帶膨脹機制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析

張雯浩

摘 要：文章對帶膨脹機制冷循環(huán)進行了熱力學(xué)分析和數(shù)值分析。結(jié)果表明，使用節(jié)流閥制冷機的節(jié)流過程在傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的工作過程中存在較大損失。通過使用帶膨脹機的制冷循環(huán)，不僅可以降低制冷劑的焓值，又可以將一部分動能轉(zhuǎn)化為壓縮機的機械能，從而降低制冷機的能量損失。

關(guān)鍵詞：膨脹機;制冷循環(huán);熱力學(xué)

中圖分類號：TB61

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、引言

節(jié)流過程是傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的主要損失之一。當(dāng)制冷劑流經(jīng)節(jié)流元件時，動能增加，壓力下降，同時產(chǎn)生強烈擾動和摩擦，此時摩擦產(chǎn)生熱能，熱能又被制冷劑吸收，因而在絕熱情況下，制冷劑的焓不變。流體被加熱后，一部分液體汽化，所以節(jié)流后的流體狀態(tài)的干度相對等熵膨脹過程增加。由于溫度增加，制冷劑在壓縮機的壓縮過程中吸收的熱量就會減小，在同樣的耗電水平下，制冷系統(tǒng)的做功能力下降。采用膨脹機代替節(jié)流閥時，制冷劑在膨脹機中膨脹，從中回收部分膨脹功并在壓縮機中加以利用，這樣就可以降低系統(tǒng)內(nèi)部的能量損失，提高整體系統(tǒng)的COP。

二、帶膨脹機的制冷循環(huán)分析

基本的蒸氣壓縮制冷循環(huán)如圖1中1-2-3-4h-1所示，如果用膨脹機替換節(jié)流閥，則循環(huán)過程如圖1中1-2-3-4s-1所示，制冷循環(huán)溫熵如圖2所示?？梢钥闯?，與普通膨脹閥系統(tǒng)對比，用膨脹機替換節(jié)流閥有兩點優(yōu)勢：

（1）蒸發(fā)器入口的焓值降低了，因此增加了單位制冷量。

（2）回收了膨脹過程的有用功，如果這部分功用來驅(qū)動壓縮機，則可大大降低循環(huán)所耗凈功，進而顯著提高循環(huán)性能系數(shù)。在采用節(jié)流元件的循環(huán)中，膨脹過程做功Wexp=0，膨脹機的循環(huán)膨脹功Wexp為：Wexp=h3-h4h。

為簡化計算，本文作如下假設(shè)：忽略氣冷器、蒸發(fā)器內(nèi)部的管道壓降;系統(tǒng)無漏熱損失; 蒸發(fā)器出口為飽和工質(zhì)。循環(huán)的熱力計算過程如下：

蒸發(fā)溫度為5℃、冷凝溫度為45℃時，幾種常規(guī)制冷劑帶膨脹機循環(huán)的制冷COP 和單位制冷量qeva隨膨脹機效率的變化規(guī)律圖（見圖3、圖4）。

三、分析與討論

由式（9）可知，能效比COP與膨脹機的循環(huán)膨脹功直接相關(guān)。當(dāng)制冷劑通過膨脹機的過程中的循環(huán)膨脹功越大，能量的有效利用率越大，即能效比越大，在同樣的電能耗費下，制冷系統(tǒng)的制冷效率越大。

通過幾種常規(guī)制冷劑帶膨脹機循環(huán)的制冷COP 和單位制冷量qeva隨膨脹機效率的變化規(guī)律以及與帶節(jié)流閥系統(tǒng)的比較。膨脹機效率為0.0時，即表示是帶節(jié)流閥的傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)?？梢钥闯觯S著膨脹機效率的提高，各系統(tǒng)的 COP均逐漸增大;同種制冷機帶膨脹機系統(tǒng)與帶節(jié)流閥系統(tǒng)比較，前者均有明顯的提高，并且這種提高隨著膨脹機效率的增大也在增大。

四、結(jié)論

通過公式（9）可以看出，使用膨脹機的制冷循環(huán)系統(tǒng)的COP大于使用節(jié)流閥的制冷循環(huán)系統(tǒng)。并且可以看出使用帶膨脹機的制冷循環(huán)制冷機的COP將隨著膨脹機的效率的增大而增大。由圖3、圖4可知，制冷機的制冷效率隨膨脹機效率的變化率對多種系統(tǒng)都成立。由此，可以確定使用帶膨脹機的制冷循環(huán)的制冷效率大于采用節(jié)流閥的制冷循環(huán)的制冷效率。如果在整個制冷循環(huán)中采用膨脹機代替節(jié)流閥，整個制冷過程的效率將會大大提高，制冷機的COP也會有效地提高，對于節(jié)能減排具有重要的意義。

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