第四章-双级压缩式与复叠式制冷循环

1、第四章第四章双级压缩和复叠式双级压缩和复叠式压缩制冷循环压缩制冷循环本章内容本章内容4.1 4.1 双级压缩制冷循环双级压缩制冷循环4.2 4.2 双级压缩制冷循环的热力计算双级压缩制冷循环的热力计算 及工况变化的影响及工况变化的影响4.3 4.3 复叠式压缩制冷循环复叠式压缩制冷循环复习上章的内容复习上章的内容蒸气压缩式制冷理论循环的损失蒸气压缩式制冷理论循环的损失n节流损失n过热损失n传热温差v液态制冷剂过冷 v回收膨胀功 v采用多级压缩过冷器蒸气回热循环减少过热损减少过热损失失降低功率降低功率消耗消耗减少节减少节流损失流损失3S 过冷器3bb0 42314q0TkT0Tc cqk气 液分

2、 离器膨胀阀Tk342压缩机1冷凝器q0T0蒸发器过冷度概念概念过冷过冷 subcooling 过冷度过冷度 degree of subcooling过冷温度过冷温度 temperature of subcooling a a21S3bb0 4231 4q0TkT0Tc c回热器14qk膨胀阀Tk332压缩机1冷凝器q0T0蒸发器c c过热度过热过热 superheat过热度过热度 degree of superheat过热温度过热温度 temperature of superheat概念概念过冷度 吸入过热蒸气对制冷量和制冷系数的影响取决于蒸气过热时吸收的热量是否产生有用的制冷效果以及过热度

3、的大小。 （1）过热没有产生有用的制冷效果由蒸发器出来的低温制冷剂蒸气，在通过吸入管道进入压缩机之前，从周围环境中吸取热量而过热，但它并没有对被冷却物质产生任何制冷效应，这种过热称为“无效”过热。由于循环的单位质量制冷量是相等的，但蒸气比容的增加使单位容积制冷量减少，对给定压缩机而言它将导致循环制冷量的降低。 （2）吸热本身产生有用的制冷效果如果吸入蒸气的过热产生在蒸发器本身的后部，或者产生在安装于被冷却室内的 吸气管道上，或者产生在两者皆有的情况下，那么，由于过热而吸收的热量来自被冷却空间，因而产生了有用的制冷效果，我们称这种过热为“有效”过热。 蒸气回热循环属于有效过热。 从右图可以看出，

4、氨过热对制冷系统是不利的，它获得的制冷量增量比需要增加的功少。有效过热的过热度对制冷系统的影响有效过热的过热度对制冷系统的影响q/w乙烯 单级蒸气压缩活塞式制冷机，压缩比一单级蒸气压缩活塞式制冷机，压缩比一般不超过般不超过10。 蒸发温度过低带来如下问题蒸发温度过低带来如下问题：(1)(1)压缩比增大时压缩机的容积系数压缩比增大时压缩机的容积系数vv大为降低，大为降低，压缩机的输气量及效率显著下降。由于压缩机余压缩机的输气量及效率显著下降。由于压缩机余隙容积的存在，压力比提高到一定数值后，压缩隙容积的存在，压力比提高到一定数值后，压缩机的容积系数变为零，压缩机不再吸气，制冷机机的容积系数变为零

5、，压缩机不再吸气，制冷机虽然在不断运行，制冷量却变为零。虽然在不断运行，制冷量却变为零。 为了获得比较低的温度为了获得比较低的温度（4070），），同同时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围内，就要采用多级压缩循环。围内，就要采用多级压缩循环。 (2) (2)压缩机排气温度过高，使润滑油的压缩机排气温度过高，使润滑油的粘度急剧下降，影响压缩机的润滑。当排粘度急剧下降，影响压缩机的润滑。当排气温度与润滑油的闪点接近时，会使润滑气温度与润滑油的闪点接近时，会使润滑油碳化和出现拉缸等现象。油碳化和出现拉缸等现象。 (3) (3)制冷剂节流损失、过热损失

