第四章两级压缩和两次节流

一．采用多级压缩的原因

1.压缩机的最大压差是其受力零件强度计算的依据。如果在运行时，压力差超过规定的数值，将会引起压缩机零部件的损坏。2．压缩机压力比也有一定的限制。如果压力比过高，会带来如下影响：

(1)压力比过大时，压缩机的排气温度过高；

排气温度升高，将使压缩机气缸壁上的润滑油变稀，润滑条件变坏；当排气温度接近润滑油的闪点温度时，会使部分润滑油碳化；会使吸入的制冷剂蒸气吸热较多，导致输气系数下降。（2）当活塞回行时，气缸余隙容积中的蒸气膨胀后体积过大，因而，使压缩机的输气系数减少。（3）液体制冷剂节流引起的损失增加，使循环的经济性下降。综合上述原因，单级制冷压缩机所能达到的最低蒸发温度是有限制的，要想获得更低的温度，就需要采用双级压缩或复叠式制冷机。四．两级压缩制冷循环的类型

两级压缩制冷循环按其制冷剂节流和冷却方式可分为：中间不完全冷却两级压缩一级节流制冷循环中间完全冷却中间不完全冷却两级压缩两级节流制冷循环中间完全冷却两级压缩制冷循环是指将制冷剂从蒸发压力压缩到冷凝压力，需要经过两次压缩；即首先通过低压压缩机将制冷剂蒸气从蒸发压力压缩到中间压力，然后再通过高压压缩机将制冷剂蒸气从中间压力继续压缩到冷凝压力。两级（两次）节流是指制冷工质液体从冷凝压力节流到蒸发压力，要先后经过两个节流阀。（由冷凝压力节流到中间压力，再从中间压力节流到蒸发压力。）一级节流是指制冷工质液体从冷凝压力节流到蒸发压力，只经过一个节流阀。（由冷凝压力节流到蒸发压力。）中间完全冷却是指低压级压缩机排出的气体被冷却成中间压力下的干饱和蒸气。此时高压压缩机吸入的气体为饱和蒸气。中间不完全冷却是指低压级压缩机排出的气体的温度下降了，但未被冷却到中间压力下的干饱和蒸气，即高压压缩机吸入的气体为过热蒸气。一级节流、中间冷却的两级压缩循环低压级压缩机排气直接送到高压级压缩机，过程为1-2-4’，排气温度将过高。为降低排气温度，将低压级压缩机的排气冷却，再进入高压级压缩机。①排气温度下降（T4’>T4）；②节省一部分压缩功△W。两级压缩循环与一级压缩循环比较：①增加了一台压缩机；高压级压缩机和低压级压缩机，或采用单机双级压缩机。②增加中间冷却器，用以降低低压级压缩机排气温度。一．一级节流、中间完全冷却两级压缩循环

1.进蒸发器的制冷剂液体不进入中间冷却器（无液体再过冷）①循环的流程图与工作过程工作过程：大部分状态为5点的高压液体从冷凝器中引出，经节流阀F节流降压后（0点），进入蒸发器中，在蒸发器中吸收热量而蒸发，蒸发后的低压冷剂蒸气（1点）被低压压缩机吸入，压缩为中间压力下的过热蒸气（2点），排至中间冷却器，在中间冷却器中被冷却到中间压力下的饱和气体（3点），再进入高压压缩机，在高压压缩机中被压缩到冷凝压力后（4点），排至冷凝器，冷凝成为状态5点的高压液体；另一小部分5点的高压液体经节流阀G进入中间冷却器，在其中吸收低压级排气的热量。②将循环表示在压—焓（lgp-h）图和

