新型制冷循环的理论研究

    1　新型循环的提出

    经典的斯特林循环是由苏格兰人斯特林(R.Stirling)于1816年提出来的,它是由两个定容过程和两个定温过程组成的闭式回热循环。利用逆向斯特林循环进行制冷,是由柯克(A.Kirk)于1862年提出来的,逆向斯特林循环与同温限下的逆向卡诺循环具有相同的制冷系数。斯特林循环通常情况下多用于低温制冷技术领域[1],常采用的制冷工质为单相单组分气体,如氢气、氮气等。现考虑通过对斯特林循环的分析,采用一种新型的循环替代蒸气压缩式制冷循环,并将其应用于普冷,即一般的制冷技术领域。此时单相单组分的工作介质就不能满足需求,因而考虑采用双相双组分混合工作介质[2-4],即选择两种不同组分且不发生化学反应的混合物作为工作介质,其中一种组分工质在制冷机运行的整个循环过程中始终保持气体状态,称其为载体工质;而另一种组分工质在室温附近时处于气态,待接近膨胀腔温度时就冷凝成液体(发生相变),称此工质为相变工质,这样在整个系统内部工作过程中存在着气液双相的工作介质。由于工作过程中有一种组分发生相变,这样就可以利用相变工质蒸发过程中的潜热值,同时可以使热传递过程得以改善,减少热损失,提高制冷系数。因此,采用双相双组分工质的制冷循环必将比采用单相单组分气体工质的制冷循环优越。

    普冷一般采用的是蒸汽压缩式制冷循环,此循环由于自身的不完善性,如节流损失、过热损失等使循环的制冷系数不会很高。因而从提高制冷系数、节约能源、保护臭氧层的角度出发,根据斯特林循环的各种特性以及利用双相双组分中相变工质汽化潜热的优点提出一种新型循环,该循环充分利用了斯特林循环的优势,而且利用了相变工质的潜热使得单位制冷量增加,压缩机容积减小。同传统的斯特林循环比较更有望在普冷中得到应用,同目前普遍采用的蒸汽压缩式制冷相比具有较高的制冷系数。

    2　新型循环模型的分析

    通过对经典斯特林循环的分析,根据双相双组分混合工质的特点,本文提出的新型循环由两个等温过程和两个等压过程组成。具体循环的示意图如图1所示。

    整个循环过程为:混合工质首先进入压缩腔C2,经过一个等温压缩过程,工质与外界的热量交换在毗邻气缸的水冷却器EV中发生,工质向水冷却器放热。当混合工质压缩至相变工质在室温对应的饱和压力时,将混合工质引入回热器R经历一个定压放热过程,即工质向回热器填料放热,在此过程中相变工质发生相变,从气态变为液态;将从回热器R出来的混合工质引入一个液体分离器A,经过液体分离器A后相变工质和载体工质分开。此后,相变工质再经过一个节流阀THR,压力和温度降低后进入蒸发器K并从中吸取热量,从蒸发器出来的相变工质最后经过一个压气机C1,等熵压缩至相变工质的初态。另一方面,载体工质与相变工质分离后,进入膨胀腔E,进行等温膨胀。与等温压缩过程相似,工质等温膨胀过程中与外界交换的热量发生在毗邻气缸的蒸发器K,工质从蒸发器中吸取热量;从膨胀腔E出来的载体工质再反方向经过回热器R,经过一个定压吸热过程,即载体工质从回热器R填料中吸取热量,返回到载体工质的初态。最后,从压气机C1出来的相变工质与从回热器R出来的载体工质经过混合器H,均匀混合后返回到压缩腔C2,此时完成一个循环。对整个循环的分析可以通过T-S图来完成,如图2所示。