理论循环制冷系数
因为
故
理论回热循环的性能系数可表示为：
（14）
或 （15）
由式（15）可以看出，回热循环1-2-3-4-5-6与无回热循环6－7－8－5，两者不单有相同的工作温度范围和相等的单位制冷量，而且理论性能系数的表达式也相同。但这并不能说明两种循环是等效的，因为回热循环压力比小，不仅可以减小了压缩机和膨胀机的单位功，而且减小了压缩过程，膨胀过程和热交换过程的不可逆损失，所以回热循环实际性能系数比无回热循环大，特别是应用高效透平机械后，制冷机经济性大大提高。当制取－80℃以下低温时，定压回热气体制冷
机的热力完善度超过了各种型式的蒸气压缩式制冷机。但是到目前为止，定压回热气体制冷机的应用还是很不普遍，这是因为它的热交换设备比较庞大，而且，当应用透平机械时只适用于大型的制冷装置。 混合工质布雷顿循环 （1）循环的组成
利用混合物做工质，将布雷顿制冷循环和朗肯循环（蒸气压缩式循环）有机结合在一起，可以构成新的热力循环，称之为混合工质布雷顿制冷循环，简称为混合工质制冷循环。它由四个基本过程组成：等熵压缩，在压缩器中完成；等压排热，在热交换器中完成；等熵膨胀，在膨胀器中完成；等压吸热，直接由气流或者通过热交换器进行。图5为混合工质循环的的流程图。
图5 混合工质循环流程图
气流在压缩器前的①点处于饱和状态（先按相变成分为水来介绍），由雾化喷嘴喷出的雾状水，使得气流在①'点时变成过饱和状态，然后进入压缩器中。气流在被压缩过程中产生的压缩热使得雾状水迅速气化。因为气化需要吸收潜热，所以压缩过程在较低的温度下进行，其排气温度要比压缩干空气时的温度低的多。在不考虑气流和外界进行的热交换及系统内部各种损失所加给气流的热量时，混合工质的压缩过程为多变压缩过程，多变指数小于k值。压缩器喷水量增多时，排气温度降低，压缩功减少。但当压缩器排气达到饱和状态时再增大喷水量，则
排气温度的降低和压缩功的减少程度较微。一般压缩器喷水至②点排气达到饱和状态。
在热交换器Ⅰ中，饱和的气流被冷却流体带走热量而冷却。在降温过程中，水蒸气要冷凝，并放出潜热。冷凝水被收集起来，靠自身的压力或水泵驱动而送到雾化喷嘴。分离出冷凝水后的气流，在③点处于该处温度下的饱和状态。这时向进入膨胀器前的气流喷入雾化水，使之达到③'点时达到过饱和状态，然后进入膨胀器。
在膨胀器中，气体由于膨胀而降温，有一部分水蒸气要冷凝为水，并在温度进一步降到冰点以下时，凝结为冰粒或者雪花。因为水的冷凝而在膨胀器中放出气化潜热和融化热。使得整个气流温度比干空气膨胀时有所提高，气流膨胀程度也随着增加，所以膨胀器所回收的膨胀功也增大。但出口④点气流混合物的总焓值仍比干空气膨胀时小。
气流经过④点进入负载热交换器Ⅱ中。在负载热交换器中，气流吸收热量，温度升高和所含的冰融化，并有部分的水气化。融化的水被收集，并用泵提高压力后输送到雾化喷嘴。在负载热交换器的出口，气流为当地温度下的饱和状态，即①点状态，这样便完成了整个热力循环。 （2）热力循环分析
混合工质制冷循环可以视为朗肯（Rankine）循环和布雷顿循环的组合循环。当相变成分为零时，混合工质循环变为布雷顿循环；当气体成分为零时，该循环变为朗肯循环。下面分析该循环的每一个基本过程，并和朗肯循环及布雷顿循环进行比较。为了方便地分析混合工质的状态，且又能定性的说明问题，下面的分析均以气体成分为对象，并认为相变成分的变化只是对气体成分的状态参数发生影响。
①压缩过程
图6为压缩过程的P-v图，其中1－2'为无相变成分时的压缩过程线；1－2为有相变的成分时的压缩过程线。如图所示的υ2＜υ2'是由于在相同的压缩比下，相变成分的气化吸热，使得排气温度降低所造成的。由图可见：压缩过程1－2所需的压缩功（1－1－b－a面积）小于压缩过程1－2'所需的压缩功（1－2'－b－a面积）。1－2'为布雷顿循环及朗肯循环的压缩过程线；1－2为混合工质循环的压缩过程线。
