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1.1.3.3多级蒸汽压缩制冷循环在单级蒸气压缩式制冷循环中,当制冷剂选定后,其冷凝压力,蒸发压力由冷凝温度和蒸发温度决定。冷凝温度受环境介质(水或空气)温度的限制,蒸发温度由制冷装置的用途确定的,当冷凝温度升高或蒸发温度降低时,压缩机的压力增大,排气温度上升,在常温冷却条件下能够获得低温程度是有限的,即制冷温差是有限的。当要求的制冷温差使循环的压力比超过单级压力比的上述限制时,一种解决办法是采用分级压缩,中间冷却,就是分两极或多级达到循环所要求的总压力比,并且在低压即完成压缩后,现将其排气冷却降温后再到高压级继续压缩,从而每一级的压力比和排气温度均不超限。由于考虑到超过两级后系统设计的复杂性及其他许多因素,故两级以上的循环在实际中很少使用,通常采用两级压缩循环,所以一下重点讨论两级压缩制冷循环。1.1.3.3.1两级压缩制冷循环概述在蒸气压缩式制冷循环中,当制冷剂选定后,其冷凝压力、蒸发压力由冷凝温度和蒸发温度决定。冷凝温度受环境介质(水或空气)温度的限制,蒸发温度由制冷装置的用途确定。当冷凝温度升高或蒸发温度降低时,压缩机的压力比将增大。由于压缩机余隙容积的存在,压力比提高到一定数值后,压缩机的容积系数变为零,压缩机不再吸气,制冷机虽然在不断运行,制冷量却变为零。例1有一台制冷压缩机,工质为R22,相对余隙容积,膨胀过程指数,冷凝温度℃,求允许最低蒸发温度。解容积系数的计算公式为当达到最低蒸发温度时,,上式可变为代入具体数值,即冷凝温度℃时,R22的冷凝压力,因此最低蒸发压力为与相对应的蒸发温度℃,这就是蒸发温度的极限值。单级压缩的最低蒸发温度不仅受到容积系数为零的限制,随着压力比的增大,除了引起制冷量下降,功耗增加、制冷系数下降、经济性降低外,排气温度的限制也是选择压缩机级数的另一个重要原因。排气温度过高,它将使润滑油变稀,润滑条件恶化,甚至会引起润滑油的碳化和出现拉缸等现象。当冷凝温度为40℃,蒸发温度为-30℃时,单级氨压缩机即使在等熵压缩的情况下,排气温度已高达160℃,显然它已超过了规的最高排气温度为150℃的限制。对于氨制冷剂,因绝热指数较大,排气温度较高,因此氨单级压缩的压力比一般不希望超过8;氟里昂制冷剂的绝热指数相对较小,但从经济性角度出发,它们的单级压缩的压力比一般也不希望超过10。在这一条件下,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。单级压缩的最低蒸发温度℃为了获取更低温度,采用单一制冷剂的多级压缩循环仍将受到蒸发压力过低、甚至使制冷剂凝固的限制。例如,当蒸发温度为-80℃时,若采用氨作为制冷剂,它在-77.7℃时就已凝固,使循环遭到完全破坏。如果采用R22作为制冷剂,此时它虽未凝固,但蒸发压力已低达10Kpa,一方面增加了空气漏入系统的可能性,另一方面导致压缩机吸气比容增大(此时蒸气比容为1.76m3/kg)和输气系数的降低,从而使压缩机的气缸尺寸增大,运行经济性下降。对于往复式制冷压缩机而言,气阀是依靠阀片两侧气体的压力差自动启、闭来完成压缩机的吸气、压缩、排气和膨胀过程的,当吸气压力低于15Kpa时,吸气阀片因压差过低而往往无法开启,压缩机无法正常工作,增加压缩机级数也是无济于事的。1.1.3.3.2两级压缩制冷循环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)先进入低压压缩机,在其中压缩到中间压力,经过中间冷却后再进入高压压缩机,将其压缩到冷凝压力,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。两级压缩制冷循环按中间冷却方式可分为中间完全冷却循环与中间不完全冷却循环;按节流方式又可分为一级节流循环与两级节流循不。所谓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。如果低压级排气虽经冷却,但并未冷到饱和蒸气状态时称为中间不完全冷却。