2.4双级压缩和复叠式制冷

五,采用复叠式制冷循环的原因
当制冷温度达到-70℃ 80℃ 当制冷温度达到-70℃,-80℃以下时,双级压缩也无能为 力,这时因为: 1.制冷剂凝固点温度限制.中温制冷剂在这个温度范围往往 1.制冷剂凝固点温度限制.中温制冷剂在这个温度范围往往 因达到凝固点而凝固造成无法循环. 2.压缩比限制.蒸发温度过低时,即是采用双级压缩也将使 2.压缩比限制.蒸发温度过低时,即是采用双级压缩也将使 每一级压缩比超过限制.若使用多级压缩,则系统又过于 复杂,可靠性变差. 3.蒸发压力过低.此时使用一般制冷剂,蒸发压力会变的很 3.蒸发压力过低.此时使用一般制冷剂,蒸发压力会变的很 低,一方面吸气比体积增大会降低压缩机输气量,增大汽 缸尺寸,另一方面也使得空气容易渗入系统. 4.吸排气阀门动作困难,这些阀门一般是弹簧片结构,它们 4.吸排气阀门动作困难,这些阀门一般是弹簧片结构,它们 的动作实际也依赖一个微小的压力差,但是吸气压力过低 时练这个条件也很难满足,造成阀片动作困难,无法吸气. 5.临界温度限制.如果使用低温制冷剂,则上述问题可以解 5.临界温度限制.如果使用低温制冷剂,则上述问题可以解 决,但是低温制冷剂临界温度太低,无法在常温下液化.
从热力学上分析,定温压缩过程是最佳压缩的热 力过程,耗功最少.并且从理论上讲,当带有中 间冷却的多级压缩级数越多,越接近等温压缩过 程,省功越多,制冷系数也就越大.如有中间冷 却的无穷多级压缩,则整个压缩过程就越接近等 温过程,这在实际工程中是做不到的.在实际工 程中不采用过多的压缩级数,因级数过多,使系 统复杂,设备费用增加,技术复杂性提高.在应 用中温中压制冷剂时,活塞式制冷压缩机的三级 压缩制冷循环所达到的蒸发器温度范围与两级压 缩循环相差不大,所以现代活塞式制冷机常采用 两级压缩制冷循环.
①一级节流中间完全冷却的双级压 缩制冷循环
有关该循环的热力计算,请同学们自行推 导一下.有关循环的T 导一下.有关循环的T-S图也请同学们自己 画一下.
②一级节流中间不完全冷却的双级 压缩制冷循环
注意该循环和第一种循环的不同点.自行 画出T 画出T-S图.
③一级节流中间不冷却的双级压缩 制冷循环, 制冷循环,
2)每一级的压力比降低,可以提高制冷压缩 2)每一级的压力比降低,可以提高制冷压缩 机的指示效率,减少实际压缩过程中的不 可逆损失.在有中间冷却的多级压缩中, 可节省循环耗功;降低每一级的排气温度, 保证制冷系统的高效安全运行,如图
3)降低了每一级的压力比,同样也降低了每 3)降低了每一级的压力比,同样也降低了每 级制冷压缩机的压力差,使得制冷机运行的 平衡性增高,机械摩擦损失减少.在设计时, 可简化制冷机结构,降低生产成本. 4)采用多级压缩制冷循环,可提高制冷循环 4)采用多级压缩制冷循环,可提高制冷循环 中的节流效应,减少节流损失,提高制冷效 率. 5)采用多级压缩循环,对于离心式制冷机来 5)采用多级压缩循环,对于离心式制冷机来 说,可以节省能源,降低离心机工作转速. 简化离心机的结构及减少离心机产生喘振的 机会.
另外,特别需要指出的是,多级压缩系统 中每一级都采用同种制冷剂.除了离心式 压缩机以外,双级压缩制冷循环只能采用 中温中压制冷剂,受制冷剂凝固点温度限 制,双级压缩制冷循环所能够达到的最低 制冷温度,氨机约为-60℃,氟机约为-80℃ 制冷温度,氨机约为-60℃,氟机约为-80℃.
