毕业设计（论文）-制冷热泵循环中用膨胀机代替节流阀的研究.doc

学学 号：号：200804040106 HEBEI UNITED UNIVERSITY 毕毕 业业论论文文 GRADUATE THESIS 设计题目：设计题目：制冷制冷/ /热泵循环中用膨胀机代替节流阀的研究热泵循环中用膨胀机代替节流阀的研究 学生姓名：学生姓名：梁延斐梁延斐 专业班级：专业班级：08 建设建设 1 班班 学学 院：建筑工程学院院：建筑工程学院 指导教师：张振迎指导教师：张振迎 讲师讲师 2012 年年 06 月月 02 日日 摘 要 -I- 摘 要 目前，能源和环境问题已经成为制约人类社会高速发展的主要问题，对于 空调制冷行业，由于本身的耗能加之传统制冷剂对环境的破坏，制冷型式的节 能和环保已经成为本领域的前沿课题。而采用膨胀机的制冷循环在热力特性等 方面比传统的节流阀制冷系统具有更优越的性能。 本文运用热力学第一定律，第二定律，计算机模拟软件进行模拟分析计算， 分析各种基本循环，并对单级膨胀机制冷循环，单级膨胀机加回热器循环，双 级压缩制冷循环中膨胀机代替节流阀的研究进行了热力分析和热力计算。通过 对以上制冷循环进行代替研究，用膨胀机代替节流阀，并对各种循环方式的热 力学变化进行了分析计算，对比了膨胀机代替前后系统 COP 值的变化，验证了 膨胀机有利于增加制冷系数 COP 的结论。 本文的研究成果能为各种制冷循环的改进、循环控制参数的影响、膨胀机 对于循环性能的提高等方面提供可靠的参考依据。 关键词 制冷；膨胀机；节流阀；控制参数；热力计算 Abstract -II- Abstract At present, the problem of energy and environment has become the main restriction of human society high-speed development problem. For air conditioning and refrigeration industry, because of its energy consumption and damage to the environment of traditional refrigerant. Refrigeration type of energy saving has become the front subject in the field. The refrigeration cycle with expander has better performance than the traditional throttle refrigeration system in thermal characteristics etc. In this paper, including the application of the first and the second law of Thermodynamics and computer simulation software to analysis simulation, the analysis of various basic cycle, and the thermal analysis and thermal calculation of the study of the single stage expansion refrigeration cycle, the single stage expansion and regenerator cycle, and the expander to replace the throttle valve in the double stage compression refrigeration cycle. Based on the above replacement study of refrigeration cycle, the expander instead of throttle valve, and