实际逆布雷顿空气制冷循环的性能研究

    1 引言

    空气无毒无害,可以自由获得,对生态环境无破坏作用,是最理想的制冷剂。但在很长一段时间内,由于技术和制造水平的限制,空气制冷机在普通制冷区域性能低下,应用推广受到了一定限制。随着高速透平机械和高效紧凑换热器的发展,效率显著提高,特别是随着CFC工质的禁用,逆布雷顿循环空气制冷机再一次被人们所关注, 20世纪90年代以来,先后有美国、澳大利亚、德国、日本、英国进行了空气制冷装置和技术的研究及试验,应用范围涉及住宅、列车空调、食品冷冻和冷藏等几乎所有的制冷技术应用领域[1-2]。

    在我国,对于空气制冷机的研究才刚刚起步。西安交通大学低温技术研究所的陈纯正等人对空气制冷机进行了理论上的探讨,研究了空气制冷机数学模型的建立、制冷系数的影响因素等[3-5]。文献[6]对逆布雷顿循环空气制冷机进行了性能分析,并进一步提出了提高制冷机效率的改进方案,对系统参数和设计参数进行了优化设计。文献[7]对双级压缩空气循环的性能与优化进行了研究。

    本文主要阐述了逆布雷顿循环空气制冷机的工作原理,对循环做了热力学分析,并进行了优化研究,研究了膨胀比、部件等熵效率及工作温度对循环性能的影响,进而指出了提高制冷性能和效率的途径。

    2 循环热力学分析

    图1所示为逆布雷顿空气循环的原理图。图2为循环的T-s图,图中T0表示制冷温度,Tc表示环境温度,Pc表示高压压力,Po表示低压压力。理论循环在T-s中由1-' 2 -' 3 -' 4 '表示。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损失,使得实际循环与理论循环差别很大。本文分析时作如下假设: (1)空气当作理想气体处理; (2)吸热、放热过程为等压过程; (3)压缩膨胀过程中的压力损失折算到进口压力上; (4)传热温差折算到换热器端部温度中。

    采取上述假设后,即得到实际循环的T-s图,如图2中的1-2s-3-4s-1过程。1-2s、2s-3、3-4s、4s-1分别表示实际循环的压缩、冷却、膨胀和吸热过程。由于换热器端部温差的存在,气体出冷却器的实际温度比环境温度要高,即T3>Tc,Δtc表示其端部温差;同理,T1T2a,T4s>T4a。

    考虑实际过程的不可逆性,实际循环的单位压缩功、膨胀功和净功为:

    其中ηc为压缩机的绝热效率,ηe为膨胀机的绝热效率,cp为空气定压比热容, J/(kg•℃)

    实际循环的单位制冷量为:

q₀=h₁-h_4s=cp(T₁-T_4s) (4)

    实际循环的单位热负荷为: