CN1304797C - 接近理想逆卡诺循环效率的蒸气压缩式制冷循环装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸气压缩式制冷循环装置，该制冷循环装置包括由增压泵(24)、冷凝器(23)、膨胀马达(26)、蒸发器(27)、压缩机(22)通过管道依次首尾相接构成主循环系统，该主循环系统输出冷量；在所述主循环系统的增压泵(24)的入口处和冷凝器(23)的出口处之间跨接所述节流器(25)，构成自增压泵(24)、冷凝器(23)，又经过节流器(25)，再回到增压泵(24)的次循环系统，该次循环系统使所述压缩机(22)出口处的工质温度降低。所述膨胀马达(26)膨胀时产生的输出扭矩驱动增压泵的转动(24)。所述膨胀马达(26)的等熵膨胀作用，使得进入冷凝器(23)工质的焓值降低；所述增压泵(24)的使用，使得压缩机(22)的工作压差变小，所需能耗减少。故本发明具有近似逆卡诺制冷循环的能效和较低的压缩机热负荷，可广泛用于空调、冰箱等制冷循环系统。

Description

接近理想逆卡诺循环效率的蒸气压缩式制冷循环装置

技术领域

本发明涉及一种制冷装置，特别是涉及一种蒸气压缩式制冷循环装置。适用于空调、冰箱等制冷技术领域。

背景技术

传统的蒸气压缩式制冷循环系统如图1，为了达到制冷目的，多采用压缩机1绝热等熵压缩，冷凝器2等压冷凝放热，节流器3等焓节流降压降温，蒸发器4等压吸热制冷的热力循环过程。图中蒸发器4的出口与压缩机1的进口连接；压缩机1的出口与冷凝器2的进口连接；冷凝器2的出口与节流器3的进口连接；节流器3的出口与蒸发器4的进口连接。

传统的蒸气压缩式制冷循环的压焓图如图3，P为工质的压力，H为工质的焓；温熵图如图4。T为工质的温度，S为工质的熵。图中可以看到：7→15过程为经蒸发器4吸热制冷后的低压工质，进入压缩机1绝热等熵压缩，增温增压增焓的热力过程；15→17→11过程为经压缩机1压缩后的高温高压工质，进入冷凝器2前段等压降温冷却散热，后段等压等温冷凝放热的热力过程；11→14过程为经冷凝器2冷凝后的高压低焓工质，进入节流器3等焓节流膨胀，降压降温增熵的热力过程；14→7过程为经节流器3节流的低温低压工质，进入蒸发器4等温等压吸热制冷的热力过程。

西安交通大学出版社1997年出版的《制冷原理及设备》第五页介绍，该热力循环过程1834年美国人PerkiNs在英国取得了第6662号专利。传统的蒸气压缩式制冷循环系统由于设备成熟，故一直到目前仍然得到大量的使用。

在热功理论中，理想的制冷循环为逆卡诺循环。该循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成。其压焓图如图5，P为工质的压力，H为工质的焓；假想的蒸气制冷逆卡诺循环温熵图如图6，T为工质的温度，S为工质的熵。图中可以看到7→16过程为制冷工质绝热等熵压缩，增温增压增焓的热力过程；16→17→11过程为制冷工质等温增压(此违反热功理论，不可实现)，和等温等压冷凝放热的热力过程；11→13过程为制冷工质绝热等熵膨胀，降压降温降焓的热力过程；13→7过程为制冷工质等温等压吸热制冷的热力过程。

上述传统的蒸气压缩式制冷循环系统的制冷循环过程，与理想逆卡诺循环过程相比较，存在着蒸气过热压缩过程和等焓节流过程。见图7和图8中，16→15过程，压缩机1绝热等熵过热压缩的热力过程；11→14过程，节流器3的等焓节流降压降温的热力过程。该制冷循环的制冷能效，远小于理想的逆卡诺循环的能效。并且传统的蒸气压缩式制冷循环系统，还使得压缩机的工作热负荷过高。特别是当制冷温度越低，其制冷能效小于热功理论的逆卡诺循环能效的差值越大。一般空调的热力学完善度只有70％，冰箱只有40％.