various cycle thermodynamic changes were analyzed, compared to the change of COP before and after the expander to replace the system, verify the expander has the added benefit of refrigeration coefficient COP knot theory. The results of this study can provide a reliable reference for a variety of refrigeration circulation improved, loop control parameters, expander for circular performance improvement and other aspects. Keywords refrigeration; expander; throttle valve; control parameter; thermal calculation 目 录 -III- 目 录 摘 要 Abstract 第 1 章 绪论.1 1.1 研究背景 .1 1.1.1 热泵与制冷技术的广泛使用.1 1.1.2 热泵与制冷技术的发展.2 1.1.3 制冷系统发展趋于成熟.2 1.2 国内外研究现状 .4 1.2.1 制冷方式的组成.4 1.2.2 制冷循环的发展.7 1.2.3 制冷剂的发展.7 1.3. 课题的研究意义.9 1.4 研究内容及创新点.9 1.5 本章小结.10 第 2 章 理论分析.11 2.1 基本制冷循环 .11 2.2 带膨胀机循环 .12 2.3 回热制冷循环 .14 2.4 带喷射器制冷循环 .15 2.5 带经济器制冷循环 .17 2.6 双级压缩循环.19 2.7 本章小结.20 第 3 章 单级循环膨胀机代替节流阀研究.22 3.1 概述 .22 3.2 膨胀机循环的热力分析 .24 3.3 膨胀机循环的热力计算 .26 3.4 不同膨胀机的特点.32 3.4.1 往复活塞式膨胀机.33 3.4.2 涡旋式膨胀机.33 3.4.3 螺杆式膨胀机.33 3.4.4 滚动活塞式膨胀机.34 3.4.5 摆动转子式膨胀机.34 3.4.6 透平式膨胀机.34 3.5 本章小结.34 第 4 章 蒸气回热循环膨胀机代替节流阀.36 4.1 基本循环的理论分析 .36 4.2 膨胀机的代替研究 .38 4.3 膨胀机替代研究的热力计算 .40 4.4 本章小结.46 第 5 章 双级压缩循环膨胀机代替节流阀.48 目 录 -IV- 5.1 双级压缩循环的概述 .48 5.2 双级压缩循环的理论分析 .48 5.3 双级压缩循环低压膨胀机代替研究 .50 5.4 循环中低压膨胀机替代的热力计算 .53 5.5 双级压缩循环高压膨胀机代替研究 .58 5.6 循环中高压膨胀机替代的热力计算 .61 5.7 本章小结 .65 第 6 章 结论.67 6.1 结论 .67 6.2 今后的研究方向 .68 6.3 后续工作 .68 参考文献.70 谢 辞.72 第 1 章 绪论 -1- 第 1 章 绪论 1.1 研究背景 目前，能源和环境问题已经成为制约人类社会高速发展的主要问题，在社 会各种关系中，人与自然的和谐发展日趋显得重要与紧迫。酸雨、植被破坏、 温室效应、臭氧层空洞、海洋污染等诸多生态环境问题已经成为全球关注的焦 点。为推动经济、社会和环境的友好发展，节能和环保已经成为 21 世纪全球共 同关注的首要问题。 对于空调制冷行业，由于本身耗能加之传统制冷剂对环境的破坏，制冷型 式的节能和制冷剂的替代已经成为本领域的前沿课题，引起了国内外专家学者 和科技人员的越来越多的关注，同时，越来越多的国内外资金项目也加大了对 该领域的前沿性和创新性研究的资助力度。 随着人类社会经济的发展与技术水平的提高，空调制冷行业在最近一个多 世纪里取得了长足的发展。