制冷与低温技术原理—第3章 蒸气压缩式制冷-多级蒸气压缩制冷循环

1、采用多级压缩的必要性采用多级压缩的必要性 受压缩机单级压力比的限制；受压缩机单级压力比的限制； 受制冷剂热物理性质的限制。受制冷剂热物理性质的限制。 压缩比增大，压缩机的输气系数大为降低，压缩比增大，压缩机的输气系数大为降低， 其输气量和容积效率显著降低；其输气量和容积效率显著降低； 压缩机的排气温度过高，润滑条件恶化；压缩机的排气温度过高，润滑条件恶化； 制冷剂节流损失增加，使制冷量制冷剂节流损失增加，使制冷量, 制冷系数均下降。制冷系数均下降。对往复式压缩机的影响对往复式压缩机的影响 压缩机排气温度：压缩机排气温度：R717 150， R22 115 单级压缩压力比单级压缩压力比PK/P0

2、：NH3 8，Freon 10 单级压力比和排气温度的限定：单级压力比和排气温度的限定： 往复式压缩机单级压缩的最低蒸发温度往复式压缩机单级压缩的最低蒸发温度 受焓增量的限制；为保证一定效率，每一级压缩的受焓增量的限制；为保证一定效率，每一级压缩的 焓增量不能超过一定范围。焓增量不能超过一定范围。 容积效率不随压力比的升高而明显降低；容积效率不随压力比的升高而明显降低； 受排气温度限制。受排气温度限制。对离心式压缩机的影响对离心式压缩机的影响对回转式压缩机的影响对回转式压缩机的影响1. 两个压缩阶段：两个压缩阶段：2. 循环形式：循环形式： 两级压缩一级节流循环：两级压缩一级节流循环： a:

3、中间不完全冷却中间不完全冷却 b: 中间完全冷却中间完全冷却 c: 中间不冷却中间不冷却 两级压缩两级节流循环：两级压缩两级节流循环： a: 中间不完全冷却中间不完全冷却 b: 中间完全冷却中间完全冷却 蒸发压力蒸发压力p0 中间压力中间压力pm 冷凝压力冷凝压力pk 按节流和冷却方式按节流和冷却方式: 节流方式和冷却方式的含义节流方式和冷却方式的含义将低压级压将低压级压缩机排气冷缩机排气冷却到中间压却到中间压力下的饱和力下的饱和蒸气。蒸气。 中间完全冷却中间完全冷却低压级压缩低压级压缩机排气虽冷机排气虽冷却，但并未却，但并未冷却到饱和冷却到饱和蒸气状态。蒸气状态。 中间不完全冷却中间不完全冷

4、却制冷剂液体制冷剂液体由冷凝压力由冷凝压力 pk直接节流直接节流至蒸发压力至蒸发压力 p0 。 一次节流一次节流先将高压液体先将高压液体从冷凝压力从冷凝压力pk节流到中间压节流到中间压力力pm，再由再由pm节流降压至蒸节流降压至蒸发压力发压力 p0 。 两次节流两次节流 取决于制冷剂的性质：取决于制冷剂的性质： 氟利昂制冷机宜采用中间不氟利昂制冷机宜采用中间不 完全冷却；完全冷却； 氨制冷机应采用中间完全冷却。氨制冷机应采用中间完全冷却。 根据实际系统决定：根据实际系统决定： 一级节流：不可逆损失大，单位一级节流：不可逆损失大，单位 制冷量小，制冷量小，COP小；供液压差大，小；供液压差大，

5、系统简化，节流前液体的过冷度系统简化，节流前液体的过冷度 大，不易闪蒸。大，不易闪蒸。 小型装置采用一次节流，大型装置小型装置采用一次节流，大型装置 多采用一次节流。多采用一次节流。1. 一次节流中间完全冷却的两级压缩制冷循环一次节流中间完全冷却的两级压缩制冷循环 系统流程与循环：系统流程与循环： 高压级循环回路高压级循环回路34563： 中间冷却器产生冷量，中间冷却器产生冷量， 用于另一个循环中饱和液体用于另一个循环中饱和液体 过冷过冷5-7和低压级压缩机排出和低压级压缩机排出 过热蒸气的完全冷却过热蒸气的完全冷却2-3； 主循环主循环12345781： 完成两次压缩，一次节流，完成两次压缩

