双级压缩式制冷循环

双级压缩式制冷循环2．5两级压缩及复叠式制冷原理2．5．1采用两级压缩的原因单级压缩在选用合适的制冷剂时，其蒸发温度只能达到-25～-35℃，原因是压缩比0ppk不能再提高了。因为：（1）00pppTko，压缩机输气量↓→制冷量↓（2）0ppk压缩机排气温度↑(RTpv)→汽缸壁温↑→吸入蒸汽温度↑→v→吸气量↓例如：当蒸发温度-30℃，冷凝温度40℃时，单级氨压缩机排气温度可达160℃以上。必须作如下限制：①单级氨压缩机排气温度＜140℃②单级氟压缩机（R12）排气温度＜100℃③单级氟压缩机（R22）排气温度＜115℃（3）0ppk偏离理想等熵压缩机过程的程度↑→压缩机效率↓我国规定：R717：0ppk≤8R12、R22：0ppk≤10（P38表2-3）要获得-30～-65℃的蒸发温度，又要符合合适的压缩比，则需要两级压缩制冷。2．5．2两级压缩制冷循环1．两级压缩制冷循环的类型kmpppp压缩压缩（中间冷却器冷却后）0201总压缩比0201ppppkm每一级压缩比≤8～10以下可分为一级节流两级节流中间不完全冷却中间完全冷却*两级节流：冷凝压力kp节流到mp中间压力，再节流到蒸发压力0p*一级节流：冷凝压力kp节流到蒸发压力0p，容易调节，实际生产中常用一级节流。*两级压缩采用中间冷却的目的是降低高压级的排气温度，降低压缩机功耗。①中间完全冷却——低压级排气温度（过热蒸汽）被冷却成mp中间压力下的干饱和蒸汽温度。（氨压缩机）②中间不完全冷却——低压级排气温度（过热蒸汽）被冷却降低了温度，来达到mp中间压力下的干饱和蒸汽温度。（氟压缩机）2．一级节流中间完全冷却循环这种循环形式被大多数的两级压缩氨制冷系统所采用。如图所示：从压缩机高压级排出的高压高温过热蒸汽4，进入冷凝器后被冷却成饱和液体5；从冷凝器出来的液体分为两路，一路经膨胀阀A进行节流，节流后降温为6，然后进入中间冷却器吸热，使中间冷却器中来自低压级的排气2充分冷却，6与2混合后的气体3为中间压力mp下的饱和温度mt，3作为高压级的吸气经高压级压缩后变成过热蒸汽4，至此构成一个高压级的循环回路；另一路饱和液体5经中间冷却器过冷后变成过冷液7，经膨胀阀B进行节流后变成低压液体8，进入蒸发器汽化制冷，然后变成饱和蒸汽1，在低压级压缩后变成过热蒸汽2，在中间冷却器冷却并与在中间冷却器汽化的蒸汽混合，变成饱和蒸汽了，作为高压级的吸气经压缩后变成高压级排气4，形成另一个循环，这是实现低温制冷的主循环。如果高压液体不要过冷时，可经过旁通阀直接进入膨胀阀B。从图（b）可看到，循环3—4—5—6—3在中间冷却器里产生冷量，供另一个循环中饱和液体的过冷（过程5—7）和低压级过热蒸汽的完全冷却（过程2—3）之用。另一个循环1—2—3Pm,tm旁通阀43BA621蒸发器低压级中间冷却器冷凝器88724P0,t0Pk,tk1653lgPi75高压级（b）图2-32两级压缩一级节流中间完全冷却循环（a）—4—5—7—8—1是制取低温冷量用，其制冷剂蒸汽经过高低压级两次压缩、一级节流、中间完全冷却。整个制冷系统有三个压力：4—5—7为冷凝压力kp段，也称高压段；8—1为蒸发压力0p段，也称低压段；6—3为中间压力mp段，它既是低压级的排气压力，又是高压级的吸气压力。（对照P40图2-33两级压缩氨制冷装置）双级压缩制冷循环分析与计算理想的中间压力应当选择使高压级和低压级所消耗的压缩功的总和为最小值，而制冷系数达到最大值。进行热力计算时，首先要确定制冷剂和制冷循环工作参数以及中间冷却方式。双级压缩制冷循环必须使用中温制冷剂。制冷量是指低压侧蒸发器的制冷量。当氨系统高低压级容积比为1:2时，其中间压力在0.25MPa左右。当氨系统高低压级容积比为1:3时，其中间压力在0.34MPa左右。