发明内容

为了解决传统的蒸气压缩式制冷循环系统循环能效低，压缩机的热负荷大等问题，本发明提供一种接近理想逆卡诺循环效率的蒸气压缩式制冷循环装置。该系统能显著地提高蒸气压缩制冷循环的能效，和大幅度地降低压缩机的工作热负荷。

本发明的特点是，在蒸汽压缩式制冷循环系统的冷凝器冷凝放热过程后，已获冷凝的大部分制冷工质，通过连接在冷凝器出口的膨胀马达，进行等熵膨胀做功降压降温降焓，产生低温低压低焓的工质，输入到蒸发器入口，用于等压吸热制冷；而已获冷凝的小部分制冷工质，通过也连接在冷凝器出口的节流器，等焓节流降压降温产生中温中压的工质，与压缩机出口经过压缩机等熵压缩的中压工质等压混合后，再进入增压泵绝热等熵增压。经过增压泵增压的高温高压高焓工质，进入冷凝器等压冷凝放热。

本发明近似理想逆卡诺循环效率的蒸气压缩式制冷循环装置包括：压缩机、冷凝器、节流器和蒸发器；本发明有别于现有技术之处在于：还包括用于降低进入所述冷凝器工质焓值的膨胀马达和用于降低所述压缩机工作压力的增压泵；所述增压泵、冷凝器、膨胀马达、蒸发器、压缩机通过管道依次连通构成主循环系统，该主循环系统输出冷量；在所述主循环系统的增压泵的入口处和冷凝器的出口处之间跨接所述节流器，构成自增压泵、冷凝器，又经过节流器，再回到增压泵的次循环系统，该次循环系统使所述压缩机压缩后的工质温度降低，焓值减少。

所述膨胀马达膨胀时产生的输出扭矩用来驱动增压泵工作。所述节流器节流后的工质，与压缩机压缩后的工质进行等压混合后一起进入所述增压泵绝热增压；所述膨胀马达的出口压力低于节流器的出口压力；所述膨胀马达的流量大于节流器的流量。而且，增压泵的流量大于压缩机的流量；冷凝器的流量大于所述蒸发器的流量。

与传统的蒸气压缩式制冷循环系统比较，本发明的制冷循环系统具有以下有益效果：

1.制冷能效明显提高。

2.压缩机排口工质温度明显降低。

3.随制冷循环工质温差越大，所提高的能效也越大，且其热力完善度变化很小。

附图说明

图1为传统的蒸气压缩式制冷循环系统图；

图2为本发明接近理想逆卡诺循环效率的蒸气压缩式制冷循环系统图；

图3为传统的蒸气压缩式制冷循环过程的压焓图；

图4为传统的蒸气压缩式制冷循环过程的温熵图；

图5为理想的逆卡诺蒸气制冷循环过程的压焓图；

图6为理想的逆卡诺蒸气制冷循环过程的温熵图；

图7为传统的蒸气制冷循环与逆卡诺蒸气制冷循环比较的压焓图；

图8为传统的蒸气制冷循环与逆卡诺蒸气制冷循环比较的温熵图；

图9为本发明近似理想逆卡诺循环的压焓图；

图10为本发明近似理想逆卡诺循环的温熵图；

图11为本发明蒸气制冷循环与传统的蒸气制冷循环及理想的逆卡诺蒸气制冷循环比较的压焓图；

图12为本发明蒸气制冷循环与传统的蒸气制冷循环及理想的逆卡诺蒸气制冷循环比较的温熵图；

图13为本发明接近理想逆卡诺循环效率的蒸气制冷循环装置实施例的系统图；

图14为使用附图13中的水冷冷水压缩机组实施传统的蒸气制冷循环的系统图。

具体实施方式

本发明蒸气压缩式制冷循环装置如图2所示，压缩机22的出口与节流器25的出口并联后，连接到增压泵24的进口。膨胀马达26的进口与节流器25的进口并联后，连接到冷凝器23的出口。蒸发器27的进口与膨胀马达26的出口连接，蒸发器27的出口与压缩机22的进口连接。增压泵24的出口与冷凝器23的进口连接。膨胀马达26与增压泵24同轴连接。

