等熵膨胀制冷.docx

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等熵膨胀制冷

等熵膨胀制冷

高压气体绝热可逆膨胀过程，称为等熵膨胀。

气体等熵膨胀时，有功输出，同时气体的温度降低，产生冷效应。

这是获得制冷的重要方法之一，尤其在低温技术领域中。

常用微分等熵效应

来表示气体等熵膨胀过程中温度随压力的变化，其定义为：

（1）

因

总为正值，故气体等熵膨胀时温度总是降低，产生冷效应。

对于理想气体，膨胀前后的温度关系是：

（2）

由此可求得膨胀过程的温差

（3）

对于实际气体，膨胀过程的温差可借助热力学图查得，如图1所示。

图1等熵过程的温差

由于等熵膨胀过程有外功输出，所以必须使用膨胀机。

当气体在膨胀机内膨胀时，由于摩擦、漏热等原因，使膨胀过程成为不可逆，产生有效能损失，造成膨胀机出口处工质温度的上升，制冷量下降。

工程上，一般用绝热效率来表示各种不可逆损失对膨胀机效率的影响，其定义为：

（4）

即为膨胀机进出口的实际比焓降Δhpr与理想焓降（即等熵焓降）Δhid之比。

目前，透平式膨胀机的效率可达到0.75～0.85，活塞式膨胀机的效率达0.65～0.75。

比较微分等熵效应和微分节流效应两者之差为：

（5）

因为υ始终为正值，故αs＞αh。

因此，对于气体绝热膨胀，无论从温降还是从制冷量看，等熵膨胀比节流膨胀要有效得多，除此之外，等熵膨胀还可以回收膨胀功，因而可以进一步提高循环的经济性。

以上仅是对两种过程从理论方面的比较。

在实用时尚有如下一些需要考虑的因素：

（1）节流过程用节流阀，结构比较简单，也便于调节；等熵膨胀则需要膨胀机，结构复杂，且活塞式膨胀机还有带油问题；

（2）在膨胀机中不可能实现等熵膨胀过程，因而实际上能得到的温度效应及制冷量比理论值要小，这就使等熵膨胀过程的优点有所减小；（3）节流阀可以在气液两相区工作，但带液的两相膨胀机（其带液量尚不能很大）；（4）初温越低，节流膨胀与等熵膨胀的差别越小，此时，应用节流较有利。

因此，节流膨胀和等熵膨胀这两个过程在低温装置中都有应用，它们的选择依具体条件而定。

单一气体工质布雷顿循环

布雷顿（Brayton）制冷循环又称焦耳（Joule）循环或气体制冷机循环，是以气体为工质的制冷循环，其工作过程包括等熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及等压吸热四个过程，这与蒸气压缩式制冷机的四个工作过程相近，两者的区别在于工质在布雷顿循环中不发生集态改变。

历史上第一次实现的气体制冷机是以空气作为工质的，称为空气制冷机。

除空气外，根据不同的使用目的，工质也可以是CO2，N2，He等气体。

（1）无回热气体制冷机循环

图2示出无回热气体制冷机系统图。

气体由压力p0被压缩到较高的压力pc，然后进入冷却器中被冷却介质（水或循环空气）冷却，放出热量Qc，而后气体进入膨胀机，经历作外功的绝热膨胀过程，达到很低的温度，又进入冷箱吸热制冷。

