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(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) 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(yīng)。對于理想氣體，膨脹前后的溫度關(guān)系是：（2）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

2、度的上升，制冷量下降。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：（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(yīng)和微分節(jié)流效應(yīng)兩者之差為：（5）因為始終為正值，故sh。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，也便于調(diào)節(jié)；等

3、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(yīng)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(yīng)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(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，等壓冷卻，等熵膨脹及等壓吸熱四個過程，這與蒸氣

4、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

5、沒有端部溫差。這樣假設(shè)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，12是等熵壓縮過程，23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。     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)pv圖與Ts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 （6）(7)單位壓縮

6、功和膨脹功分別是（8）（9）從而可以計算出循環(huán)消耗的的單位功及性能系數(shù)（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 、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(yīng)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

7、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 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

8、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?。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，同時也限制了制冷箱溫度的降低。應(yīng)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45是壓縮和膨脹過程；23和56是在冷卻器

9、中的冷卻過程和及冷箱中的吸熱過程；34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(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（）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(shù)因為 故 理論回熱循環(huán)的性能系數(shù)可表示為：（14）或

10、（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)6785，兩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)比無回熱循環(huán)大，特別是應(yīng)用高效透平機械后，制冷機經(jīng)濟性大大提高。當制取80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(yīng)用還是很不普遍，這是因為它的熱交換設(shè)備比較龐大，而且，當應(yīng)用透平機械時只適用于大

11、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

12、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

13、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?；蛘哐┗?。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(jīng)過點進入負載熱交換器中。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?/p>

14、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(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)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(zhì)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22'是由于在相同的壓縮比下，相變成分的氣化吸熱，

15、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（11ba面積）小于壓縮過程12'所需的壓縮功（12'ba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2'3為布雷頓循環(huán)的等壓排熱過程線；23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4ab1）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

16、2'34）；其次是混合工質(zhì)循環(huán)（面積1234）；再其次是朗肯循環(huán)（面積12'2'''34）；卡諾循環(huán)最?。娣e12''34）。     圖6 壓縮過程的Pv圖圖7 等壓排熱過程的Ts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為混合工質(zhì)循環(huán)的膨脹過程線。由圖可見：4'4，混合工質(zhì)循環(huán)的膨脹功（面積cd34）大于布雷頓循環(huán)的膨脹功（面積cd34'）。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

17、做功。圖8 膨脹過程的Pv圖 圖9 等壓過程的Ts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(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''ab1）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)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。

18、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25左右；當膨脹器進口噴水時，該數(shù)值則在20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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)發(fā)生化學反應(yīng)。實際選用相變成分時還應(yīng)考慮另一些條件，如相變物質(zhì)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(nèi)，