多级蒸气压缩式和复叠式制冷循环

第二节 双级蒸气压缩式制冷循环 两级压缩制冷循环， 两级压缩制冷循环，是指来自蒸发器的制冷剂蒸 气要经过低压与高压压缩机两次压缩后， 气要经过低压与高压压缩机两次压缩后，才进入冷凝 可以在两次压缩中间设置中间冷却器。 器。可以在两次压缩中间设置中间冷却器。两级压缩 制冷循环系统可以是由两台压缩机组成的双机（ 制冷循环系统可以是由两台压缩机组成的双机（其中 一台为低压级压缩机，另一台为高压级压缩机） 一台为低压级压缩机，另一台为高压级压缩机）两级 系统，也可以是由一台压缩机组成的单机两级系统， 系统，也可以是由一台压缩机组成的单机两级系统， 其中一个或两个汽缸作为高压缸， 其中一个或两个汽缸作为高压缸，其余几个汽缸作为 低压缸，其高、低压汽缸数量比一般为1:3 1:3或 低压缸，其高、低压汽缸数量比一般为1:3或1:2 。
2、余隙存在对压缩机的优劣 （1）压缩气体时，气体中可能有部分蒸气凝结下来。 我们知道液体是不可压缩的，如果气缸中不留有余隙， 则压缩机不可避免地会遭到损坏。因此，在压缩机气 缸中必须留有余隙。 （2）余隙存在以及残留在余隙容积内的气体可以起 到气垫作用，也不会使活塞与气缸盖发生撞击而损坏。 同时，为了装配和调节的需要，在气缸盖与处于死点 位置的活塞之间也必须留有一定的余隙。
（1）一次节流 一次节流是指向蒸发器供液的制冷剂液体直接由 一次节流 冷凝压力节流至蒸发压力的节流过程。 （2）二次节流 二次节流是指向蒸发器供液的制冷剂液体先由中 二次节流 间冷却器前的节流器从冷凝压力节流至中间压力，再 由蒸发器前的节流器将中间压力下的制冷剂液体节流 至蒸发压力的过程。 （3）中间完全冷却:是指在中间冷却过程中，将低压 级排出的过热蒸气等压冷却到中间压力下干饱和蒸气 的冷却过程。 （4）中间不完全冷却:是指在中间冷却过程中，将低
一、 双级蒸气压缩式制冷循环基本类型
双级压缩制冷循环由于节流方式和中间冷却程度 不同而有不同的循环方式，通常分为： 不同而有不同的循环方式，通常分为：
1.一次节流、 1.一次节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环 一次节流 2.一次节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 一次节流、 3.一次节流、中间完全不冷却的两级压缩制冷循环 3.一次节流、 一次节流 4.两次节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 5.两次节流、 5.两次节流、中间完全冷却两级压缩制冷循环 两次节流
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中间冷却器的双级压缩制冷循环。但是，双级压缩制 冷循环所需的设备投资较单级压缩大的多，且操作也 较复杂。因此，采用双级压缩制冷循环并非在任何情 况下都是有利的，一般当压缩比≥８时，采用双级压 缩较为经济合理。 以上分析可以看成是单级压缩的局限性，另一原因就 是采用多级压缩的必要性和其特性决定。特性有下面 几个方面：
二、采用多级蒸气压缩式制冷循环的原因 制冷系统的冷凝温度（或冷凝压力）决定于冷 却剂（或环境）的温度，而蒸发温度（或蒸发压力） 取决于制冷要求。由于生产的发展，对制冷温度的要 求越来越低，因此，在很多制冷实际应用中，压缩机 要在高压端压力（冷凝压力）对低压端压力（蒸发压 力)的比值（即压缩比）很高的条件下进行工作。由理 想气体的状态方程 Pｖ/T≡Ｃ可知，此时若采用单级 压缩制冷循环，则压缩终了过热蒸气的温度必然会很 高(Ｖ一定，Ｐ↑→Ｔ↑），于是就会产生 以下许多问题。 1. 压缩机的输气系数λ大大降低，且当压缩比≥20时， λ＝0 。
虽然高、低压级吸入蒸汽的过热度都比较大，但是因 为氟利昂的绝热指数K值比氨要小，故压缩机的排气温 度不高。
（二）一次节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 一次节流、
