制冷方法概述

1、第二課時1.2 氣體膨脹制冷概述本章提示：要求掌握： 節(jié)流過程的熱力學特征；微分節(jié)流效應和積分節(jié)流效應；轉(zhuǎn)化溫度 與轉(zhuǎn)化曲線；等溫節(jié)流效應；簡單絕熱節(jié)流制冷循環(huán) （ 林德 Linde） 循環(huán)；等熵膨脹 制冷；絕熱節(jié)流制冷與等熵膨脹制冷兩種過程從理論及實際方面的比較；布雷頓制 冷循環(huán)制冷機原理及工作過程；斯特林制冷循環(huán)制冷機原理及工作過程；克勞特制 冷循環(huán)制冷機原理及工作過程；維勒米爾制循環(huán)制冷機原理及工作過程。 氣體膨脹制冷是利用高壓氣體的絕熱膨脹來達到低溫，并利用膨脹后的氣體在 低壓下的復熱過程來制冷的， 由于氣體絕熱膨脹的設備不同， 一般有兩種方式 : 一種 是將高壓氣體經(jīng)膨脹機膨脹， 有

2、外功輸出， 因而氣體的溫降大， 復熱時制冷量也大， 但膨脹機結(jié)構(gòu)比較復雜，另一種方式是令氣體經(jīng)節(jié)流閥膨脹，無外功輸出，氣體的 溫降小，制冷量也小，但節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)比較簡單，便于進行氣體流量的調(diào)節(jié)。本章介紹了氣體絕熱節(jié)流循環(huán)、布雷頓制冷循環(huán)、克勞特制冷循環(huán)、斯特林制 冷循環(huán)和維米勒爾制冷循環(huán)的基本原理及其研究狀況，并對其應用現(xiàn)狀作了簡要的 敘述。1.2.1 氣體絕熱節(jié)流制冷循環(huán)實際氣體的節(jié)流（1）節(jié)流過程的熱力學特征當氣體在管道中流動時，由于局部阻力，如遇到縮口和調(diào)節(jié)閥門時，其壓力顯 著下降，這種現(xiàn)象叫做節(jié)流。工程上由于氣體經(jīng)過閥門等流阻元件時，流速大時間 短，來不及與外界進行熱交換，可近似地作為

3、絕熱過程來處理，稱為絕熱節(jié)流。圖 1 絕熱節(jié)流過程參照圖 1，根據(jù)穩(wěn)定流動能量方程式，得出（1）即氣體在絕熱節(jié)流時，節(jié)流前后的比焓值不變。這是節(jié)流過程的主要特征。由于節(jié) 流時氣流內(nèi)部存在摩擦阻力損耗，所以它是一個典型的不可逆過程，節(jié)流后的熵必 定增大，即（2）這是節(jié)流過程的另一個主要特征。實驗發(fā)現(xiàn)，實際氣體節(jié)流前后的溫度一般將發(fā)生變化。氣體在節(jié)流過程中的溫 度變化叫做焦耳湯姆遜效應（簡稱焦湯效應）。造成這種現(xiàn)象的原因是因為實 際氣體的焓值不僅是溫度的函數(shù)，而且也是壓力的函數(shù)。大多數(shù)實際氣體在室溫下 的節(jié)流過程中都有冷卻效應，即通過節(jié)流元件后溫度降低，這種溫度變化叫做正焦 耳湯姆遜效應。少數(shù)氣體

4、在室溫下節(jié)流后溫度升高，這種溫度變化叫做負焦耳 湯姆遜效應。（2）微分節(jié)流效應和積分節(jié)流效應根據(jù)氣體節(jié)流前后比焓值相等這一特征，令（13） 式中a h叫做微分節(jié)流效應，有時也稱作焦耳-湯姆遜系數(shù)，可以理解為氣體在節(jié) 流時單位壓降所產(chǎn)生的溫度變化。對于正效應，a h0,對于負效應，a h0。一些氣體在常溫常壓下的微分節(jié)流效應列于表 1中。壓降為一有限數(shù)值 p= p2- pi時，節(jié)流所產(chǎn)生的溫度變化叫做積分節(jié)流效應,可按下式計算4)由熱力學基本關(guān)系，可以推出如果氣體的狀態(tài)方程是已知的，則 ah 就可以算出，其正負也可完全確定。對于理想氣體 ,狀態(tài)方程故a h= 0,所以理想氣體的微分節(jié)流效應為零。

