天然工质应用于逆向Brayton循环中的理论分析

    0 前 言

    众所周知,展望21世纪初制冷剂的发展方向,重点仍将是围绕着联合国制定的5关于消耗臭氧层物质(ODS)的蒙特利尔议定书6)))即到2030年以前全世界完全停止CFCs和HCFCs的生产和使用这一环境问题。为此,当前世人的目光除集中在不含氯的HFC类工质上,如HFC134a、HFC32、HFC125、HFC143a、HFC245ca以及R717等外,同时还有一些有识之士则把目光集中到二氧化碳(R744)[1]、二氧化硫(R764)、丁烷(R600)、异丁烷、汽油、丙烷(R290)、乙胺等可凝性气体上,更有甚者建议直接采用大自然中最无环境问题而又取之不尽的空气作为制冷剂[2]。本文将就天然工质应用于逆向Brayton循环的可行性作一理论分析。

    1 逆向布雷顿循环(Brayton cycle)的理论分析

    对于图1所示逆向布雷顿循环(Brayton cycle),并考虑压缩机和膨胀机的等熵效率,则其制冷系数

    如把空气视作理想气体,则

    由此可得

    并令S= T3/T1则

    由上式可知:空气制冷循环系统(逆向Brayton循环)的总能效取决于如何应用以及有效回热的总量多少。在空气循环系统中,COP值很大程序上受到压缩机和膨胀机的效率所限制,而且还与所使用的换热器有关。因上述设备的不可靠、低效等关键因素导致了被蒸气式压缩机系统所取代。此外空气制冷循环(即逆向Brayton循环)由于气体工质热容小、设备庞大、投资昂贵、制冷效率低,因此这一制冷循环除了作为飞机座舱空调系统使用外,较难适用于中小型空调器。但是在今天,自两相流透平膨胀机以及其他形式膨胀机陆续问世,可以提供理想的效率,再有目前高效换热器开发成功,使换热性能得到显著改善,这就使空气制冷系统可同现存蒸气式压缩机系统相媲美[3]。

    2 天然工质的特性

    所谓天然工质就是指自然界中天然存在的可以用作制冷剂的工质(如水、空气、石油天然气等)。

    表1列出几种天然工质与氟里昂制冷剂相关某些热力性制的对比,由此可见,就ODP和GWP值、毒性、可燃性、爆炸性、安全性等指标来看, CO2不仅具有不燃、无公害的特点,而且CO2的单位容积制冷量0°C时高达22 600 kJ/m³,比其它制冷剂要高出5~8倍;CO2临界压力为714×10⁵Pa,对热泵供热尤其具有经济性。当所需热水温度在10°C~55°C时,COP值高达5.36。这时蒸发过程低于临界点,冷凝过程超过临界点。相当于恒温热源吸热、变温热源放热的洛仑兹循环,性能系数远高于其它制冷机的热泵。此外, CO2的比热、蒸发焓、导热系数等都没有太大的不足,热力性能稳定,不引起化学反应,是一种理想的制冷剂。