等熵膨脹制冷

1、等熵膨脹制冷 高壓氣體絕熱可逆膨脹過程，稱為等熵膨脹。氣體等熵膨脹時，有功輸出，同時氣體 的溫度降低，產生冷效應。這是獲得制冷的重要方法之一，尤其在低溫技術領域中。常用微分等熵效應來表示氣體等熵膨脹過程中溫度隨壓力的變化，其定義為：(1)因聳總為正值，故氣體等熵膨脹時溫度總是降低，產生冷效應 對于理想氣體，膨脹前后的溫度關系是:由此可求得膨脹過程的溫差對于實際氣體，膨脹過程的溫差可借助熱力學圖查得，如圖1所示圖1等熵過程的溫差由于等熵膨脹過程有外功輸出，所以必須使用膨脹機。當氣體在膨脹機內膨脹時，由 于摩擦、漏熱等原因，使膨脹過程成為不可逆，產生有效能損失，造成膨脹機出口處 工質溫度的上升，制

2、冷量下降。工程上，一般用絕熱效率來表示各種不可逆損失對膨 脹機效率的影響，其定義為：即為膨脹機進出口的實際比焓降Ah"與理想焓降（即等熵焓降）Ah id之比。目前，透平式膨脹機的效率可達到0.750.85，活塞式膨脹機的效率達0.650.75。比較微分等熵效應和微分節(jié)流效應兩者之差為：因為u始終為正值，故a s>a h。因此，對于氣體絕熱膨脹，無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 而可以進一步提高循環(huán)的經濟性。以上僅是對兩種過程從理論方面的比較。 在實用時尚有如下一些需要考慮的因素：（1） 節(jié)流過程用節(jié)流閥，結構比較簡

3、單，也便于調節(jié)；等熵膨脹則需要膨脹機，結構復雜， 且活塞式膨脹機還有帶油問題；（2）在膨脹機中不可能實現(xiàn)等熵膨脹過程，因而實際 上能得到的溫度效應及制冷量比理論值要小，這就使等熵膨脹過程的優(yōu)點有所減??；（3）節(jié)流閥可以在氣液兩相區(qū)工作，但帶液的兩相膨脹機（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，應用節(jié)流較有利。因此，節(jié) 流膨脹和等熵膨脹這兩個過程在低溫裝置中都有應用，它們的選擇依具體條件而定。單一氣體工質布雷頓循環(huán)布雷頓（Brayton）制冷循環(huán)又稱焦耳（Joule）循環(huán)或氣體制冷機循環(huán)，是以氣體為工質 的制冷循環(huán)，其工作過程包括等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹及

4、等壓吸熱四個過程， 這與蒸氣壓縮式制冷機的四個工作過程相近，兩者的區(qū)別在于工質在布雷頓循環(huán)中不 發(fā)生集態(tài)改變。歷史上第一次實現(xiàn)的氣體制冷機是以空氣作為工質的，稱為空氣制冷 機。除空氣外，根據不同的使用目的，工質也可以是CO, 2, He等氣體。（1）無回熱氣體制冷機循環(huán) 圖2示出無回熱氣體制冷機系統(tǒng)圖。氣體由壓力 p0被壓縮到較高的壓力pc，然后進入 冷卻器中被冷卻介質（水或循環(huán)空氣）冷卻，放出熱量 Q,而后氣體進入膨脹機，經 歷作外功的絕熱膨脹過程，達到很低的溫度，又進入冷箱吸熱制冷。循環(huán)就這樣周而 復始地進行。在理想情況下，我們假定壓縮過程和膨脹過程均為理想絕熱過程，吸熱和放熱均為理 想等