在本发明的制冷循环中，膨胀马达26的等熵膨胀作用，使得进入冷凝器工质的焓值大幅度的降低；增压泵24的使用，使得压缩机22的工作压差变小，所需能耗减少；次循环系统中节流器25的等焓节流的工质使所述压缩机22出口处的工质温度降低。故本发明具有近似逆卡诺制冷循环的能效和较低的压缩机热负荷。

本发明的蒸气压缩式制冷循环的压焓图如图9，P为工质的压力，H为工质的焓；温熵图如图10。T为工质的温度，S为工质的熵。所述主循环系统，是按7→8→9→10→11→13→7的方向，实现大部分制冷工质的循环。所述次循环系统，是按9→10→11→12→9的方向，实现小部分制冷工质的循环。

从图9、图10中可以看到如下过程：

a.7→8过程为经蒸发器吸热制冷后的低压工质，进入压缩机等熵绝热压缩，增温增压增焓的热力过程；

b.8→9过程为经压缩机压缩后的中压工质，与来自节流器节流后的中温中压工质等压混合，降温降焓的热力过程；

c.9→10过程为经等压混合的工质，进入增压泵绝热增压的热力过程；

d.10→17→11过程为经增压泵增压后的高温高压工质，进入冷凝器前段等压降温冷却散热，后段等压等温冷凝放热的热力过程；

e.11→13过程为经冷凝器冷凝后的大部分高压工质，进入膨胀马达的绝热等熵膨胀，降压降温降焓的热力过程；

f.13→7过程为经膨胀马达的膨胀后的低温低压低焓工质，进入蒸发器等压吸热制冷的热力过程；

g.11→12过程为经冷凝器冷凝放热后的小部分高压工质，进入节流器等焓节流膨胀降压降温增熵的热力过程；

h.12→9过程为经节流器节流后的中温中压工质，与来自压缩机压缩后的中压工质等压混合，等温增焓的热力过程。

从图11和图12中，可以清楚的看到：

1.本发明制冷循环中的膨胀马达的绝热等熵膨胀，降压降温降焓的热力过程11→13，替代了传统制冷循环中的节流器等焓节流膨胀，降压降温增熵的热力过程11→14。与理想的逆卡诺循环中的制冷工质绝热等熵膨胀，降压降温降焓的热力过程相重合。使进入蒸发器的制冷工质的焓值明显降低，蒸发器等压吸热制冷的能效显著提高。

2.本发明制冷循环中的压缩机等熵绝热压缩，增温增压增焓的热力过程7→8，与传统制冷循环中的压缩机绝热等熵压缩，增温增压增焓的热力过程7→15相比，过程明显缩短，压缩机的能耗显著降低。

3.传统制冷循环中的蒸气过热压缩过程8→15，在本发明制冷循环中被取消。压缩机的工作热负荷明显降低，压力负荷也显著减小。

4.传统制冷循环中的冷凝器前段等压降温冷却散热的热力过程15→17，缩短为本发明制冷循环中的冷凝器前段等压降温冷却散热的热力过程10→17。进入冷凝器的过热蒸气的温度和焓值都明显降低，冷凝器冷凝放热的负荷会显著减少。

5.传统的蒸气制冷循环中的热力学完善度，随着冷凝温度与蒸发温度的温差增大而减小。而本发明蒸气制冷循环中的热力学完善度，在冷凝温度与蒸发温度的温差发生变化时几乎不变。这样有利于在制冷工况发生变化时，一直能高效运行。