温—熵(T-S)图上

图中1—2：低压压缩机的压缩过程；

2—3：低压级排气在中间冷却器中的冷却过程；

3—4：高压级压缩机的压缩过程；

4—5：高压气体在冷凝器中的冷却、冷凝过程；

5—6：高压液体经节流阀进入中间冷却器的节流过程；

6—3：中压制冷剂在中间冷却器中的蒸发过程；

5—0：高压液体经节流阀进入蒸发器的节流过程；1：制冷剂低压液体在蒸发器中的蒸发过程；工作过程：从高压级排出的气体4进入冷凝器中，冷凝后的液体分成两路，一路经节流阀A进入中冷器，另一路经盘管在中间冷却器中被冷却后，经节流阀B，成为压力为P0的湿蒸气进入蒸发器中，在蒸发器中低压液体吸热蒸发成为低压蒸气后，被低压压缩机吸入，压缩成为中间压力的过热蒸气排至中间冷却器，被其中的液体所冷却，成为中间压力下的饱和蒸气，与中间冷却器中的液体吸热而蒸发的气体一同进入高压级压缩机，压缩成为冷凝压力下的过热蒸气，进入冷凝器，如此循环。②．将循环表示在压—焓（lgp-h）图和

温—熵(T-S)图上循环各过程：1-2：低压压缩机的压缩过程；2-3：低压级排气在中间冷却器中的冷却过程；3-4：高压级压缩机的压缩过程；4-5：高压气体在冷凝器中的冷却、冷凝过程；5-6：小部分高压液体经节流阀进入中间冷却器的节流过程（PK→PM）；

6-3：中压制冷剂在中间冷却器中的蒸发过程；

5-7：高压液体在中间冷却器的盘管中的冷却过程；

7-0：高压液体经节流阀进入蒸发器的节流过程(PK→P0)；0-1：制冷剂低压液体在蒸发器中的蒸发过程；Δt—盘管的端部温差；Δt一般取5～8℃。③．高低压级流量比由中冷器热平衡：④．制冷机的性能指标1）单位制冷量（kJ/kg）2)低压级制冷剂循环量（㎏/s）3)低压级压缩机理论比功（kJ/kg）4)低压级压缩机理论功率（kw）5）高压级制冷剂循环量（kg/s）6）高压级压缩机理论比功（kJ/kg）7）高压级压缩机理论功率（kw）8)制冷系数⑤．比较无“液体再过冷”与具有“液体再过冷”循环

具有“液体再过冷”的循环1-2-3-4-5-6-7-0-1，比无“液体再过冷”的循环1-2-3-4-5-6-0’-1，单位制冷量增加了Δq0，经济性是否提高？比较制冷系数：有“液体再过冷”循环无“液体再过冷”循环有“液体再过冷”循环的制冷系数中的分子和分母都增加了，但分母增加的更快，所以，其经济性比无“液体再过冷”循环高。t7越接近中间温度，即温差越小，液体过冷度越大，制冷系数增加愈多。二.一级节流中间不完全冷却两级压缩循环1.循环流程图与工作过程适用工质：氟里昂工作过程：从高压级排出的气体进入冷凝器中，冷凝后的液体分成两路，一路经节流阀G进入中冷器，另一路经盘管在中间冷却器中冷却后，经节流阀F，成为压力为P0的湿蒸气进入蒸发器中，在蒸发器中低压液体吸热蒸发成为低压蒸气后，进入低压压缩机，在压缩机中被压缩成为中间压力的过热蒸气，与在中间冷却器中吸热蒸发的中压饱和蒸气混合后进入高压级压缩机中，压缩为高压蒸气后排出，如此循环。2．将循环表示在压—焓（lgp-h）图和温—熵(T-S)图上3.高低压级流量比及混合后焓值求高压级流量：中间冷却器热平衡：混合状态热平衡：4．制冷机的性能指标1）单位制冷量（kJ/kg）2)低压级制冷剂循环量（㎏/s）3)低压级压缩机理论比功（kJ/kg）4)低压级压缩机理论功率（kw）5）高压级制冷剂循环量（kg/s）6）高压级压缩机理论比功（kJ/kg）7）高压级压缩机理论功率（kw）8)制冷系数三.比较一级节流中间完全冷却与中间不完全冷却循环①区别：中间完全冷却循环，低压级压缩机排气进入中间冷却器，高压级吸入的是中间压力下的饱和蒸气。中间不完全冷却循环，低压级压缩机排气不进入中间冷却器，而是与中间冷却器中产生的中间压力下的饱和蒸气，在管路中混合后进入高压级压缩机，所以高压级压缩机吸入的不是中间压力下的饱和蒸气，而是过热蒸气。