如果将高压液体先从冷凝压力节流到中间压力,然后再由节流降压至蒸发压力,称为两级节流循环。如果制冷剂液体由冷凝压力直接节流至蒸发压力,则称为一级节流循环。一级节流循环虽经济性较两级节流稍差,但它利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。一级节流、中间完全冷却的两级压缩循环图1示出一级节流、中间完全冷却的两级压缩循环系统原理图及相应的图。在蒸发器中产生的压力为的低压蒸气首选被低压压缩机A吸入并压缩到中间压力,进入中间冷却器F,在其中被液体制冷剂的蒸发冷却到与中间压力相对应的饱和温度,再进入高压压缩机B进一步压缩到冷凝压力,然后进入冷凝器C被冷凝成液体。由冷凝器出来的液体分为两路:一路流经中间冷却器内盘管,在管内被盘管外的液体的蒸发而得到冷却(过冷),再经节流阀H节流到蒸发压力,在蒸发器中蒸发,制取冷量;另一路经节流阀节流到中间压力,进入中间冷却器,节流后的液体在中间冷却器F内蒸发,冷却低压压缩机的排气和盘管内的高压液体,节流后产生的部分蒸气和液体蒸发产生的蒸气随同低压压缩机的排气一同进入高压压缩机B中,压缩到冷凝压力后排入冷凝器C。循环就这样周而复始地进行。进入蒸发器的这一部分高压液体在节流前先在盘管内进一步冷却,可以使节流过程产生的无效蒸气量(即干度)减少,从而使单位制冷量增大。从循环的工作过程可以看出,与单级压缩制冷循环比较,它不仅增加了一台压缩机,而且还增加了中间冷却器和一只节流阀,且高压级的制冷剂流量因加上了在中间冷却器内产生的蒸气而大于低压级的制冷剂流量。上述两级压缩循环的工作过程可用压-焓图表示,如图1b所示。图中用来表示各主要状态点的点号与图1a是对应的。图中1-2表示低压压缩机的压缩过程,2-3表示低压压缩机的排气在中间冷却器内的冷却过程,3-4表示高压压缩机内的压缩过程,4-5表示在冷凝器内的冷却、冷凝和过冷过程(也可以没有过冷),此后液体分为两路:5-6表示进入中间冷却器的一路在节流阀G中的节流过程,6-3表示节流后液体在中间冷却器内的蒸发过程,5-7表示进入蒸发器的一路在中间冷却器盘管内的进一步过冷过程,7-8表示它在节流阀H中的节流过程,8-1表示它在蒸发器内蒸发制冷的过程。由于盘管内具有端部传热温差,高压液体在其中不可能被冷却到中间温度,一般大约比高3~5℃。和单级压缩制冷循环一样,利用工作过程的图可以对两级压缩制冷循环进行循环的热力计算。在两级压缩制冷循环中制取冷量的是低压部分的蒸发过程8-1,其单位制冷量是(1)低压压缩机每压缩1kg蒸气所消耗的理论功是(2)设制冷机的制冷量,则低压压缩机的流量是(3)从而可算出低压压缩机所需的轴功率(4)式中-----低压压缩机的绝热效率。低压压缩机的实际输气量是(5)式中-----低压压缩机吸入蒸气比容它的理论输气量为(6)式中-----低压压缩机的输气系数,其数值可以按相同压缩比时单级压缩机的输气系数的90%考虑。为了在低温下制得冷量,除了低压压缩机消耗能量外,高压压缩机也要消耗一定的能量。高压压缩机消耗的单位理论功是(7)高压压缩机的制冷剂流量大于低压压缩机的制冷剂流量,它可以根据中间冷却器的热平衡关系计算出来。由图2可知:从而可求出(8)因此高压压缩机所需要的轴功率是(9)式中-----高压压缩机的绝热效率。高压压缩机的实际输气量是(10)式中-----高压压缩机吸入蒸气比容高压压缩机的理论输气量(11)式中-----高压压缩机的输气系数,其数值与相同压缩比时的单级压缩机的输气系数相同。两级压缩一级节流、中间完全冷却理论循环的制冷系数为(12)而实际循环的制冷系数为(13)冷凝器热负荷(14)(15)式中-----高压压缩机的指示效率;――-----高压压缩机的实际排气比焓,kJ/kg。以上计算方法适用于设计或选择压缩机时的计算,我们可根据计算出来的和去设计或选配合适的压缩机,根据和去设计或选配蒸发器和冷凝器。