如何降低系统损失、提高系统性能系数，如何高效 用能一直都是研究能源的学者们积极追求与探索的方向。随着国家能源缺失的 约束，节能减排工作进一步成为全国上下奋斗的目标。对于热泵和冷水机组的 广泛使用，国家的相关能源政策以及膨胀功回收对提高系统效率与能源动力设 备节能的明显作用，常规工质膨胀机的研究也需得到高度的重视与投入。 空调系统能耗在整个建筑能耗中所占比例达到 63%左右。2005 年 6 月 30 日 国务院总理温家宝在“全国做好建设节约型社会近期重点工作电视电话会议” 上指出，加快建设节约型社会，事关现代化建设进程和国家安全，事关人民群 众福祉和根本利益，事关中华民族生存和长远发展。节能成了空调机组的重要 标准之一。而影响制冷机组能耗的因素主要有以下四个方面：冷却水温度和当 地空气湿球温度的动态变化；建筑动态冷负荷；机组性能特点；机组的组合方 式及运行策略。 1.1.1 热泵与制冷技术的广泛使用 20 世纪 30 年代，氟利昂类人工合成制冷剂的出现，对于空调制冷行业的 技术提高产生了巨大的推动作用。随着氟利昂制冷机的发展，热泵也有了较快 的发展，特别是二战以后，由于工业经济的长足发展，引发的对供热的大量需 求及能源的相对短缺，促进了大型供热及工业用热泵的发展。1973 年，全球性 能源危机，进一步促进了热泵在全世界范围内的发展。但热泵在世界范围内的 大规模商业应用是最近 20 多年的事。据资料显示，美国截至 1985 年全国共有 河北联合大学建筑工程学院 -2- 14000 台地源热泵，而仅 1997 年就安装了 45000 台，目前为止已安装了 400000 台，并且每年以 10%的速度增长，由此可见热泵技术在现代商业的广泛应用。 热泵技术在国外已经发展的非常成熟，进入我国才不到十几年的时间。一 方面，由于行业可观的前景，同时也由于能源紧张、电力装机容量的改变，以 及国家政策的倾斜，形成了整个社会节能降耗的外部环境，给热泵机组带来了 发展机遇。它的环保与节能性，正好也顺应了潮流，为其发展创造了极大的空 间。另一方面，随着国民生产总值的快速增长以及人们生活水平的不断提高， 使人们对生活品质的追求也逐渐提高，与此同时，我国冷水机组也随之得到了 快速发展。 1.1.2 热泵与制冷技术的发展 据统计，仅冷水机组，2006 年我国市场总量是 77.1 亿元左右，比 2005 年 增长了 13.1%，到了 2007 年，总量达到 120 亿元左右，比 2006 年又增长了 55.6%。由于外国资本的增加和奥运会及世博会的召开，中国建筑行业发展强劲， 这些都推动了冷水机组更快更好的发展。冷水机组的大量采用，满足了人们对 健康、舒适的需要，也加大了对电能和其他能源的需求，同时引起了因燃烧煤 炭发电而产生的环境污染。为此，我国在 2004 年制定了冷水机组能效限定值 及能源效率等级 ，对冷水机组，只考虑制冷容量，规定了五个级别的能源效率 等级。能效标准的制定给冷水机组提出了高要求，也带来了巨大的压力。据统 计，我国大部分冷水机组的能效等级一般都为居中偏下，而新一轮的能效标准 正在酝酿之中，这必将对冷水机组的高能效提出新的要求。. 1.1.3 制冷系统发展趋于成熟 如何在新形势下提高机组的能效比成为关注的焦点。近年来，人们在循环 原理、高效压缩机、节流机构和换热器的设计上做了很多文章，也获得了很多 成绩，使得技术得到了很大进步，系统更加高效与完善。大型压缩机的研究， 等焓效率已超过 80%。蒸发器、冷凝器的传热温差可控制在 23。系统的控 制也在利用微电子技术不断完善。 唯独膨胀机构还是薄弱环节。在采用膨胀阀的系统中，所有的膨胀功都损 失并转化为热。节流是高度不可逆的过程，且节流损失是双倍损失。高温高压 液态制冷剂从冷凝器排出后经节流阀节流，成为低温低压气液混合态制冷剂。 这个过程当中，除了造成没用的膨胀损失之外，还包括这部分膨胀功转化为热 而造成制冷剂不必要的气化，使制冷剂干度升高，带来了制冷量损失。 第 1 章 绪论 -3- 如图 1.1 所示，1-2-2-3-4h-1 是带膨胀阀的普通制冷循环过程，取 3-4h 为 等焓过程；1-2-2-3-4s-1 是理想的制冷循环过程，其中主要的理想过程是 3-4s 的等熵过程，即将膨胀机的效率定义为 100%的过程。