②工作温度相同时，比较其经济性凡是应用回热循环（单级）制冷系数降低的那些工质（R717等），在两级压缩循环中应用中间完全冷却循环，其制冷系数比应用中间不完全冷却循环高，即R717应用中间完全冷却是有利的。凡是应用回热循环（单级）制冷系数提高的那些工质（R12、R502等），在两级压缩循环中应用中间完全冷却循环，制冷系数降低，而应用中间不完全冷却循环制冷系数反而提高。

氨应用中间不完全冷却循环其排气温度比应用中间完全冷却循环要高，当压力比相同时，由于氨工质的绝热指数比氟高，所以氨的排气温度比氟高的多，可能造成排气温度超过140℃。所以，氨工质不宜采用不完全冷却循环。对于R22，可以采用中间不完全冷却或中间完全冷却循环，一般采用中间不完全冷却循环。采用中间不完全冷却可以提高吸气温度，降低吸气比容，提高输气量；同时中冷器的结构简单。四.实际双级系统流程图实际系统中，对于蒸发温度较低的氟系统，采用了回热器。从中间冷却器中出来的制冷剂液体，与从蒸发器中出来的制冷剂蒸气进行热交换。采用回热器的优点：①使液体温度下降，减小节流后的干度，节流的不可逆损失小；②出蒸发器的蒸气过热，可减少有害过热；③提高低压级压缩机的吸气温度，可改善压缩机的润滑条件，并避免在压缩机汽缸外表面结霜；④使活塞式压缩机的容积效率有所改善。例：制冷系统采用一级节流中间不完全冷却循环，制冷剂R134a，蒸发温度-40℃，出蒸发器制冷剂有5℃过热，经回热器过热20℃，中间冷却器有5℃的端部温差，中冷器出来的饱和蒸气温度为-10℃，冷凝温度为30℃，制冷量Q0=60kw。试求：该循环的性能指标。解：1.将循环表示在lgp-h图上2．确定各状态点参数p0=52kPat0=-40℃pM=201kPatM=-10℃pk=771kPatk=30℃点号压力（kPa）温度（℃）焓值（kJ/kg）比容（m3/kg152450.1722012627057713090.56’201-10241.87771-542.5877122.53201263.20.124771653008点：

h8=22.5kJ/kg3点：

h3=263.2kJ/kg3．计算性能指标1）单位制冷量（kJ/kg）2)低压级制冷剂循环量（㎏/s）3)低压级压缩机理论比功（kJ/kg）4)低压级压缩机理论功率（kw）5）高压级制冷剂循环量（kg/s）6）高压级压缩机理论比功（kJ/kg）7）高压级压缩机理论功率（kw）8)制冷系数§4．3两级节流中间冷却的两级压缩循环一．两级节流中间完全冷却的两级压缩循环1.循环的流程图与工作过程工作过程：在蒸发器中产生的低压饱和蒸气(p0)，进入低压压缩机中，被压缩到中间压力(pm)下的过热蒸气，进入中间冷却器中，被其中的制冷剂液体冷却到饱和蒸气，进入高压压缩机中，继续被压缩到冷凝压力(pk)，高压压缩机排出的过热蒸气进入冷凝器中，被冷凝成为液体，经第一节流阀G节流到中间压力(pm)，进入中冷器，节流过程产生的闪发气体、中间冷却器中的液体吸收低压级压缩机排气的热量而蒸发的气体及被冷却后的低压级排气，一同进入高压级压缩机，而中间冷却器中的大部分液体，经第二节流阀F节流到蒸发压力(p0)，并进入蒸发器中制取冷量，如此不断循环。