5、壓過程（即沒有壓力損失），并且換熱器出口處沒有端部溫差。這樣假設后的循環(huán)稱為氣體制冷機的理論循環(huán)，其壓容圖及溫熵圖如 3所示。圖中To是冷箱中制冷溫 度，Tc是環(huán)境介質的溫度，1 2是等熵壓縮過程，2-3是等壓冷卻過程，3-4是等熵 膨脹過程，4-1是在冷箱中的等壓吸熱過程。無回熱氣體制冷機系統(tǒng)圖（點擊放大）理論循環(huán)P-v圖與T-s圖（點擊放大）圖2無回熱氣體制冷機系統(tǒng)圖 圖3無回熱氣體制冷機理論循環(huán) p- v圖與T-s圖I -壓縮機II 冷卻器III 膨脹機IV 冷箱現(xiàn)在進行理論循環(huán)的性能計算。單位制冷量及單位熱負荷分別是陣二禺虬二J （爲一 E（7）單位壓縮功和膨脹功分別是咒二血一加=5（

6、爲一£）（8）1 - ；4 ' 1(9)從而可以計算出循環(huán)消耗的的單位功及性能系數工-匚（10）J込-兀一勺電-專）(11)氣體按理想氣體處理時則上式可簡化為由式（12）可以看出，無回熱氣體制冷機理論循環(huán)的性能系數與循環(huán)的壓力比或壓縮爲爲機的溫度比爲、膨脹機的溫度比腎 有關。壓力比或者溫度比越大，循環(huán)性能系數越 低。因而為了提高循環(huán)的經濟性應采用較小的壓力比。因為熱源溫度是恒值，此時可逆卡諾循環(huán)的性能系數為:因此上述理論循環(huán)的熱力完善度為由于匚 小于& ，所以無回熱氣體制冷機理論循環(huán)的性能系數小于同溫限下的可逆卡 諾循環(huán)的性能系數，即fev©劣上。這是因為在

7、和焉 不變的情況下，無回熱氣體 制冷機理論循環(huán)冷卻器中的放熱過程 2- 3和冷箱中的吸熱過程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 制冷系數越小，循環(huán)的熱力完善度也越低。由式（12）可以看出，當見 及乩 給定時，匚印 將保持不變；但隨著的降低（或二的升高）可逆卡諾循環(huán)的性能系數中R將下降，使氣體制冷機理論循環(huán)的熱力完善度 提高。因此，用氣體制冷機制取較低的溫度時效率較高。實際循環(huán)中壓縮機與膨脹機中并非等熵過程， 換熱器中存在傳熱溫差和流動阻力損失， 這些因素使得實際循環(huán)的單位制冷量減小，單位功增大，性能系數與熱力完善度降低， 并引

8、起循環(huán)特性的某些變化。（2）定壓回熱氣體制冷機循環(huán)在分析無回熱氣體制冷機的理論循環(huán)時得出結論：理論循環(huán)的性能系數隨壓力比 /卩。的減小而增大，所以適當的降低壓力比是合理的。但是由于環(huán)境介質溫度是一定 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，同時也 限制了制冷箱溫度的降低。應用回熱原理，可以既克服了上述缺點，又達到了降低壓 力比的目的。所謂回熱就是把由冷箱返回的冷氣流引入一個熱交換器一回熱器，用來 冷卻從冷卻器來的高壓常溫氣流，使其溫度進一步降低，而從冷箱返回的氣流則被加 熱，溫度升高。這樣就使壓縮機的吸氣溫度升高，而膨脹機的進氣溫度降低，因而循 環(huán)的工作參數和特性發(fā)

9、生了變化。圖4為定壓回熱式氣體制冷機的系統(tǒng)圖及其理論循環(huán)的T-s圖。圖中1 2和4 5是壓縮和膨脹過程；2 3和5 6是在冷卻器中的冷卻過程和及冷箱中的吸熱過程；3 4和61是在回熱器中的回熱過程。圖4b中還表示出了工作于同一溫度范圍內具有相 同制冷量的無回熱循環(huán)6 7 8 5 6。顯然兩個循環(huán)具有相同的工作溫度和相等的單 位制冷量，但定壓回熱循環(huán)的壓力比，單位壓縮功和單位膨脹功都比無回熱循環(huán)的小 得多?，F(xiàn)在進行定壓回熱理論循環(huán)的計算。圖4 (a )定壓回熱氣體制冷機系統(tǒng)圖(點擊放大)圖4 (b)定壓回熱氣體制冷機循環(huán)的T-s圖理論循環(huán)制冷系數伽E _綣-1理論回熱循環(huán)的性能系數可表示為:由式

