螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环热力性能分析

田 源 高 飞

螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环热力性能分析

田 源 高 飞

（四川省建筑设计研究院有限公司 成都 610000）

螺旋压缩膨胀制冷机是一种近似布雷顿循环的新型制冷机，与布雷顿制冷循环相比，其压缩过程更接近于等温压缩过程。首先提出了螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环，其次采用数学理论计算方法就特定工况下螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环过程的热力性能和制冷系数与布雷顿循环进行比较研究。研究发现：一定条件下，得到相同制冷量时，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环比布雷顿循环节约13.4%的压缩功；螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环的制冷系数明显大于布雷顿制冷循环的制冷系数；随着制冷量的增大，两种制冷循环的制冷系数均逐渐增大，相同条件下螺旋压缩膨胀制冷循环的制冷系数比布雷顿制冷循环的制冷系数增加更明显。

螺旋压缩膨胀制冷机 制冷循环 热力性能研究

0 引言

螺旋压缩膨胀制冷机是一种近似布雷顿循环的新型制冷机[1]，其在制冷机压缩过程设计中融合了冲压激波压缩技术和传统轴流式与离心式压缩机设计技术，与常规制冷机压缩过程相比，具有结构简单、单级压比高、压缩效率高、膨胀功可回收、气流沿轴向流动、径向尺寸小和重量轻等优点[2,3]。压缩过程中多级螺旋叶片逐级压缩再扩压的连续压缩方式，一边压缩，一边冷却，相比于布雷顿循环更接近等温压缩过程，消耗的压缩功更少。

为进一步推进螺旋压缩膨胀制冷机的开发利用，研究其制冷循环过程及其性能是很有必要的。本文首先介绍了传统布雷顿制冷循环及其工作过程，在传统制冷循环的基础上，提出了螺旋冲压压缩膨胀机制冷循环，对此制冷循环的工作过程及其性能特点进行详细阐述，并采用数学理论计算方法就特定工况下螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环过程的热力性能和制冷系数与布雷顿循环进行比较研究。

1 布雷顿制冷循环

布雷顿循环是一种以气体为工质的热力循环，理想的布雷顿循环包括等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀和等压冷却四个工作过程，其图如图1（a）所示，图中1-2为工质在压气机中的等熵压缩过程；2-3为气体在回热器中的回热过程；3-4为工质在热交换器中的定压加热过程；4-5为工质在膨胀机中的等熵（可逆绝热）膨胀过程；5-6为冷却排气过程；6-1为工质在冷却器中的等压冷却过程。但是在实际工程中，由于机械各部件存在各种损失，使得实际布雷顿循环中压缩和膨胀过程都存在不可逆因素。实际布雷顿循环的-图如图1（b）所示，1-2为不可逆绝热压缩过程；2-3为回热器中的预热过程；3-4为吸热过程；4-5为不可逆绝热膨胀做功过程；5-6为回热器中的放热过程；6-1为冷却过程。过程1-2’和4-5’分别为与过程1-2和4-5相对应的等熵压缩和等熵膨胀过程，2-2’和1-1’为等压线。

图1 布雷顿循环T-s图

布雷顿制冷循环是布雷顿循环的逆过程，理论循环包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热四个过程。布雷顿制冷循环按有无回热器可分为无回热的制冷循环和有回热的制冷循环。

1.1 无回热器的布雷顿制冷循环

无回热器的布雷顿制冷循环-图如图2所示，图中0是制冷温度，c是环境温度。在无回热器的制冷机中首先气体进入压缩机，在压缩机内，气体被压缩，压力由0升高到c，然后进入换热器中被冷却，放出热量c，接着气体进入膨胀机，在膨胀机中气体实现绝热膨胀过程，使气体温度达到制冷温度，最后气体在冷箱中吸热，完成制冷，并进行下一次循环过程。气体在压缩机内的压缩过程和在膨胀机中的膨胀过程均为可逆绝热过程，在冷却器中的冷却过程和吸热过程均是理想过程，整个过程没有压力损失，并且换热器中不存在端部温差。