如图9、图10所示：在系统内充有制冷剂工质时，给压缩机22输入功率，具有1-m量的该工质从状态7被压缩机22绝热压缩到过热蒸气状态8，与经节流器25等焓节流降压降温的具有m量工质，等压混合到湿蒸气状态9，并经增压泵24绝热增压到过热蒸气状态10，该增压热力过程的工质流量定义为单位1，随后进入冷凝器23进行等压冷凝放热形成高压湿饱和液体工质11。接着该工质分成二路，具有1-m量的一路进入膨胀马达26绝热膨胀到湿蒸气态13而进入蒸发器23，经等压蒸发吸热制冷后回到状态7的压缩机进口完成一次制冷循环。该循环为图中的7→8→9→10→11→13→7的封闭过程部分，称该循环为主循环。具有m量的另一路进入节流器25等焓节流降压降温到状态12，与经压缩机22压缩的中压具有1-m量的工质等压混合到湿蒸气态9，再进入增压泵24绝热增压，实现一次辅助循环，该循环为图中的9→10→11→12→9的封闭过程部分，称该循环为次循环。次循环能使压缩机22出口的工质温度T8降到T9，主循环中增压泵24使压缩机22的工作压力降低，功耗减小。具有1-m量的一路进入膨胀马达26绝热膨胀到湿蒸气态13而发出的机械功被输入到增压泵24用于增压耗功，主次循环的复合为本发明的制冷循环。

其循环能效ξe理论值为：      ξe＝＝(ξz+E)/(1-E)                (18)

次循环工质流量m理论值为：    m＝＝1/ξc(ξk+D)                   (19)

(18)式中，

ξz为PerkiNs蒸气制冷循环7→15→11→14→7的理论能效(即传统的循环能效)；

E为循环状态点14，13的焓差相对循环状态点15，7的焓差的比值。

(19)式中，

ξk为理想劳仑兹蒸气制冷循环8-15-10-9-8的理论能效(既卡诺循环能效)；

ξc为PerkiNs蒸气制冷循环9→10→11→12→9的理论能效(既次循环能效)；

D为循环状态点10，9的焓差相对循环状态点8，9的焓差的比值。

由于E对与具有气液两态的制冷剂工质来说大于零，并随循环压力P11与P7的差值增大而增大。ξe的理论最大值是蒸气制冷循环7→15→11→13→7的卡诺能效ξk。其大小由实际的ξz大小及E值大小决定。

表1是循环工质为R22时，两种不同工况的制冷循环，ξKo、ξz、ξe的理论计算表。T16、T15、T8是据R22性能参数计算值。ξKo为理想逆卡诺制冷循环的能效，ξz为传统的蒸气制冷循环的能效，ξe为本发明近似理想逆卡诺循环的能效。m为次循环工质流量相对冷凝器23工质流量的百分比值。T11为冷凝温度，T7为蒸发温度。T16、T15、T8分别为循环相应工况点的温度。

                                                                                                表1(工质R22)

循环工况		ξKo		ξz	ξe	T16	T15	T8	m
										T11	T7	η热力学完善度
40℃	2℃	ξ	7.24	5.94	7.09											40℃	73℃	40.1℃	0.05
						η	1	0.82	0.98
		40℃	-20℃	ξ	4.22					3.15	4.21	40℃	73℃	40.1℃	0.04
η	1					0.74	0.99

从表1中的ξKo、ξz、ξe和T16、T15、T8的计算结果可看到，ξe值处在ξKo于ξz值之间，并接近ξKo。T8值在T16于T15值之间，并接近T16。

附图13是本发明的实施例，即冷量为23KW水冷冷水机组系统图。

图中包括：每转排量为0.11升，电机额定功率为5千瓦的压缩机组32；换热面积为4.5平方米的管壳式水冷冷凝器33；根据四连杆机构原理设计制造的，每转排量为0.1升的活塞式增压泵34；带有单向阀的节流孔截面积为6平方毫米的单向节流器35，单向阀的使用是为了方便循环启动；根据四连杆机构原理设计制造的，无偏心力每转排量为0.02升的活塞式膨胀马达36；换热面积为4.5平方米的卧式冷水蒸发器37，通过冷水输出冷量；容积为60升的储液器38。其中膨胀马达36和增压泵34均为蒸气压缩式制冷循环技术领域的新型元件。