6、，一次节流， 中间完全冷却。中间完全冷却。（1）系统流程与循环及）系统流程与循环及p-h图表示图表示 循环循环p-h图表示图表示注意注意 两个循环回路：主循环和高压循环。两个循环回路：主循环和高压循环。 制冷剂流量：不同循环回路中制冷剂流量的变化。制冷剂流量：不同循环回路中制冷剂流量的变化。 思考：如何在思考：如何在T-S图中表示该制冷循环。图中表示该制冷循环。 1-2 低压压缩机的压缩过程；低压压缩机的压缩过程； 2-3 低压压缩机的排气在中间冷却器的冷却过程；低压压缩机的排气在中间冷却器的冷却过程； 3-4 高压压缩机的压缩过程；高压压缩机的压缩过程； 4-5 冷凝器中的冷却过程；冷凝器中

7、的冷却过程； 5-6 进入中间冷却器的一路液体在节流阀中的节流过程；进入中间冷却器的一路液体在节流阀中的节流过程； 6-3 节流后的液体在中间冷却器的蒸发过程；节流后的液体在中间冷却器的蒸发过程； 5-7 流入蒸发器的一路液体在中间冷却器中的过冷过程；流入蒸发器的一路液体在中间冷却器中的过冷过程； 7-8 进入蒸发器的液体在节流阀中的节流过程；进入蒸发器的液体在节流阀中的节流过程； 8-1 蒸发器中的蒸发制冷过程。蒸发器中的蒸发制冷过程。（2）循环工作过程：）循环工作过程： 计算的步骤和内容：计算的步骤和内容： 两级压缩制冷循环的性能计算需借助两级压缩制冷循环的性能计算需借助p-h图或图或T-

8、S图图 已知制冷量已知制冷量Q0，工作条件；，工作条件； 确定冷凝温度，蒸发温度，压缩机吸气温度，确定冷凝温度，蒸发温度，压缩机吸气温度， 高压液体过冷温度；高压液体过冷温度； 借助借助p-h图，确定冷凝压力，蒸发压力，图，确定冷凝压力，蒸发压力， 确定中间压力和中间温度；确定中间压力和中间温度； 计算或查出各状态点的状态参数（焓，吸气比体积）；计算或查出各状态点的状态参数（焓，吸气比体积）； 进行循环性能指标计算，计算按先低压级后高压级顺序。进行循环性能指标计算，计算按先低压级后高压级顺序。（3）热力计算）热力计算skghhqqmD/81000kWhhhhWqPkDDkDmDDk12710,

9、0, 低压低压级级压缩机压缩机的的 制冷剂质量制冷剂质量流量流量：kgkJhhwD/120 理论比功：理论比功： 低压级压缩机低压级压缩机 所需轴功率：所需轴功率： 低压级压缩机：低压级压缩机： 低压级压缩机的绝热效率低压级压缩机的绝热效率 单位质量制冷量：单位质量制冷量： kgkJhhq/810smhhvvqqmDDvs/371101, 实际输气量：实际输气量： 理论输气量：理论输气量：smqqDDvsDhv/3, 低压级压缩机低压级压缩机 的输气系数的输气系数kgkJhhwG/340 高压级压缩机：高压级压缩机： 理论比功：理论比功：skgqhhhhqmDGm/5372 高高压压级级压缩机

10、压缩机的的 制冷剂质量制冷剂质量流量流量： 高压级压缩机高压级压缩机 所需轴功率：所需轴功率：kWwqPGkGGmGk,0,smvqqGmGvs/33,smqqGGvsGhv/3, 理论输气量：理论输气量： 高压级压缩机高压级压缩机 的输气系数的输气系数高压级压缩机的绝热效率高压级压缩机的绝热效率思考；如何确定高压级思考；如何确定高压级压缩机的制冷剂流量。压缩机的制冷剂流量。 实际输气量：实际输气量：DDmGGmwqwq0000DkDDmGkGGmSwqwq,0,00kWhhqGmk)(54 制冷系数：制冷系数： 理论循环：理论循环： 实际循环：实际循环： 冷凝器的热负荷：冷凝器的热负荷： （

