等熵膨胀制冷

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Δh pr与理想焓降（即等熵焓降）Δh id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p c，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Q c，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，T c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，单位功增大，性能系数与热力完善度降低，并引起循环特性的某些变化。

（2）定压回热气体制冷机循环

在分析无回热气体制冷机的理论循环时得出结论：理论循环的性能系数随压力比 /的减小而增大，所以适当的降低压力比是合理的。但是由于环境介质

温度是一定的，降低压力比将使膨胀后的气体温度升高，从而降低了循环的单位制冷量，同时也限制了制冷箱温度的降低。应用回热原理，可以既克服了上述缺点，又达到了降低压力比的目的。所谓回热就是把由冷箱返回的冷气流引入一个热交换器―回热器，用来冷却从冷却器来的高压常温气流，使其温度进一步降低，而从冷箱返回的气流则被加热，温度升高。这样就使压缩机的吸气温度升高，而膨胀机的进气温度降低，因而循环的工作参数和特性发生了变化。

图4为定压回热式气体制冷机的系统图及其理论循环的T-s图。图中1－2和4－5是压缩和膨胀过程；2－3和5－6是在冷却器中的冷却过程和及冷箱中的吸热过程；3－4和6－1是在回热器中的回热过程。图4b中还表示出了工作于同一温度范围内具有相同制冷量的无回热循环6－7－8－5－6。显然两个循环具有相同的工作温度和相等的单位制冷量，但定压回热循环的压力比，单位压缩功和单位膨胀功都比无回热循环的小得多。现在进行定压回热理论循环的计算。

图4（ａ）定压回热气体制冷机系统图(点击放大) 图4（b) 定压回热气体制冷机循环的T-s图