等熵膨胀制冷

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、大，性能系数与热力完善度降低，并引起循环特性的某些变