11、4）设计计算和校核）设计计算和校核计算：计算：)(711,0hhvqDDvh 设计计算：设计计算： 已知制冷量已知制冷量Q0，制冷剂种类；，制冷剂种类； 计算输气量计算输气量，选择高低级压缩机；选择高低级压缩机； 计算冷凝器热负荷，设计选配蒸发器，冷凝器。计算冷凝器热负荷，设计选配蒸发器，冷凝器。 校核计算：校核计算： 已知选定型号的压缩机（结构参数，理论容积）；已知选定型号的压缩机（结构参数，理论容积）； 计算制冷量计算制冷量Q0 。2. 一次节流中间不完全冷却的两级压缩制冷循环一次节流中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 对比一级节流中间完全冷却，对比一级节流中间完全冷却， 中间不完全冷却两种

12、循环方式：中间不完全冷却两种循环方式： 两个循环的高压液体节流方式有共同之处；两个循环的高压液体节流方式有共同之处； 低压级压缩机排气的冷却方式是不同的；低压级压缩机排气的冷却方式是不同的； 热力计算基本相同热力计算基本相同 （除高压级压缩机的质量流量，吸气过热蒸气外）（除高压级压缩机的质量流量，吸气过热蒸气外）； 适合不同种类的制冷剂工质：适合不同种类的制冷剂工质：（1）系统流程与循环及）系统流程与循环及p-h图表示图表示 相同相同过程：过程： 5-6-8 高压制冷剂蒸气的冷却及冷凝过程高压制冷剂蒸气的冷却及冷凝过程； 8-9 节流阀中的节流过程节流阀中的节流过程； 7-3 中间冷却器中的蒸

13、发过程中间冷却器中的蒸发过程； 6-8 高压制冷剂液体在中间冷却器中冷却过程高压制冷剂液体在中间冷却器中冷却过程； 6-7 节流阀中的节流过程节流阀中的节流过程； 9-1 蒸发器中的蒸发过程蒸发器中的蒸发过程； 1-2 低压压缩机中的压缩过程低压压缩机中的压缩过程。（2）循环工作过程：）循环工作过程：如何在如何在T-S图中表示制冷循环图中表示制冷循环，画出对应的状态点。，画出对应的状态点。 不同过程：不同过程： 中间完全冷却循环：中间完全冷却循环： 3-4 高压压缩机中的压缩过程；高压压缩机中的压缩过程； 适用于等熵指数大的制冷剂（氨）。适用于等熵指数大的制冷剂（氨）。 中间不完全冷却循环：中

14、间不完全冷却循环： 2-4 和和 3-4 管道中混合过程，管道中混合过程， 4-5 高压压缩机的压缩过程。高压压缩机的压缩过程。 适用于等熵指数较小的制冷剂。适用于等熵指数较小的制冷剂。 氨两级压缩制冷系统氨两级压缩制冷系统 氟利昂两级压缩制冷系统氟利昂两级压缩制冷系统 涉及到的辅助设备：涉及到的辅助设备：（2）干燥过滤器：干燥过滤器： 除去冷凝器中出来液体中的水分和杂质，防止膨胀阀除去冷凝器中出来液体中的水分和杂质，防止膨胀阀 冰堵或堵塞。冰堵或堵塞。（1）油分离器：）油分离器： 把压缩机排气的润滑油分离出来，并返回到曲轴箱去，把压缩机排气的润滑油分离出来，并返回到曲轴箱去， 以免油进入各种

15、换热器影响传热。以免油进入各种换热器影响传热。（3）回热器：）回热器： 过冷液体制冷剂，同时提高低压蒸气温度，避免过冷液体制冷剂，同时提高低压蒸气温度，避免 压缩机产生液击。压缩机产生液击。（5）气）气 - 液分离器：液分离器： 防止低压蒸气中液滴带到压缩机中引起液击。防止低压蒸气中液滴带到压缩机中引起液击。（4）电磁阀；）电磁阀； 压缩机停止后自行切断输液管路，防止过多制冷剂压缩机停止后自行切断输液管路，防止过多制冷剂 液体进入蒸发器，以免压缩机下一次启动时产生液击，液体进入蒸发器，以免压缩机下一次启动时产生液击， 起保护压缩机的作用。起保护压缩机的作用。（1）冷却方式：）冷却方式： 中间完