通常高压级制冷剂流量要大于低压级制冷剂流量。双级压缩循环工作参数的确定，是根据环境介质的温度和被冷却物体的温度，考虑选取一定的合理传热温差，即可确定冷凝温度和蒸发温度。热力计算的任务是求出循环的性能指标，如压缩机的输气量、功率和制冷量等。根据双级压缩一级节流中间完全冷却制冷循环系统的工况图，其热力计算如下：（1）单位质量制冷剂的制冷量𝑞0：𝑞0=ℎ1−ℎ8(𝑘𝐽/𝑘𝑔)（2）低压级单位质量制冷剂的压缩功𝑊𝑑：𝑊𝑑=ℎ2−ℎ1(𝑘𝐽/𝑘𝑔)（3）低压级的制冷量为𝑄0(𝑘𝑊)时，低压级制冷剂质量循环量𝑞𝑚𝑑：𝑞𝑚𝑑=3600𝑄0𝑞0=3600𝑄0ℎ1−ℎ8(𝑘𝑔/ℎ)（4）低压级压缩机的理论功率𝑃𝑑：𝑃𝑑=𝑞𝑚𝑑(ℎ2−ℎ1)3600=3600𝑄0ℎ1−ℎ8∙(ℎ2−ℎ1)3600=𝑄0(ℎ2−ℎ1)ℎ1−ℎ8(𝑘𝑊)（5）低压级压缩机的轴功率𝑃𝑒𝑑：𝜂kd=𝜂i∙𝜂m式中：𝜂kd——低压级压缩机的总效率，通常为：0.65~0.72。𝜂i——低压级压缩机的指示效率，实际压缩制冷剂气体的效率。𝜂m——低压级压缩机的摩擦效率，通常为：0.8~0.9。𝑃𝑒𝑑=𝑃𝑑𝜂kd(𝑘𝑊)（6）低压级压缩机的排气量𝑉𝑝𝑑：𝑉𝑝𝑑=𝑞𝑚𝑑𝑣1𝜆𝑑(𝑚3/ℎ)式中：𝑣1——低压级压缩机吸入蒸气比体积，𝑚3/𝑘𝑔𝜆𝑑——低压级压缩机的输气系数，其数值按相同压缩比时单级压缩机输气系数的90%考虑。（7）高压级压缩机的制冷剂质量循环量𝑞𝑚𝑔：中间冷却器内的热量平衡与质量平衡关系式为：𝑞𝑚𝑔(ℎ3−ℎ5)=𝑞𝑚𝑑(ℎ2−ℎ7)因为ℎ5=ℎ6，ℎ7=ℎ8，所以有：𝑞𝑚𝑔(ℎ3−ℎ6)=𝑞𝑚𝑑(ℎ2−ℎ8)（8）高压级压缩机的排气量𝑉𝑝𝑔：𝑉𝑝𝑔=𝑞𝑚𝑔𝑣3𝜆𝑔(𝑚3/ℎ)式中：𝑣3——高压级压缩机吸入蒸气比体积，𝑚3/𝑘𝑔𝜆𝑔——高压级压缩机的输气系数，其数值按相同压缩比时单级压缩机输气系数相同。（9）高压级单位质量制冷剂的压缩功𝑊𝑔：𝑊𝑔=ℎ4−ℎ3(𝑘𝐽/𝑘𝑔)（10）高压级压缩机的理论功率𝑃𝑔：𝑃𝑔=𝑞𝑚𝑔(ℎ4−ℎ3)3600=𝑞𝑚𝑑(ℎ2−ℎ8)(ℎ3−ℎ6)∙(ℎ4−ℎ3)3600=3600𝑄0ℎ1−ℎ8∙(ℎ2−ℎ8)(ℎ3−ℎ6)∙(ℎ4−ℎ3)3600=𝑄0(ℎ2−ℎ8)(ℎ3−ℎ6)∙(ℎ4−ℎ3)ℎ1−ℎ8(𝑘𝑊)（11）高压级压缩机的轴功率𝑃𝑒𝑔：𝑃𝑒𝑔=𝑃𝑔𝜂kg(𝑘𝑊)式中：𝜂kg——高压级压缩机的总效率（12）两级压缩制冷系数ε的确定：𝜀理论=𝑄0𝑊𝑑𝑞𝑚𝑑+𝑊𝑔𝑞𝑚𝑔=𝑄0(ℎ2−ℎ1)∙3600𝑄0ℎ1−ℎ8+(ℎ4−ℎ3)∙𝑞𝑚𝑑(ℎ2−ℎ8)(ℎ3−ℎ6)=𝑄0(ℎ2−ℎ1)∙3600𝑄0ℎ1−ℎ8+(ℎ4−ℎ3)∙3600𝑄0(ℎ1−ℎ8)(ℎ2−ℎ8)(ℎ3−ℎ6)=13600[(ℎ2−ℎ1)(ℎ1−ℎ8)+(ℎ4−ℎ3)(ℎ1−ℎ8)(ℎ2−ℎ8)(ℎ3−ℎ6)]=(ℎ1−ℎ8)3600[(ℎ2−ℎ1)+(ℎ4−ℎ3)(ℎ2−ℎ8)(ℎ3−ℎ6)]𝜀实际=𝑄0𝑊𝑑𝜂kd𝑞𝑚𝑑+𝑊𝑔𝜂kg𝑞𝑚𝑔（13）冷凝器热负荷𝑄𝑘：𝑄𝑘=𝑞𝑚𝑔(ℎ4−ℎ5)3600(𝑘𝑊)（14）中间压力𝑝𝑚和中间温度𝑡𝑚的确定：理想的中间压力𝑝𝑚可按下式运算：𝑝𝑚=√𝑝𝑘∙𝑝0理想的中间温度𝑡𝑚可按下式运算：𝑡𝑚=√𝑡𝑘∙𝑡0中间温度𝑡𝑚也可用近似式计算：𝑡𝑚=0.6𝑡0+0.4𝑡𝑘+3(℃)3．一级节流中间不完全冷却循环这种循环形式被大多数的两级压缩氟制冷系统所采用。