而途中的 1-2-2-3-4-1 为 带膨胀机的制冷循环，3-4 为膨胀机实际工作过程，这是由于膨胀机在实际工作 过程中的效率不能达到百分之百。可以从图中明显看出，采用膨胀机代替节流 阀不仅可以增加单位制冷剂的制冷量，提高系统的制冷性能。 然而，膨胀机应用于普通制冷循环的实践缺少成功的范例，而在一般的普 通蒸气压缩制冷循环中通常采用简单可靠的膨胀阀代替膨胀机，这是因为膨胀 机可能遇到不合理因素有很多，主要包括：其一：常规制冷剂制冷循环中可回 收的膨胀功占压缩功的比例很小，除开各种损失，可能导致膨胀机不具备经济 性。其二：进入膨胀机的制冷剂为液态，由于液击、气蚀的存在将冲淡润滑油， 可能影响膨胀机的使用寿命。其三：常规制冷剂的膨胀比很大，极易导致膨胀 机内部机件的摩擦损失等，造成高效膨胀机设计困难。其四：膨胀过程的相变 本身比较复杂。另外，膨胀阀可以根据负荷变化灵活调节进入蒸发器的制冷剂 流量；对于膨胀机，一般来说尺寸一经确定，膨胀比也基本固定，不方便调节， 负荷变化时可能使得膨胀机不能保持最优运行效率。综上各方面的原因，高效 膨胀机的开发比较困难，利用膨胀机代替节流阀以减少不可逆损失的研究也比 较少。 然而，机组性能特点改进上，利用膨胀机回收膨胀功来提高制冷系数是广 泛采用的方式。在与未利用膨胀机的制冷循环进行比较中，通过各种改进措施 的对比，对膨胀机在各种制冷循环中的优化配置，来验证这种做法在实际上是 图 1.1 常规制冷循环原理图 河北联合大学建筑工程学院 -4- 否节能，并能节能多少？对此问题本文进行比较、分析和计算。 1.2 国内外研究现状 从广泛意义上讲，膨胀机是高压气态工质膨胀做功的装置，其利用压缩气 体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低的原理以获得冷量。至今，国内 外已经出现了多种不同类型的膨胀机。膨胀机与压缩机经历的是两个完全相反 的工作过程，所以膨胀机的开发一般是建立在压缩机基础上进行，但膨胀机的 体积要小很多。目前膨胀机按运动形式分为容积型膨胀机和速度型膨胀机两种。 容积型膨胀机是通过工作腔体积的变化实现膨胀过程，包括活塞式、涡旋 式、转子式、螺杆式等。而速度型膨胀机是将工作物质的压力转变为其速度以 实现膨胀过程，即与离心式压缩机相对地透平式膨胀机。工作原理的不同，导 致了两种膨胀机具有各自相应的应用领域。容积型膨胀机主要适用于高压力比 和小流量的中小型高、中压深低温设备。相比之下，透平式膨胀机具有流量大、 结构简单、体积小、效率高和运转周期长等特点，适用于大中型深低温设备。 长期以来，国内外研究人员一方面在改进已有的机型，另一方面还在不断 的探索与研究新机型，都是为了提高膨胀机效率，从而提高系统性能系数，达 到高效用能的目的。对于现存结构的膨胀机，通过对其加强密封、增进润滑、 优化设计等方面的改进研究，有效地提高了膨胀机的膨胀效率。在开发研究新 型结构的膨胀机方面也获得了一定的成绩，扩展了膨胀机的应用范围。 随着当今社会科技的不断进步与发展，制冷技术正在逐步地改进与提高， 国内外也在同步地研发新型的节能环保技术。就目前而言，研究的成果体现在 以下几个方面。 1.2.1 制冷方式的组成 图 1.2 基本制冷循环 第 1 章 绪论 -5- 如图 1.2 所示，对于传统的制冷循环而言，压缩机、冷凝器、节流装置、 蒸发器是制冷所需的必备的四大件，无论何种方式的制冷循环，都不能缺少其 中任何一个部件来运行。 （1）压缩机 如图 1.3 所示，压缩机是将低压气体提升为高压的一种从动的流体机械。 它是制冷系统的心脏，它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转 带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环 提供动力，从而实现压缩冷凝膨胀蒸发 ( 吸热 ) 的制冷循环。 压缩机按其原理可分为容积型压缩机与速度型压缩机。