一级节流中间完全冷却与一级节流中间不完全冷 却的区别： 却的区别： 一级节流中间完全冷却的压缩过程： ①一级节流中间完全冷却的压缩过程：从蒸发器 来的制冷剂在低压级压缩机中压缩至中间压力p 来的制冷剂在低压级压缩机中压缩至中间压力pm，排 入到中间冷却器中， 入到中间冷却器中，被其中的液体制冷剂冷却成中间 压力p 下的饱和蒸气， 压力pm下的饱和蒸气，再进入高压级压缩机中被压缩 到冷凝压力p 到冷凝压力pk。 一级节流中间不完全冷却的压缩过程： ②一级节流中间不完全冷却的压缩过程：低压级 压缩机的排气不是直接进入中间冷却器冷却， 压缩机的排气不是直接进入中间冷却器冷却，而是和 中间冷却器出来的中温制冷剂蒸汽在管道中混合被冷 然后进入高级压缩机压缩。 却，然后进入高级压缩机压缩。 ③一级节流中间不完全冷却的制冷系统中一般设 有回热器，保证低压级压缩机的过热度。 有回热器，保证低压级压缩机的过热度。因此供液的 制冷剂液体两次过冷。 制冷剂液体两次过冷。
qm.H = qm.L h2 - h7 h3 - h6
高压级与低压级的制冷循环量之比为
qm.H h2 - h7 = qm. L h3 - h6
（6）高压级压缩机的理论功率为 ）
P0.H = qm.H w0.H = qm. H ( h4 − h3 )
（7）冷凝器负荷Qk 为 ）
Qk = qm.H qk = qm. H (h4 − h5 )
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-储液器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-蒸发器
制冷循环的热力计算
（1）单位质量制冷量为： q0=h1-h8 ）单位质量制冷量为： （3）低压级制冷剂的质量流量 md为： ）低压级制冷剂的质量流量q (4)低压级压缩机的理论功率为 低压级压缩机的理论功率为
（3）压缩机上装有气阀，在气阀与气缸之间以及阀座 本身的气道上都会有活塞赶不尽的余气，这些余气可以 减缓气体对进出口气阀的冲击作用，同时也减缓了阀片 对阀座及升程限制器（阀盖）的冲击作用。 （4）由于金属的热膨胀，活塞杆、连杆在工作中，随 着温度升高会发生膨胀而伸长。气缸中留有余隙就能给 压缩机的装配、操作和安全使用带来很多好处。 由上述原因可见，气缸中留有余隙，能给压缩机的 装配、操作和安全使用带来很多好处。但余隙留的过大， 不仅没有好处，反而使压缩机生产能力降低。在一
（2）低压级的理论功为： w0.L=h2-h1 ）低压级的理论功为：
qm. L = Q0 Q0 = q0 h1 - h8
P0.L = qm.L w0.L = Q0
h2 - h1 h1 - h8
（5）高压级的理论比功为：w0.H=h4-h3 qm.Lh2+qm.L h5+(qm.H−qm.L) h6= qm.Hh3 高压级制冷剂的质量流量为
其工作过程为： 从蒸发器出来的蒸 汽被低压压缩机吸 入，压缩到中间压 力并与中冷器出来 的干饱和蒸汽在管 路中进行混合，使 从低压机排出的过热蒸汽被冷却后再进入高压压缩机，经压缩 到冷凝压力并进入冷凝器，冷凝后的高压制冷剂液体进入了中 冷器的蛇形盘管进行再冷却，最后经膨胀阀进入蒸发器吸热蒸 发。
这种循环系统，只适用于Ｒ12或Ｒ22的双级制冷循环 系统中，而决不能用于氨的制冷系统中。这是因为：
压级排出的过热蒸气等压冷却降低温度而未达到干饱 和状态的冷却过程。 （5）中间完全不冷却：是指在两级压缩循环中不采用 中间冷却的方式。 相比之下，一次节流系统比较简单，且可以利用 其较大的压力差实现远距离或高层冷库的供液。因此 实践中采用的基本上都是一次节流两级压缩制冷循环 系统。除此，节流方式的确定于制冷压缩机的种类及 节流方式的确定于制冷压缩机的种类及 制冷系统冷负荷的稳定性有关。 制冷系统冷负荷的稳定性有关。 ①冷负荷变化较大的活塞式、螺杆式制冷机系统宜 采用一次节流方式
（8）中间冷凝器盘管负荷Qm 为 ）
Qm = qm.L qm = qm. L ( h5 − h7 )
(9)理论循环制冷系数为
(h3 - h6 )(h1 - h8 ) Q0 ε0 = = P0.L + P0.H (h3 - h6 )(h2 - h1 ) + (h2 - h7 )(h4 - h3 )
(9)理论循环热力完善度为
(二) 一次节流，中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 二 一次节流，
一次节流中间不完全冷却的双级循环，主要 适用于氟利昂制冷装置，采用回热循环。这种 循环系统的特点是：制冷剂主流先经盘管式中 间冷却器过冷，再经回热器进一步冷却；且低 压压缩机的吸气有较大的过热度；此外，低压 级的排气没有完全冷却到饱和状态。
第四章
多级蒸气压缩式和复叠式制冷循环