16、全冷却和中间不完全冷却。中间完全冷却和中间不完全冷却。（2）系统流程与循环：）系统流程与循环：（3）循环的）循环的P-h图图，T-S图图表示表示：（5）区别：节流方式区别：节流方式不同不同3. 两级节流两级压缩制冷循环两级节流两级压缩制冷循环循环的制冷系数较高，且循环的制冷系数较高，且中间容器中产生的气量较中间容器中产生的气量较多多。用于离心式制冷用于离心式制冷，不，不适于活塞式，螺杆式制冷适于活塞式，螺杆式制冷系统。系统。 两次节流两次节流 一次节流一次节流可利用其较大的压力差，可利用其较大的压力差，实现远距离供液及向多层实现远距离供液及向多层冷库供液，且供液量便于冷库供液，且供液量便于调节

17、，应用较广。调节，应用较广。1. 热力计算热力计算（2）冷却方式的选择）冷却方式的选择 中间完全冷却：中间完全冷却： 适于回热不利的制冷剂：如适于回热不利的制冷剂：如R717。 中间不完全冷却：中间不完全冷却： 适于回热有利的制冷剂：如适于回热有利的制冷剂：如R290，R22， 但有时为降低高压级压缩机的排气温度，也可采用但有时为降低高压级压缩机的排气温度，也可采用 中间完全冷却。中间完全冷却。（1）制冷剂的选择）制冷剂的选择 中温制冷剂：如中温制冷剂：如R717，R22，R290。（3）回热器的选择：回热器的选择： 对蒸发温度较低的两级压缩循环通常增设回热器，对蒸发温度较低的两级压缩循环通常

18、增设回热器， 目的：提高低压级压缩机的吸气温度，目的：提高低压级压缩机的吸气温度， 改善压缩机的工作条件。改善压缩机的工作条件。 （4）工作参数的确定：）工作参数的确定： 根据冷、热源温度及传热温差（已知）；根据冷、热源温度及传热温差（已知）； 确定蒸发温度确定蒸发温度t o , 冷凝温度冷凝温度t k ； 确定中间温度，中间压力（关键）。确定中间温度，中间压力（关键）。 2. 两级压缩制冷机中间压力的确定两级压缩制冷机中间压力的确定 两种情况：两种情况： a: 已经选配好高、低压级压缩机，计算确定已经选配好高、低压级压缩机，计算确定Pm； b: 从循环的从循环的设计设计计算出发，确定中间压力

19、计算出发，确定中间压力Pm 。 （1）已有高、低压缩机；）已有高、低压缩机； 则高、低压缩机的理论输气量为定值。则高、低压缩机的理论输气量为定值。 定值DDmDGGGmDhvGhvvqvqqq,即：即： 确定原则：使循环的性能系数为最佳。确定原则：使循环的性能系数为最佳。 具体步骤：具体步骤： a: 按一定间隔选定若干个中间温度，按一定间隔选定若干个中间温度， 按选定温度分别进行循环的热力计算，按选定温度分别进行循环的热力计算， 求出不同中间温度下的理论输气量的比值，求出不同中间温度下的理论输气量的比值， b: 绘制绘制 =f（t m)的曲线，画出一条的曲线，画出一条=定值定值 的水平线，交点

20、即为所求中间温度。的水平线，交点即为所求中间温度。 中间压力不等于最佳中间压力；中间压力不等于最佳中间压力； 对中小型装置，采用单机双级压缩机，对中小型装置，采用单机双级压缩机， 一般选择一般选择=1/2 - 1/3； 对大型装置，从已有产品中选型搭配高压级对大型装置，从已有产品中选型搭配高压级 压缩机与低压级压缩机。压缩机与低压级压缩机。 用试凑法确定中间压力用试凑法确定中间压力说明说明 原则：使制冷系数为最大；原则：使制冷系数为最大； 具体步骤：具体步骤： 令令 ，近似确定中间压力；，近似确定中间压力； 在在t m(Pm) 值的上下按一定间隔选取若干个中间温度值；值的上下按一定间隔选取若干个中间温度值； 对每一个对每一个t m 值进行循环的热力计算，计算该循环的值进行循环的热力计算，计算该循环的 制冷系数；制冷系数； 绘制制冷系数随中间温度的变化曲线，找到最大制冷绘制制冷系数随中间温度的变化曲线，找到最大制冷 系数值，此时中间温度为最佳中间温度。系数值，此时中间温度为最佳中间温度。0ppp