摘 要：文章对带膨胀机制冷循环进行了热力学分析和数值分析。结果表明，使用节流阀制冷机的节流过程在传统蒸汽压缩式制冷系统的工作过程中存在较大损失。通过使用带膨胀机的制冷循环，不仅可以降低制冷剂的焓值，又可以将一部分动能转化为压缩机的机械能，从而降低制冷机的能量损失。
　　关键词：膨胀机;制冷循环;热力学
　　中图分类号：TB61
　　文献标识码：A

一、引言

　　节流过程是传统蒸汽压缩式制冷系统的主要损失之一。当制冷剂流经节流元件时，动能增加，压力下降，同时产生强烈扰动和摩擦，此时摩擦产生热能，热能又被制冷剂吸收，因而在绝热情况下，制冷剂的焓不变。流体被加热后，一部分液体汽化，所以节流后的流体状态的干度相對等熵膨胀过程增加。由于温度增加，制冷剂在压缩机的压缩过程中吸收的热量就会减小，在同样的耗电水平下，制冷系统的做功能力下降。采用膨胀机代替节流阀时，制冷剂在膨胀机中膨胀，从中回收部分膨胀功并在压缩机中加以利用，这样就可以降低系统内部的能量损失，提高整体系统的COP。

二、带膨胀机的制冷循环分析

　　基本的蒸气压缩制冷循环如图1中1-2-3-4h-1所示，如果用膨胀机替换节流阀，则循环过程如图1中1-2-3-4s-1所示，制冷循环温熵如图2所示。可以看出，与普通膨胀阀系统对比，用膨胀机替换节流阀有两点优势：

　　（1）蒸发器入口的焓值降低了，因此增加了单位制冷量。
　　（2）回收了膨胀过程的有用功，如果这部分功用来驱动压缩机，则可大大降低循环所耗净功，进而显著提高循环性能系数。在采用节流元件的循环中，膨胀过程做功Wexp=0，膨胀机的循环膨胀功Wexp为：Wexp=h3-h4h。
　　为简化计算，本文作如下假设：忽略气冷器、蒸发器内部的管道压降;系统无漏热损失; 蒸发器出口为饱和工质。循环的热力计算过程如下：

　　蒸发温度为5℃、冷凝温度为45℃时，几种常规制冷剂带膨胀机循环的制冷COP 和单位制冷量qeva随膨胀机效率的变化规律图（见图3、图4）。

三、分析与讨论

　　由式（9）可知，能效比COP与膨胀机的循环膨胀功直接相关。当制冷剂通过膨胀机的过程中的循环膨胀功越大，能量的有效利用率越大，即能效比越大，在同样的电能耗费下，制冷系统的制冷效率越大。
　　通过几种常规制冷剂带膨胀机循环的制冷COP 和单位制冷量qeva随膨胀机效率的变化规律以及与带节流阀系统的比较。膨胀机效率为0.0时，即表示是带节流阀的传统制冷系统。可以看出，随着膨胀机效率的提高，各系统的 COP均逐渐增大;同种制冷机带膨胀机系统与带节流阀系统比较，前者均有明显的提高，并且这种提高随着膨胀机效率的增大也在增大。

四、结论

　　通过公式（9）可以看出，使用膨胀机的制冷循环系统的COP大于使用节流阀的制冷循环系统。并且可以看出使用带膨胀机的制冷循环制冷机的COP将随着膨胀机的效率的增大而增大。由图3、图4可知，制冷机的制冷效率随膨胀机效率的变化率对多种系统都成立。由此，可以确定使用带膨胀机的制冷循环的制冷效率大于采用节流阀的制冷循环的制冷效率。如果在整个制冷循环中采用膨胀机代替节流阀，整个制冷过程的效率将会大大提高，制冷机的COP也会有效地提高，对于节能减排具有重要的意义。

参考文献：

　　[1]高美娟.带膨胀机CO2跨临界循环热泵的研究状况[J].电子制作，2013（17）.
　　[2]马一太，邢英丽，查世彤，等.CO2跨临界循环膨胀机回收功的实验研究[J].流体机械，2003（12）.
　　[3]李敏霞，马一太，苏维诚.CO2跨临界循环水源热泵摆动转子膨胀机样机的研制开发[J].太阳能学报，2008（9）.
　　[4]李敏霞，马一太，苏维诚，等.CO2跨临界制冷循环膨胀机的开发[J].制冷与空调，2005（5）.
　　[5]李敏霞，马一太，苏维城，等.CO2跨临界循环带膨胀压缩机系统热力学分析[J].制冷与空调，2005（4）.
　　[6]马一太，魏 东，查世彤，等.二氧化碳膨胀机的热力计算与选型分析[J].流体机械，2002（10）.
　　[7]丁国良，黄冬平，张春路.跨临界二氧化碳汽车空调稳态仿真[J].工程热物理学报，2001（3）.
　　[8]徐洪涛，李蒙沂，李国强，等.跨临界循环二氧化碳热泵型热水器的应用研究[J].制冷与空调，2001（1）.
　　[9]刘 雄，姜乔乔，郭浩波.CO2双级压缩制冷热泵循环性能研究[J].流体机械，2011（8）.