三,各种形式的双级压缩制冷循环
第二章制冷方法及 原理 Nhomakorabea第四节 双级压缩和复叠式制冷
一,采用双级压缩的必要性
1.单级压缩循环的局限性. 1.单级压缩循环的局限性. 单击蒸汽压缩式制冷循环,冷凝温度都差不 多,虽然可能采用不同的制冷剂,但是所能够获 得的最低制冷温度一般只有 -20~-30℃,最低不超过-40℃.这主要是由于压缩 20~-30℃,最低不超过-40℃.这主要是由于压缩 机压缩比不能过大的原因造成的. 机压缩比不能过大的原因造成的. 2.关于压缩比 2.关于压缩比 压缩机的压缩比等于冷凝压力p 与蒸发压力p 压缩机的压缩比等于冷凝压力pk与蒸发压力p0 的比值,当冷凝温度固定的时候,压缩比就取决 于蒸发温度,蒸发温度越低,蒸发压力就越小, 压缩比就越大.
二,多级压缩的特点
采用多级蒸气压缩制冷循环,能够避免或减 少单级蒸气压缩制冷循环中由于压力比过大所引 起的一系列不利的因素,从而改善制冷压缩机的 工作条件. 1)采用多级压缩制冷循环,可使每一级的压力比 1)采用多级压缩制冷循环,可使每一级的压力比 降低,减少活塞式制冷压缩机的余隙容积影响, 减少制冷剂蒸气与气缸壁之间的热交换,减少制 冷剂在压缩过程中的内部泄漏损失等,提高制冷 压缩机的输气系数,提高实际输气量,在其他条 件不变的情况下,增加循环的制冷量.
尽管一次节流循环比二次节流循环实际 的经济性要差些,但活塞式制冷机一般仍 采用一次节流循环较多,其原因是在于: 1)一次节流可依靠高压制冷剂液体本身的压 1)一次节流可依靠高压制冷剂液体本身的压 力供液到较远的用冷场所,适用于大型制 冷装置. 2)高压制冷剂液体不与中间冷却器中的制冷 2)高压制冷剂液体不与中间冷却器中的制冷 剂相接触,可减少润滑油进人蒸发器的机 会,从而提高换热设备的换热效果. 3)由于蒸发器与中间冷却分别供液,便于操 3)由于蒸发器与中间冷却分别供液,便于操 作,有利于制冷系统的安全运行.
双级蒸气压缩式制冷循环的基本类型 双级蒸气 压缩式制冷循环由于它们所用节流级数及中间冷 却方式的不同,有不同的循环形式.节流级数分 为一级节流和二级节流;中间冷却方式分为中间 完全冷却,中间不完全冷却和中间不冷却三种. 经过组合,常见双级压缩循环有下面5 经过组合,常见双级压缩循环有下面5种: ①一级节流中间完全冷却的双级压缩制冷循环 ②一级节流中间不完全冷却的双级压缩制冷循环 ③一级节流中间不冷却的双级压缩制冷循环 ④二级节流中间完全冷却的双级压缩制冷循环 ⑤二级节流中间不完全冷却的双级压缩制冷循环
3.压缩比过大带来的问题 3.压缩比过大带来的问题 ⑴压缩机压缩比过大, 会使得活塞式压缩机的 输气系数下降,使得压 缩机输气量减少,制冷 量下降.压缩比越大, 这种影响就越大,当压 缩比达到20的时候,压 缩比达到20的时候,压 缩机几乎不能吸气,从 而失去制冷能力.
⑵压缩机压缩比过大,会使得压缩机的压缩 过程偏离等熵过程,使得压缩机功耗增加, 效率下降,降低了系统的制冷系数. ⑶压力比的增大将导致压缩机排气温度升高, 汽缸壁的温度随之升高.这一方面会使吸 入的制冷剂蒸气温度升高,比体积增大, 减少了压缩机吸气量;另一方面排气温度 和汽缸温度过高,会使得润滑油变稀甚至 部分碳化,导致压缩机润滑状况恶化,严 重影响压缩机正常运行.
在冷藏运输以及某些特定的生产工艺制冷工段的制冷装 置中,既要达到低温又要简化制冷系统,这时常采用一次 节流中间完全不冷却两级压缩制冷循环(右图) 节流中间完全不冷却两级压缩制冷循环(右图).这种循环 和前面所述的两级压缩比较,取消了中间却冷却器,因而 系统进一步简化,但这种循环方式不省功,也不能提高循 环的制冷量和制冷系数.