循环就这样周而复始地进行。

在理想情况下，我们假定压缩过程和膨胀过程均为理想绝热过程，吸热和放热均为理想等压过程（即没有压力损失），并且换热器出口处没有端部温差。

这样假设后的循环称为气体制冷机的理论循环，其压容图及温熵图如3所示。

图中T0是冷箱中制冷温度，Tc是环境介质的温度，1－2是等熵压缩过程，2－3是等压冷却过程，3－4是等熵膨胀过程，4－1是在冷箱中的等压吸热过程。

无回热气体制冷机系统图（点击放大）理论循环P-v图与T-s图（点击放大）

图2无回热气体制冷机系统图图3无回热气体制冷机理论循环p－v图与T－s图

I－压缩机II－冷却器III－膨胀机IV－冷箱

现在进行理论循环的性能计算。

单位制冷量及单位热负荷分别是

（6）

（7）

单位压缩功和膨胀功分别是

（8）

（9）

从而可以计算出循环消耗的的单位功及性能系数

（10）

（11）

气体按理想气体处理时

则上式可简化为

（12）

由式（12）可以看出，无回热气体制冷机理论循环的性能系数与循环的压力比或压缩机的温度比

、膨胀机的温度比

有关。

压力比或者温度比越大，循环性能系数越低。

因而为了提高循环的经济性应采用较小的压力比。

因为热源温度是恒值，此时可逆卡诺循环的性能系数为：

因此上述理论循环的热力完善度为

（13）

由于

小于

，所以无回热气体制冷机理论循环的性能系数小于同温限下的可逆卡诺循环的性能系数，即

<

。

这是因为在

和

不变的情况下，无回热气体制冷机理论循环冷却器中的放热过程2－3和冷箱中的吸热过程4－1，具有较大的传热温差，因而存在不可逆损失。

压力比越大则传热温差越大，不可逆损失越大，循环的制冷系数越小，循环的热力完善度也越低。

由式（12）可以看出，当

及

给定时，

将保持不变；但随着

的降低（或

的升高）可逆卡诺循环的性能系数

将下降，使气体制冷机理论循环的热力完善度提高。

因此，用气体制冷机制取较低的温度时效率较高。

实际循环中压缩机与膨胀机中并非等熵过程，换热器中存在传热温差和流动阻力损失，这些因素使得实际循环的单位制冷量减小，单位功增大，性能系数与热力完善度降低，并引起循环特性的某些变化。

（2）定压回热气体制冷机循环

在分析无回热气体制冷机的理论循环时得出结论：

理论循环的性能系数随压力比

/

的减小而增大，所以适当的降低压力比是合理的。

但是由于环境介质温度是一定的，降低压力比将使膨胀后的气体温度升高，从而降低了循环的单位制冷量，同时也限制了制冷箱温度的降低。

应用回热原理，可以既克服了上述缺点，又达到了降低压力比的目的。

所谓回热就是把由冷箱返回的冷气流引入一个热交换器―回热器，用来冷却从冷却器来的高压常温气流，使其温度进一步降低，而从冷箱返回的气流则被加热，温度升高。

这样就使压缩机的吸气温度升高，而膨胀机的进气温度降低，因而循环的工作参数和特性发生了变化。

图4为定压回热式气体制冷机的系统图及其理论循环的T-s图。

图中1－2和4－5是压缩和膨胀过程；2－3和5－6是在冷却器中的冷却过程和及冷箱中的吸热过程；3－4和6－1是在回热器中的回热过程。

图4b中还表示出了工作于同一温度范围内具有相同制冷量的无回热循环6－7－8－5－6。

显然两个循环具有相同的工作温度和相等的单位制冷量，但定压回热循环的压力比，单位压缩功和单位膨胀功都比无回热循环的小得多。

现在进行定压回热理论循环的计算。

图4（ａ）定压回热气体制冷机系统图（点击放大）图4（b）定压回热气体制冷机循环的T-s图

理论循环制冷系数

因为

故

理论回热循环的性能系数可表示为：

（14）

或

（15）

由式（15）可以看出，回热循环1-2-3-4-5-6与无回热循环6－7－8－5，两者不单有相同的工作温度范围和相等的单位制冷量，而且理论性能系数的表达式也相同。

但这并不能说明两种循环是等效的，因为回热循环压力比小，不仅可以减小了压缩机和膨胀机的单位功，而且减小了压缩过程，膨胀过程和热交换过程的不可逆损失，所以回热循环实际性能系数比无回热循环大，特别是应用高效透平机械后，制冷机经济性大大提高。