5、a h的表達式也可通過試驗來建立。例如對于空氣和氧，在p15X103kPa時,得到的經(jīng)驗公式如下：(5)式中，ao及bo為常數(shù)，對于T，p的單位分別為K和kPa積分節(jié)流效應還可用T-s圖或h-s圖求解，其方法如圖2所示。從節(jié)流前的 狀態(tài)點1 (pi,Ti)畫等焓線，與節(jié)流后壓力 p2等壓線交于點2,則這兩點之間的溫 差(Ti- T2)即為要求的積分節(jié)流效應。( a)( b)圖 2 用圖解法確定積分節(jié)流效應a) T-s 圖b) h-T 圖(3) 轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線在一定的壓力下，氣體具有某一溫度時，微分節(jié)流效應可以等于零，這個溫度叫做轉(zhuǎn)化溫度。已知氣體的狀態(tài)方程時，轉(zhuǎn)化溫度可以由方程( 4)計算

6、得到。以下通過范德瓦爾方程分析轉(zhuǎn)化溫度的變化關(guān)系。對于 i 摩爾氣體，遵守范德瓦爾方程，則有6)將上式代入方程（4）中，并令a h = 0,得到7）上式表示出轉(zhuǎn)化溫度與壓力的關(guān)系， 它在 Tp 圖上為一連續(xù)曲線。 轉(zhuǎn)化溫度與壓力 的關(guān)系曲線稱作轉(zhuǎn)化曲線。圖 3 示出了氮的轉(zhuǎn)化曲線， 虛線是按式（ 7）計算的，實線是用實驗方法得到的，圖3氮的轉(zhuǎn)化曲線T= f（p）二者的差別是由于范德瓦爾方程在定量上不準確引起的。由上圖以及理論分析可知， 轉(zhuǎn)化曲線將 Tp 圖分成了制冷區(qū)和制熱區(qū)兩個區(qū)域，并存在一個最大轉(zhuǎn)化壓力，即對應該壓力，只有一個轉(zhuǎn)化溫度，大于該壓力，不存在轉(zhuǎn)化溫度，小于該溫 度，存在兩個轉(zhuǎn)化

7、溫度，分別稱為上轉(zhuǎn)化溫度和下轉(zhuǎn)化溫度。轉(zhuǎn)化曲線外，是制熱 區(qū)，a h0,節(jié)流后產(chǎn)生冷效應。因此，在利用氣體節(jié)流制冷時，氣體參數(shù)的選擇要保證節(jié)流前的壓力不得超過 最大轉(zhuǎn)化壓力，節(jié)流前的溫度必須處于上下轉(zhuǎn)化溫度之間。理論分析和實驗結(jié)果都表明，氣體的臨界溫度越低，其轉(zhuǎn)化溫度也越低。表 2 示出十幾種氣體在低壓下的上轉(zhuǎn)化溫度及其與臨界溫度的比值。因大多數(shù)氣體，如 空氣，氧，氮，一氧化碳等，轉(zhuǎn)化溫度較高，故從室溫節(jié)流時總是冷效應。氖、氫 及氦的轉(zhuǎn)化溫度比室溫低，必須用預冷的方法，使其降溫到上轉(zhuǎn)化溫度以下，節(jié)流 后才會產(chǎn)生冷效應。（4）等溫節(jié)流效應如圖2a所示，如果將氣體由起始狀態(tài) 0（ p2,Ti）等溫