容积型又分为往复 式压缩机、回转式压缩机；速度型压缩机又分为：轴流式压缩机、离心式压缩 机。目前家用空调器压缩机一般都是容积式的；在商用空调上，多用离心式、 螺杆式、涡旋式压缩机为制冷空调系统提供足够的动力。 （2）冷凝器 冷凝器是空调系统的机件，它能将管子中的热量，以很快的方式，传到 图 1.3 压缩机结构示意图 河北联合大学建筑工程学院 -6- 管子附近的空气，大部分的汽车置于水箱前方，把气体或蒸气转变成液体的装 置。发电厂要用许多冷凝器使涡轮机排出的蒸气得到冷凝；在冷冻厂中用冷凝 器来冷凝氨和氟利昂之类的制冷蒸气。石油化学工业中用冷凝器使烃类及其他 化学蒸气冷凝。所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走而运转的。 压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸气，使之压力升高后送入冷 凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的 液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸气，从而完成 制冷循环。 （3）节流机构 节流机构是在制冷循环中承担着降压节流的作用，和压缩是一对相逆的过 程。在制冷循环中节流机构的作用是节流降压和调节供液量。 常见的节流机构有膨胀阀和膨胀机等节流装置。膨胀阀有手动膨胀阀、浮 球式膨胀阀、热力膨胀阀、电子膨胀阀和阻流式膨胀阀等，使高压液态制冷剂 受迫流过一个小过流截面，产生适合的局部阻力损失或沿程损失，使制冷剂压 力骤降，与此同时一部分液态制冷剂气化，吸收潜热，使节流后的制冷剂成为 低压低温状态。膨胀机分为活塞式、涡旋式、螺杆式、透平式等，图 1.4 就是 膨胀机的结构示意图。膨胀机和压缩机是两个完全相反的工作过程，对于膨胀 机而言，具有提高单位制冷量和回收膨胀功的优势。 （4）蒸发器 蒸发器是制冷四大件中很重要的一个部件，低温低压的冷凝“液”体通过 蒸发器，与外界的空气进行热交换， “气”化吸热，达到制冷的效果。 空调蒸发器的作用是利用液态低温制冷剂在低压下易蒸发，转变为蒸气并 图 1.4 膨胀机结构示意图 第 1 章 绪论 -7- 吸收被冷却介质的热量，达到制冷目的。 根据被冷却介质的种类不同，蒸发器可分为两大类： (1)冷却液体载冷剂的蒸发器。用于冷却液体载冷剂水、盐水或乙二醇水 溶液等。这类蒸发器常用的有卧式蒸发器、立管式蒸发器和螺旋管式蒸发器等。 (2)冷却空气的蒸发器。这类蒸发器有冷却排管和冷风机。 1.2.2 制冷循环的发展 为了提高制冷能力，增大制冷效率，目前已经研发了多种制冷循环的方式， 其中包括老一级的制冷方式：单级压缩式制冷，回热式压缩制冷，采用膨胀机 的压缩式制冷，带闪发蒸气分离器（经济器）的压缩式制冷，带中间冷却器的 双级压缩制冷循环。而这些循环，都是国内外早期为了提高制冷能力而研发的 改进方式和措施。 对于现在而言，简单的单级压缩和双级压缩制冷循环已经不能满足人类对 于环境的需求，新的制冷技术正在成型。吸收式制冷技术的研发，包括两个目 的：一是提高循环的性能系数，以降低能源的消耗；二是扩大其功能，以增加 其应用范围。前者包括复叠式循环，双系统复叠式制冷循环和单系统内复叠式 制冷循环，复合循环、GAX 循环及辅助循环等；后者主要有利用夜间电力的吸 收/压缩循环、附有发电机的循环、常温热输送系统和浓度差蓄能系统等。 吸附式制冷技术的研究主要停留在将热力学分析和传热传质分析结合起来， 并没有对循环参数的优化和循环的实现条件进行深入研究，研究还停留在理论 模拟中。不仅如此，国内外还积极进行了空气制冷技术和半导体制冷技术的研 究，利用空气和半导体制冷可以达到节能的效果。 1.2.3 制冷剂的发展 自从 1834 年首台蒸气压缩式制冷机研发以来，已经有超过 50 种化学物质 用作制冷和空调系统的制冷剂。第一种实际使用的制冷剂硫化醚是 Pcrkin 在 1834 年发现的。