等熵膨脹制冷

1、等熵膨脹制冷 高壓氣體絕熱可逆膨脹過(guò)程，稱(chēng)為等熵膨脹。氣體等熵膨脹時(shí)，有功輸出，同時(shí)氣體的溫 度降低，產(chǎn)生冷效應(yīng)。這是獲得制冷的重要方法之一，尤其在低溫技術(shù)領(lǐng)域中。常用微分 等熵效應(yīng)比 來(lái)表示氣體等熵膨脹過(guò)程中溫度隨壓力的變化，其定義為:因主總為正值，故氣體等熵膨脹時(shí)溫度總是降低，產(chǎn)生冷效應(yīng)。對(duì)于理想氣體，膨脹前后的溫度關(guān)系是:ft!由此可求得膨脹過(guò)程的溫差山丁=獨(dú)）一1對(duì)于實(shí)際氣體，膨脹過(guò)程的溫差可借助熱力學(xué)圖查得，如圖1所示。圖1等熵過(guò)程的溫差由于等熵膨脹過(guò)程有外功輸出，所以必須使用膨脹機(jī)。當(dāng)氣體在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹時(shí)，由于摩 擦、漏熱等原因，使膨脹過(guò)程成為不可逆，產(chǎn)生有效能損失，造成膨脹機(jī)出口

2、處工質(zhì)溫度 的上升，制冷量下降。工程上，一般用絕熱效率來(lái)表示各種不可逆損失對(duì)膨脹機(jī)效率的影 響，其定義為:即為膨脹機(jī)進(jìn)出口的實(shí)際比焓降 hpr與理想焓降（即等熵焓降）h id之比。目前，透 平式膨脹機(jī)的效率可達(dá)到0.750.85，活塞式膨脹機(jī)的效率達(dá)0.650.75。比較微分等熵效應(yīng)和微分節(jié)流效應(yīng)兩者之差為:V為一毎=一P （5）因?yàn)閁始終為正值，故a S>a h。因此，對(duì)于氣體絕熱膨脹，無(wú)論從溫降還是從制冷量 看，等熵膨脹比節(jié)流膨脹要有效得多，除此之外，等熵膨脹還可以回收膨脹功，因而可以 進(jìn)一步提高循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。(1)節(jié)以上僅是對(duì)兩種過(guò)程從理論方面的比較。在實(shí)用時(shí)尚有如下一些需要考慮的

3、因素: 流過(guò)程用節(jié)流閥，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，也便于調(diào)節(jié)；等熵膨脹則需要膨脹機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且活 塞式膨脹機(jī)還有帶油問(wèn)題；（2）在膨脹機(jī)中不可能實(shí)現(xiàn)等熵膨脹過(guò)程，因而實(shí)際上能得到（3）節(jié)流閥可的溫度效應(yīng)及制冷量比理論值要小，這就使等熵膨脹過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)有所減小;以在氣液兩相區(qū)工作，但帶液的兩相膨脹機(jī)（其帶液量尚不能很大）；（4）初溫越低，節(jié) 流膨脹與等熵膨脹的差別越小，此時(shí)，應(yīng)用節(jié)流較有利。因此，節(jié)流膨脹和等熵膨脹這兩 個(gè)過(guò)程在低溫裝置中都有應(yīng)用，它們的選擇依具體條件而定。單一氣體工質(zhì)布雷頓循環(huán)布雷頓（Brayton）制冷循環(huán)又稱(chēng)焦耳Joule）循環(huán)或氣體制冷機(jī)循環(huán)，是以氣體為工質(zhì)的制 冷循環(huán)，其工作過(guò)程包

4、括等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹及等壓吸熱四個(gè)過(guò)程，這與蒸氣 壓縮式制冷機(jī)的四個(gè)工作過(guò)程相近，兩者的區(qū)別在于工質(zhì)在布雷頓循環(huán)中不發(fā)生集態(tài)改變。歷史上第一次實(shí)現(xiàn)的氣體制冷機(jī)是以空氣作為工質(zhì)的，稱(chēng)為空氣制冷機(jī)。除空氣外，根據(jù) 不同的使用目的，工質(zhì)也可以是 CO2 N2, He等氣體。（1）無(wú)回?zé)釟怏w制冷機(jī)循環(huán)圖2示出無(wú)回?zé)釟怏w制冷機(jī)系統(tǒng)圖。氣體由壓力pO被壓縮到較高的壓力pc，然后進(jìn)入冷 卻器中被冷卻介質(zhì)（水或循環(huán)空氣）冷卻，放出熱量 Qc而后氣體進(jìn)入膨脹機(jī)，經(jīng)歷作外 功的絕熱膨脹過(guò)程，達(dá)到很低的溫度，又進(jìn)入冷箱吸熱制冷。循環(huán)就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。在理想情況下，我們假定壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程均為理想絕熱