对于已有的两级制冷机,我们可根据它的和数值计算出它的制冷量,即(16)图3两级压缩氨制冷机的实际系统图A-低压压缩机;B-高压压缩机;C-油分离器;D-单向阀;E-冷凝器;F-贮液器;G-过冷器;H-中间冷却器;I-浮子调节阀;J-调节站;K-气液分离器;L-室内冷却排管(蒸发器)图3示出两级压缩氨制冷机在冷库装置中的实际系统图。图中除画出了完成工作循环所必需的基本设备外,还包括一些辅助设备和控制阀门。高压压缩机排出的气体进入冷凝器前先经过氨油分离器,将其中夹带的油滴分离出来,以免进入冷凝器和蒸发器中而影响传热。在油分离出口管路上装有一个单向阀,它的作用是当机器一旦突然停车时防止高压蒸气倒流入压缩机中。冷凝器冷凝下来的氨液流入贮液器,它的作用是用来保证根据蒸发器热负荷的需要供给足够的液氨以及减少向系统内补充液氨的次数。中间冷却器用浮子调节阀供液,以便自动控制中间冷却器中的液位。用来制冷的氨液是经过调节站分配给各个库房中的蒸发器,在调节站管路上一般都装有节流阀。气液分离器的作用是一方面将从蒸发器出来的低压蒸气中夹带的液滴分离出去,以防止氨液进入压缩机中而形成湿压缩,另一方面又可使节流后产生的部分蒸气不进入蒸发器,使蒸发器的面积可得到更为合理的利用。一个气液分离器可以与几个蒸发器相连,这样它还起着分配液体和汇集蒸气的作用。一级节流、中间不完全冷却的两级压缩循环图4示出一级节流、中间不完全冷却的两级压缩循环的系统原理图及相应的图。它的工作过程与一级节流中间完全冷却循环的主要区别中于低压压缩机的排气不进入中间冷却器,而是中间冷却器中产生的饱和蒸气在管路中混合后进入高压压缩机。因此,高压压缩机吸入的是中间压力下的过热蒸气。图4b示出这种循环的图。图中各状态点均与图4a相对应。点4表示在管路中混合后的状态,也就是高压压缩机吸气状态。一级节流中间不完全冷却循环的热力计算与一级节流中间完全冷却循环的计算基本上是一样的,其区别仅因为中间冷却的方式不同而引起计算高压级流量的化式不同而已,同时高压压缩机吸入的是过热蒸气,其状态参数要通过计算求得。高压压缩机的制冷剂流量仍可由中间冷却器的热平衡关系求得。中间冷却器的热平衡图见图5。所以(17)而点4状态的蒸气比焓可由图6所示的两部分蒸气混合过程的热平衡关系式求得:(18)图7示出的SD2-4F10A型两级压缩氟里昂制冷机系统就是按图4-4a所示的一级节流中间不完全冷却循环所设计的。系统中增设了气-液热交换器,这样不但可使高压液体的温度进一步降低,使单位制冷量增大,而更为主要的是为了提高低压压缩机的吸气温度,以改善压缩机的润滑条件,并避免气缸外表面结霜等。系统中还采用了自动回油的油分离器装置、热力膨胀阀型式的供液量调节以及为了使当压缩机停止运行时能自动切断供液管路的电磁阀等。图7SD2-4F10A两级压缩氟里昂制冷系统图A-低压压缩机;B-高压压缩机;C1、C2-油分离器;D-冷凝器;E-过滤干燥器;F-中间冷却器;G-蒸发器;H-气液分离器;I1、I2-热力膨胀机;J1、J2-电磁阀1.1.3.3.3两级压缩制冷机的热力计算两级压缩制冷机进行循环的热力计算时,首先要对制冷工质及循环型式加以选择,然后确定循环的工作参数,按上节所述方法进行具体的计算。两级压缩制冷机应使用中温制冷剂,这是因为受到在低温时系统中蒸发压力不能太低,在常温下冷凝压力又不允许过高及应能够液化的限制。通常应用较为广泛的是R717、R22、R290等。中间冷却的方式是与选用的制冷剂的种类密切相关的。对采用回热有利的制冷剂如R290等采用中间不完全冷却循环型式,同样可使循环的制冷系数有所提高。但为了降低高压级的排气温度,也可选用中间完全冷却的循环型式。对采用回热循环不利的制冷剂如氨等,则应采用中间完全冷却的循环型式。对于蒸发温度较低的两级压缩循环,通常都增加回热器,其目的并不在于提高制冷系数,而是为了提高低压级压缩机的吸气温度,改善压缩机的工作条件。两级压缩循环工作参数的确定与单级压缩循环是相似的,即根据环境介质的温度和被冷却物体要求的温度,考虑选取一定的传热温差,即可确定循环的冷凝温度和蒸发温度。至于中间温度(或中间压力)如何确定是
本文标题:两级压缩
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