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1、1第七讲 两级压缩及复叠式制冷原理制冷原理与技术讲义陈江平上海交通大学制冷研究所1、采用两级压缩的原因单级压缩压缩比为10时最低蒸发温度-25.4-28.3-31.1-33.8-36.8R22-31.5-34.2-37.2R12-24.4-27.3-30.5R7175045403530（C）温度冷凝制冷剂单级压缩的压比一般为：采用两级压缩的原因（2）10,22,12;8,71700PPRRPPRkk?随蒸发温度降低，蒸发压力下降，相应压比增大，压缩机输气量减少，导致制冷量大大减小。?压缩比升高，使压缩机排气温度升高，气缸壁温上升?压缩比增大使实际压缩过程与理想等熵过程偏离程度增大，压缩机效率下
2、降要获取较低的温度（一般-30-65C），又要使压缩比控制在合理范围内，就需要采用两级以上压缩2、两级压缩制冷循环?一级节流中间完全冷却循环?一级节流中间不完全冷却循环一级节流中间完全冷却循环蒸发器蒸发器高压压缩机膨胀阀高压压缩机膨胀阀中间冷却器中间冷却器冷凝器冷凝器低压压缩机低压压缩机12234455膨胀阀膨胀阀TS1234wcTkT0q0k2345pkp0pk56m1(h2-h5)=(m-m1)(h4-h4+h2-h2)m1/m=(h4-h4+h2-h2)/(h2-h5+h4-h4)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。图3 两级压缩氨制冷机的实
3、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
4、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。2一级节流中间不完全冷却循环蒸发器蒸发器高压压缩机膨胀阀高压压缩机膨胀阀中间冷却器中间冷却器冷凝器冷凝器低压压缩机低压压缩机12234455膨胀阀膨胀阀TS1234wcTkT0q0k
5、2345pkp0pk560PPPkm=图7 SD2-4F10A两级压缩氟里昂制冷系统图A低压压缩机；B高压压缩机；C、C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；I、I热力膨胀机；J、J电磁阀图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
6、能自动切断供液管路的电磁阀等。3、两级压缩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
7、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）如何确定是两级压缩循环的特有问题，中间压力选择是否恰当，不仅影响到经济性，而且对压缩机的安全运行也有直接关系。两级压缩制冷机中间压力的确定确定中间压力时要区分两种情况：一种是已经选配好高、低压级压缩机，需通过计算去确定中间压力；另一种是从循环中计算出发来确定中间压
8、力数值。对于第一种情况，由于压缩机已经选定，则高压压缩机的理论输气量和低压压缩机的理论输气量之比值为定值，即(1)显然需要用试凑法（或作图法）来确定中间压力。具体步骤：1）按一定间隔选择若干个中间温度，按所选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；2）绘制曲线，并在图上画一条 等于给定值的水平线，此线与曲线的交点即为所求中间温度（即中间压力）。用这种方法确定的中间压力不一定是循环的最佳中间压力。选配压缩机时，高压压缩机和低压压缩机可以由同一台压缩机来承担，即所谓单机双级型压缩机，也可选一台压缩机为高压级，一台或多台压缩机为低压级。一般高、低压级理论输气量之比值在1/2
9、-1/3 之间，如采用单机双级型压缩机，它们的容积比一般为1:3。对于第二种情况，中间压力的选择可以根据制冷系数最大这一原则去选取。这一中间压力又称最佳中间压力。选取的具体步骤是：1）根据确定的冷凝压力和蒸发压力，按求得一个近似值；2）在该()值的上下按一定间隔选取若干个中间温度；3）对每一个值进行循环的热力计算，求得该循环下的制冷系数；4）绘制曲线，找到值，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）。图1 确定最佳中间温度的曲线图拉赛对用氨作为制冷工质的两级压缩制冷循环制定了按及确定最佳中间温度的线图，如图1所示。该图对于R12也同样可得到比较满意的结果。在4040范围内，
