第三章双级压缩与复叠式制冷循环

3.1 概述
一、单级蒸气压缩局限性：
冷凝压力 ↔ tk ↔ 环境温度、冷却介质温度
蒸发压力 ↔ t0 ↔ 用户要求（制冷系统的用途）
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。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。（教材Ｐ９３表３－１）
R717不低于－60℃ Freon不低于－80℃
制冷剂节流损失增加，单位质量制冷 量及单位容积制冷量下降过大，经济 性下降。
所以，为了获得比较低的温度 （ － 40 ～ － 80℃ ） ， 同 时 又 能 使 压 缩 机的工作压力控制在一个合适的范围内， 就要采用多级压缩循环。
三、双级压缩的特点 循环过程两级压缩制冷循环，是指来自蒸发器的制冷剂蒸气要经过低压与
当要求的制冷温差使循环的压力比超过单 级压力比的限制时，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，并且在低压级完成压缩后， 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，所以只 讨论两级压缩制冷循环。
为什么？
当冷凝温度升高或蒸发温度降低时，压缩机 的压力比增大，排气温度上升，
用户要求蒸发温度↘ →蒸发压力↘ →压力比 （pk/p0）↗ 压缩机输气系数下降；
pk/p0增大导致→ 压缩机排气温度升高，润滑条件变坏；
耗功增加，制冷量下降，制冷系数降低。
蒸发温度降低对单级制 冷循环的影响：
1．节流损失增加，制冷 系数下降。
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，当排气温度与润滑油的闪点接近 时，会使润滑油碳化，以致在阀片上产生结碳现象,甚至 出现拉缸等现象。
一次节流二次节流对比
经济性方面
设备控制方面
1.一级节流、中间完全冷却的两
级压缩制冷循环（常用有代表性）
2.一级节流、中间不完全冷却的
两级压缩制冷循环（常用有代表性）
3.两级节流、中间完全冷却的两 级压缩制冷循环
4.两级节流、中间不完全冷却的两级 压缩制冷循环
5.两级节流中间完全不冷却两级 压缩制冷循环
二、一级节流、中间完全冷却的两级压缩循环
1、循环过程
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。
在蒸发器 中产生的压力为po 的低压蒸气首选被低压压缩 机A吸入并压缩到中间压力pm ，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pk ， 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 p0 ，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pm ，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
第三章 双级压缩与复叠式制冷循环
基本要求：
1．采用双级和复叠式蒸气压缩制冷循环的原因。 2．一次节流、中间完全冷却和中间不完全冷却的
系统图、压焓图、热力计算方法。(中间压力的确定方
法，中间冷却器的工作原理温度变动时制冷机的特性)
3．复叠式蒸气压缩制冷循环系统图、压焓图及特 点。(了解复叠式制冷机启动时的注意事项，膨胀容器的工作原理)
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。
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。
总上所述，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。
二、单级蒸气压缩条件：
采用双级压缩制冷循环并非在任何情况下 都是有利的。为获取低温而采用两级压缩：
①单级压缩蒸气制冷循环压比；
活塞式制冷压缩机，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。
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qmG 和 qmD 去设计或选配合适的压缩机， 根据 Qo和 Qk 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 qmG 和qmD 数值计算出 它的制冷量 Q0 ，即
3、实际应用举例
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；
低压级压缩
高压级压缩
蒸发压力——————→ 中间压力 ——————→ 冷凝压力
一、基本形式和选择方法
采用哪一种型式有利则与制冷剂种类、制冷剂容 量及其它条件有关。常用的组成型式有：
压 单机双级：一台压缩机，气缸一部分为高压级，一 缩 部分为低压级。
双机双级：两台压缩机，分别为高压级和低压级。
一级节流：供液的制冷剂液体直接由冷凝压力节流 节 至蒸发压力； 流 二级节流：经一个阀节流至中间压力，再经另一个
按节流方式又可分为一级节流循环与两级
节流循环。如果将高压液体先从冷凝压力 Pk 节流到中间压力 Pm ，然后再由 Pm 节 流降压至蒸发压力P0 ，称为两级节流循环。 如果制冷剂液体由冷凝压力Pk 直接节流至 蒸发压力 P0 ，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。