5、過(guò)程，吸熱和放熱均為理想等 壓過(guò)程（即沒(méi)有壓力損失），并且換熱器出口處沒(méi)有端部溫差。這樣假設(shè)后的循環(huán)稱(chēng)為氣 體制冷機(jī)的理論循環(huán)，其壓容圖及溫熵圖如 3所示。圖中T0是冷箱中制冷溫度，Tc是環(huán) 境介質(zhì)的溫度，12是等熵壓縮過(guò)程，23是等壓冷卻過(guò)程，3 4是等熵膨脹過(guò)程，4 1是在冷箱中的等壓吸熱過(guò)程。無(wú)回?zé)釟怏w制冷機(jī)系統(tǒng)圖（點(diǎn)擊放大）理論循環(huán)P-V圖與T-S圖（點(diǎn)擊放大） 圖2無(wú)回?zé)釟怏w制冷機(jī)系統(tǒng)圖 圖3無(wú)回?zé)釟怏w制冷機(jī)理論循環(huán)P V圖與T-S圖I 壓縮機(jī)II 冷卻器III 膨脹機(jī)IV 冷箱現(xiàn)在進(jìn)行理論循環(huán)的性能計(jì)算。單位制冷量及單位熱負(fù)荷分別是Qq =札1慫=匚1緯）(6)化=為禺=匸方（爲(wèi)i

6、爲(wèi)）單位壓縮功和膨脹功分別是 % =血-站（爲(wèi)-E）（ 8）% =3-K =S（爲(wèi)-爲(wèi)）（9）從而可以計(jì)算出循環(huán)消耗的的單位功及性能系數(shù)W二叫-叫=臼（爲(wèi)-爲(wèi)）-勺爲(wèi)一石）(10)勺 71）cop =勺-兀勺餡7；）（ 11）氣體按理想氣體處理時(shí)Fft-1££ 處則上式可簡(jiǎn)化為1 WCCfp = =_,二 -電戸_1 G-T罔T刃(12)由式（12）可以看出，無(wú)回?zé)釟怏w制冷機(jī)理論循環(huán)的性能系數(shù)與循環(huán)的壓力比或壓縮機(jī)的 溫度比瓷、膨脹機(jī)的溫度比耳 有關(guān)。壓力比或者溫度比越大，循環(huán)性能系數(shù)越低。因而 為了提高循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)采用較小的壓力比。因?yàn)闊嵩礈囟仁呛阒?，此時(shí)可逆卡諾循環(huán)的

7、性能系數(shù)為:因此上述理論循環(huán)的熱力完善度為0嘰石一爲(wèi) 石 石-石(13)由于小于G，所以無(wú)回?zé)釟怏w制冷機(jī)理論循環(huán)的性能系數(shù)小于同溫限下的可逆卡諾循 環(huán)的性能系數(shù)，即C羽V陽(yáng)氏。這是因?yàn)樵贖I和兀 不變的情況下，無(wú)回?zé)釟怏w制冷機(jī)理 論循環(huán)冷卻器中的放熱過(guò)程2-3和冷箱中的吸熱過(guò)程4-1,具有較大的傳熱溫差，因而 存在不可逆損失。壓力比越大則傳熱溫差越大，不可逆損失越大，循環(huán)的制冷系數(shù)越小, 循環(huán)的熱力完善度也越低。由式（12）可以看出，當(dāng)耳 及乩 給定時(shí)，網(wǎng)訓(xùn)將保持不變；但隨著丁口的降低（或二1的升高）可逆卡諾循環(huán)的性能系數(shù)將下降，使氣體制冷機(jī)理論循環(huán)的熱力完善度提高。因此，用氣體制冷機(jī)制取較低