10、（15）可以看出，回熱循環(huán)1-2-3-4-5-6與無回熱循環(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，而且理論性能系數的表達式也相同。但這并 不能說明兩種循環(huán)是等效的，因為回熱循環(huán)壓力比小，不僅可以減小了壓縮機和膨脹 機的單位功，而且減小了壓縮過程，膨脹過程和熱交換過程的不可逆損失，所以回熱 循環(huán)實際性能系數比無回熱循環(huán)大，特別是應用高效透平機械后，制冷機經濟性大大 提高。當制取-80C以下低溫時，定壓回熱氣體制冷機的熱力完善度超過了各種型式 的蒸氣壓縮式制冷機。但是到目前為止，定壓回熱氣體制冷機的應用還是很不普遍， 這是因為它的熱交換設備比較龐大，而且，當應用透平機械

11、時只適用于大型的制冷裝 置。混合工質布雷頓循環(huán)（1）循環(huán)的組成利用混合物做工質，將布雷頓制冷循環(huán)和朗肯循環(huán)（蒸氣壓縮式循環(huán)）有機結合在一 起，可以構成新的熱力循環(huán)，稱之為混合工質布雷頓制冷循環(huán)，簡稱為混合工質制冷 循環(huán)。它由四個基本過程組成：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熱交換器進行。 圖5為混合工質循環(huán)的的流程圖。(!«諮足ft耳上圖5混合工質循環(huán)流程圖 氣流在壓縮器前的點處于飽和狀態(tài)（先按相變成分為水來介紹），由霧化噴嘴噴出 的霧狀水，使得氣流在點時變成過飽和狀態(tài)，然后進入壓縮器中。氣流在被壓縮過 程

12、中產生的壓縮熱使得霧狀水迅速氣化。因為氣化需要吸收潛熱，所以壓縮過程在較 低的溫度下進行，其排氣溫度要比壓縮干空氣時的溫度低的多。在不考慮氣流和外界 進行的熱交換及系統(tǒng)內部各種損失所加給氣流的熱量時，混合工質的壓縮過程為多變 壓縮過程，多變指數小于k值。壓縮器噴水量增多時，排氣溫度降低，壓縮功減少。 但當壓縮器排氣達到飽和狀態(tài)時再增大噴水量，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排氣達到飽和狀態(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。在降溫過程中，水蒸氣要 冷凝，并放出潛熱。冷凝水被收集起來，靠自身的壓力或水泵驅動而送到霧化噴嘴。分離出冷凝水后的氣流，在點處

13、于該處溫度下的飽和狀態(tài)。這時向進入膨脹器前的 氣流噴入霧化水，使之達到點時達到過飽和狀態(tài)，然后進入膨脹器。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，并在溫度進一步降 到冰點以下時，凝結為冰粒或者雪花。因為水的冷凝而在膨脹器中放出氣化潛熱和融 化熱。使得整個氣流溫度比干空氣膨脹時有所提高，氣流膨脹程度也隨著增加，所以 膨脹器所回收的膨脹功也增大。但出口點氣流混合物的總焓值仍比干空氣膨脹時小。氣流經過點進入負載熱交換器U中。在負載熱交換器中，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。在負載熱交換器的出口，氣流為當地溫

14、度下的飽和狀態(tài)，即點狀態(tài)，這樣 便完成了整個熱力循環(huán)。（2）熱力循環(huán)分析混合工質制冷循環(huán)可以視為朗肯（Rankine）循環(huán)和布雷頓循環(huán)的組合循環(huán)。當相變成 分為零時，混合工質循環(huán)變?yōu)椴祭最D循環(huán)；當氣體成分為零時，該循環(huán)變?yōu)槔士涎h(huán)。 下面分析該循環(huán)的每一個基本過程，并和朗肯循環(huán)及布雷頓循環(huán)進行比較。為了方便地分析混合工質的狀態(tài)，且又能定性的說明問題，下面的分析均以氣體成分為對象, 并認為相變成分的變化只是對氣體成分的狀態(tài)參數發(fā)生影響。 壓縮過程 圖6為壓縮過程的P-v圖，其中1-2'為無相變成分時的壓縮過程線；1-2為有相變 的成分時的壓縮過程線。如圖所示的u 2Vu 2'是由