当制取－80℃以下低温时，定压回热气体制冷机的热力完善度超过了各种型式的蒸气压缩式制冷机。

但是到目前为止，定压回热气体制冷机的应用还是很不普遍，这是因为它的热交换设备比较庞大，而且，当应用透平机械时只适用于大型的制冷装置。

混合工质布雷顿循环

（1）循环的组成

利用混合物做工质，将布雷顿制冷循环和朗肯循环（蒸气压缩式循环）有机结合在一起，可以构成新的热力循环，称之为混合工质布雷顿制冷循环，简称为混合工质制冷循环。

它由四个基本过程组成：

等熵压缩，在压缩器中完成；等压排热，在热交换器中完成；等熵膨胀，在膨胀器中完成；等压吸热，直接由气流或者通过热交换器进行。

图5为混合工质循环的的流程图。

图5混合工质循环流程图

气流在压缩器前的①点处于饱和状态（先按相变成分为水来介绍），由雾化喷嘴喷出的雾状水，使得气流在①'点时变成过饱和状态，然后进入压缩器中。

气流在被压缩过程中产生的压缩热使得雾状水迅速气化。

因为气化需要吸收潜热，所以压缩过程在较低的温度下进行，其排气温度要比压缩干空气时的温度低的多。

在不考虑气流和外界进行的热交换及系统内部各种损失所加给气流的热量时，混合工质的压缩过程为多变压缩过程，多变指数小于k值。

压缩器喷水量增多时，排气温度降低，压缩功减少。

但当压缩器排气达到饱和状态时再增大喷水量，则排气温度的降低和压缩功的减少程度较微。

一般压缩器喷水至②点排气达到饱和状态。

在热交换器Ⅰ中，饱和的气流被冷却流体带走热量而冷却。

在降温过程中，水蒸气要冷凝，并放出潜热。

冷凝水被收集起来，靠自身的压力或水泵驱动而送到雾化喷嘴。

分离出冷凝水后的气流，在③点处于该处温度下的饱和状态。

这时向进入膨胀器前的气流喷入雾化水，使之达到③'点时达到过饱和状态，然后进入膨胀器。

在膨胀器中，气体由于膨胀而降温，有一部分水蒸气要冷凝为水，并在温度进一步降到冰点以下时，凝结为冰粒或者雪花。

因为水的冷凝而在膨胀器中放出气化潜热和融化热。

使得整个气流温度比干空气膨胀时有所提高，气流膨胀程度也随着增加，所以膨胀器所回收的膨胀功也增大。

但出口④点气流混合物的总焓值仍比干空气膨胀时小。

气流经过④点进入负载热交换器Ⅱ中。

在负载热交换器中，气流吸收热量，温度升高和所含的冰融化，并有部分的水气化。

融化的水被收集，并用泵提高压力后输送到雾化喷嘴。

在负载热交换器的出口，气流为当地温度下的饱和状态，即①点状态，这样便完成了整个热力循环。

（2）热力循环分析

混合工质制冷循环可以视为朗肯（Rankine）循环和布雷顿循环的组合循环。

当相变成分为零时，混合工质循环变为布雷顿循环；当气体成分为零时，该循环变为朗肯循环。

下面分析该循环的每一个基本过程，并和朗肯循环及布雷顿循环进行比较。

为了方便地分析混合工质的状态，且又能定性的说明问题，下面的分析均以气体成分为对象，并认为相变成分的变化只是对气体成分的状态参数发生影响。

①压缩过程

图6为压缩过程的P-v图，其中1－2'为无相变成分时的压缩过程线；1－2为有相变的成分时的压缩过程线。

如图所示的υ2＜υ2'是由于在相同的压缩比下，相变成分的气化吸热，使得排气温度降低所造成的。

由图可见：

压缩过程1－2所需的压缩功（1－1－b－a面积）小于压缩过程1－2'所需的压缩功（1－2'－b－a面积）。

1－2'为布雷顿循环及朗肯循环的压缩过程线；1－2为混合工质循环的压缩过程线。

②等压排热过程

图7为等压排热过程的T-S图，图中2'－3为布雷顿循环的等压排热过程线；2－3为混合工质循环的等压排热过程线；2'－2'''－3为朗肯循环的等压排热过程线；2''－3为卡诺循环的等压排热过程线。