在实际循环中是其有利的一面,因为在这种特定条 件下,采用一次节流中间完全不冷却两级压缩制冷 循环,可以降低每一级的压力比,改善每一级制冷 压缩机的工作性能,提高了制冷压缩机的输气系数, 指示效率,相应提高循环的实际输气量,降低轴功 率,并且一定程度上提高了制冷量和制冷系数.一 次节流中间完全不冷却两级压缩制冷理论循环压焓 图和温熵图见下图
由于以上原因,单级压缩机压缩比不宜过 大.一般使用氨作为制冷剂的活塞式压缩 机压缩比最大为8 机压缩比最大为8,使用氟利昂作为制冷剂 的活塞式压缩机压缩比最大不超过10,而使 的活塞式压缩机压缩比最大不超过10,而使 用离心式压缩机时,压缩比最大不能超过4 用离心式压缩机时,压缩比最大不能超过4. 这样的话,在冷凝温度跟环境温度差不多 的情况下,单级压缩机可以达到的蒸发温 度通常为-20℃ 30℃,最多不超过-40℃ 度通常为-20℃~-30℃,最多不超过-40℃.
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④二级节流中间完全冷却的双级压 缩制冷循环
⑤二级节流中间不完全冷却的双级 压缩制冷循环
⑥氨泵供液的双级压缩制冷循环
注意低压循环桶部分的工质状态变化.
四,不同形式的双级压缩循环比较
对于5 对于5种典型的双级压缩制冷循环进行分析,从热 力学角度看,当蒸发温度,冷凝温度,中间温度 都相等的条件下,彼此存在一定的差异,主要表 现在: 1.中间完全冷却和不完全冷却的差异 1.中间完全冷却和不完全冷却的差异 显然,完全冷却的功耗要小于不完全冷却, 所以中间完全冷却的循环制冷系数较大. 2.一次节流和二次节流的差别 2.一次节流和二次节流的差别 由于一次节流的中间冷却器中存在换热温差, 而使制冷循环的单位制冷量减少,但是由于换热 温差一般不大(3~7℃ 温差一般不大(3~7℃).所以一次节流循环的制 冷系数略少于二次节流.
六,复叠式制冷循环原理
复叠式制冷一般使用两个制冷系统,在高 温系统里使用沸点温度高的制冷剂,在低 温系统里使用沸点温度低的制冷剂,高温 系统中制冷剂的蒸发是为了吸收低温系统 中制冷剂冷凝放出的热量,只有低温系统 中制冷剂蒸发向被冷却对象吸热.这种系 统叫做复叠式制冷系统,它既可以获得较 低的蒸发温度和合适的蒸发压力,又可以 向环境放热.
复叠式制冷循环应用中的一些问题: 复叠式制冷循环应用中的一些问题:
①停机后低温制冷剂的处理 当复叠式制冷机在停止运转后, 系统内部温度会逐渐升高到接近环境温度,低温部分的制 冷剂就会全部汽化成过热蒸气,这时低温部分的压力将超 出制冷系统允许的最高工作压力这一非常危险的情况.为 解决这一问题,大型系统采用高温系统定时开机,以维持 低温系统较低压力,但这种方法耗功大;或者将低温制冷 剂抽出差人高压钢瓶中.对于小型复叠式制冷装置,通常 在低温部分的系统中连接一个膨胀容器,停机后低温部分 的制冷剂蒸气可进入膨胀容器,如系统中不设膨胀容器, 则应考虑加大蒸发冷凝器的容积,使其起到膨胀容器的作 用,以免系统压力过高. ②系统的启动 由于低温制冷剂的临界温度一般较低,所以 复叠式制冷机在启动时必须先启动高温部分,当高温部分 的蒸发温度降到足以保证低温部分的冷凝压力不超过允彰 的最高压力时,才可以启动低温部分.对于小型复叠式制 冷循环,高fI温部分可同时启动,但在低温系统上必须装 冷循环,高fI温部分可同时启动,但在低温系统上必须装 设压力控制阀,以保证系统的安全. ③温度范围的调节 复叠式制冷循环的制冷温度是可以调节 的,但不能过大.
复叠式制冷循环原理图
注意点:冷凝蒸发器,回热器,膨胀容器.
七,复叠式制冷循环特点
复叠式制冷循环有如下优点. ①低温部分压缩机的汽缸容积比双级压缩低温部分压缩机汽 缸容积小得多,这对减少整机的重量,尺寸有利. ②系统内保持正压力,不凝性气体不易漏人系统,使运行稳 定而安全. ③复叠式制冷机不仅可以用不同的制冷剂组合,而且可用不 同的制冷方式加以组合.例如,低温部分用蒸气压缩式制 冷循环,而高温部分用吸收式制冷循环. 缺点是冷凝蒸发器,膨胀容器等设备及多元制冷剂使系统 的复杂性提高.同时由于蒸发冷凝器有传热温差存在,当 传热温差过大时,会使复叠式制冷机消耗的功比多级压缩 单一制冷剂的系统要大.