从 19 世纪 40 年代到 20 世纪 20 年代，制冷性能是引入新制冷 剂首要考虑的因素，除了水和二氧化碳外，早期的制冷剂几乎都是可燃的或有 毒的。 使用 CO2在制冷系统中作制冷剂始于 1866 年的 CO2制冰机的发明，1880 年 Windhausen 设计出第一台 CO2压缩机。19 世纪末，使用 CO2作为制冷剂的 制冷系统增多，人们开始致力于提高系统的性能，1889 年英国 J.&E.Hall 发明 河北联合大学建筑工程学院 -8- 了双级 CO2制冷剂等，直到 20 世纪 30 年代，CO2主要运用于多数船用和车站 用制冷机中。 于此同时，人们还在寻找稳定、无毒、不燃烧和高效的制冷剂，结果在 1930 年氟化物作为制冷剂的文章发表之后，1931 年，R-12 作为制冷剂开始在 商业中使用。引入氟化物以后，早期的制冷剂 CO2渐渐被其它的 CFCs 和 HCHCs 所替代。二战以后，CFCs 和 HCFCs 以外的制冷剂的使用急剧减少，只 有氨还在使用，但它只用于大型工业系统。随着制冷与空调行业的快速发展， 人们得到了舒适的现代生活环境，但是 CFCs 和 HCFCs 的大量使用给环境带来 了严重的问题，臭氧层破坏和温室效应。 1974 年，随着化合物排放的氯和溴移入平流层破坏可屏蔽太阳辐射中有害 紫外线的臭氧层的结果被发现，引起了国际社会的高度重视，最终于 1987 年签 署了有关减少破坏臭氧层物质的产量和应用的蒙特尔协议，协议书中控制对象 包括 CFCs 和 Halons。随着臭氧层破坏形势的加剧，对受控物质的限制也在加 速。1992 年，蒙特利尔协议第四次会议提出，1995 年底在发达国家淘汰 CFCs，2030 年淘汰 HCFCs，发展中国家时间表延缓十年。 除了破坏臭氧层以外，制冷剂的温室效应也越来越引起公众的重视。1985 年，世界气象组织国际会议得出结论：由于温室气体浓度的增加，21 世纪上半 叶全球平均气温将高于人类历史的任何时期。1997 年通过了京都议定书 ， 限制发达国家温室气体排放量，控制全球温度。 表表 1-1 几种制冷剂的大气污染指数比较几种制冷剂的大气污染指数比较 制冷剂消耗臭氧潜值全球变暖潜值 CFCsR1218500 R220.0551700 HCFCs R142b0.0652000 人工合成工质 HFCSR134a01300 R71700 自然工质 R600a03 通过表 1-1 的对比，我们可以看出，自然工质与人工合成的工质相比，对 环境影响最小。 在科学技术发展史上，人类首先利用的是自然界存在的或偏离自然不太远 的物质，这些物质参与自然界的生态循环，不会对生态系统造成大的危害。但 随着人类技术的进步，各种人工合成的物质出现，氟利昂是个典型的例子。其 第 1 章 绪论 -9- 优点是化学稳定，不与其它物质化合，也不会轻易分解。可以说这些远离自然 态的物质，一旦大量使用，便在自然界发生积累。目前，人们已经意识到，人 工制造的物质与自然状态偏离的越远，对自然和人类造成的危害就越大。从对 环境的长期安全来看，应尽量避免使用那些最终会排放到生物圈中的非自然工 质，应进行制冷剂的替代。从九十年代起，欧洲率先发起使用“自然工质”的运 动，包括 CO2、氨、碳氢化合物、水和空气。目前替代有两种途径：以德国、 瑞典等欧盟国家为代表，主张采用碳氢化合物作制冷剂，认为采用生态系统中 现有的天然物质作为制冷剂，可从根本避免环境问题，代替物为 R717、R744、R290、R600a 四种；美国和日本为代表的则主张采用 HFCs 等人 工合成制冷剂。 目前的制冷剂要求包括地县值的时间加权平均值、燃烧低限、破坏臭氧潜 值、温室效应潜值、大气寿命等，目前国内将制冷剂分为无机化合物，例如氨、 水、二氧化碳等；氟利昂，例如 R22、R134a 等；共沸溶液，例如 R500、R504 等；碳氢化合物，例如 R290、R1150。利用高效的制冷剂，不仅能降低能耗， 而且可以大幅度的提高制冷效果，很好地达到预期的目的。 1.3. 课题的研究意义 在制冷循环中，为了达到节能的效果，必须要对耗功量和制冷量进行加强， 对于很多的改进方式，都在一定程度上增加了制冷量，但都没有对耗功量进行 节约。