本章基本要求
1.采用双级压缩制冷循环的原因； 2.双级压缩制冷循环的类型； 3.双级压缩制冷循环系统及热力计算； 4.复叠式制冷循环原理。
第一节 采用多级蒸气压缩式制冷循环的原因 一、压缩机的余隙
1、什么是余隙容积 由于压缩机结构、制造、装配、运转等方面的需要， 气缸中某些部位留有一定的空间或间隙，将这部分 空间或间隙称为余隙容积。（又称有害容积或叫存 气）。
ε0 =
h1 − h6 = 2.456 ' h4 − h1
小结： 小结：
双级蒸汽压缩制冷循环与单级循环的计算步骤相似，但计算中各状态 点参数的查找显得尤为重要。
[练习 练习] 练习
两级氨压缩一级节流中间完全冷却循环，to= - 40℃，tk=40℃，无过 冷，管路有害过热△t=5℃，Q0＝151KW， Pm=0.3 MPa，求ε，ε’ （一级压缩）
（状态6）进入中间冷却器，大部分液体从另一路进入中间冷却 器的盘管内过冷（状态7），但由于存在传热温差，故其在盘管 内不可能被冷却到中间温度，而是比中间温度一般高△ｔ＝３ －５℃。过冷后的液体再经过主膨胀阀节流降压成低温低压的 过冷液（状态8），最后进入蒸发器吸热蒸发，产生冷效应。
这种循环系统只适用于Ｒ717与Ｒ22的双级制冷循 环系统中。
其工作过程是：
在蒸发器中产生的低压低温制冷剂蒸气（状态１），被低 压压缩机吸入并压缩成中间压力的过热蒸气（状态２），然后 进入同一压力的中间冷却器，在中冷器内被冷却成干饱和蒸气 （状态３）。中压干饱和蒸气又被高压压缩机吸入并压缩到冷 凝压力的过热蒸气（状态４），随后进入冷凝器被冷凝成制冷 剂液体（状态５）。然后分成两路，一路经膨胀阀节流降压后
(h1 - h8 ) ε0 TH − TL β0 = = (h2 - h7 ) (h - h ) ⋅ TL ε c (h - h ) + 2 1 4 3
h3 − h6
[例]双级氨压缩制冷循环，to=－40℃，Po=0.7171 bar, tk=30℃, 例 Pk=11.6693 bar，冷凝器出口为饱和液，Pm=2.8928 bar, 饱和温度10.1℃，若蒸发器出口为饱和蒸汽，t7= - 5℃, （一般t7 – t6=5～8℃）, 求该循环的理论制冷系数。 解： 查氨压焓图 h1=1707.7kJ/kg h2=1889.41kJ/kg h3=1749.72kJ/kg h4=1948.12kJ/kg (t4=90.29oC) h5=h6=639.01kJ/kg h7=h8=477.22KJ/kg 代公式得 εth＝2.835 若采用单级压缩，压机排气状态点4/， h4/=2142.87kJ/kg
②冷负荷平稳的螺杆式、离心式制冷机系统宜采用多 次节流方式。 至于采用哪一种中间冷却方式，由选用制冷剂的种 类来决定。通常： ①对R717采用中间完全冷却 ②对R12, R502采用中间不完全冷却
③对R22采用中间不完全冷却
(一) 一级节流中间完全冷却循环 这个系统的特点是采用盘管式中间冷却器。它既有两 级节流的减少节流损失效果，又起到对低压级排气完 全冷却的作用。
般情况下，余隙容积约为气缸工作容积的3%-8%，而 在压力较高、气缸直径较小的压缩机气缸中，所留余 隙容积通常为5%-12%。 3、压缩机在以下几个部位存在着余隙容积： （1）活塞运动排气行程终了时，其端面与气缸端面 之间的间隙； （2）气缸镜面与活塞外圆（从端面到第一道活塞环） 之间的间隙； （3）由于气伐至气缸容积的通道所形成的容积。
由冷凝器流出的液体分为两路：
1.经膨胀阀6节流至Pm进 入中冷器，利用它的吸 热来冷却低压级排气和 盘管中高压液体。蒸发 了的蒸汽同低压压缩机 排气一起进入高压级； 2.液体在冷器盘管中被 冷却后，经膨胀阀7节 流到P0，在蒸发器中蒸 发制冷。
压-焓图分析
1-2低压压缩机压缩 2-3低压压缩机排气在中冷器冷 却 3-4高压压缩机压缩 4-5高压排气在冷凝器冷却 5-6节流阀6中液体节流 5-7工质在中冷器盘管中冷却 7-8节流阀②节流 8-1蒸发器中蒸发，从冷源获取 冷量
2.压缩机的单位制冷量和单位容积制冷量都大为降 低。 3. 压缩机的功耗增加，制冷系数下降。 4. 必须采用高着火点的润滑油，因为润滑油的粘 度随温度升高而降低。 5. 被高温过热蒸气带出的润滑油增多，增加了分 油器的负荷，且降低了冷凝器的传热性能。 综上所述，当压缩比过高时，采用单级压缩循 环，不仅是不经济的，而且甚至是不可能的。为了 解决上述问题，满足生产要求，实际中常采用带有