6、增加，制冷剂节流损失、过热损失增加，单位容积制冷量下降过大，经济性下降。单位容积制冷量下降过大，经济性下降。氨：绝热指数较大，排气温度较高，氨单级压缩的压力比一般不超过8；氟里昂：绝热指数相对较小，单级压缩的压力比一般也不希望超过10。不同冷凝温度时单级压缩所能达到的最低蒸发温度如下表所示。两级压缩制冷循环中，制冷剂的压缩过程分两个阶段进行，即将来自蒸发器的低压制冷剂蒸气（压力为Po ）先进入低压压缩机，在其中压缩到中间压力Pm ，经过中间冷却后再进入高压压缩机，将其压缩到冷凝压力Pk ，排入冷凝器中。这样，可使各级压力比适中，由于经过中间冷却，又可使压缩机的耗功减少，可靠性、经济性均有所提高

7、。4.1 4.1 双级压缩制冷循环双级压缩制冷循环按中间冷却方式：按中间冷却方式：中间完全冷却循环与中间不中间完全冷却循环与中间不完全冷却循环；完全冷却循环；按节流方式：按节流方式：一级节流循环与两级节流循环。一级节流循环与两级节流循环。中间完全冷却：是指将低压级的排气冷却到中间压力下的饱和蒸气。中间不完全冷却：低压级排气虽经冷却，但并未冷到饱和蒸气状态。两级节流循环：将高压液体先从冷凝压力Pk 节流到中间压力Pm ，然后再由Pm节流降压至蒸发压力P0 。一级节流循环：制冷剂液体由冷凝压力Pk直接节流至蒸发压力P0 。一级节流循环经济性较两级节流稍差，但它利一级节流循环经济性较两级节流稍差，但

8、它利用节流前本身的压力可实现远距离供液或高层用节流前本身的压力可实现远距离供液或高层供液，故被广泛采用。供液，故被广泛采用。 采用哪一种型式有利则与制冷剂种类、制采用哪一种型式有利则与制冷剂种类、制冷剂容量及其它条件有关。常用的组成型式有：冷剂容量及其它条件有关。常用的组成型式有： 1.1.一级节流、中间完全冷却的两一级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环级压缩制冷循环 2.2.一级节流、中间不完全冷却的一级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环两级压缩制冷循环 3.3.两级节流、中间完全冷却的两两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环级压缩制冷循环 4. 4.两级节流、中间不完全冷却的两级节

9、流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环两级压缩制冷循环两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环( a ) 流程图流程图 ( b ) lgp-h图图两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环( a ) 流程图流程图 ( b ) lgp-h图图中间压力的确定中间压力的确定循环的冷凝温度和蒸发温度：循环的冷凝温度和蒸发温度： 根据环境介质的温度和被冷却物体要求根据环境介质的温度和被冷却物体要求的温度，考虑一定的传热温差确定。的温度，考虑一定的传热温差确定。中间温度中间温度（或（或中间压力中间压力）：）： 两级压缩循环的特

10、有问题，中间压力选两级压缩循环的特有问题，中间压力选择是否恰当，影响到择是否恰当，影响到经济性经济性及压缩机的及压缩机的安全运行安全运行。4.2 双级压缩制冷循环的热力计双级压缩制冷循环的热力计算及工况变化的影响算及工况变化的影响 中间压力的确定原则：中间压力的确定原则： 制冷系数最大制冷系数最大原则去选取原则去选取最佳中间压力。最佳中间压力。几个推荐应用的公式：几个推荐应用的公式： (1) (1)按压力的比例中项确定中间压力按压力的比例中项确定中间压力: : kompppP Pm m - -中间压力中间压力P Po o - -蒸发压力蒸发压力P Pk k - -冷凝压力冷凝压力单位均为单位均

11、为MPaMPa按此式求出的中间压力和制按此式求出的中间压力和制冷循环的最佳中间压力有一冷循环的最佳中间压力有一定的偏差。但公式很简单，定的偏差。但公式很简单，可用于初步估算。可用于初步估算。具体步骤为：1）确定冷凝压力 PK 和蒸发压力 P0 ，按 求得一个近似值，查表得到对应的中间温度tm ；2）在该 tm 值的上下按一定间隔选取若干个中间温度；3）对每一个 tm 值进行循环的热力计算，求得该循环下的制冷系数e ；4）绘制eF(tm) 曲线，找到e的最大值，由该点对应的中间温度即为循环的最佳中间温度（即最佳中间压力）。komppp最佳中间温度的确定最佳中间温度的确定(2)(2)按温度的比例中

