实际逆布雷顿空气制冷循环的性能研究_张振迎

低温与超导第35卷　第6期制冷技术
Refrigerati on Cryo .&Supercond .Vol .35　No .6
收稿日期:2007-08-02
作者简介:张振迎(1979-),男,硕士,主要研究方向:新型制冷空调装置及相关传热流动现象。

实际逆布雷顿空气制冷循环的性能研究
张振迎1
,廖胜明
2
(1.河北理工大学,唐山063009;2.中南大学,长沙410083)
摘要:对实际逆布雷顿循环空气制冷循环进行了热力学分析,对其循环性能进行了数值模拟研究。

结果表明,影响实际循环性能的主要因素有膨胀比、转动部件等熵效率、工作温度等;实际循环中存在一最优膨胀比;制冷机用作空调冷源时,膨胀比在最优膨胀比附近;最优膨胀比的大小受压缩机效率、膨胀机效率、换热器端部温度等因素影响。

关键词:逆布雷顿循环;制冷;性能
I nvesti ga ti on on perfor mance of actua l reverse -brayton a i r cycle
Zhang Zhenying 1
,L iao Sheng m ing
2
(1.Hebei Polytechnic University,Tangshan 063009,China;2.Central South University,Changsha 410083,China )
Abstract:The ther modynam ic analysis of the actual reverse -B rayt on air cycle was perfor med and the perf or mance was studied by nu 2merical si m ulati on .The results show that,the fact ors on the perfor mance of the actual cycle include the s welling rati o,the isentr op ic efficien 2cies of the r ot ors,working te mperature and etc .;there is an op ti m al s welling rati o f or the actual cycle;the refrigerat or can be used for air conditi oning near the op ti m al s welling rati o;the op ti m al s welling rati o is affected by the isentr op ic efficiencies of the r ot ors and the tempera 2ture of heat exchangers .
Keywords:Reverse -B rayt on cycle,Refrigerati on,Perf or mance
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T 0表示制冷温度,T c 表示环境温度,P c 表示高压压力,P o 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T 3>T c ,Δt c 表示其端部温差;同理,
T 1<T 0,Δt 0表示其端部温差。

由于压缩机与膨胀机实
际过程偏离等熵过程,所以T 2s >T 2a ,T 4s >T 4a 。

图1　逆布雷顿空气制冷循环原理图
Fig .1　Sche matic diagram of the reverse -B rayt on air cycle
图2　逆布雷顿空气循环T -s 图
Fig .2　T -s diagra m of the reverse -B rayt on air cycle
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:
w c =h 2a -h 1ηc =
c p (T 2a -T 1)
ηc
(1)w e =ηe (h 3-h 4a )=c p (T 3-T 4a )ηe
(2)w 0=w c -w e
(3)其中ηc 为压缩机的绝热效率,ηe 为膨胀机的绝热效率,c p 为空气定压比热容,J /(kg ・℃)
实际循环的单位制冷量为:q 0=h 1-h 4s =c p (T 1-T 4s )
(4)实际循环的单位热负荷为:q h =h 2s -h 3=c p (T 2s -T 3)(5)
实际循环的制冷系数为:
CO P a =q 0w 0=
c p (T 1-T 4s )
c p (T 2a -T 1)
ηc
-c p (T 3-T 4a )ηe
(6)
在进行实际循环计算时,必须确定膨胀后的实际
温度T 4s ,确定过程如下:
由式(2)可知:
c p (T 3-T 4s )=c p (T 3-T 4a )ηe
(7)所以T 4s =T 3-(T 3-T 4a )ηe
(8)根据循环原理,可以得到:
T 4a =T 3(
p c p 0
)1-k
k =T 3PR 1-k k (9)
T 2a =T 1(
p c p 0
)
k -1
k
=T 1PR
k -1k
(10)
以上两式中,PR 为循环中高压p c 和低压p 0的比值,即循环的膨胀比。

