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空气循环制冷系统的制冷剂是空气，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；但空气循环制冷系统性能系数偏低，因此对于空气制冷系统而言，改善其制冷性能意义重大。更重要的是，由于空气中的水蒸气在涡轮中冷凝成水或结冰，这对系统的运行危害极大。不仅要提高空气制冷系统的效率，同时也要降低系统中空气含湿量，对这两方面进行研究具有重要的理论及实际意义。为了有效降低涡轮进口压缩空气的含湿量，本文在原有空气循环制冷系统中增加了高效气水分离器，除去涡轮进口湿空气中携带的冷凝游离水，并对低温箱进行改进，以提高系统运行的性能。试验台改进后，在不同的工况条件下，对三种回热循环流程的空气制冷系统的性能进行数值模拟和实验研究，最后分析结果，得出如下结论：(1)模拟和实验结果表明，对系统的制冷效率而言，压气机进口压力的升高，增大了涡轮的膨胀比，降低了涡轮的出口温度，提高了系统COP和制冷量。模拟结果显示，在二级回热流程下，当压气机进口压力由170kPa升高到200kPa时，系统COP升高了约33%。在相同条件下实验值的增幅稍小，约升高了30%。对系统的除水性能而言，模拟和实验结果表明，压气机进口压力的升高对涡轮进口空气的含湿量几乎没有影响，但涡轮中水蒸气的冷凝量随着压气机进口压力的升高显著增加，实验中无回热方案下增加最明显。(2)模拟和实验结果表明，在系统中增设回热器及相应的水分离器，可显著提高系统制冷效率和除水性能。模拟结果表明，与无回热相比，二级回热系统中的涡轮进口含湿量最多可下降44%，而相同条件下实验值稍小，约为40%。同时，回热器的增加也提高了系统制冷量，改善了系统COP。实验结果表明，在压气机进口压力为200kPa时，二级回热系统的COP较无回热系统提高了约40%，相同条件下模拟结果COP的增幅约为48%。(3)模拟和实验结果表明，系统COP和系统制冷量均随制冷温度的升高而增加。实验结果表明，对二级回热流程，当压气机进口压力为200KPa时，制冷温度从-20℃升高到-10℃时，系统的COP从0.23升高到0.38，升高了约65%，而相同条件下的仿真结果系统COP仅升高了36%。对于除水性能而言，模拟结果表明，涡轮进口空气含湿量和涡轮中水蒸气的冷凝量都随制冷温度的升高而增加。在压气机进口压力为200kPa时，当系统制冷温由-25℃升高到-5℃时，涡轮进口空气含湿量由0.927g/kg增至1.24g/kg，增加了约34%。(4)实验结果表明，随压气机压比的升高，涡轮膨胀比不断增大且增大速率变快。涡轮的折合流量随涡轮膨胀比的增加而增大，且当涡轮膨胀比约为3时，折合流量达到最大值。