8、的溫度時(shí)效率較高。實(shí)際循環(huán)中壓縮機(jī)與膨脹機(jī)中并非等熵過(guò)程，換熱器中存在傳熱溫差和流動(dòng)阻力損失，這 些因素使得實(shí)際循環(huán)的單位制冷量減小，單位功增大，性能系數(shù)與熱力完善度降低，并引 起循環(huán)特性的某些變化。（2）定壓回?zé)釟怏w制冷機(jī)循環(huán)在分析無(wú)回?zé)釟怏w制冷機(jī)的理論循環(huán)時(shí)得出結(jié)論：理論循環(huán)的性能系數(shù)隨壓力比/乩的減小而增大，所以適當(dāng)?shù)慕档蛪毫Ρ仁呛侠淼?。但是由于環(huán)境介質(zhì)溫度是一定的，降低 壓力比將使膨脹后的氣體溫度升高，從而降低了循環(huán)的單位制冷量，同時(shí)也限制了制冷箱 溫度的降低。應(yīng)用回?zé)嵩?，可以既克服了上述缺點(diǎn)，又達(dá)到了降低壓力比的目的。所謂 回?zé)峋褪前延衫湎浞祷氐睦錃饬饕胍粋€(gè)熱交換器一回?zé)崞?，用?lái)

9、冷卻從冷卻器來(lái)的高壓 常溫氣流，使其溫度進(jìn)一步降低，而從冷箱返回的氣流則被加熱，溫度升高。這樣就使壓 縮機(jī)的吸氣溫度升高，而膨脹機(jī)的進(jìn)氣溫度降低，因而循環(huán)的工作參數(shù)和特性發(fā)生了變化。圖4為定壓回?zé)崾綒怏w制冷機(jī)的系統(tǒng)圖及其理論循環(huán)的T-S圖。圖中1-2和4 5是壓縮和膨脹過(guò)程；2-3和5- 6是在冷卻器中的冷卻過(guò)程和及冷箱中的吸熱過(guò)程；3-4和6- 1 是在回?zé)崞髦械幕責(zé)徇^(guò)程。圖4b中還表示出了工作于同一溫度范圍內(nèi)具有相同制冷量的無(wú) 回?zé)嵫h(huán)6-7- 8- 5- 6。顯然兩個(gè)循環(huán)具有相同的工作溫度和相等的單位制冷量，但定 壓回?zé)嵫h(huán)的壓力比，單位壓縮功和單位膨脹功都比無(wú)回?zé)嵫h(huán)的小得多?，F(xiàn)在進(jìn)行

10、定壓 回?zé)崂碚撗h(huán)的計(jì)算。圖4 (a )定壓回?zé)釟怏w制冷機(jī)系統(tǒng)圖(點(diǎn)擊放大)圖4 (b)定壓回?zé)釟怏w制冷機(jī)循環(huán)的T-S圖理論循環(huán)制冷系數(shù)Xirr* Fft-1因?yàn)檗?才=廠(chǎng)2 J旳孔托 丁rw rprw iA（牛1厶 eL _ 厶 打厶 Jq Pq理論回?zé)嵫h(huán)的性能系數(shù)可表示為:(14)Jt-i(15)由式（15）可以看出，回?zé)嵫h(huán)1-2-3-4-5-6 與無(wú)回?zé)嵫h(huán)6 7 8 5,兩者不單有相同 的工作溫度范圍和相等的單位制冷量，而且理論性能系數(shù)的表達(dá)式也相同。但這并不能說(shuō) 明兩種循環(huán)是等效的，因?yàn)榛責(zé)嵫h(huán)壓力比小，不僅可以減小了壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的單位功, 而且減小了壓縮過(guò)程，膨脹過(guò)程和熱交換

11、過(guò)程的不可逆損失，所以回?zé)嵫h(huán)實(shí)際性能系數(shù)比無(wú)回?zé)嵫h(huán)大，特別是應(yīng)用高效透平機(jī)械后，制冷機(jī)經(jīng)濟(jì)性大大提高。當(dāng)制取-80C以 下低溫時(shí)，定壓回?zé)釟怏w制冷機(jī)的熱力完善度超過(guò)了各種型式的蒸氣壓縮式制冷機(jī)。但是 到目前為止，定壓回?zé)釟怏w制冷機(jī)的應(yīng)用還是很不普遍，這是因?yàn)樗臒峤粨Q設(shè)備比較龐 大，而且，當(dāng)應(yīng)用透平機(jī)械時(shí)只適用于大型的制冷裝置?；旌瞎べ|(zhì)布雷頓循環(huán)（1）循環(huán)的組成 利用混合物做工質(zhì)，將布雷頓制冷循環(huán)和朗肯循環(huán)（蒸氣壓縮式循環(huán)）有機(jī)結(jié)合在一起, 可以構(gòu)成新的熱力循環(huán)，稱(chēng)之為混合工質(zhì)布雷頓制冷循環(huán)，簡(jiǎn)稱(chēng)為混合工質(zhì)制冷循環(huán)。它 由四個(gè)基本過(guò)程組成：等熵壓縮，在壓縮器中完成；等壓排熱，在熱交換器中完