系统中还包括，制冷工质充注、排放接口，以及排热量为27千瓦的强制通风鼓风式冷却塔，图中未画出。

如图13所示，所述压缩机32的出口与单向节流器35的出口并联后，连接到增压泵34的进口。膨胀马达36的进口与单向节流器35的进口通过储液器38并联后，连接到冷凝器33的出口。蒸发器37的进口与膨胀马达36的出口连接，蒸发器37的出口与压缩机32的进口连接。增压泵34的出口与冷凝器33的进口连接。膨胀马达36与增压泵34同轴连接，使得增压泵34回收了膨胀马达36膨胀时所产生的动能。

表2为该实施例近似理想逆卡诺蒸气制冷循环系统测量数据测算表。

在装置内充有R22制冷剂工质，当压缩机进排口的压差达10bar时，停止充注制冷剂。系统连续稳定运行两天后测量数据。

                                                                                     表2(工质R22)

T11	T7	T8	T10	W	Q	ξe	ηe
								40.3℃	1.6℃	40.5℃	48℃	4.68	23.2	4.96	0.685
8℃	40.3℃	47.5℃	3.8	22.8	6	0.696

表2中，W为系统的输入功率，Q为系统的输出冷量，ξe为循环能效，ηe为热力学完善度。T11为冷凝温度，T7为蒸发温度。T8为压缩机32的出口温度，T10增压泵34的出口温度。

附图14是使用附图13中的水冷冷水压缩机组实施传统的蒸气制冷循环的系统图。

系统中不同的是，使用了节流孔径为10毫米的外平衡式热力膨胀阀39，代替了活塞式膨胀马达36；并取消了活塞式增压泵34和单向节流器35。

表3是该系统即传统的蒸气制冷循环系统测量数据测算表。

                                                                              表3(工质R22)

T11	T7	T15	W	Q	ξz	ηz
							40℃	1.6℃	69.5℃	4.83	20.1	5.16	0.576
8℃	68.2℃	3.74	19.3	4.16	0.586

表3中，W为系统的输入功率，Q为系统的输出冷量，ξz为循环能效，ηz为热力学完善度。T11为冷凝温度，T7为蒸发温度。T15为压缩机32的出口温度。

表2表3中的循环能效及热力学完善度与表1的差距，是由于系统中存在热力损失，机械磨擦损失及电力损失产生的。由数据理论计算表1和测算表2.表3可看出，近似理想逆卡诺蒸气制冷循环具有制冷能效明显提高；压缩机排口工质温度明显降低；随制冷循环工质温差T11-T13越大，所提高的能效也越大，且其热力完善度变化很小等优势。

Claims (7)

1.一种接近理想逆卡诺循环效率的蒸气压缩式制冷循环装置，包括：压缩机(22)、冷凝器(23)、节流器(25)和蒸发器(27)；其特怔在于：

还包括膨胀马达(26)和增压泵(24)；

所述增压泵(24)、冷凝器(23)、膨胀马达(26)、蒸发器(27)、压缩机(22)通过管道依次连通构成主循环系统，该主循环系统输出冷量；

在所述主循环系统的增压泵(24)的入口处和冷凝器(23)的出口处之间跨接所述节流器(25)，构成自增压泵(24)、冷凝器(23)，又经过节流器(25)，再回到增压泵(24)的次循环系统，该次循环系统使经所述压缩机(22)压缩后的工质温度降低，焓值减少。

2.如权利要求1所述的制冷循环装置，其特怔在于：所述膨胀马达(26)的输出扭矩驱动所述增压泵(24)。

3.如权利要求1所述的制冷循环装置，其特怔在于：经所述节流器(25)节流后的工质与经所述压缩机(22)压缩后的工质等压混合，一起进入所述增压泵(24)绝热增压。

4.如权利要求1或2所述的制冷循环装置，其特怔在于：所述膨胀马达(26)的出口压力低于节流器(25)的出口压力。

5.如权利要求1或2所述的制冷循环装置，其特怔在于：所述膨胀马达(26)的工质流量大于所述节流器(25)的工质流量。

6.如权利要求1或2所述的制冷循环装置，其特怔在于：所述增压泵(24)的工质流量大于所述压缩机(22)的工质流量。

7.如权利要求1所述的制冷循环装置，其特怔在于：所述冷凝器(23)的工质流量大于所述蒸发器(27)的工质流量。

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