12、项确定中间压力按温度的比例中项确定中间压力komTTTT Tm m - -中间温度中间温度T To o - -蒸发温度蒸发温度T Tk k - -冷凝温度冷凝温度单位均为单位均为K K (3)(3)用经验公式直接计算最佳中间压力用经验公式直接计算最佳中间压力 tm=0.4tk+ 0.6to+3t tm m 中间温度中间温度t tk k 冷凝温度冷凝温度t to o 蒸发温度，单位均为蒸发温度，单位均为。上式不只适用于氨，在上式不只适用于氨，在40404040温度范围内，温度范围内，对于对于R12R12也能得到满意的结果。也能得到满意的结果。对于两级氨制冷循环，拉赛对于两级氨制冷循环，拉赛( (

13、A.Rasi)A.Rasi)提提出了较为简单的最佳中间温度计算式：出了较为简单的最佳中间温度计算式：1 1、循环的热力计算、循环的热力计算在二级压缩制冷循环中，在二级压缩制冷循环中，制取冷量的都是低压部分的制取冷量的都是低压部分的蒸发过程，其单位制冷量：蒸发过程，其单位制冷量：q0=h1-h5 = h1-h4 低压压缩机的单位理论功低压压缩机的单位理论功w0=h2-h1 当制冷机的冷负荷为当制冷机的冷负荷为Q Q0 0时时，低压级制冷剂循环量：，低压级制冷剂循环量：ooqQ=41hhQomdq 从而可算出低压压缩机消耗的理论功率从而可算出低压压缩机消耗的理论功率odmdwq4112hhhhoQ

14、Pd= = 对于中间完全冷却的两级循环：对于中间完全冷却的两级循环： q qm mg gh h9 9+q+qmdmdh h2 2=q=qmgmgh h3 3+q+qmdmdh h4 4q qmgmg =q =qmdmd(h(h2 2-h-h4 4) /( h) /( h3 3- h- h9 9) )高压压缩机的单位理论功为高压压缩机的单位理论功为 w wogog=h=h7 7-h-h3 3 由此可得高压压缩机的理论功率由此可得高压压缩机的理论功率Pg=ogmgwq=)(37934241hhhhhhhhQo 根据制冷系数的定义，两级压缩制冷循根据制冷系数的定义，两级压缩制冷循环的理论制冷系数为环

15、的理论制冷系数为: :93hh odmdogmgowqwqQe)(37421241hhhhhhhh对于中间不完全冷却的两级循环，根据中间冷却器的热对于中间不完全冷却的两级循环，根据中间冷却器的热平衡关系平衡关系, ,可得到流经高压级压缩机的制冷剂流量可得到流经高压级压缩机的制冷剂流量：q qmgmg h h9 9= =（q qmgmg-q-qmdmd）h h3 3+q+qmdmdh h4 4q qmgmg =q =qmdmd(h(h3 3-h-h4 4) /( h) /( h3 3- h- h9 9) ) 高压压缩机的单位理论功为高压压缩机的单位理论功为 w wogog=h=h7 7-h-h6

16、 6 q qmgmg h h6 6=( q=( qmgmg q qmdmd) h) h3 3 + q+ qmdmd h h2 2 h6=gmdmgqhhqhq)(323=)(3243423hhhhhhh高压压缩机消耗的理论功率高压压缩机消耗的理论功率：Pg=qmgwog=)(67934341hhhhhhhhQo中间不完全冷却的两级循环的理论制冷系数为中间不完全冷却的两级循环的理论制冷系数为: :)()(6793431241hhhhhhhhhhe2 2、工况变化的影响、工况变化的影响 从图可看出双级压缩制冷循环在工况变化时的特性：（1）当蒸发温度升高时，蒸发压力和中间压力随着升高，中间压力升高的

17、速率相对较快；（2）蒸发温度的升高有一边界值t0b，此时pm=pk，高压压缩机起压缩作用，此图t0b4；（3）当蒸发温度升高时，压差（pk-pm）逐渐减小，而（pm-po）先逐渐增大，后逐渐减小，有一最大值。当t0=t0b，（pk-pm）0，（pm-po）达到最大值；（4）高压压缩机的最大功率出现在t0=-27，压缩比pk/pm3。低压压缩机的最大功率出现在t0=t0b，此时，它承受的压差最大而压缩比接近3。 在冷凝压力为定值时，对于不同的值在tm-to坐标上画出一系列的关系曲线，这种关系曲线图称为运行图解，运行图解对于设计和运转工作有一定的指导作用。定值时双级压缩制冷循环的压力与蒸发温度的变