8、壓縮到狀態(tài)1（pi,Ti），再 令其節(jié)流到狀態(tài)2 （p2,T2）,則氣體的溫度由Ti降到T2。令節(jié)流后的氣體在等壓下 吸熱，則可以恢復到原來的狀態(tài) 0（P2,T 1），所吸收的熱量即單位質(zhì)量制冷量（簡 稱為單位制冷量） q0應用等溫節(jié)流效應來計算氣體制冷機和液化裝置的制冷量是很方便的。氣體經(jīng)過等溫壓縮和節(jié)流膨脹之后之所以具有制冷能力，是因為氣體經(jīng)等溫壓縮后比焓值降低， 所以氣體的制冷能力是等溫壓縮時獲得的， 又通過節(jié)流表現(xiàn)出來。等溫節(jié)流效應是等溫壓縮和節(jié)流這兩個過程的綜合。因為節(jié)流效應與壓力、 溫度有關(guān)， 所以等溫節(jié)流效應也直接決定于壓力、 溫度。在一定溫度下，只要壓力不超過對應溫度下的轉(zhuǎn)化壓

9、力，- hT將隨壓力的增加而增加。圖4a給出了氮氣的一 hT隨壓力的變化情況（T= 300k）。在一定壓力下，降低溫度， hT隨之增大。圖4b表示了氮氣在pi=0.1MPa,p2=25MPa時, hT與溫度T的對應關(guān)系?？梢钥闯?，隨著溫度的降低， hT可以 增加數(shù)倍。氣體混合物的 hT值可以近似看為各組分的 hT值之和。圖4a氮氣的一 hT與壓力的關(guān)系（T= 300K, p1 = 0.1Mpa）圖4b氮氣的一 hT與溫度T的關(guān)系絕熱節(jié)流制冷循環(huán)簡單絕熱節(jié)流制冷循環(huán)也被稱作林德 （ Linde ）循環(huán)，系統(tǒng)組成如圖 5所示。圖 6 為循環(huán)的 T-s 圖。系統(tǒng)由壓縮機、冷卻器、逆流換熱器、節(jié)流閥和

10、蒸發(fā)器組成。 對于理想循環(huán)，制冷工質(zhì)在壓縮機里從低壓 pi壓縮到p2，經(jīng)冷卻器等壓冷卻至常溫 （點 2）。上述過程可近似地認為壓縮與冷卻過程同時進行，是一個等溫壓縮過程 （由此引起的誤差由等溫效率修正，見后），在Ts圖上簡單地用等溫線1 2表示。然后經(jīng)逆流換熱器器冷卻至狀態(tài) 3，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后到狀態(tài) 4并進入蒸發(fā)器。 在蒸發(fā)器中， 節(jié)流后形成的液體工質(zhì)吸收被冷卻物體的熱量 （即冷量） 蒸發(fā)為蒸氣。 處于飽和狀態(tài)的蒸氣回流至換熱器中用于冷卻高壓正流氣體，在理想情況下，本身 復熱到溫度Ti,然后被吸入壓縮機，完成整個循環(huán)。圖 6 絕熱節(jié)流制冷循環(huán)圖 5 絕熱節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)圖T-s 圖對于理想循環(huán)

11、，忽略環(huán)境傳入系統(tǒng)的漏熱損失，針對由換熱器、節(jié)流閥、和蒸發(fā)器組成的控制體，根據(jù)穩(wěn)定流能量平衡方程，可得循環(huán)的制冷量Q0(9) 式中qm為質(zhì)量流量。單位位制冷工質(zhì)的制冷量 q0 為(10) 即理想節(jié)流循環(huán)的單位制冷量為氣體工質(zhì)的等溫節(jié)流效應。循環(huán)中消耗的比功可簡單地由熱力學第一定律得出：(11)在實際循環(huán)中，存在三種主要損失： (1)壓縮機工作過程的不可逆損失，即偏離等溫過程的損失，一般用等溫效率 n T表示，定義為等溫壓縮功 WT與實際消耗功wpr 之比 :(12)工程上，常利用多級壓縮的方法來提高等溫效率 hT，降低損失。(2)換熱器不完全熱交換損失 qi，也稱復熱不足損失。由于換熱器的效率

