等温蒸汽压缩卡诺制冷循环

等温蒸汽压缩卡诺制冷循环摘要：在等温压缩和两种可逆膨胀的基础上，提出了卡诺制冷循环。虽然这是一个理想情况，但可用现有的硬件设计出无限接近这种循环的制冷循环。关键词：制冷；研究；制冷系统；压缩系统；热力循环；卡诺正文：卡诺制冷循环有三种类型：亚临界型，跨临界型和常规循环。卡诺循环原理同样适用于这三种构型。在可逆循环过程中，制冷剂先与两个外部的恒温热源（T0和T1）交换热量，在两种可逆膨胀和等温压缩作用时，然后与外界交换作用。当高压（HP）制冷剂有一部分从高温状态被冷却至低温时，一个理想的绝热的内部热交换器（IHX）就用于将低压（LP）制冷剂从低温加热至高温。这种循环的一个新颖之处就是，只有一小部分高压制冷剂X被转移到内部热交换器中，然后降到低温T0。因此，从两个等温和一个等熵过程我们可以得到一个可逆循环，根据卡诺定理，它会提高卡诺循环的COP值。促使产生这类循环的设备包括：-一-一个或多个等温可逆压缩机在T1处连接到高温热源，――一个冷凝器（只用于亚临界型）在T1处连接到热源，-一-一个蒸发器在T0处连接到低温热源，-一-没有外部热交换时，可以使两股制冷剂蒸汽从一个温度过渡到其他温度。――两个可逆膨胀机（一个绝热和一个等温）。蒸发器— 7图1.卡诺循环工作原理示意图亚临界循环过热蒸汽在1处进入压缩机（温度T1冷凝温度）。由于是等温压缩，饱和蒸汽在温度T1处从压缩机中出来，在冷凝器中冷却至冷凝温度T1。图2.氨的卡诺循环压焓图然后，离开冷凝器的饱和制冷剂液体分为两路（点3）。高压液体X部分直接进入热交换器（IHX）中，与从蒸发器出来的低压回气进行热量交换。X部分符合下列关系式：工［弘 ）—血HP咼）］=山5F*—山（1）因此，在热交换器IHX中，高压制冷剂液体和低压制冷剂蒸汽的出口温度分别等于T0和T1。在气-液热交换器的出口，温度为T0的高压制冷剂液体通过等温可逆膨胀进入到蒸发器，所以在图2中的从点4到点5的这条线段是一条等温线。这个膨胀的结果不是很明显，但理论上，有利于制冷。与此同时，从冷凝器出来的其他部分的高压制冷剂液体（1-X）在膨胀机等熵膨胀，因此图2中的点3到点6的这条线段是一条等熵线。这个膨胀结果也有利于制冷。接着，制冷剂液体在蒸发器中蒸发产生制冷效果。这个循环过程中的COP值等于卡诺循环的COP为：COP- 7° （2）石-％该循环可以用另外循环代替1-2-3-4-5-60-7-1，在内部热交换器中进行凝结处理（图3）。冷凝器不再需要，但部分高压制冷剂必须在点2处冷却。在式子（1）中，对应于（HP,T1）的点2非点3,用来选择更小的X部分。即使2」的膨胀结果高于3-6的，但COP值（假设IHX是理想）不变，因为冷却速率和能耗（由于额外的膨胀力）均在下降。

h（kJ.kgl）图4二氧化碳的跨临界循环的压焓图跨临界循环同理，制冷循环中，高温热源温度比制冷剂的临界温度高，则为跨临界循环（例如二氧化碳循环）。它与亚临界循环的两个主要不同为： 对于Meunieretal来说，在传统的跨临界二氧化碳等温压缩循环下，讨论气体冷却器（图3）是没有必要的。[1]――冷凝压力不再受到结露的限制，但是可以通过设计来控制压力。为了得到一个可逆循环，膨胀后的那部分制冷剂（1-X）不进入热交换器IHX中，所以,制冷剂在冷凝器的出口温度为T0（循环1-2-4-5-7-1图4）,因此，在图4上出口压力高于相对应的点2处的压力。在最小可能的高压下，制冷剂蒸汽x部分在冷凝器中冷却为制冷剂液体进入热交换器IHX中。X部分仍然用公式(1)。如果在最低极限压力下，制冷剂从膨胀机中出来进入蒸发器后的状态饱和制冷剂蒸汽。由于，单位制冷剂冷却速度慢，单位制冷量下，制冷剂的体积流量大。假如，热交换器IHX为理想热交换器，仍然可以得到的卡诺循环的COP值，因为这是由两个等温过程和一个等熵过程组成的可逆循环。从压力的角度来说这个循环似乎就是亚临界，但是，冷凝温度T1高于临界温度，所以为跨临界循环。另一种可能的循环为 ，图4,它具有较高的压力，在热交换器IHX中无相变但在相变过程中发生膨胀。假设热交换器IHX为理想的，这个COP值就是卡诺循环的COP值，但单位制冷剂冷却速度提高，单位制冷量下，制冷剂的体积流量变小，能耗更高。常规循环常规循环(LindeorClaude)只不过是一个跨临界循环，只是蒸发温度非常低，同样是制冷剂液体蒸发为制冷剂蒸汽的循环，仍然是由一个等温可逆压缩过程和一个在压缩机出口处的制冷剂分馏作用组成。X部分仍然符合关系式(1)。和进行了分馏的克劳德循环对比，把从膨胀机流出的(1-X)部分制冷剂液体的出口温度限制为T0。这种条件要求压力足够高，使(1-X)部分制冷剂在压缩机的等熵膨胀线上，点6位于点7和点5之间。如果最低压力已经确定即点6和点7重合(循环1-2-4-5-7-1.图5)，从压缩出来(1-X)的那部分高压制冷剂冷却从压缩机出来的X那部分高压制冷剂从而达到温度T0。在换热间IHX是理想的条件下，由两个等温过程和一个等熵过程组成的可逆循环可以提高卡诺循环COP值。然而单位质量的制冷剂冷却速度边小，因为x那部分的制冷剂蒸发量变少，此外单位制冷量下，制冷剂的体积流量变大。(循环 图5)压力越高，单位质量制冷剂冷却速度越大和产生单位制冷量下，制冷剂的体积流量越小。热交换器IHX为理想时，这个循环的COP同样为卡诺循环的COP。图.5氧的液态临界卡诺循环的压焓图4•应用这个循环可能不会像它展示的那样被用到，然而它应该是有用的，就像介绍了一些小的不可逆性。在某些情况下，和可逆膨胀一样，可以避免高压制冷剂蒸汽流进这两股液体流,但两个重要条件是保持等温压缩和内部换热器。如［1所讨论的，等温压缩加上换热器IHX对于从压缩机出来后高温液体形成是最重要的，并且能促使二氧化碳跨临界循环和氨的流动。此外，这样的循环配置可能避免使用冷凝器或空气冷却器。5.总结