如图所示：从压缩机高压级排出的高压高温过热蒸汽4，进入冷凝器后被冷却成饱和液体5；从冷凝器出来的液体分为两路，一路经膨胀阀A进行节流，节流后降温为6，然后进入中间冷却器吸热，使中间冷却器维持在中间温度中使来自低压级的排气2充分冷却，6与2混合后的气体3为中间压力mp下的饱和温度mt，3作为高压级的吸气经高压级压缩后变成过热蒸汽4，至此构成一个高压级的循环回路；另一路饱和液体5经中间冷却器再冷却，过冷后变成过冷液7，经膨胀阀B进行节流后变成低压液体8，进入蒸发器汽化制冷，然后变成饱和蒸汽1，在低压级压缩后变成过热蒸汽2，2与3＇混合进入高压级，作为高压级的吸气经压缩后变成高压级排气4，形成另一个循环，这是实现低温制冷的主循环。从图（b）可看到，循环3—4—5—6—3在中间冷却器里产生冷量，供另一个循环中饱和液体的过冷（过程5—7）和低压级过热蒸汽的不完全冷却（过程2—3）之用。循环1—2—3—4—5—7—8—1是制取低温冷量用，其制冷剂蒸汽经过高低压级两次压缩、一级节流、中间不完全冷却。整个制冷系统有三个压力：4—5—7为冷凝压力kp段，也称高压段；8—1为蒸发压力0p段，也称低压段；6—3＇—3—2为中间压力mp段，它既是低压级的排气压力，又是高压级的吸气压力。如果要确定中间压力mp，一般取0pppkm从上式得到的mp，使高低压级的压缩相等，此情况虽然使制冷系数偏离最佳值，但可使压缩机汽缸工作容积的利用率较高，比较实用。达到-40～-60℃。3Pm,tm43BA621蒸发器低压级中间冷却器冷凝器88724P0,t0Pk,tk1653＇lgPi75高压级（b）图2-34两级压缩一级节流中间不完全冷却循环（a）3＇（例如：高低压级组合的一台压缩机中，8个汽缸中，2个作高压级，6个作低压级）（对照P41图2-35两级压缩氟利昂制冷装置）举例：R717，蒸发温度-50℃时对应的饱和压力为0.041MPa，冷凝温度40℃时对应的饱和压力为1.559MPa，则𝑝𝑚=√1.559∙0.041=0.25MPa举例：R22，蒸发温度-70℃时对应的饱和压力为0.0205MPa，冷凝温度40℃时对应的饱和压力为1.5331MPa，则𝑝𝑚=√0.0205∙1.5331=0.177MPa中间压力有点低了。需采用复叠式制冷系统。▍采用双级压缩制冷循环的原因由于冷藏、生产及实验等需要，对制冷温度值要求越来越低。在单级压缩制冷循环中，选择适用的制冷剂，其最低的合理蒸发温度如表4-1。表4-1单级压缩合理的最低蒸发温度(单位：℃)冷凝温度3035404550R22系统-37.2-34.2-28.5//R717系统-30.5-27.5-21.0//如果要获取比表2-1更低的蒸发温度，单级压缩就难以实现了。这是因为随着蒸发温度的降低，蒸发压力也随之降低，这时，压缩机的压缩比会过高，带来以下的问题：1)压缩比增大，压缩机的吸气量减小，导致制冷量大幅度下降；2)压缩比增大，造成压缩机排气温度升高，汽缸壁的温度也升高，吸气比体积增大，吸气量减少；同时高温使润滑条件恶化，甚至使润滑油裂解，给压缩机的运转带来困难；3)压缩比增大，会使实际压缩过程与理想的绝热等熵压缩过程偏离程度加大，压缩机的效率下降。因此，为了要获取较低的蒸发温度(一般为-35～-65℃)，并使压缩比控制在合理的范围内，就需要采用两级压缩制冷循环。▍双级压缩式制冷循环双级压缩是在单级压缩的基础上发展起来的，它把压缩过程分为两个阶段进行，即分为低压阶段和高压阶段，两段之间靠中间冷却器来联接。低压段用的压缩机称低压机，高压段用的压缩机称高压机；如果用一台压缩机完成双级压缩，则该压缩机的汽缸分为低压缸和高压缸。氟利昂制冷系统——吸气温度比蒸发温度高5℃左右。在有气液过热器时保持15℃的吸气过热度是合适的。氨制冷系统——吸气温度比蒸发温度高5~10℃左右。吸气过热度过小——易液击冲缸。吸气过热度过大——制冷量↓，排气温度↑，功耗↑，润滑效果变差。双级压缩制冷系统，高压级吸气温度比中间温度高4~5℃，中间温度在-5~+5℃之间。冷凝器Åòµµ2/6●一次节流中间完全