由图中可见，在得到相同的制冷量（面积4－a－b－1）的情况下，所需的循环功（只考虑等压排热过程的影响）为：

布雷顿循环最大（面积1－2'－3－4）；其次是混合工质循环（面积1－2－3－4）；再其次是朗肯循环（面积1－2'－2'''－3－4）；卡诺循环最小（面积1－2''－3－4）。

图6压缩过程的P－v图

图7等压排热过程的T－s图

③膨胀过程

图8为膨胀过程的P-v图，图中3－4'为布雷顿循环的膨胀过程线；3－4为混合工质循环的膨胀过程线。

由图可见：

υ4'＜υ4，混合工质循环的膨胀功（面积c－d－3－4）大于布雷顿循环的膨胀功（面积c－d－3－4'）。

朗肯循环的膨胀过程在节流元件（膨胀阀、毛细管等）中完成，其理想情况为等焓膨胀，对外部不做功。

图8膨胀过程的P－v图

图9等压过程的T－s图

④等压吸热过程

图9为等压吸热过程的T-S图，图中4''－1为卡诺循环的等压吸热过程线；4－1为混合工质循环的等压吸热过程线；4'－1为布雷顿循环的等压吸热过程线。

由图可见：

对于制冷量，卡诺循环（和朗肯循环相等，面积为4''－a－b－1）最大，混合工质循环其次，布雷顿循环最少。

对于获得相同制冷量所需的循环功（仅考虑等压吸热的影响），卡诺循环（朗肯循环）最少，混合工质循环其次，布雷顿循环最大。

从上述对于几个基本过程的分析中可见：

和布雷顿循环相比，混合工质循环的压缩功少，膨胀功大，等压吸、排热过程的不可逆损失小。

所以，混合工质循环的理论性能系数比布雷顿循环要大。

从分析中还可见：

和朗肯循环相比，混合工质循环等压吸、排热过程的不可逆损失较大；朗肯循环的膨胀过程对外部不做功，并且压缩过程为绝热压缩，过程指数为k值。

因为常用的氟利昂类制冷工质的k值较小，所以在相同的压缩比时，朗肯循环的压缩功并不大。

虽然混合工质循环的理论性能系数在使用温度高于某一数值时低于朗肯循环，但因为性能系数随着使用温度的降低，较平缓地减小，所以使用温度在低于某一数值时，混合工质循环的性能系数将高于朗肯循环。

当膨胀器进口不向气流喷水时，该温度值为－25℃左右；当膨胀器进口喷水时，该数值则在－20℃左右（混合工质循环压缩比为3）。

（2）制冷工质

混合工质循环所用的制冷（热）工质应包含气体成分和相变成分两部分。

相变成分可以是一种或者两种物质。

制冷工质应当满足下述必要条件：

1）气体成分在整个循环中只发生状态变化，不发生相变；

2）在循环的某一过程中，相变成分应发生所要求的相变；

3）气体成分和相变成分之间及相变成分之间不应发生化学反应。

实际选用相变成分时还应考虑另一些条件，如相变物质在压缩过程中的气化量和在等压排热过程中的冷凝量要大。

这就要求在压缩和冷凝过程的温度范围内，饱和的相变成分含量的变化要大；相变成分气化及融化潜热要大；使用温度应高于凝固点；粘度小、价格便宜、对机器不腐蚀、无污染和安全性好等。

目前，对于空调和普冷领域大多用空气和水组成的混合成分做制冷工质。

这是因为这两种物质最容易获得，且水的气化潜热很大，又易于雾化的缘故。

混合工质循环理论性能系数较高、制冷工质易于获得，且成本低、对环境和大气无污染。

采用混合工质循环的混合工质制冷机和热泵，还具有实际性能系数较高、转速低、功率输入容易、使用和维护简便、寿命长、成本低等优点。

目前，混合工质制冷循环已成功的用于飞机环境控制系统和低温气流供给系统，并发展了许多实用流程。

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