等溫蒸汽壓縮卡諾制冷循環(huán)

等溫蒸汽壓縮卡諾制冷循環(huán)摘要：在等溫壓縮和兩種可逆膨脹的基礎(chǔ)上，提出了卡諾制冷循環(huán)。雖然這是一個理想情況，但可用現(xiàn)有的硬件設(shè)計出無限接近這種循環(huán)的制冷循環(huán)。關(guān)鍵詞：制冷；研究；制冷系統(tǒng)；壓縮系統(tǒng)；熱力循環(huán)；卡諾正文：卡諾制冷循環(huán)有三種類型：亞臨界型，跨臨界型和常規(guī)循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)原理同樣適用于這三種構(gòu)型。在可逆循環(huán)過程中，制冷劑先與兩個外部的恒溫?zé)嵩矗═0和T1）交換熱量，在兩種可逆膨脹和等溫壓縮作用時，然后與外界交換作用。當(dāng)高壓（HP）制冷劑有一部分從高溫狀態(tài)被冷卻至低溫時，一個理想的絕熱的內(nèi)部熱交換器（IHX）就用于將低壓（LP）制冷劑從低溫加熱至高溫。這種循環(huán)的一個新穎之處就是，只有一小部分高壓制冷劑X被轉(zhuǎn)移到內(nèi)部熱交換器中，然后降到低溫T0。因此，從兩個等溫和一個等熵過程我們可以得到一個可逆循環(huán)，根據(jù)卡諾定理，它會提高卡諾循環(huán)的COP值。促使產(chǎn)生這類循環(huán)的設(shè)備包括：-一-一個或多個等溫可逆壓縮機(jī)在T1處連接到高溫?zé)嵩?，――一個冷凝器（只用于亞臨界型）在T1處連接到熱源，-一-一個蒸發(fā)器在T0處連接到低溫?zé)嵩矗?一-沒有外部熱交換時，可以使兩股制冷劑蒸汽從一個溫度過渡到其他溫度。――兩個可逆膨脹機(jī)（一個絕熱和一個等溫）。蒸發(fā)器— 7圖1.卡諾循環(huán)工作原理示意圖亞臨界循環(huán)過熱蒸汽在1處進(jìn)入壓縮機(jī)（溫度T1冷凝溫度）。由于是等溫壓縮，飽和蒸汽在溫度T1處從壓縮機(jī)中出來，在冷凝器中冷卻至冷凝溫度T1。圖2.氨的卡諾循環(huán)壓焓圖然后，離開冷凝器的飽和制冷劑液體分為兩路（點3）。高壓液體X部分直接進(jìn)入熱交換器（IHX）中，與從蒸發(fā)器出來的低壓回氣進(jìn)行熱量交換。X部分符合下列關(guān)系式：工［弘 ）—血HP咼）］=山5F*—山（1）因此，在熱交換器IHX中，高壓制冷劑液體和低壓制冷劑蒸汽的出口溫度分別等于T0和T1。在氣-液熱交換器的出口，溫度為T0的高壓制冷劑液體通過等溫可逆膨脹進(jìn)入到蒸發(fā)器，所以在圖2中的從點4到點5的這條線段是一條等溫線。這個膨脹的結(jié)果不是很明顯，但理論上，有利于制冷。與此同時，從冷凝器出來的其他部分的高壓制冷劑液體（1-X）在膨脹機(jī)等熵膨脹，因此圖2中的點3到點6的這條線段是一條等熵線。這個膨脹結(jié)果也有利于制冷。接著，制冷劑液體在蒸發(fā)器中蒸發(fā)產(chǎn)生制冷效果。這個循環(huán)過程中的COP值等于卡諾循環(huán)的COP為：COP- 7° （2）石-％該循環(huán)可以用另外循環(huán)代替1-2-3-4-5-60-7-1，在內(nèi)部熱交換器中進(jìn)行凝結(jié)處理（圖3）。冷凝器不再需要，但部分高壓制冷劑必須在點2處冷卻。在式子（1）中，對應(yīng)于（HP,T1）的點2非點3,用來選擇更小的X部分。即使2」的膨脹結(jié)果高于3-6的，但COP值（假設(shè)IHX是理想）不變，因為冷卻速率和能耗（由于額外的膨脹力）均在下降。