12、成；等熵膨脹，在膨脹器中完成；等壓吸熱，直接由氣流或者通過(guò)熱交換器進(jìn)行。圖5為混合工質(zhì) 循環(huán)的的流程圖。圖5混合工質(zhì)循環(huán)流程圖 氣流在壓縮器前的點(diǎn)處于飽和狀態(tài)（先按相變成分為水來(lái)介紹），由霧化噴嘴噴出的霧 狀水，使得氣流在點(diǎn)時(shí)變成過(guò)飽和狀態(tài)，然后進(jìn)入壓縮器中。氣流在被壓縮過(guò)程中產(chǎn)生 的壓縮熱使得霧狀水迅速氣化。因?yàn)闅饣枰諠摕?，所以壓縮過(guò)程在較低的溫度下進(jìn) 行，其排氣溫度要比壓縮干空氣時(shí)的溫度低的多。在不考慮氣流和外界進(jìn)行的熱交換及系 統(tǒng)內(nèi)部各種損失所加給氣流的熱量時(shí)，混合工質(zhì)的壓縮過(guò)程為多變壓縮過(guò)程，多變指數(shù)小 于k值。壓縮器噴水量增多時(shí)，排氣溫度降低，壓縮功減少。但當(dāng)壓縮器排氣達(dá)到飽和

13、狀 態(tài)時(shí)再增大噴水量，則排氣溫度的降低和壓縮功的減少程度較微。一般壓縮器噴水至點(diǎn) 排氣達(dá)到飽和狀態(tài)。在熱交換器I中，飽和的氣流被冷卻流體帶走熱量而冷卻。 在降溫過(guò)程中，水蒸氣要冷凝, 并放出潛熱。冷凝水被收集起來(lái)，靠自身的壓力或水泵驅(qū)動(dòng)而送到霧化噴嘴。分離出冷凝 水后的氣流，在點(diǎn)處于該處溫度下的飽和狀態(tài)。這時(shí)向進(jìn)入膨脹器前的氣流噴入霧化水, 使之達(dá)到點(diǎn)時(shí)達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，然后進(jìn)入膨脹器。在膨脹器中，氣體由于膨脹而降溫，有一部分水蒸氣要冷凝為水，并在溫度進(jìn)一步降到冰 點(diǎn)以下時(shí)，凝結(jié)為冰粒或者雪花。因?yàn)樗睦淠谂蛎浧髦蟹懦鰵饣瘽摕岷腿诨療?。使得整個(gè)氣流溫度比干空氣膨脹時(shí)有所提高，氣流膨脹程度也隨

14、著增加，所以膨脹器所回收 的膨脹功也增大。但出口點(diǎn)氣流混合物的總焓值仍比干空氣膨脹時(shí)小。氣流經(jīng)過(guò)點(diǎn)進(jìn)入負(fù)載熱交換器n中。在負(fù)載熱交換器中，氣流吸收熱量，溫度升高和所 含的冰融化，并有部分的水氣化。融化的水被收集，并用泵提高壓力后輸送到霧化噴嘴。在負(fù)載熱交換器的出口，氣流為當(dāng)?shù)販囟认碌娘柡蜖顟B(tài)，即點(diǎn)狀態(tài)，這樣便完成了整個(gè) 熱力循環(huán)。2）熱力循環(huán)分析 混合工質(zhì)制冷循環(huán)可以視為朗肯（Rankine）循環(huán)和布雷頓循環(huán)的組合循環(huán)。當(dāng)相變成分為 零時(shí)，混合工質(zhì)循環(huán)變?yōu)椴祭最D循環(huán)；當(dāng)氣體成分為零時(shí)，該循環(huán)變?yōu)槔士涎h(huán)。下面分并認(rèn)為相變成分析該循環(huán)的每一個(gè)基本過(guò)程，并和朗肯循環(huán)及布雷頓循環(huán)進(jìn)行比較。為了方便地