15、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：壓縮過程 1-2所需的壓縮功（1 -1-b- a面積）小于壓縮過程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)的壓縮過程線；1-2為混合工質循環(huán)的壓縮過程線。 等壓排熱過程圖7為等壓排熱過程的T-S圖，圖中2' -3為布雷頓循環(huán)的等壓排熱過程線；2-3為 混合工質循環(huán)的等壓排熱過程線；2' - 2'''- 3為朗肯循環(huán)的等壓排熱過程線；2'' - 3為卡諾循環(huán)的等壓排熱過程線。由圖中可見，在得到相同的制

16、冷量（面積4 a-b- 1） 的情況下，所需的循環(huán)功（只考慮等壓排熱過程的影響）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 1 2'' 3 4）o圖6壓縮過程的P v圖圖7等壓排熱過程的T s圖 膨脹過程圖8為膨脹過程的P-v圖，圖中3 4'為布雷頓循環(huán)的膨脹過程線；3 4為混合工質 循環(huán)的膨脹過程線。由圖可見：u 4'Vu 4,混合工質循環(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c d

17、 3 4'）。朗肯循環(huán)的膨脹過程在節(jié)流元件（膨 脹閥、毛細管等）中完成，其理想情況為等焓膨脹，對外部不做功。圖8膨脹過程的P v圖圖9等壓過程的T s圖 等壓吸熱過程圖9為等壓吸熱過程的T-S圖，圖中4'' 1為卡諾循環(huán)的等壓吸熱過程線；41為混 合工質循環(huán)的等壓吸熱過程線；4' 1為布雷頓循環(huán)的等壓吸熱過程線。 由圖可見：對 于制冷量，卡諾循環(huán)（和朗肯循環(huán)相等，面積為 4'' a b 1）最大，混合工質循環(huán) 其次，布雷頓循環(huán)最少。對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，混合工質循環(huán)其次，布雷頓循環(huán)最大

18、。從上述對于幾個基本過程的分析中可見：和布雷頓循環(huán)相比，混合工質循環(huán)的壓縮功 少，膨脹功大，等壓吸、排熱過程的不可逆損失小。所以，混合工質循環(huán)的理論性能 系數比布雷頓循環(huán)要大。從分析中還可見：和朗肯循環(huán)相比，混合工質循環(huán)等壓吸、 排熱過程的不可逆損失較大；朗肯循環(huán)的膨脹過程對外部不做功，并且壓縮過程為絕 熱壓縮，過程指數為k值。因為常用的氟利昂類制冷工質的 k值較小，所以在相同的 壓縮比時，朗肯循環(huán)的壓縮功并不大。雖然混合工質循環(huán)的理論性能系數在使用溫度 高于某一數值時低于朗肯循環(huán)，但因為性能系數隨著使用溫度的降低，較平緩地減小， 所以使用溫度在低于某一數值時，混合工質循環(huán)的性能系數將高于朗肯循環(huán)。當膨脹 器進口不向氣流噴水時，該溫度值為-25C左右；當膨脹器進口噴水時，該數值則在 20C左右（混合工質循環(huán)壓縮比為 3）。（2）制冷工質 混合工質循環(huán)所用的制冷（熱）工質應包含氣體成分和相變成分兩部分。相變成分可 以是一種或者兩種物質。制冷工質應當滿足下述必要條件：1）氣體成分在整個循環(huán)中只發(fā)生狀態(tài)變化，不發(fā)生相變；2）在循環(huán)的某一過程中，相變成分應發(fā)生所要求的相變；3）氣體成分和相變成分之間及相變成分之間不應發(fā)生化學反應。實際選用相變成分時還應考慮另一些條件，如相變物質在壓縮過程中的氣化量和在等 壓排熱過程中的冷凝量要大。這就要求在壓縮和冷凝過程的溫度范圍內，飽