离心式制冷压缩机压力比不希望超过4。
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℃
单级压缩循环所能达到的最低制冷温度 是有限的。通常，最低只能达到-40℃左右。
为获取低温而采用两级压缩： ②制冷剂热物理特性的限制。
一般获取－40℃以下的低温，采用中温制 冷剂的两级压缩制冷循环，
4、低压压缩机每压缩1kg蒸气所消耗的理论功
5、为了在低温下制得冷量 Q0 ，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
高压压缩机的制冷剂流量qmg 大于低 压压缩机的制冷剂流量 qmd ，它可 以根据中间冷却器的热平衡关系计算 出来。由图可知：
6、冷凝器热负荷
第二节 双级压缩式制冷循环
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p0 ）先进入低压压缩机，在其 中压缩到中间压力pm ，经过中间冷却后再进入 高压压缩机，将其压缩到冷凝压力pk ，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。
二、余隙容积的影响
➢ 生产量： 有效吸气容积：
p2
p1
V V1 V4
容积效率：
V
V Vh
1 V来自百度文库 Vh
1 n
1
✓ 余隙容积百分比Vc/Vh和多变指数n一定时，增压比越 大，则容积效率越低，当增加到一定值时容积效率零。
✓ 增压比一定时余隙容积百分比越大，容积效率越低。
3．压缩机的排气温度上升。
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；
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。
采用哪一种中间冷却方式，由选用制冷剂的种类来决定。 通常两级压缩氨制冷系统采用中间完全冷却，而两级压缩 氟利昂制冷系统，则常采用中间不完全冷却。
高压压缩机(或气缸)两次压缩后，才进入冷凝器。
它与单级压缩制冷循环流程的主要区别是大部分 制冷剂必须在高、低压级两只气缸中进行压缩，一般 还增设了中间冷却器和膨胀阀。
当蒸发温度较低时，采用双级压缩制冷循环可达到以下目的：
降低压力比，避免和减少高压力比带来的损失 如降低压缩机的排气温度，提高实际输气量，制冷机运
节流至蒸发压力。
中间完全冷却：将低压级的排气，冷却到中间压力 冷 下的饱和蒸气。 却 中间不完全冷却：未将排气冷却到中间压力下的饱
和蒸气。
两级压缩的型式 P94
配组式双级系统，单机双级压缩机
两级压缩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）两 级系统，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，其余几个汽缸作为低压缸， 其高、低压汽缸数量比一般为1:3或1:2 。
2、性能指标 P96
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tm ，一般 大约比tm 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。
1、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
2、低压压缩机每压缩1kg蒸气所消耗的理论功是 3、设制冷机的制冷量 Q0，则低压压缩机的流量是
称为余隙容积。图具有余隙容积
的压气机理论示功图，图中容积
V3就是余隙容积。
由于余隙容积的存在，活塞就 不可能将高压气体全部排出，排 气终了时仍有一部分高压气体残 留在余隙容积内。因此，活塞在 下一个吸气行程中，必须等待余 隙容积中残留的高压气体膨胀到
进气压力p1（即点4）时，才能
从外界吸入气体。
余隙容积
行的平衡性提高等。
两级压缩中间冷却分析
储气罐
冷却水 进气口
高压缸 低压缸
p
p2
4 5 省功
2 3
p1
1
v
p2 有一个最佳增压比 p1
多级压缩和级间冷却
✓ 省功（减少压缩过程的多变指数） ✓ 避免单级压缩因增压比太高而影响
容积效率
为什么要采用多级压缩及级间冷却的工艺？
工程上常需要高压气体，当气体的压 力比p2/p1较高时，若仍采用单级压缩， 将使气体的终温过高而造成润滑油失 效及其它安全问题，并使耗功过大。 同时，实际机器的容积效率也要随之 降低。而采用多级压缩、级间冷却的 工艺是获得较高压力的压缩气体一种 较好的手段。
2．压缩机运行时的压力 比增大，容积效率下 降。
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。
补充：余隙容积的影响
一、余隙容积
实际的活塞式压气机中，当 活塞处于左止点时，活塞顶面与 缸盖之间必须留有一定的空隙，
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。
采用两级压缩的原因 １.压缩机的输气系数λ大大降低，且当压缩比 ≥20时，λ＝0 。 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、高粘度的润滑油，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。