12、 小于1,所以離開換熱器熱端的工質(zhì)溫度為 Ti，要低于理想循環(huán)中的Ti ( = T2) 由此造成冷量損失 q1 ：( i3 )通常假定返流空氣在 Ti與Ti之間的比熱容是定值，貝V:( i4 )(3)環(huán)境介質(zhì)傳熱給低溫設備引起的冷量損失，稱作漏熱損失q2。考慮到以上三種損失，實際節(jié)流制冷循環(huán)的單位制冷量:i5)16)循環(huán)消耗的比功：性能系數(shù)：（17）節(jié)流制冷循環(huán)的性能系數(shù)低，經(jīng)濟性較差，這是因為，作為節(jié)流循環(huán)的主要工 作過程 - 節(jié)流過程，是典型的不可逆熱力過程；此外，在熱交換器中，正、返流氣 體間的溫差從熱端向冷端不斷增加，在換熱器中冷端部分甚至是很大的溫差，于是 不可避免的存在熱交換不可逆

13、損失。為了減小這兩個損失，提高節(jié)流循環(huán)的性能指 標，人們提出了有預冷的節(jié)流循環(huán)和雙壓節(jié)流循環(huán)及其它流程形式。值得特別注意 的是，由于氖、氫和氦的轉(zhuǎn)化溫度遠低于室溫， 利用這些氣體進行節(jié)流制冷循環(huán)時， 預冷成為循環(huán)實現(xiàn)的必要條件。盡管節(jié)流制冷循環(huán)效率較低，但是由于其組成簡單，無低溫下的運動部件，可 靠性高，該循環(huán)仍得到了重視。尤其是開式節(jié)流制冷循環(huán)（此時，用高壓儲氣瓶代 替壓縮機作氣源），便于微型化，輕量化，在紅外制導等領域得到了廣泛使用。目 前節(jié)流制冷循環(huán)研究的新進展在于利用混合工質(zhì)代替純工質(zhì)以便達到降低壓力、提 高效率的目的。1.2.2 布雷頓制冷循環(huán)等熵膨脹制冷高壓氣體絕熱可逆膨脹過程，稱

14、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(chǎn)生冷效應。這是獲得制冷的重要方法之一，尤其在低溫技術(shù)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 總為正值，故氣體等熵膨脹時溫度總是降低，產(chǎn)生冷效應。2）對于理想氣體，膨脹前后的溫度關(guān)系是：由此可求得膨脹過程的溫差（3）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(nèi)膨脹 時，由于摩擦、漏熱等原因，使膨脹過程成為不可逆，產(chǎn)生有效能損失，造成膨脹 機出口處工質(zhì)溫度的上升，制冷量下降。工程上，一

15、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：（4）即為膨脹機進出口的實際比焓降 hpr與理想焓降（即等熵焓降） hid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：（ 5） 因為u始終為正值，故a sa 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(jīng)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(jié)構(gòu)比較簡單，

16、也便于調(diào)節(jié)； 等熵膨脹則需要膨脹機， 結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)的制冷循環(huán)，其工作過程包括等熵壓縮，

17、等壓冷卻，等熵膨脹及等壓吸熱四 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(zhì)在布雷 頓循環(huán)中不發(fā)生集態(tài)改變。歷史上第一次實現(xiàn)的氣體制冷機是以空氣作為工質(zhì)的， 稱為空氣制冷機。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(zhì)（水或循環(huán)空氣）冷卻，放出熱量Qc ，而后氣體進入膨脹機，經(jīng)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

18、熱過程，吸熱和放熱 均為理想等壓過程（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T0是冷箱中制冷溫度，Tc是環(huán)境介質(zhì)的溫度，1- 2是等熵壓縮過程，2-3是等壓冷卻過程， 34 是等熵膨脹過程， 41 是在冷箱中的等壓吸熱過程?，F(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（6）（7）單位壓縮功和膨脹功分別是（8）從而可以計算出循環(huán)消耗的的單位功及性能系數(shù)（9）（10）11)氣體按理想氣體處理時則上式可簡化為（12）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(shù)與循環(huán)的壓力比 或壓縮機的溫度比

19、 、膨脹機的溫度比 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(shù)為：因此上述理論循環(huán)的熱力完善度為（13）由于 小于 ，所以無回熱氣體制冷機理論循環(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 。這是因為在 和 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23 和冷箱中的吸熱過程41，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， 當及 給定時，將保持不變； 但隨著的降低（或

