帶膨脹機制冷循環的熱力學分析

張雯浩

摘 要：文章對帶膨脹機制冷循環進行了熱力學分析和數值分析。結果表明，使用節流閥制冷機的節流過程在傳統蒸汽壓縮式制冷系統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，不僅可以降低制冷劑的焓值，又可以將一部分動能轉化為壓縮機的機械能，從而降低制冷機的能量損失。

關鍵詞：膨脹機;制冷循環;熱力學

中圖分類號：TB61

文獻標識碼：A

一、引言

節流過程是傳統蒸汽壓縮式制冷系統的主要損失之一。當制冷劑流經節流元件時，動能增加，壓力下降，同時產生強烈擾動和摩擦，此時摩擦產生熱能，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，所以節流后的流體狀態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，制冷系統的做功能力下降。采用膨脹機代替節流閥時，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內部的能量損失，提高整體系統的COP。

二、帶膨脹機的制冷循環分析

基本的蒸氣壓縮制冷循環如圖1中1-2-3-4h-1所示，如果用膨脹機替換節流閥，則循環過程如圖1中1-2-3-4s-1所示，制冷循環溫熵如圖2所示。可以看出，與普通膨脹閥系統對比，用膨脹機替換節流閥有兩點優勢：

（1）蒸發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動壓縮機，則可大大降低循環所耗凈功，進而顯著提高循環性能系數。在采用節流元件的循環中，膨脹過程做功Wexp=0，膨脹機的循環膨脹功Wexp為：Wexp=h3-h4h。

為簡化計算，本文作如下假設：忽略氣冷器、蒸發器內部的管道壓降;系統無漏熱損失; 蒸發器出口為飽和工質。循環的熱力計算過程如下：

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

三、分析與討論

由式（9）可知，能效比COP與膨脹機的循環膨脹功直接相關。當制冷劑通過膨脹機的過程中的循環膨脹功越大，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，制冷系統的制冷效率越大。

通過幾種常規制冷劑帶膨脹機循環的制冷COP 和單位制冷量qeva隨膨脹機效率的變化規律以及與帶節流閥系統的比較。膨脹機效率為0.0時，即表示是帶節流閥的傳統制冷系統。可以看出，隨著膨脹機效率的提高，各系統的 COP均逐漸增大;同種制冷機帶膨脹機系統與帶節流閥系統比較，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、結論

通過公式（9）可以看出，使用膨脹機的制冷循環系統的COP大于使用節流閥的制冷循環系統。并且可以看出使用帶膨脹機的制冷循環制冷機的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都成立。由此，可以確定使用帶膨脹機的制冷循環的制冷效率大于采用節流閥的制冷循環的制冷效率。如果在整個制冷循環中采用膨脹機代替節流閥，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，對于節能減排具有重要的意義。

參考文獻：

[1]高美娟.帶膨脹機CO2跨臨界循環熱泵的研究狀況[J].電子制作，2013（17）.

[2]馬一太，邢英麗，查世彤，等.CO2跨臨界循環膨脹機回收功的實驗研究[J].流體機械，2003（12）.

[3]李敏霞，馬一太，蘇維誠.CO2跨臨界循環水源熱泵擺動轉子膨脹機樣機的研制開發[J].太陽能學報，2008（9）.

[4]李敏霞，馬一太，蘇維誠，等.CO2跨臨界制冷循環膨脹機的開發[J].制冷與空調，2005（5）.

[5]李敏霞，馬一太，蘇維城，等.CO2跨臨界循環帶膨脹壓縮機系統熱力學分析[J].制冷與空調，2005（4）.

[6]馬一太，魏 東，查世彤，等.二氧化碳膨脹機的熱力計算與選型分析[J].流體機械，2002（10）.

[7]丁國良，黃冬平，張春路.跨臨界二氧化碳汽車空調穩態仿真[J].工程熱物理學報，2001（3）.

[8]徐洪濤，李蒙沂，李國強，等.跨臨界循環二氧化碳熱泵型熱水器的應用研究[J].制冷與空調，2001（1）.

[9]劉 雄，姜喬喬，郭浩波.CO2雙級壓縮制冷熱泵循環性能研究[J].流體機械，2011（8）.