图2 无回热布雷顿制冷循环T-s图

1.2 有定压回热器的布雷顿制冷循环

图3 有回热布雷顿制冷循环T-s图

2 螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环

螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环是一种近似的布雷顿制冷循环，但是由于螺旋压缩膨胀制冷机采用多级螺旋叶片逐级压缩再扩压的连续压缩方式，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环与布雷顿制冷循环相比更接近于等温压缩过程。结合布雷顿循环和螺旋压缩膨胀制冷机工作特点，提出螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环过程的-图，如图4所示。

图4 螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环T-s图

图中1-2-3-4-1表示布雷顿制冷循环过程，其中1-2是不可逆压缩过程，2-3是等压冷却过程，3-4是不可逆膨胀过程，4-1是等压吸热过程。1-5-5’-6-6’-7-7’-8-3-4-1表示螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环过程，1-5是气体在一级螺旋压缩叶片中的压缩过程，5-5’是一级压缩冷却过程，5’-6是二级螺旋压缩叶片压缩过程，6-6’是二级压缩冷却过程，6’-7是三级螺旋压缩叶片压缩过程，7-7’是三级压缩冷却过程，7’-8是四级螺旋压缩叶片压缩过程，8-3是四级压缩冷却过程，3-4是不可逆膨胀过程，4-1是等压吸热过程。

3 螺旋压缩膨胀制冷循环性能分析

在对螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环进行热力性能分析之前，我们先进行一些简化处理，以便能更直观的说明螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环的特点。

（1）气体在螺旋压缩膨胀制冷机各级螺旋压缩叶片内压缩的压比相同；

（2）气体在制冷机中的散热过程贯穿于压缩过程的始终，且散热是均匀的；

（3）气体在制冷循环中的冷却过程和吸热过程是等压过程；

（4）螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环膨胀过程与布雷顿制冷循环膨胀过程相同；

（5）气体在换热器内冷却和吸热过程不存在传热温差。

制冷循环各状态点的其他参数使用REFPROP软件中的空气的温熵图（见图5）查得。制冷循环各状态点主要参数如表1所示。

图5 空气温熵图

表1 制冷循环各状态点参数

由热力循环-图的性质可知，在图4中，布雷顿制冷循环1-2-3-4-1过程所围成的面积表示制冷机一个制冷循环过程所消耗的机械功，同理，制冷循环1-5-5’-6-6’-7-7’-8-3-4-1所围成的面积表示螺旋压缩膨胀制冷机所消耗的机械功。由图4可以明显看出，在制冷量相同的情况下，布雷顿制冷循环所消耗的机械功大于螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环所消耗的机械功，也就是说螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环比布雷顿循环更节约机械功，节约的机械功见图4中阴影部分面积所示。

一般情况下，制冷机的性能好坏可用制冷系数表示，制冷系数的大小按下式计算，即

制冷机的制冷量

制冷机机消耗的机械功

其中，W表示压缩机压缩过程中消耗的功，W表示膨胀机做的功。

以布雷顿制冷循环为例，压缩机消耗的功和膨胀机做的功分别为

联立以上各式，可得布雷顿制冷循环的制冷系数为

对于螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环来说，制冷机的制冷量和膨胀机做的功与布雷顿制冷循环的制冷量和膨胀功相同，但是压缩机消耗的机械功由四级压缩机每级消耗的机械功组成，是四级压缩过程耗功的总和。因此，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环压缩功可由下式计算：