20、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(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(jié)論：理論循環(huán)的性能系數(shù)隨壓力 比 / 的減小而增大，所以適當?shù)慕档蛪毫Ρ仁呛侠淼摹５怯捎诃h(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，同時也限制了制冷箱溫度的降低。 應用回熱原理，

21、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(shù)和特性發(fā)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 12和 4 5是壓縮和膨脹過程； 23和 56是在冷卻器中的冷卻過程和及冷箱中的吸熱過 程；3- 4和6- 1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(nèi)具有相同制冷量的無回熱循環(huán) 67856。顯然兩個循環(huán)具有相同

22、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。現(xiàn)在進行定壓回熱理論循環(huán)的計算。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(shù)因為理論回熱循環(huán)的性能系數(shù)可表示為：（14） 或（ 15）由式（ 15）可以看出，回熱循環(huán) 1-2-3-4-5-6 與無回熱循環(huán) 6 785，兩 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(shù)

23、比無回熱循環(huán)大， 特別是應用高效透 平機械后，制冷機經(jīng)濟性大大提高。當制取- 80 C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，當應用透平機械時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)）有機結(jié) 合在一起，可以構(gòu)成新的熱力循環(huán)，稱之為混合工質(zhì)布雷頓制冷循環(huán)，簡稱為混合 工質(zhì)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

24、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(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 被壓縮過程中產(chǎn)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(nèi)部各種損失所加給氣流的熱量時，混合工質(zhì)的 壓縮過程為多變壓縮過程，多變指數(shù)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

25、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(qū)動而送到霧 化噴嘴。分離出冷凝水后的氣流，在點處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(jié)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

26、，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(jīng)過點進入負載熱交換器n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?shù)販囟认碌娘柡蜖顟B(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(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 相變成分為零時，混合工質(zhì)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)?朗肯循環(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(zhì)

27、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(shù)發(fā)生影響。 壓縮過程圖 6 為壓縮過程的 P-v 圖，其中 12 為無相變成分時的壓縮過程線； 12 為 有相變的成分時的壓縮過程線。如圖所示的 u 2 u 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：壓縮過程 12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）。 12 為布雷頓循環(huán)及朗肯循環(huán)的壓縮過程線； 12為混合工質(zhì)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

28、2 3 為布雷頓循環(huán)的等壓排熱過程線； 2 3為混合工質(zhì)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 12 3 4）；其次是混合工質(zhì)循環(huán)（面積 12 34）；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）。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 34為布雷頓循環(huán)的膨脹過程線； 34為混 合工

29、質(zhì)循環(huán)的膨脹過程線。由圖可見：u 4 u 4,混合工質(zhì)循環(huán)的膨脹功（面積 cd 3 4）大于布雷頓循環(huán)的膨脹功（面積 c d 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；4 1 為混合工質(zhì)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(zhì)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)

30、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(zhì)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(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：和朗肯循環(huán)相比，混合工質(zhì)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(shù)為 k 值。因為常用的氟利昂類制冷工質(zhì)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(zhì)循環(huán)的理論性能 系數(shù)在使用溫度高于某一數(shù)值時低于朗肯循環(huán)，但因為性能系數(shù)隨

31、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(shù)值時，混合工質(zhì)循環(huán)的性能系數(shù)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(shù)值則在20C左右（混合工質(zhì)循環(huán)壓縮比為 3）。（ 2）制冷工質(zhì)混合工質(zhì)循環(huán)所用的制冷（熱）工質(zhì)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(zhì)。制冷工質(zhì)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(zhì)在壓縮過程中的氣化量