18、化关系1.1.变工况特性变工况特性2.2.与变工况特性相关的问题与变工况特性相关的问题（1）启动：当制冷机长时间停止运转后第一次启动时，蒸发温度是从环境温度逐渐降低的。当蒸发温度未达到边界数值t0b以前，高压压缩机不起压缩作用，此时如果高、低压压缩机同时启动势必造成能源浪费。通常先启动高压压缩机，待蒸发温度降低到某一数值时（决定于低压压缩机配用的电动机功率），再启动低压压缩机。n对于带有能量调节的单机双级压缩制冷机，在启动初始阶段，可按高蒸发温度选用大的值运转；随着蒸发温度的降低，再调整减小到正常运行值。这样可以避免压缩机电机过载，又能使启动过程节能。（2）电动机选配：高压压缩机可以按照最大功

19、率工况规定的最高冷凝温度及pk/pm3时的工况选配电动机的功率；也可按最常用运转工况选配电动机，在启动过程中需采用部分卸载或进气节流等措施。由于启动时先启动高压压缩机，低压压缩机的功率应按照运行的温度范围内的功率最大时的情况去确定，即低压压缩机开始启动时的情况，此时它承受的压力差最大，吸入的蒸气比容最小。4.3 4.3 复叠式压缩制冷循环复叠式压缩制冷循环 由两个（或数个）采用不同制冷剂的单级（也可由两个（或数个）采用不同制冷剂的单级（也可以是多级）制冷系统组合而成。以是多级）制冷系统组合而成。 原因：原因：受到制冷剂本身物理性质的限制1.蒸发温度受制冷剂凝固点的限制蒸发温度受制冷剂凝固点的限

20、制: T0必须高于制冷剂的凝固点；2.蒸发压力过低，容易渗入空气；蒸发压力过低，容易渗入空气；3.蒸发压力过低，单位容积制冷量下降蒸发压力过低，单位容积制冷量下降:低压时，气态制冷剂的比容很大，单位容积制冷能力很小，要求压缩机的体积流量很大。定义定义最低蒸最低蒸发温度发温度制冷剂制冷剂制冷循环型式制冷循环型式-80R22-R13/23R22单级或两级压缩单级或两级压缩R13单级压缩组合的复叠式单级压缩组合的复叠式循环循环R507-R13/23R507单级或两级压缩单级或两级压缩R13单级压缩组合的复叠单级压缩组合的复叠式循环式循环R290-R13/23R290两级压缩两级压缩R13单级压缩组合

21、的复叠式循环单级压缩组合的复叠式循环-100R22-R13/23R22两级压缩两级压缩R13单级或两级压缩组合的复叠式单级或两级压缩组合的复叠式循环循环R507-R13/23R507两级压缩两级压缩R13单级或两级压缩组合的复叠单级或两级压缩组合的复叠式循环式循环R22-R14R22两级压缩两级压缩R14单级压缩组合的复叠式循环单级压缩组合的复叠式循环R507-R14R507两级压缩两级压缩R14单级压缩组合的复叠式循环单级压缩组合的复叠式循环-120R22-R14R22两级压缩两级压缩R14两级压缩组合的复叠式循环两级压缩组合的复叠式循环R507-R14R507两级压缩两级压缩R14两级压缩

22、组合的复叠式循环两级压缩组合的复叠式循环R22-R13/23-R14R22单级压缩单级压缩R13单级压缩单级压缩R14单级压缩组合单级压缩组合的复叠式循环的复叠式循环R507-R13/23-R14R507单级压缩单级压缩R13单级压缩单级压缩R14单级压缩组合单级压缩组合的复叠式循环的复叠式循环压缩机压缩机冷凝蒸发器冷凝蒸发器回热器回热器节流阀节流阀蒸发器蒸发器膨胀容器膨胀容器低温系统低温系统制冷剂制冷剂R22/R23两个单级系统组两个单级系统组成的复叠式制冷成的复叠式制冷 由两个单级系统组成的复叠式制冷机由两个单级系统组成的复叠式制冷机 a) 制冷循环系统制冷循环系统 b) T-s图图R22或或R507低温部分低温部分带回热的单级压缩循环带回热的单级压缩循环制冷剂制冷剂低温低温高温高温最低蒸发温度可达最