②等压排热过程
图7为等压排热过程的T-S图，图中2'－3为布雷顿循环的等压排热过程线；2－3为混合工质循环的等压排热过程线；2'－2'''－3为朗肯循环的等压排热过程线；2''－ 3为卡诺循环的等压排热过程线。由图中可见，在得到相同的制冷量（面积4－a－b－1）的情况下，所需的循环功（只考虑等压排热过程的影响）为：布雷顿循环最大（面积1－2'－3－4）；其次是混合工质循环（面积1－2－3－4）；再其次是朗肯循环（面积1－2'－2'''－3－4）；卡诺循环最小（面积1－2''－3－4）。
图6 压缩过程的P－v图
图7 等压排热过程的T－s图
③膨胀过程
图8为膨胀过程的P-v图，图中3－4'为布雷顿循环的膨胀过程线；3－4为混合工质循环的膨胀过程线。由图可见：υ4'＜υ4，混合工质循环的膨胀功（面积c－d－3－4）大于布雷顿循环的膨胀功（面积c－d－3－4'）。朗肯循环的膨胀
过程在节流元件（膨胀阀、毛细管等）中完成，其理想情况为等焓膨胀，对外部不做功。
图8 膨胀过程的P－v图
图9 等压过程的T－s图
④等压吸热过程
图9为等压吸热过程的T-S图，图中4''－1为卡诺循环的等压吸热过程线；4－1为混合工质循环的等压吸热过程线；4'－1为布雷顿循环的等压吸热过程线。由图可见：对于制冷量，卡诺循环（和朗肯循环相等，面积为4''－a－b－1）最大，混合工质循环其次，布雷顿循环最少。对于获得相同制冷量所需的循环功（仅考虑等压吸热的影响），卡诺循环（朗肯循环）最少，混合工质循环其次，布雷顿循环最大。
从上述对于几个基本过程的分析中可见：和布雷顿循环相比，混合工质循环的压缩功少，膨胀功大，等压吸、排热过程的不可逆损失小。所以，混合工质循环的理论性能系数比布雷顿循环要大。从分析中还可见：和朗肯循环相比，混合工质循环等压吸、排热过程的不可逆损失较大；朗肯循环的膨胀过程对外部不做功，并且压缩过程为绝热压缩，过程指数为k值。因为常用的氟利昂类制冷工质的k值较小，所以在相同的压缩比时，朗肯循环的压缩功并不大。虽然混合工质循环的理论性能系数在使用温度高于某一数值时低于朗肯循环，但因为性能系数随着使用温度的降低，较平缓地减小，所以使用温度在低于某一数值时，混合工质循环的性能系数将高于朗肯循环。当膨胀器进口不向气流喷水时，该温度值为－25℃左右；当膨胀器进口喷水时，该数值则在－20℃左右（混合工质循环压缩比为3）。 （2）制冷工质
混合工质循环所用的制冷（热）工质应包含气体成分和相变成分两部分。相变成分可以是一种或者两种物质。制冷工质应当满足下述必要条件： 1） 气体成分在整个循环中只发生状态变化，不发生相变； 2） 在循环的某一过程中，相变成分应发生所要求的相变；
3） 气体成分和相变成分之间及相变成分之间不应发生化学反应。
实际选用相变成分时还应考虑另一些条件，如相变物质在压缩过程中的气化量和在等压排热过程中的冷凝量要大。这就要求在压缩和冷凝过程的温度范围内，饱和的相变成分含量的变化要大；相变成分气化及融化潜热要大；使用温度应高于凝固点；粘度小、价格便宜、对机器不腐蚀、无污染和安全性好等。
目前，对于空调和普冷领域大多用空气和水组成的混合成分做制冷工质。这是因为这两种物质最容易获得，且水的气化潜热很大，又易于雾化的缘故。 混合工质循环理论性能系数较高、制冷工质易于获得，且成本低、对环境和大气无污染。采用混合工质循环的混合工质制冷机和热泵，还具有实际性能系数较高、转速低、功率输入容易、使用和维护简便、寿命长、成本低等优点。目前，混合工质制冷循环已成功的用于飞机环境控制系统和低温气流供给系统，并发展了许多实用流程。
责任编辑: banye 参与评论