进入高压级压缩机的气体：①低压压缩机的排气；②第一次节流后产生的饱和蒸气；③中冷器中制冷剂液体冷却低压级压缩机排气而蒸发的饱和气体。2.将循环表示在lgp-h图上：3.高低压级循环量之比

已知制冷量Q0，则低压级循环量为：（kJ/kg）中冷器热平衡：4.性能指标：二．两级节流中间不完全冷却的两级压缩循环1.循环的流程图与工作过程：工作过程：在蒸发器中产生的低压饱和蒸气(p0)，进入低压压缩机中，被压缩到中间压力(pm)下的过热蒸气，与中间冷却器中出来的中压饱和气体在管路中混合后，一起进入高压压缩机，继续被压缩到冷凝压力(pk)，高压压缩机排出的过热蒸气进入冷凝器中，被冷凝成为液体，经第一节流阀G节流到中间压力(pm)，进入中冷器，节流过程产生的闪发气体进入高压级压缩机，中间冷却器中的液体，经第二节流阀F节流到蒸发压力(p0)，并进入蒸发器中制取冷量，如此不断循环。2.将循环表示在lgp-h图上：3.流量比及混合后焓值：流量比：混合后焓值：4.性能指标：三．两级节流与一级节流比较1.经济性采用两级节流循环，增加Δq0，而耗功相同，所以制冷系数提高。2.一级节流循环制冷系数较低的原因由于中间冷却器盘管具有端部温差，而使q0减小，且Δt越小，一级节流的制冷系数越接近两级节流循环，当Δt=0时，ε0相等。通常取：Δt=5～8℃3.采用两级节流时，中间冷却器应靠近蒸发器。因为从中间冷却器中出来的液体是饱和液体，流动中有阻力损失，会产生闪发气体，减小进入膨胀阀的液体量，会存在供液不足的现象。因此，一级节流应用较多。4.采用一级节流的优点：①可依靠高压液体本身的压力，供液到较远的距离或冷库的高层库房；②高压液体不与中间冷却器中的液体接触，这样可以减少将润滑油（低压压缩机排气带入的）带到蒸发器去的机会；③蒸发器与中间冷却器分别供液，便于调节。四.用两级压缩制冷循环与单级相比的好处1.由于各级压力比减小，使压缩机的输气系数大大提高；2.由于采用中间冷却器，进入高压缸的制冷剂蒸气能冷却到低于冷却水的温度，故降低了高压压缩机压缩终了温度，改善了压缩机的润滑条件，保证压缩机安全运转；3.由于分级压缩，两级之间有中间冷却器，使进入高压缸的蒸气比容减小，所以，节省了压缩功；4.节流时所产生的不可逆损失减小，因在节流中产生的部分蒸气析出，并从pm压缩到pk，而在单级循环中，要膨胀到p0；5.冷凝器中的外部不可逆损失减小；这是由于压缩终了的温度降低，使制冷剂蒸气和冷却水的传热温差减小的原因。6.在一个装置内可获得二中不同的蒸发温度t01和t02。§4．4两级压缩制冷循环的热力计算热力计算的目的：为了进行制冷机的产品设计和选型设计。先确定：①制冷剂的选择；②循环型式的选择；③循环的工作参数的确定。一.制冷剂的选择两级压缩制冷机使用中温制冷剂，通常使用R717、R22、R290等。

R717一般用于大型的工业制冷系统。二.循环型式节流型式一般采用一级节流；R717选择中间完全冷却循环；R22、R290选择中间不完全冷却循环。三.循环工作参数的确定蒸发温度t0和冷凝温度tk的确定方法，在单级循环中已叙述。两级压缩特有的工作参数是中间压力和中间温度。确定中间压力有两种情况：①Q0已知，从循环的计算出发去确定中间压力；（选配压缩机）②已经选配好压缩机，通过计算去确定中间压力。1.对第一种情况，确定中间压力的原则，一般是根据运行经济性最好，即制冷系数最大来确定中间压力。此时中间压力称最佳中间压力。方法：A.按比例中项确定：步骤：1）.按比例中项确定中间压力

