机房气体膨胀制冷.doc

1、等熵膨胀的热力学特性理想情况下，气体在膨胀机中的膨胀过程是绝热可逆的，因此该过程是等熵膨胀。由于气体在膨胀过程对外有功输出，膨胀后气体内位能增大，消耗的这些能量都需要内动能来补偿，因此气体温度必然降低，产生冷效应。用微分等熵效应as来反映气体等熵膨胀时微小压降引起的温度变化利用前面曾引用过的焓的特性式（2.4），导出：对于等熵膨胀过程，ds=0得到：实际上，气体在膨胀机中存在摩擦、漏热等不可逆因素，不可能实现等熵膨胀过程，如图2.15所示，因而实际得到的温降和制冷量会有所减少。 发电机组机房制冷示对比前面讨论过的气体节流膨胀过程，得到以下结论:等熵膨胀总是产生冷效应，而节流膨胀则需要在气体转化曲线内部才产生冷效应。：等熵膨胀可以回收膨胀功，进一步提高循环的经济性。在实际应用中，节流阀结构比较简单，便于调节，还可以在含液最大的气液两相区工作;而等熵膨胀使用的膨胀机结构复杂，且带液的两相膨胀机的设计技术尚不是十分成熟。节流膨胀和等熵膨胀有着各自的优势，在低温装置中都有应用，选择何种膨胀方式要依据具体使用要求和条件而定。2、布雷顿制冷循环历史上第一台气体制冷机是以空气作为工质的，称为空气制冷机。它采用的热力循环是布雷顿(Brayton)制冷循环，由两个等压和等熵过程组成，这与蒸气压缩式制冷循环的4个工作过程相近，不同的是布雷顿循环中的气体工质不发生集聚态改变，也被称作气体制冷机循环。图2.16是无回热气体制冷机的系统图。气体在压缩机中由压力乃压缩到较高压力Pc，然后进入冷却器，向冷却介质(水或循环空气)放出热量，高压气体再进入膨胀机，经历做外功的绝热膨胀过程，达到很低的温度，又进入冷箱吸热制冷，而后又被压缩机吸入，如此完成循环。做如下理想化的假定:压缩过程和膨胀过程均为绝热可逆过程，冷却器和冷箱中的传热均为等压过程(即没有压力损失)，并且换热器出口处没有端部温差。这样假设后的循环称为气体制冷机的理论循环如图2.17所示。图中几是冷箱中制冷温度，几是环境介质的温度，12是等熵压缩过程，23是等压冷却过程，34是等熵膨胀过程，4一1是在冷箱中的等压吸热过程。 气体制冷循环是利用气体吸收显热实现制冷的，由于气体比热容很小，因此单位容积制冷量很小。此外，由于实际循环中压缩和膨胀过程对循环性能影响很大，因此无回热的气体制冷机宜采用大流量、高效率的透平压缩机和透平膨胀机。气体制冷循环中降低压力比（pc/po）可以提高循环性能。如图2.18所示，利用回热器使冷室出来的低温低压气体与冷凝器出来的常温常压气体进行热交换，然后再分别进人压缩机和膨胀机。这样就便压缩机的吸气温度升高，而膨胀机的迸气温度降低，在具有相同冷室要求温度几和冷却介质温度几的条件下，达到了降低压力比的目的。这样的系统称为定压回热气体制冷循环(见图2.19)。回热循环过程为1一2一3一4一5一6一1，过程1一2和4一5是压缩和膨胀过程，过程2一3是冷却过程，5一6是在冷箱中的吸热制冷过程，过程3一4和6一1是回热器中的回热过程。图中，在相同工作温度区间(To-Tc)内，若采用无回热循环获取相同制冷量，其循环过程将是6一7一8一5一6。显然，采用回热循环后，压力比降低为（ph/po）单位压缩功和膨胀功也都大大减少了。布雷顿循环的最大缺点是单位容积制冷量小、制冷效率低。例如，蒸发温度在-l0以上时，空气制冷循环的功耗比相同单位制冷量的蒸汽制冷循环大4-5倍，即使在蒸发温度-60时也要大1倍多。采用回热循环和应用高效率透平机械后，尽管气体制冷机的效率得到很大提高，但热交换设备庞大，因此还没有得到广泛应用，目前主要用于飞机座舱的空调和获取-70以下的温度。 在已有专用气源的大、中型低温室，及有着不同容量、不同温度，又不长期使用的低温需求场合，气体制冷系统比蒸气压缩式制冷系统在基建投资、能量消耗和使用维护等方面具有一定的优越性:根据使用目的的不同，制冷工质可以是He，CO2，N2，空气等气体，对环境无污染。由于空气源容易取得，并且它的动力源是普通的空压机，可以一机多用，因此工程实际中大多采用空气作为制冷剂。在已有气源的场合建立低