我们要创造一个绿色环保的制冷循环，就必须在制冷量和耗功量之间找 到平衡，这就需要节约耗功量，利用回收的膨胀功就是一个很好地措施。 利用膨胀机代替节流阀运用到各种制冷循环中，利用膨胀机回收膨胀功， 使得在制冷循环中的耗功量减少，单位质量制冷能力增加，这两方面的收益， 有效的改善了制冷循环性能。同时，将膨胀机放到已经改进之后的制冷循环中， 不仅可以发挥其优势，更能够将过多的膨胀功节约下来，利用到压缩机中，从 而节约耗功量，达到节约能源的目的。 1.4 研究内容及创新点 本文主要是通过理论分析，对膨胀机代替节流阀在制冷/热泵循环中的研究， 包括对普通工质和 CO2工质的单级和双级膨胀机循环、回热带膨胀机循环、双 级压缩带高压和低压膨胀机循环的研究，来验证利用膨胀机代替节流阀在循环 中的使用来达到节能的目的。对于膨胀机的代替设计，为进一步的研发工作奠 定理论基础。主要的研究内容包括以下几点： 河北联合大学建筑工程学院 -10- 1）对常规的制冷循环进行对比研究，通过首先了解各种制冷循环的循环过 程，研究他们的热力循环过程，来得出各种改进措施的优势和不足，相互配合， 从而提高制冷循环的性能系数。 2）对于常规的制冷循环，通过将节流阀替换为膨胀机，研究膨胀机在制冷 循环过程中的作用，利用效率对于提高性能系数的作用有何影响，得出膨胀机 在制冷循环过程中的有效利用，以得到最佳的利用状态。 3）对于常规制冷循环的研究，在膨胀机代替节流阀的研究之上，加上回热 器，考虑回热器和膨胀机的联合运用是否对制冷效率有所提高。看看回热器的 运用，对于带有膨胀机的传统制冷循环而言是否有进一步节能的作用。 4）不仅在单级压缩过程中，去研究膨胀机在制冷循环中代替节流阀的作用， 对于双级压缩循环而言，膨胀机代替节流阀之后，性能系数是否提高，能提高 多少，需要我们通过研究来获得。 5）对于双级压缩的制冷循环，能极大的提高制冷性能，增加单位制冷量， 同时利用膨胀机代替节流阀之后，对于大量的膨胀功可以回收到双级压缩的任 一级压缩机，看是否会提高双级压缩的制冷循环性能系数，是否能达到节能的 效果。对于双级压缩，还由中间冷却器组成，其中间压力也是影响双级压缩的 一个重要因素。通过对比统计，观察膨胀机的代替在多大的膨胀压力下可以使 制冷性能系数提高到最大。 本次论文的创新就在于对膨胀机的利用不仅运用到普通的单级压缩制冷循 环，更是将膨胀机分别与回热器、喷射器、双级压缩等制冷循环新技术结合起 来，通过研究在各种制冷循环中，膨胀机对于提高制冷性能系数的影响程度， 最大程度的去产生制冷量，节约耗功量，由此来提高制冷效率。通过对比，发 现哪种方式下由膨胀机替代节流阀的研究能最大限度的提高制冷系数、制冷性 能和效率，得到膨胀机运用的最佳方案。 1.5 本章小结 本章从各种方式制冷循环的大量应用以及改进措施对于制冷循环的影响出 发分析了空调制冷循环中利用膨胀机代替节流阀研究的必要性。从市场调研来 看，大部分制冷和热泵机组的能效比偏低，节能的需求使得人们不断寻求如何 实现高效用能的方法。本章主要介绍了常规制冷剂制冷循环的基本方式，以及 膨胀机的研究现状，并确定了本文的研究内容、目的与意义。 第 2 章 理论分析 -11- 第 2 章 理论分析 2.1 基本制冷循环 基本的蒸气压缩制冷循环如图 2.1 所示，由两个等压过程、一个绝热压缩 过程和一个绝热节流过程组成。压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成的基本 制冷循环，与理想制冷循环相比有三个特点：膨胀阀代替膨胀机，蒸气的压缩 在过热区进行，并不在湿蒸气区内进行，两个传热过程均为等压过程，并具有 传热温差。 图 2.1 基本蒸气制冷循环原理图 图 2.2 基本制冷循环 T-S 图 河北联合大学建筑工程学院 -12- 这个过程中，蒸气在压缩机内进行绝热压缩，获得过热蒸气，然后经过冷 凝器的定压减熵过程，饱和蒸气变成饱和水，在经过膨胀阀的减压，由于过程 中产生摩擦，导致熵值有所增加，在经过蒸发器的定压热交换，使得液态蒸气 变成饱和气态蒸气，再进入压缩机。 