2）.在该tm(pm)值上下选取几个温度值；3）.对每一个tm值进行循环的热力计算，求得ε0；4）.绘制ε0=f(tm)曲线，找到ε0max值所对应的中间温度，即为所求。B．工质R717可查拉赛图，由t0、tk交点查得pm；也可以按公式确定：2.对第二种情况：当压缩机选定时，高低压级的容积比就已确定，通常为1∶2～1∶3，如四缸的压缩机，高压级为一个气缸，低压级为三个气缸。压缩机已知，则压缩机的理论输气量

为定值容积比定值确定方法：1）.按一定间隔选择若干个中间温度，然后计算出不同中间温度下的理论输气量的比值ξ；2）.绘制ξ=f(tm)曲线，在图上找到ξ=给定值的水平线，求出对应的中间温度。这个中间压力（中间温度）不一定是最佳的。四.热力计算

目的：通过热力计算求出循环的性能指标，各个热交换器的热负荷，压缩机的输气量及功率（Q0已知）或制冷量（当压缩机已知）。实际循环的热力计算步骤：（以一级节流中间完全冷却为例）（假设Q0已知）1）单位制冷量

（kJ/kg）2)低压级压缩机理论比功

（kJ/kg）3)低压级制冷剂循环量

（㎏/s）4)低压级压缩机理论输气量

()5）低压级压缩机理论功率

（kw）6)低压级压缩机指示功率

（kw）7)低压级压缩机轴功率

（kw）

8)低压级压缩机排气焓值（kJ/kg）9）高压级制冷剂循环量（kg/s）

10）高压级压缩机理论比功（kJ/kg）11)高压级压缩机理论输气量

（）12）高压级压缩机理论功率（kw）13)高压级压缩机指示功率（kw）14)高压级压缩机轴功率（kw）15）高压级压缩机排气焓值（kJ/kg）16)理论制冷系数

17）理论输气量比18）冷凝器热负荷

(kw)19)轴功率制冷量（实际制冷系数）根据qVhG与qVhD选配压缩机。例：某冷库在扩建中需要增加一套两级压缩制冷机，其工作条件如下：制冷量Q0=150kw；制冷剂为R717；冷凝温度tk=40℃无过冷；蒸发温度t0=－40℃；管路有害过热Δt=5℃。试进行热力计算并选配适宜的压缩机。解：1.循环型式工质是氨，所以选用一级节流中间完全冷却循环。2．将循环表示在压-焓图上3.根据给定的条件确定一些工作参数Pk=1.557MpaP0=0.0716Mpah5=390.247kJ/kgh1=1405.887kJ/kgh1’=1418kJ/kgv1’=1.584.确定中间温度和压力

查得tm’=-6.5℃在-6.5℃上下取若干个数值，-2、-4、-6、-8、-10℃，分别计算ε0，取中间冷却器的端部温差t7-tm=3℃,

按制冷系数最大确定中间温度。tm(℃)pm(Mpa)h3(kJ/kg)h7(kJ/kg)h2(kJ/kg)h4(kJ/kg)ε0-20.3991455.505204.7541656.6771658.7672.329-40.3691453.55195.2491644.2871667.1372.345-60.3421451.515185.7611631.5571677.6072.340-80.3161449.396176.2931618.9871688.0752.327-100.2911447.201166.8641606.4371698.5192.317可见制冷系数在-4～-6℃最大。取tm=-5℃，pm=0.355Mpa。各状态点的参数为：tm(℃)pm(Mpa)h3(kJ/kg)h7(kJ/kg)h2(kJ/kg)h4(kJ/kg)v3(m3/kg)-50.3551452.54190.511637.921672.