制冷技術(shù) 課件 第六章-雙級(jí)和復(fù)疊式

第六章雙級(jí)和復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

一、概述空調(diào)用的制冷技術(shù)，單級(jí)壓縮制冷就可滿足，但在冷庫制冷中，當(dāng)結(jié)凍間的庫房溫度要求保持-23℃時(shí)，其蒸發(fā)溫度必須達(dá)到-33℃左右。而單級(jí)壓縮制冷其蒸發(fā)溫度只能達(dá)到-25～-30℃左右，這是因?yàn)閷钊綁嚎s機(jī)來說，其壓縮機(jī)的壓力比Pk/Po不能太大。對R717其壓力比Pk/Po≤8，對R12或R22其壓力比Pk/Po≤10。對于R12和R22，其蒸發(fā)溫度低于-30℃時(shí)將采用雙級(jí)壓縮制冷。雙級(jí)壓縮有雙機(jī)雙級(jí)壓縮和單機(jī)雙級(jí)壓縮之分。所謂雙機(jī)壓縮是由兩臺(tái)不同的壓縮機(jī)（即低壓壓縮機(jī)和高壓壓縮機(jī)）來完成雙級(jí)壓縮，而單機(jī)雙級(jí)壓縮是由一臺(tái)壓縮機(jī)上設(shè)有低壓缸和高壓缸來完成雙級(jí)壓縮的。

二、一次節(jié)流、完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)（一）制冷循環(huán)過程雙級(jí)壓縮根據(jù)中間冷卻器的工作原理不同，分為完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮和不完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮。氨系統(tǒng)一般用完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮，氟利昂系統(tǒng)用不完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮。氨系統(tǒng)完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮基本原理如下頁圖6-1所示。它的工作原理是：質(zhì)量流量為MR1的氨液在蒸發(fā)器中吸熱，制取冷量Ф0以后，以狀態(tài)1吸入低壓級(jí)壓縮機(jī)（或單機(jī)雙級(jí)壓縮的低壓缸）壓縮到狀態(tài)2，進(jìn)入中間冷卻器。狀態(tài)2的過熱蒸汽被來自膨脹閥的液體制冷劑在中間冷卻器內(nèi)冷卻，冷卻至飽和狀態(tài)3，又進(jìn)入了高壓級(jí)壓縮機(jī)（或單機(jī)雙級(jí)壓縮的高壓缸）壓縮至狀態(tài)4，然后進(jìn)入冷凝器，冷凝至飽和液態(tài)5。狀態(tài)5的高壓液體制冷劑分兩路，一路流量為MR2經(jīng)膨脹閥①節(jié)流至狀態(tài)6，進(jìn)入中間冷卻器；另一路流量MR1經(jīng)中間冷卻器的盤管過冷至狀態(tài)7，狀態(tài)7的液體經(jīng)膨脹閥②節(jié)流至狀態(tài)8，然后進(jìn)入蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，吸收被冷卻物體的熱量，達(dá)到制冷目的。第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)圖6-1一次節(jié)流、完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷（a）工作流程（b）理論循環(huán)第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

（二）熱力計(jì)算這里需要指出的是，上述這種雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)與單級(jí)壓縮制冷循環(huán)有一點(diǎn)不同，就是流經(jīng)各設(shè)備的制冷劑質(zhì)量流量并不相等。流經(jīng)膨脹閥②、蒸發(fā)器和低壓壓縮機(jī)的制冷劑流量為MR1，流經(jīng)高壓級(jí)壓縮機(jī)和冷凝器的制冷劑質(zhì)量流量為MR，也就是說，高壓壓縮機(jī)的質(zhì)量流量為MR，低壓壓縮機(jī)的質(zhì)量流量為MR1，它們的差值：MR–MR1=MR2。MR2就是通過膨脹閥①進(jìn)入中間冷卻器的質(zhì)量流量。對于中間冷卻器來說，流進(jìn)的流量為MR1+MR2，流出的流量為MR。即

MR=MR1+MR2

（6‐1）因此，進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)必須首先計(jì)算出流經(jīng)各設(shè)備的制冷劑質(zhì)量流量，才能計(jì)算各級(jí)壓縮機(jī)的耗功率、循環(huán)的制冷系數(shù)以及冷卻器的熱負(fù)荷等。第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

當(dāng)已知需要的制冷量為φ0，通過蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量MR1為

根據(jù)工作流程圖6-1（a）可以看出，通過低壓級(jí)壓縮機(jī)的制冷劑流量，與通過膨脹閥②的流量相同，都是MR1。確定通過膨脹閥①的制冷劑流量MR2，是根據(jù)中間冷卻器的熱平衡方程來確定。一方面是來自低壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣完全冷卻至飽和狀態(tài)；另一方面從冷凝器出來的制冷劑通過中間冷卻器盤管，液態(tài)制冷劑由狀態(tài)5再冷至狀態(tài)7，因此，中間冷卻器的熱平衡方程為：第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