15、分析混合 工質(zhì)的狀態(tài)，且又能定性的說(shuō)明問(wèn)題，下面的分析均以氣體成分為對(duì)象， 的變化只是對(duì)氣體成分的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生影響。 壓縮過(guò)程圖 6 為壓縮過(guò)程的 P-v 圖，其中12' 為無(wú)相變成分時(shí)的壓縮過(guò)程線(xiàn)；12 為有相變的成分時(shí)的壓縮過(guò)程線(xiàn)。如圖所示的U 2VU 2'是由于在相同的壓縮比下,相變成分的氣化吸熱，使得排氣溫度降低所造成的。由圖可見(jiàn)：壓縮過(guò)程 12所需的壓縮功（ 11ba 面積）小于壓縮過(guò)程1 2'所需的壓縮功（1 2' b a面積）。1 2'為布雷頓循環(huán)及朗 肯循環(huán)的壓縮過(guò)程線(xiàn)； 1 2為混合工質(zhì)循環(huán)的壓縮過(guò)程線(xiàn)。 等壓排熱過(guò)程 圖7為等壓排熱過(guò)

16、程的T-S圖，圖中2' 3為布雷頓循環(huán)的等壓排熱過(guò)程線(xiàn)；2 3為混合工質(zhì)循環(huán)的等壓排熱過(guò)程線(xiàn)； 2' 2'''3為朗肯循環(huán)的等壓排熱過(guò)程線(xiàn)； 2'' 3 為卡諾循環(huán)的等壓排熱過(guò)程線(xiàn)。由圖中可見(jiàn)，在得到相同的制冷量（面積4 a b1）的情況下,所需的循環(huán)功（只考慮等壓排熱過(guò)程的影響）為：布雷頓循環(huán)最大（面積1 2' 3 4）;其次是混合工質(zhì)循環(huán)（面積1 2 3 4）;再其次是朗肯循環(huán)（面積1 2' 2''' 3 4）卡諾循環(huán)最?。娣e圖6壓縮過(guò)程的P V圖圖7等壓排熱過(guò)程的T s圖 膨脹過(guò)程圖8為膨脹

17、過(guò)程的P-V圖，圖中3 4'為布雷頓循環(huán)的膨脹過(guò)程線(xiàn)；3 4為混合工質(zhì)循環(huán) 的膨脹過(guò)程線(xiàn)。由圖可見(jiàn)：U 4'Vu 4,混合工質(zhì)循環(huán)的膨脹功（面積 c d 3 4）大于 布雷頓循環(huán)的膨脹功（面積 cd34' ）。朗肯循環(huán)的膨脹過(guò)程在節(jié)流元件（膨脹閥、 毛細(xì)管等）中完成，其理想情況為等焓膨脹，對(duì)外部不做功。圖8膨脹過(guò)程的P V圖 圖 9 等壓過(guò)程的 T s 圖 等壓吸熱過(guò)程 圖9為等壓吸熱過(guò)程的T-S圖，圖中4'' 1為卡諾循環(huán)的等壓吸熱過(guò)程線(xiàn)；41為混合 工質(zhì)循環(huán)的等壓吸熱過(guò)程線(xiàn)； 4' 1為布雷頓循環(huán)的等壓吸熱過(guò)程線(xiàn)。由圖可見(jiàn)：對(duì)于制 冷量，卡諾

18、循環(huán)（和朗肯循環(huán)相等，面積為 4'' a b 1）最大，混合工質(zhì)循環(huán)其次，布 雷頓循環(huán)最少。對(duì)于獲得相同制冷量所需的循環(huán)功（僅考慮等壓吸熱的影響），卡諾循環(huán)朗肯循環(huán)）最少，混合工質(zhì)循環(huán)其次，布雷頓循環(huán)最大。從上述對(duì)于幾個(gè)基本過(guò)程的分析中可見(jiàn)：和布雷頓循環(huán)相比，混合工質(zhì)循環(huán)的壓縮功少， 膨脹功大，等壓吸、排熱過(guò)程的不可逆損失小。所以，混合工質(zhì)循環(huán)的理論性能系數(shù)比布 雷頓循環(huán)要大。從分析中還可見(jiàn)：和朗肯循環(huán)相比，混合工質(zhì)循環(huán)等壓吸、排熱過(guò)程的不 可逆損失較大；朗肯循環(huán)的膨脹過(guò)程對(duì)外部不做功，并且壓縮過(guò)程為絕熱壓縮，過(guò)程指數(shù) 為 k 值。因?yàn)槌Ｓ玫姆侯?lèi)制冷工質(zhì)的 k 值較小，所以在相同的壓縮比時(shí)，朗肯循環(huán)的 壓縮功并不大。雖然混合工質(zhì)循環(huán)的理論性能系數(shù)在使用溫度高于某一數(shù)值時(shí)低于朗肯循 環(huán)，但因?yàn)樾阅芟禂?shù)隨著使用溫度的降低，較平緩地減小，所以使用溫度在低