷循环主要可分为开式制冷循环和闭式制冷循环，具体采用的循环可根据实际情况选择不同的流程形式。本文所分析的小型透平逆布雷顿循环空气制冷机模型采用的是开式回冷常压直接吸热循环，主要组成部件包括：压缩机、换热器、膨胀机、低温室以及连接管道等。
理论循环在T S图中由1 2 3 456 1表示。
由于制冷机内部外部的各种损失，空气制冷机的实际循环和理论循环差别很大。为了便于分析和抓住主要矛盾，分析与理论循环的主要区别，并在此基础上采取一些新的假设和处理方法。
（1）工质性质：假设工质空气是理想气体，在本文所讨论的空气制冷机工作温度和压力范围内，这一假设所引起的误差很小，可以忽略不计，因此，把空气当作理想气体处理。
（2）流动阻力损失：在实际过程中，空气在空气制冷机内循环流动时必然存在各种阻力损失，使得压缩机的压缩比要大于膨胀机的膨胀比。但一般情况下，吸热、放热两个等压过程中的阻力损失都较小，而压缩和膨胀过程中的损失用其他方法考虑，所以在实际循环分析中，仍然假设吸放热过程为等压过程；压缩和膨胀过程中的损失可以折算到进出口压力上去。
在实际回冷循环中还有其特有的附加损失，来源就是回冷换热器本身。
（3）回冷热交换器所造成的附加损失有：两流体间必然要有传热温差，因冷量不能全部回收所造成的损失，使得回冷热交器的效率必然小于1；流动阻力损失；与外界的漏热损失。
在处理回冷实际循环时可以假设它没有流动损失，并把系统管道、附件与外界间的漏热损失，折算成用冷装置的热负荷。考虑以上因素后可得到逆布雷度循环空气制冷机实际循环的热力过程原理图，由12 3 4 5 6 1表示。
3空气制冷机的性能分析空气制冷机的性能一般用制冷系数COP来表示，是制冷量输入功的比值。COP = q 0 W式中q 0为制冷机的产冷量； W为制冷机耗功量。制冷系数COP表示制冷机消耗单位能量所获得的冷量，从数量上反映了制冷机对所耗能量的利用率。制冷机的产冷量q 0 = i 6 - i 5 = c p（T 0 - T 5） = c p（T 0 - T 5）es - c p T式中c p为空气的比定压热容， kJ/（kg）； T为回热器的传热温差。空气的比定压热容在一般使用的压力、温度范围内可看作是常数， T 0是要求获得的制冷温度，所以增大q 0的有效途径是降低膨胀机出口气流温度T 5。
由热力循环图可以看出：T 4 = T 0 + T = T 0 + （T k - T 0）（1 - R）式中R为换热器效率，所以，T = （T k - T 0） （ 1 - R）。
制冷机的耗功量W = W c - W e；式中W c表示压缩机压缩气体耗功； W e表示膨胀机膨胀气体做功；压缩机耗功W= p 0 p k =得出： COP = T 0（k- 1 k - 1）es - （T k - T 0） （ 1 - R）T k（k- 1 k - 1） / es - T 0（k- 1 k - 1）es可以得到，循环制冷系数COP可以表示成下述参数的函数形式COP = f （T 0， T k， ，R，es，cs）4优化分析在工程实际中，空气制冷机压缩机可以采用活塞式以及螺杆式等，效率一般在0. 6 0. 8之间，通常为0. 7左右；膨胀机采用径流式气体轴承膨胀机，在规定工况内运行效率约在0. 5 0. 7之间，通常为0. 6左右；回热器采用高效紧凑的板翅式换热器，效率可以达到0. 75 0. 95，通常在0. 8左右；压比、环境温度和制冷温度，可以根据实际及要求情况进行选取。
下面根据各主要参数在工程中可满足的范围来对制冷系数进行分析。
（1）压缩机绝热效率，膨胀机的有效效率，回冷热交换器的效率对COP值的影响= 300 K，= 3 0，es = 0 6，R = 0 8工况时，制冷温度T 0分别为200 K， 240 K， 280 K时得到的压缩机效率对COP值的影响。
工况时，制冷温度T 0分别为200 K， 240 K， 280 K时得到的膨胀机效率对COP值的影响。同样，是在假设工况在T k = 300 K，= 3 0，es = 0 6，cs = 0 7，R = 0 8时，制冷温度T 0分别为200 K， 240 K，280 K时得到的换热器效率对COP值的影响。由图中可以看出，在一定的压力比和工作温度下，随着es，cs，ex的增大，制冷系数随之增大，而膨胀机效率es对制冷系数的影响*为明显，因此要提高空气制冷机制冷系数，提高膨胀机的效率是*有效的。换热器效率和COP值成线性关系，所以提高换热器效率也是改善制冷系数的有效途径。从中也可以看出，随着制冷温度T 0的升高，换热器效率对制冷系数的影响越来越小。
（2）空气制冷机系统工作温度对制冷系数的影响= 200 K，= 3 0，es = 0 6，cs = 0 7，R = 0 8工作时计算得到的环境温度与COP值的关系；是在假设T k = 300 K，= 3 0，es = 0 6，cs = 0 7，R = 0 8工作状况时计算得到的制冷温度与COP值的关系。从图中可以看出，对于一定的效率和膨胀比，制冷系数随环境温度的增大而增大，随着制冷温度的减小而减小。
（3）空气制冷机工作压力比对制冷系数的影响假设T 0 = 200 K， T k = 300 K，es = 0 6，cs = 0 7， = 0 8的工况，通过计算给出了工作压力比对空气制冷机制冷系数的影响。从COP的表达式分析，要使制冷系数*大，存在着一个*佳的压力比opt。从图中选取的参数范围可以看出，各效率以及工作温度一定的条件下，压比在提高到4以上时，压力比opt的变化对制冷系数的影响并不大，所以在选择回冷循环的工作压力范围时，应综合考虑机组管道、附件尺寸及制冷系数各方面的因数，而不必过分强调*佳压力比op t。
（4）不带增压机的制冷流程COP值的变化以上分析的系统都是采用增压机的增压流程，即透平膨胀机发出的功率传给增压机用来压缩工作气体。增压机的采用，可以有效的回收透平膨胀机的功率，从而提高系统效率。若系统中无增压机时，则采用制动风机制动使透平膨胀机的输出功转化成热量。
此时，COP = T 0（k - 1 k - 1）es - （T k - T 0） （ 1 - R）T k（k - 1 k - 1） / cs。为假设制冷工况T k = 300 K，es = 0 6，cs = 0 7，R = 0 8，= 3 0，增压流程和制动风机流程在不同的制冷温度下COP值的变化。从图中可以看出，增压机的流程性能明显优于制动风机流程。
通过对循环的分析得到，要提高整个制冷循环的效率，关键是要提高膨胀机、压缩机及回热器的效率，因此在整个循环中应采用高效率的膨胀机、压缩机和高效率的紧凑式换热器，而采用高效率的透平膨胀机是提高整个循环效率*有效的手段。同时采用增压机回收透平膨胀机的功率，对系统的热力状态参数要进行合理的匹配，使其达到*佳运行工况。
5小结小型透平-逆布雷顿循环制冷机的研究项目从中国民用航天及国防建设的要求都是需要急待开发的。逆布雷顿空气制冷机在普冷及深冷领域都有其一定的优势及发展前景，正在被广泛的应用。但由于存在不可逆损失等因素，制冷机的效率仍需改善。本文对空气制冷机的制冷系数进行了理论分析，得出影响制冷机制冷系数的主要因素，并对如何改进制冷机的性能提出了可行性建议。