由于h5=h6,h7=h8，所以高壓級(jí)壓縮機(jī)吸入的飽和蒸氣量為

則低壓級(jí)壓縮機(jī)的理論耗功率Pth1為第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

高壓級(jí)壓縮機(jī)的理論耗功率Pth2為雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)的理論總耗功率為雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)的理論制冷系數(shù)為第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

【例題6-1】雙級(jí)氨壓縮制冷循環(huán)，如圖6-1，蒸發(fā)溫度為-40℃，P0=0.07171MPa，冷凝溫度為30℃，PK=1.16693MPa，冷凝器出口為飽和液。中間壓力P=φ，飽和溫度為-10.1℃。如果蒸發(fā)器出口為飽和蒸氣（一般制冷劑為氨時(shí)，壓縮機(jī)吸入的蒸氣應(yīng)有5～8℃的過熱度，但希望不低于-40℃），t7=-5℃(一般t7比t6高5～8℃)，求該循環(huán)的理論制冷系數(shù)?！窘狻坷肦717lgP-h圖可查出

h1=1707.70kJ/kg，h2=1889.41kJ/kg，h3=1749.72kJ/kg，h4=1948.12kJ/kg(t4=90.29℃)，h5=h6=639.01kJ/kg，h7=h8=477.22kJ/kg

其理論制冷系數(shù)，根據(jù)公式（6-8）計(jì)算如下：

（h3–h6）（h1–h7）

εth=———————————————————

（h3–h6）（h2–h1）+（h2–h7）（h4–h3）

（1749.72–639.01）（1707.70–477.22）

=———————————————————————————————————

（1749.72–639.01）（1889.41–1707.70）+（1889.41–477.22）（1948.12–1749.72）

=2.835第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

（三）雙級(jí)壓縮氨制冷系統(tǒng)圖6-2所示為冷藏庫中采用的雙級(jí)壓縮氨制冷系統(tǒng)圖，其工藝流程為：低壓級(jí)壓縮機(jī)→中間冷卻器→高壓級(jí)壓縮機(jī)→氨油分離器→冷凝器→高壓貯液器→調(diào)節(jié)站→中間冷卻器盤管→氨液過濾器→浮球膨脹閥→氣液分離器→氨液過濾器→氨泵→供液調(diào)節(jié)站→蒸發(fā)排管→回氣調(diào)節(jié)站→氣液分離器→低壓級(jí)壓縮機(jī)。第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

圖6-2冷藏庫用的雙級(jí)壓縮氨制冷系統(tǒng)圖1—低壓級(jí)壓縮機(jī)2—中間冷卻器3—高壓級(jí)壓縮機(jī)4—氨油分離器5—冷凝器6—高壓貯液器7—調(diào)節(jié)閥8—?dú)庖悍蛛x器9—氨泵10—蒸發(fā)排管（或冷風(fēng)機(jī)）11—排液桶12—集油器13—空氣分離器第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

三、一次節(jié)流，不完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)（一）制冷循環(huán)過程氟利昂系統(tǒng)用不完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮，是希望壓縮機(jī)吸氣的過熱度大一些，這樣，即能改善壓縮機(jī)的運(yùn)行性能，又能改善制冷循環(huán)的熱力性能。氟利昂系統(tǒng)用的不完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮的基本原理如圖6-3所示圖6-3一次節(jié)流、不完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷（a）工作流程（b）理論循環(huán)第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

不完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮與完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮主要區(qū)別是：低壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣不在中間冷卻器中冷卻，而是與中間冷卻器中產(chǎn)生的飽和蒸氣在管路中混合后再進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)中。系統(tǒng)中還設(shè)有回?zé)崞?，使低壓蒸氣與高壓液體進(jìn)行熱交換。保證低壓級(jí)壓縮機(jī)吸氣的過熱度。一般，低壓級(jí)壓縮機(jī)吸氣過熱度可取20~50℃。使循環(huán)系統(tǒng)中t7比t6高5~8℃。（二）熱力計(jì)算這種循環(huán)在進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)，首先要確定高壓級(jí)壓縮機(jī)的吸氣狀態(tài)點(diǎn)3，狀態(tài)點(diǎn)3是由狀態(tài)點(diǎn)2和狀態(tài)3’這兩種狀態(tài)混合而成，因此熱平衡方程為第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

低壓級(jí)壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量為

通過膨脹閥①進(jìn)入中間冷卻器的制冷劑質(zhì)量流量MR2，可根據(jù)中間冷卻器熱平衡方程式確定。

通過高壓級(jí)壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量為第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)將公式（6-10），（6-13）代入（6-9）得出則低壓級(jí)壓縮機(jī)的理論耗功率Pth1為高壓級(jí)壓縮機(jī)的理論耗功率Pth2為第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)因此，這種制冷循環(huán)壓縮機(jī)的理論總耗功率Pth為而理論制冷系數(shù)為第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