10、该图可用下式来代替：(2)在循环参数确定之后即可对循环进行热力计算，求出所需要的和值。但在现有的压缩机系列产品中很可能选不到正好符合热力计算要求的压缩机，这时可选配其容量与计算值相近的压缩机来代替，虽然中间压力会稍有变动，但对制冷系数的大小影响甚微。下面我们通过两个例题来说明热力计算的方法和步骤。例1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150kw；制冷剂为氨；冷凝温度40，无过冷；蒸发温度-40；管路有害过热。试进行热力计算并选配适定的压缩机。解 因制冷剂为氨，选用一级节流中间完全冷却循环，其压-焓图如图2所示。根据给定条件，可确定如下参数：首先我们按制冷系数大的原
11、则来确定中间温度及中间压力。该循环的制冷系数可表达为：假定中间压力，对应的中间温度-6.5，因此我们在6.5上下取若干个数值，例如2，4，6，8，10进行计算，在计算中取中间冷却盘管的氨液出口处端部温差，现将计算结果列于下表：从表中的数值可知，最佳温度在46之间，按图 4-8 可查出最佳中间温度5.5，两者比较接近，这说明按图 4-8 得到的结果是满意的。我们取中间温度，相应的中间压力.355MP。这样，相应各状态点的参数为：现在我们根据所确定的循环工作参数进行热力计算：(1)单位制冷量 (2)低压压缩机制冷剂流量 (3)低压压缩机理论输气量 (4)低压压缩机理论功率 (5)低压压缩机轴功率
12、(6)低压压缩机实际排气焓值 (7)高压压缩机制冷剂流量 (8)高压压缩机理论输气量 (9)高压压缩机理论功率 (10)高压压缩机的功率 (11)高压压缩机实际排气焓值 (12)理论制冷系数 3 (13)理论输气量比 (14)冷凝器热负荷 根据热力计算所确定的理论输气量，对于低压压缩机可选用 178A（即 8AS17）型，它的理论输气量为 0.304，对于高压压缩机可选用12.54A（即 4AV12.5）型，它的理论输气量为 0.079。关于计算中选取的输气系数及效率，详细计算办法可参阅往复式制冷压缩机有关章节。例 2 将 104F（4F10)型压缩机改制成单机双级型，其中三个缸作为低压缸，一
13、个缸作为高压缸，如果采用 R22 作为制冷剂，试问该机器在=30、=-70 时的制冷量是多少？解 104F 型压缩机的结构参数及转速是：缸径 D=100mm，行程 S=70mm，转速 n=960r/min。低压级理论输气量 高压级理论输气量 计算时只要选定 或热端温度 就可根据热平衡式确定点 的状态。在本例计算中，我们选取，选取中间冷却器内传热温差。根据已知条件可以确定 根据，先来确定循环的中间温度和中间压力，现列表计算如下：将计算结果绘成 曲线，如图 4 所示。它与 0.334 的交点即为所求的中间温度，。此时循环的状态参数为：从而可算出、及回热器热负荷：3、复叠式制冷复叠式制冷机通常由两个
14、单独的制冷系统组成，分别称为高温级及低温级部分。高温部分使用中温制冷剂，低温部分使用低温制冷剂。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷凝，用一个冷凝蒸发器将两部分联系起来，它既是高温部分的蒸发器，又是低温部分的冷凝器。低温部分的制冷剂在蒸发器内向被冷却对象吸取热量（即制取冷量），并将此热量传给高温部分制冷剂，然后再由高温部分制冷剂将热量传给冷却介质（水或空气）。复叠式制冷循环的热力计算复 叠 式 制 冷 循 环 的 热 力 计 算 可 分 别 对 高 温 部 分 及 低 温 部 分 单 独 进 行 计算。计 算 中 令 高 温 部 分 的 制 冷 量 等 于 低 温 部 分
15、的 冷 凝 热 负 荷 加 上 冷损。计 算 方 法 与 单 级 或 两 级 压 缩 制 冷 循 环 的 热 力 计 算 相 同。复 叠 式 制 冷 循 环 中 中 间 温 度 的 确 定 应 根 据 制 冷 系 数 最 大 或 各 个 压缩 机 压 力 比 大 致 相 等 的 原 则。前 者 对 能 量 利 用 最 经 济，后 者 对 压 缩 机气 缸 工 作 容 积 的 利 用 率 较 高（即 输 气 系 数 较 大）。由 于 中 间 温 度 在 一定 范 围 内 变 动 时 对 制 泠 系 数 影 响 并 不 大，故 按 各 级 压 力 比 大 致 相 等 的原 则 来 确 定 中 间 温 度 似 乎 更 为 合 理。冷 凝 蒸 发 器 传 热 温 差 的 大 小 不 仅 影 响 到 传 热 面 积 和 冷 量 损 耗，而且 也 影 响 到 整 个 制 冷 机 的 容 量 和 经 济 性，一 般 ，温 差 选 得大，冷 凝 蒸 发 器 的 面 积 可 小 些，但 却 使 压 力 比 增 加，循 环 经 济 性 降低。制 冷 剂 的 温 度 越 低，传 热 温 差 引 起 的 不 可 逆 损 失 越 大，故 蒸 发 器的 传 热 温 差 因 蒸 发 温 度 很 低 而 应 取 较 小 值，最 好 不 大 于 5 。