具体的制冷循环过程如图 2.2 所示：在压缩机中进行绝热压缩，制冷剂状 态点由 12，温度升高，此时为过热蒸气；经过降温后在冷凝器中进行等压放 热过程，制冷剂状态由 223，温度不变；蒸气经过膨胀阀的节流降压，饱 和蒸气变为饱和液态制冷剂，节流过程 34 是不可逆过程，制冷剂吸收摩擦热， 产生无益气化，降低有效制冷能力；损失了膨胀功，和理想的制冷循环相比， 多消耗了一部分的耗功量，使制冷性能系数有所降低。蒸气经过蒸发器，液态 的制冷剂在经过热交换之后，变为饱和气态制冷剂，在此过程中，制冷剂进行 了等压吸热过程（41） 。 在整个制冷循环中，在压缩机内蒸气进行绝热的干压缩过程，获得过热蒸 气。在制冷循环中，需要进行干压缩过程，这是因为在湿压缩过程压缩机吸入 的是湿蒸气，低温湿蒸气与热的气缸壁之间发生剧烈热交换，特别是与气缸壁 接触的液珠更会迅速蒸发，占据气缸的有效空间，致使压缩机吸入的制冷剂质 量大为减少，制冷效果显著降低。同时，过多的液珠进入压缩机气缸后，很难 立即气化，破坏了压缩机的润滑，又会造成液击，使压缩机遭到破坏。所以通 常采用可调节制冷剂流量的节流装置，使蒸发器出口的制冷剂为饱和蒸气或过 热蒸气。 理论的制冷循环为了利用制冷剂从高压变为低压状态的膨胀功，设有膨胀 机，这在理论上是经济的，但是，对于常规蒸气压缩制冷的实现并不合理，由 于液态制冷剂膨胀过程的膨胀功不大，而且机件小、摩擦损失有相对比较大， 为了简化以便调节进入蒸发器的制冷剂流量，利用膨胀阀代替膨胀机。 采用膨胀阀代替膨胀机，制冷系数有所降低，其降低程度称为节流损失。 节流损失的大小除随冷凝温度与蒸发温度之差的增加而加大外，还与制冷剂的 物理性质有关。 2.2 带膨胀机循环 在普通的制冷循环中，为了结构简化，通常使用膨胀阀代替膨胀机，但是 在大容量的制冷装置中，由于膨胀机容量较大，不会出现加工方面的困难，所 以采用膨胀机对高压液体进行膨胀降压，并回收该过程的膨胀功，可以有效的 提高制冷系数、节省能量消耗。图 2.3 表示带膨胀机制冷循环的工作原理图。 第 2 章 理论分析 -13- 带膨胀机制冷循环的工作原理是：在膨胀机代替膨胀阀的制冷循环过程中， 低压制冷剂在经过蒸发器的等压热交换之后，变成饱和蒸气状态，进入压缩机。 膨胀机吸收膨胀功之后，用于饱和蒸气的绝热压缩，节省了压缩机压缩过程所 需的耗功量，得到过热蒸气后，通入冷凝器中。在冷凝器中经过等压的冷却， 使得饱和的气态蒸气逐渐变成饱和的液体。而在膨胀机中进行的绝热膨胀，不 仅克服了摩擦产生的熵增，同时增加了制冷量。在制冷循环耗功量减小和单位 质量制冷量增加两方面受益，有效地改善了制冷循环性能。 图 2.3 带膨胀机循环原理图 图 2.4 带膨胀机循环 T-S 图 河北联合大学建筑工程学院 -14- 具体的制冷循环过程如图 2.4 所示：在压缩机中进行绝热压缩，制冷剂状 态点由 12，温度升高，此时为过热蒸气；经过降温后在冷凝器中进行等压放 热过程，制冷剂状态由 223，温度不变；在膨胀机中为理想的等焓过程， 即 34s，但在实际运行中会有一定的熵增，所以膨胀机的膨胀过程介于等熵 膨胀（34s）和等焓膨胀（34h）之间，此时的膨胀机可以回收相当大的一 部分膨胀功，并增加单位制冷量。蒸气经过蒸发器，液态的制冷剂在经过热交 换之后，变为饱和气态制冷剂，在此过程中，制冷剂进行了等压吸热过程 （41） 。 由于制冷量的提高，耗功量的降低，理论的制冷系数必将有所增加。由此 可见，采用膨胀机回收高压液体膨胀降压时产生的膨胀功后，制冷循环的单位 质量制冷能力与理论制冷系数均比采用热力膨胀阀时有明显的改善。 2.3 回热制冷循环 为了使膨胀阀前液态制冷剂有较大的再冷度，同时又能保证压缩机吸入具 有一定过热度的蒸气，常常采用蒸气回热循环。 通过图带回热器制冷循环的工作原理是：来自蒸发器的低压气态制冷剂在 进入压缩前先经过一个热交换器，也就是回热器，在回热器中与来自冷凝器的 高压饱和液进行热交换，将低压蒸气过热，高压液体再冷却，从而实现蒸气回 热循环。其中过热温度与蒸发温度之间的差值为过热度。 由图 2.6 中可以发现，来自蒸发器的低压气态制冷剂 1