所以，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环的制冷系数为

通过上述关系式可计算出布雷顿制冷循环和螺旋压缩膨胀制冷机循环的各性能参数值，如表2所示。

表2 制冷循环性能参数值

由表2可知，两种制冷循环的单位质量制冷量和单位质量膨胀功均相同，分别为40.60kJ/kg和71.487kJ/kg。布雷顿制冷循环消耗的单位质量压缩功为145.200kJ/kg，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环所消耗的单位质量压缩功为125.775kJ/kg，比布雷顿制冷循环所消耗的压缩功少19.425kJ/kg。相比而言，在两种制冷循环制冷量相同的情况下，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环比布雷顿制冷循环节约了13.4%的压缩功。此外，布雷顿制冷循环制冷系数为0.551，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环的制冷系数为0.748，是布雷顿制冷循环制冷系数的1.36倍，即单位功耗所获得的制冷量比布雷顿制冷循环的多。

图6 制冷量与制冷系数的关系

图6是螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环和布雷顿制冷循环的制冷系数随制冷量的变化关系曲线。由图可知，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环的制冷系数明显大于布雷顿制冷循环的制冷系数。随着制冷量的增大，两种制冷循环的制冷系数均逐渐增大。对于螺旋压缩膨胀制冷循环，制冷系数由0.681增加到0.865，增加了27.0%；对于布雷顿制冷循环，制冷系数由0.510增加到0.618，增加了21.2%。随着制冷量的增大，螺旋压缩膨胀制冷循环的制冷系数比布雷顿制冷循环的制冷系数增加更显著。

4 结论

（1）螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环是一种近似布雷顿制冷循环，与布雷顿制冷循环相比，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环更接近于等温压缩过程。

（2）其他条件一定，在得到相同制冷量的情况下，布雷顿制冷循环所消耗的机械功大于螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环所消耗的机械功，即螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环比布雷顿循环更节能。

（3）其他条件不变，两种制冷循环的制冷量和膨胀功相同的情况下，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环所消耗的压缩功比布雷顿制冷循环消耗的压缩功少13.4%。

（4）两种制冷循环的制冷量和膨胀功相同的情况下，布雷顿制冷循环的制冷系数为0.551，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环的制冷系数为0.748，螺旋压缩膨胀制冷机制冷循环的能源利用效率更高。

（5）随着制冷量的增大，两种制冷循环的制冷系数均逐渐增大。相同条件下螺旋压缩膨胀制冷循环的制冷系数比布雷顿制冷循环的制冷系数增加趋势更明显。

[1] 张周卫,汪雅红,张小卫,等.螺旋压缩膨胀制冷机[P].中国:CN103 423909A,2013-12-04.

[2] 张周卫,汪雅红,张小卫,等.螺旋压缩膨胀制冷机用变螺距螺旋压缩机头[P].中国:CN103423160A,2013-12- 04.

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Thermal Performance Analysis of Refrigeration Cycle of Spiral Compression Expansion Refrigerator

Tian Yuan Gao Fei

( Sichuan Provincial Architectural Design and Research Institute Co., Ltd, Chengdu, 610000 )

The spiral compression expansion refrigerator is a new type of refrigerator similar to the Brayton cycle. Compared with the Brayton refrigeration cycle, the compression process is closer to the isothermal compression process. In this paper, the refrigeration cycle of the spiral compression expansion refrigerator is firstly proposed. Secondly, the theoretical calculation method is used to compare the thermal performance and refrigeration coefficient of the refrigeration cycle process of the spiral compression expansion refrigerator with the Brayton cycle under specific working conditions. The study found that: under certain conditions, when the same refrigeration capacity is obtained, the refrigeration cycle of the spiral compression expansion refrigerator saves 13.4% of the compression work compared to the Brayton cycle; the refrigeration coefficient of the refrigeration cycle of the spiral compression expansion refrigerator is significantly greater than that of the Brayton refrigeration cycle. With the increase of the cooling capacity, the refrigeration coefficients of the two refrigeration cycles are gradually increased. Under the same conditions, the refrigeration coefficient of the spiral compression expansion refrigeration cycle is more obvious than that of the Brayton refrigeration cycle.

spiral compression expansion refrigerator; refrigeration cycle; thermal performance research

TB61/TH45

A

1671-6612（2021）02-267-05

田 源（1994.07-），男，硕士，E-mail：tianyuanSADI@163.com

2020-08-18