32、 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(nèi)，飽 和的相變成分含量的變化要大；相變成分氣化及融化潛熱要大；使用溫度應高于凝 固點；粘度小、價格便宜、對機器不腐蝕、無污染和安全性好等。目前，對于空調(diào)和普冷領域大多用空氣和水組成的混合成分做制冷工質(zhì)。這是 因為這兩種物質(zhì)最容易獲得，且水的氣化潛熱很大，又易于霧化的緣故。混合工質(zhì)循環(huán)理論性能系數(shù)較高、制冷工質(zhì)易于獲得，且成本低、對環(huán)境和大 氣無污染。采用混合工質(zhì)循環(huán)的混合工質(zhì)制冷機和熱泵， 還具有實際性能系數(shù)較高、 轉(zhuǎn)速低、功率輸入容易、使用和維護簡便、壽命長、成本低等優(yōu)點。目前，混合工 質(zhì)制冷循環(huán)已成功的用于飛機環(huán)境控制系

33、統(tǒng)和低溫氣流供給系統(tǒng)，并發(fā)展了許多實 用流程如果我們把三個熱交換器， 膨脹 閥，以及蒸發(fā)器作為一個單元， 忽略由環(huán)境傳入的熱量和動能 以及潛熱的變化， 則按熱力學第 一定律，可以得到流經(jīng)壓縮的制 冷劑為單位質(zhì)量時吸收的熱量：其中： 為膨脹閥質(zhì)量流量 比率流過膨脹閥的質(zhì) 量流率流過壓縮機的質(zhì) 量流量并且下標表示在圖 2 中給 出的點。 如果我們讓 he 等于 從點3等熵膨脹到點e所處壓力 時終點的比焓值， 那么制冷量的 表達式可以根據(jù)膨脹機的絕熱 效率寫成：假設膨脹功回收用于壓縮氣體，則需要的凈功為：其中 是壓縮機的等溫效率， 是膨脹閥的機械效 率。E_mail: jswuMSN: jswu論壇

34、貴賓帖子5666精華27積分59244威望200點金錢40836 閱讀權(quán)限20在線時間4小時注冊時間2005-5-20最后登錄2010-5-14#11發(fā)表于2006-5-13 13:26|只看該作者1.2.4斯特林制冷循環(huán)1816年斯特林提出了一種由兩個等溫過程和兩 個等容回熱過程組成的閉式熱力學循環(huán)，稱為斯特 林循環(huán)，也稱為定容回熱循環(huán)。圖1表示了理想的斯特林循環(huán)示意圖。制冷機由回熱器R、冷卻器A、冷量換熱器C及兩個氣缸和 兩個活塞組成。左面為膨脹活塞，右面為壓縮活塞。 兩個氣缸與活塞形成兩個工作腔：冷腔（膨脹腔） go和室溫（壓縮）腔Va,由回熱器R連通，兩個活 塞作折線式間斷運動。假設在

35、穩(wěn)定工況下，回熱器 中已經(jīng)形成了溫度梯度，冷腔保持溫度 Tc0，室溫腔 保持溫度Ta,如圖1a所示。從圖1b、c中的狀態(tài)1 開始，壓縮活塞和膨脹活塞均處于右止點。氣缸內(nèi) 有一定量的氣體，壓力為 Pi,容積為V1,循環(huán)所經(jīng) 歷的過程如下：（a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）活塞運動示意（c）壓容圖與溫熵圖圖1斯特林制冷循環(huán)的工作過程E_mail: jswuMSN: jswu回復引用TOP12：熱推移活塞向右運動，冷推移活塞向上運動，冷腔和熱腔容積同時減小；冷 腔中的部分氣體通過冷量回熱器吸熱，然后經(jīng)過冷回熱器Rc0 被填料加熱到接近室溫Ti,進入室溫腔。而原來處于熱腔內(nèi)的氣體通過熱回熱器Rh,由填料冷卻到接近于室溫Ta，進入室溫腔。在這個過程中，由于冷熱兩腔容積同時減小，整個機器內(nèi) 部氣體的平均溫度和壓力變化不大；氣體在冷量換熱器中吸熱,有制冷效應。過程 2 3：冷推移活塞繼續(xù)向上運動，而熱推移活塞向左移動，熱腔增大，冷 腔減小。 冷腔中所留氣體經(jīng)歷與過程 12 大致相同的過程； 而室溫腔中的部分氣體 由熱推移活塞推過熱回熱器 &時，被填料加熱到接近