h（kJ.kgl）圖4二氧化碳的跨臨界循環(huán)的壓焓圖跨臨界循環(huán)同理，制冷循環(huán)中，高溫?zé)嵩礈囟缺戎评鋭┑呐R界溫度高，則為跨臨界循環(huán)（例如二氧化碳循環(huán)）。它與亞臨界循環(huán)的兩個主要不同為： 對于Meunieretal來說，在傳統(tǒng)的跨臨界二氧化碳等溫壓縮循環(huán)下，討論氣體冷卻器（圖3）是沒有必要的。[1]――冷凝壓力不再受到結(jié)露的限制，但是可以通過設(shè)計來控制壓力。為了得到一個可逆循環(huán)，膨脹后的那部分制冷劑（1-X）不進(jìn)入熱交換器IHX中，所以,制冷劑在冷凝器的出口溫度為T0（循環(huán)1-2-4-5-7-1圖4）,因此，在圖4上出口壓力高于相對應(yīng)的點2處的壓力。在最小可能的高壓下，制冷劑蒸汽x部分在冷凝器中冷卻為制冷劑液體進(jìn)入熱交換器IHX中。X部分仍然用公式(1)。如果在最低極限壓力下，制冷劑從膨脹機(jī)中出來進(jìn)入蒸發(fā)器后的狀態(tài)飽和制冷劑蒸汽。由于，單位制冷劑冷卻速度慢，單位制冷量下，制冷劑的體積流量大。假如，熱交換器IHX為理想熱交換器，仍然可以得到的卡諾循環(huán)的COP值，因為這是由兩個等溫過程和一個等熵過程組成的可逆循環(huán)。從壓力的角度來說這個循環(huán)似乎就是亞臨界，但是，冷凝溫度T1高于臨界溫度，所以為跨臨界循環(huán)。另一種可能的循環(huán)為 ，圖4,它具有較高的壓力，在熱交換器IHX中無相變但在相變過程中發(fā)生膨脹。假設(shè)熱交換器IHX為理想的，這個COP值就是卡諾循環(huán)的COP值，但單位制冷劑冷卻速度提高，單位制冷量下，制冷劑的體積流量變小，能耗更高。常規(guī)循環(huán)常規(guī)循環(huán)(LindeorClaude)只不過是一個跨臨界循環(huán)，只是蒸發(fā)溫度非常低，同樣是制冷劑液體蒸發(fā)為制冷劑蒸汽的循環(huán)，仍然是由一個等溫可逆壓縮過程和一個在壓縮機(jī)出口處的制冷劑分餾作用組成。X部分仍然符合關(guān)系式(1)。和進(jìn)行了分餾的克勞德循環(huán)對比，把從膨脹機(jī)流出的(1-X)部分制冷劑液體的出口溫度限制為T0。這種條件要求壓力足夠高，使(1-X)部分制冷劑在壓縮機(jī)的等熵膨脹線上，點6位于點7和點5之間。如果最低壓力已經(jīng)確定即點6和點7重合(循環(huán)1-2-4-5-7-1.圖5)，從壓縮出來(1-X)的那部分高壓制冷劑冷卻從壓縮機(jī)出來的X那部分高壓制冷劑從而達(dá)到溫度T0。在換熱間IHX是理想的條件下，由兩個等溫過程和一個等熵過程組成的可逆循環(huán)可以提高卡諾循環(huán)COP值。然而單位質(zhì)量的制冷劑冷卻速度邊小，因為x那部分的制冷劑蒸發(fā)量變少，此外單位制冷量下，制冷劑的體積流量變大。(循環(huán) 圖5)壓力越高，單位質(zhì)量制冷劑冷卻速度越大和產(chǎn)生單位制冷量下，制冷劑的體積流量越小。熱交換器IHX為理想時，這個循環(huán)的COP同樣為卡諾循環(huán)的COP。圖.5氧的液態(tài)臨界卡諾循環(huán)的壓焓圖4?應(yīng)用這個循環(huán)可能不會像它展示的那樣被用到，然而它應(yīng)該是有用的，就像介紹了一些小的不可逆性。在某些情況下，和可逆膨脹一樣，可以避免高壓制冷劑蒸汽流進(jìn)這兩股液體流,但兩個重要條件是保持等溫壓縮和內(nèi)部換熱器。如［1所討論的，等溫壓縮加上換熱器IHX對于從壓縮機(jī)出來后高溫液體形成是最重要的，并且能促使二氧化碳跨臨界循環(huán)和氨的流動。此外，這樣的循環(huán)配置可能避免使用冷凝器或空氣冷卻器。5.總結(jié)