根据式(6)、
(8)、(9)、(10)可得出:CO P a =
T 1-T 3-T 3(1-PR 1-k k
)ηe
T 1(PR
1-k k
-1)/ηc -T 3(1-PR 1-k k
)ηc
(11)
制冷温度T 0和环境温度T c 及室内外换热器的效
率影响因素都折合到端部温度T 1和T 3上,由式(11)可得,循环的制冷系数可以表示成下述参数的函数形式:
CO P a =f (PR ,ηc ,ηe ,T 1,T 3)
(12)3　结果与讨论
本文研究中假设空气制冷机实际循环工作参数
T 1=293K ,T 3=318K,ηc =ηe =85%,各主要参数对实际制冷系数的影响如下(在其他参数不变的情况下
进行分析的):
3.1　膨胀比对循环的影响
图3中表示了实际循环中制冷系数CO P a 和膨胀机出口温度T 4随膨胀比PR 的变化。

由图3可以看出,逆布雷顿循环空气制冷循环假定为理论循环时,膨胀比越小,理论循环制冷系数COP t 越高。

实际循环由于各部件存在损失,不仅大大降低了循环经济性,而且使循环特性发生了变化,存在一个最佳膨胀比PR op t ,此时制冷系数最高。

与理论循环不同,当膨胀比小于最佳膨胀比时,制冷系数反而迅速下降;当膨胀比大于最佳膨胀比时,制冷系数下降逐渐变缓,当膨胀比大于5时,膨胀比对制冷系数的影响已经很小。

另外,从图3中可以看出,理论循环的制冷系数COP t 要远远大于实际循环的制冷系数CO P a ,所以要提高循环性能应该努力使实际循环接近理论循环。

从图3中的虚线可以看出,在特定的外部条件下,膨胀比PR 越大,膨胀机的出口温度T 4越低。

由以上分析可知,如果制冷机膨胀比PR 大于5时(本文工况下膨胀机出口温度T 4在220K 以下的温度),此时膨胀比对制冷系数的影响不大,所以在选择循环的工作压力范围时,应综合考虑机组管道、附件尺寸及制冷系数各方面的因素,而不必过分强调最优膨胀比。

这也是在低温制冷时,很多人不关心最佳膨胀比的原因,可参考文献[5]、[6]。

但如果把循环用作空调冷源,则要求膨胀机出口的空气温度不能太低,则循环这时在
・425・ 制冷技术 Refrigerati on
第6期
小膨胀比范围内工作,由图3可以看出此时膨胀比正
好在最佳膨胀比PR
op t
附近。

所以循环用作空调冷源
时,为了提高循环性能,最佳膨胀比PR
op t
的确定则至关重要。

所以本文不仅研究了各参数对实际循环制系数CO P的影响,而且研究了相关参数对最佳膨胀比PR op t位置的影响。

图3　CO P和T
4
随膨胀比的变化
Fig.3　Variati on of CO P and T4al ong with the change
of s welling rati o
3.2　转动部件等熵效率对循环的影响
图4　压缩机等熵效率对CO P的影响
Fig.4　I m pact of the comp ress or isentr op ic effectiveness
on the CO P of the cycle
图5　膨胀机等熵效率对CO P的影响
Fig.5　I m pact of the expander isentr op ic effectiveness
on the CO P of the cycle
图4、5表示了部件效率对循环效果的影响。

从图
中可以看出,部件效率对循环效率有显著影响。

从图4、5可以看出,在不同膨胀比下,ηc和ηe的提高均使制冷系数COP提高,其中膨胀机的等熵效率对制冷系数COP的影响较显著,因此提高循环性能关键是提高膨胀机的效率;相对其它位置,在最优膨胀比附近,随着η
c 和η
e
的提高,制冷系数COP提高程度更明显。

图4、图5中的虚线分别表示最优膨胀比位置随
压缩机等熵效率η
c
和膨胀机等熵效率η
e
的变化趋
势。

可以看出,η
c
和η
e
的变化也引起了最佳膨胀比的
位置变化,η
c
和η
e
越高,最佳膨胀比越小,膨胀机等熵效率对最佳膨胀比的影响要大于压缩机等熵效率,等熵效率越低,差别越大。

由压缩机和膨胀机的运行
特性可知,膨胀比的变化同时也会引起η
c
、η
e
的变化,
因此在求最优膨胀比的过程中,并不能简单地把η
c
、
η
e
看作常数,更准确的方法应该是看成膨胀比的函数。

3.3　端部温度对循环的影响
图6　压缩机入口温度对CO P的影响
Fig.6　I m pact of the comp ress or entrance te mperature
on the CO P of the cycle
图7　膨胀机入口温度对CO P的影响
Fig.7　I m pact of the expander entrance te mperature
on the CO P of the cycle
图6、7表示了工作温度对循环效果的影响。

