空气制冷循环是利用压缩空气在涡轮内的绝热膨胀实现制冷,与膨胀机同轴连接的离心压气机回收膨胀功,可以减少系统的耗功量,从而提高空气制冷系统的性能系数。此外,空气作为天然制冷剂,对环境无任何污染,是未来可选择的替代制冷剂。因此,开展对空气制冷循环的研究具有重要理论意义和实际应用价值。本文搭建了低温空气制冷速冻实验台,根据其工作流程,建立了空气制冷系统的集总参数模型,用Matlab软件编写程序,对系统的制冷性能进行了模拟计算。模拟结果表明,压气机进口压力是影响涡轮出口温度和系统制冷量的主要因素;在系统中增加回热器可以显著降低涡轮出口的温度,并使系统的制冷量增大。在压气机进口压力为200kpa的工况下,有回热器的系统涡轮的出口温度可以达到-45℃,系统的制冷量约为6kw。为了进一步研究空气制冷系统的性能,在低温空气制冷速冻实验台上对开式正升压空气制冷循环进行了变工况实验研究,工况变化包括,改变制冷系统的进口压力以及散热器的冷边风量,分析了该空气制冷机组在不同的工况下的制冷性能,并与模拟结果进行了比较。实验结果表明:随着压气机进口压力以及散热器冷边风量的增加,涡轮出口温度降低,在压气机进口压力为200kpa、散热器冷边风量为48kg/min的工况下,涡轮出口温度最低可以达到-50℃左右,涡轮的出口温度可以在较短的时间内,达到稳定状态,满足低温速冻要求。对有、无回热器的空气制冷系统性能的比较发现,在压气机进口压力不变的条件下,有回热器系统的流动阻力增大,导致系统质量流量降低,但是涡轮出口温度降低,在两种因素的综合影响下,有回热的系统制冷量大于无回热的系统制冷量。在压气机进口压力为200kpa的条件下,有回热工况下系统的制冷量比无回热工况制冷量增大了 8.6%。涡轮冷却器的出口温度以及系统制冷量的模拟计算结果,与实验结果的趋势一致,表明使用集总参数的模拟计算方法可行。