从图
・
5
2
5
・
第6期 制冷技术 Refrigerati on
中可以看出,工作温度对CO P 有影响,但影响相对转动部件效率要小很多,特别是随着膨胀比的增大,影响
逐渐减小。

由图6、7可知,压缩机入口温度越高(即室内换热器效率越高),膨胀机入口温度越低(即室外换热器效率越高),制冷系数CO P 越大。

因此,应尽可能使膨胀机入口温度较低而压缩机入口温度较高,即提高换热器效率。

图6和图7中的虚线分别表示压缩机入口温度和膨胀机入口温度对最优膨胀比位置的影响。

可以看出,压缩机入口温度和膨胀机入口温度的变化也引起了最佳膨胀比的位置变化,压缩机入口温度越低,膨胀机入口温度越高,最佳膨胀比越大;实际应用中,外界环境温度是经常变化的,所以可以根据膨胀机入口温度调节膨胀比的位置,以优化系统性能。

4　结论
本文根据逆布雷顿空气循环的原理,对其循环性
能进行了数值模拟研究,得出以下结论:
(1)实际循环中,由于压缩过程和膨胀过程偏离等熵过程和换热器端部存在温差,不仅降低了循环经济性,而且使循环特性发生了变化:实际循环中存在一最优膨胀比,而理论循环中不存在。

(2)制冷机用于膨胀比大于5的场合时,可不必过分强调最优膨胀比;但制冷机用作空调冷源时,膨胀比范围在最优膨胀比PR op t 附近,此时PR op t 的确定至关重要。

(3)转动部件的等熵效率对循环性能有显著影
响,其中膨胀机影响较大,实际使用中应努力提高转动部件的效率;工作温度对循环性能有影响,但相比转动部件的等熵效率,影响要小得多。

(4)最优膨胀比的大小,受压缩机效率、膨胀机效率、换热器端部温度等因素影响,其中换热器端部温度对最优膨胀比的影响较大;实际应用中外界环境温度是经常变化的,所以可以根据膨胀机入口温度调节膨胀比,以优化系统性能。

参考文献
1　杜建通.空气制冷循环的特性及其在制冷空调中应用的关
键技术.低温与超导,1999,27(8):33-39.
2　Stephen W T Spence,John Doran W ,David W A rtt,et al .Per 2
for mance analysis of a feasible air -cycle refrigerati on syste m for r oad trans port .I nternati onal Journal of Refrigerati on,2005,28:381-388.
3　陈纯正,杨金焕,等.透平-逆布雷顿循环空气制冷机性能
分析(一)-数学模型.流体机械,2003,31(12):39-42.
4　陈纯正,杨金焕,等.透平-逆布雷顿循环空气制冷机性能
分析(二)-数学模型.流体机械,2004,32(1):55-58.
5　陈纯正,吴刚,等.空气制冷机制冷系数影响因素的分析.
低温工程,2000,2:30-34.
6　孙郁,侯予,等.逆布雷顿循环空气制冷机的性能分析.低
温工程,2006,1:27-30.
7　张振迎.双级压缩空气循环的性能与优化研究.制冷空调
与电力机械,2006,27(2):26-29.
(上接第522页)
技术的局限性的同时,也为如何去构造所需要的材料
结构指明了方向。

另外,在多层和超晶格结构的原子层面工程技术的可行性和局限性方面,人们还需要掌握更多的知识,它们将为研制更加精密的异质结构和器件结构开辟路径。

5　结束语
从超导材料的发展历程来看,新的更高转变温度材料的发现及室温超导的实现都有可能。

单晶生长及薄膜制造工艺技术也会取得重大突破,但超导材料的基础研究还面临一些挑战。

目前超导材料正从研究阶段向应用发展阶段转变,且有可能进入产业化发展阶
段。

超导材料正越来越多地应用于尖端技术中,如超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电机与超导电力输送、火箭磁悬浮发射、超导磁选矿技术、超导量子干涉仪等。

因此超导材料技术有着重大的应用发展潜力,可解决未来能源、交通、医疗和国防事业中的重要问题。

参考文献
1　Basic Energy Sciences,U.S .Depart m ent of Energy .Basic re 2
search needs for superconductivity .2006,86.
2　马衍伟.超导材料研究及应用进展.科学新闻,2007,(5):
20-21.
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第6期。