（三）雙級(jí)壓縮氟里昂制冷系統(tǒng)圖6-4為雙級(jí)壓縮氟里昂制冷系統(tǒng)圖。由高、低壓壓縮機(jī)組成雙機(jī)雙級(jí)系統(tǒng)，主要設(shè)備有：低壓級(jí)壓縮機(jī)、高壓級(jí)壓縮機(jī)、KL—40型空氣冷卻器（即蒸發(fā)器）、氣液交換器、中間冷卻器、電磁閥和熱力膨脹閥等組成。圖6-4DS-3型氟里昂兩級(jí)壓縮低溫制冷系統(tǒng)圖

第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

四、選擇壓縮機(jī)時(shí)中間壓力的確定在設(shè)計(jì)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)時(shí)，選定適宜的中間壓力，可以獲得最佳的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。所以，應(yīng)按運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性來確定中間壓力，這個(gè)中間壓力稱為最佳中間壓力。此時(shí)，中間壓力的計(jì)算公式為

此中間壓力值使雙級(jí)壓縮機(jī)所消耗的總功為最小值，但是制冷劑氣體不是理想氣體，而且高低壓級(jí)壓縮機(jī)吸氣溫度不同和吸入氣體的重量也不相等，所以應(yīng)對公式（6-19）進(jìn)行修正。

(6-20)

式中φ—與制冷劑性質(zhì)有關(guān)的修正系數(shù)。第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

從實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果得出：在相同壓力比時(shí)，低壓級(jí)壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)要比高壓級(jí)小，而且當(dāng)蒸發(fā)溫度愈低，吸氣壓力愈小時(shí)，輸氣系數(shù)降低愈大。所以為了提高低壓級(jí)壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)以獲得較大的制冷量，通常對低壓級(jí)壓縮機(jī)的壓力比取得小些。實(shí)際情況表明最佳中間壓力值的確定與許多因素有關(guān)，不僅希望雙級(jí)壓縮機(jī)的氣缸總?cè)莘e為最小值，而且應(yīng)使雙級(jí)壓縮機(jī)的實(shí)際制冷系數(shù)為最大值，這樣可縮小壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，提高經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)還要求高壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度適當(dāng)?shù)托?，以改善壓縮機(jī)的潤滑性能。綜合以上的要求，修正系數(shù)推薦取下列數(shù)值。

R22

=0.9~0.95R717

=0.95~1.0第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

五、中間冷卻器中間冷卻器可分完全中間冷卻和不完全中間冷卻兩種，如圖6-5所示圖6-5中間冷卻器示意圖（a）完全中間冷卻器（b）不完全中間冷卻器第一節(jié)雙級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)第二節(jié)復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán)

據(jù)前面所述，受到制冷劑本身物理性質(zhì)的限制，兩級(jí)壓縮制冷裝置所能達(dá)到最低的蒸發(fā)溫度也是有一定限度的。所以，R12或R22以及R717作為制冷制，能夠達(dá)到的最低蒸發(fā)溫度有一定限度，這是因?yàn)椋?/p>

1)蒸發(fā)溫度降低必須有較低的蒸氣壓力，隨著蒸發(fā)溫度的降低而制冷劑的比容要增大。單位容積制冷能力大為降低，則低壓氣缸的尺寸也就大大增加。

2)蒸發(fā)溫度太低，相應(yīng)的蒸發(fā)壓力也很低。例如，R717t0=-65℃，P0=0.01564MPa；R12t0=-67℃，P0=0.0149MPa；R22t0=-75℃，P0=0.0149MPa；實(shí)際上在活塞式壓縮機(jī)達(dá)到上述蒸發(fā)壓力時(shí)，致使壓縮機(jī)氣缸的吸氣閥不能正常工作，同時(shí)不可避免地會(huì)有空氣漏入制冷系統(tǒng)內(nèi)。

3)蒸發(fā)溫度必須高于制冷劑的凝固點(diǎn)，否則制冷劑無法進(jìn)行循環(huán)，例如，氨的凝固溫度為-77℃，不能制取更低的溫度。從以上分析，為了獲得低于-60~-70℃的溫度，就不宜采用氨等作為制冷劑，而是采用兩種制冷劑串級(jí)制冷的復(fù)疊式制冷。

一、復(fù)疊式蒸氣制冷裝置的工作原理圖6-6是復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷的工作流程圖。是由兩個(gè)單級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)組成的復(fù)疊式制冷裝置的原理圖；左端為高溫級(jí)制冷循環(huán)，制冷劑為R22；右端為低溫級(jí)制冷循環(huán)，制冷劑為R13。蒸發(fā)冷凝器既是高溫級(jí)循環(huán)的蒸發(fā)器，又是低溫級(jí)的冷凝器?？扛邷丶?jí)制冷劑的蒸發(fā)，吸收低溫級(jí)制冷劑的氣化潛熱。在確定復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán)時(shí)，為了保證R13的冷凝，則要求高溫級(jí)R22制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度低于低溫級(jí)的冷凝溫度，一般低3~5℃。圖6-6復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷原理圖

第二節(jié)復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán)

當(dāng)蒸發(fā)溫度為-80~-100℃時(shí)，高溫級(jí)應(yīng)采用雙級(jí)制冷，低溫級(jí)采用單級(jí)來復(fù)疊。如果是蒸發(fā)溫度為-100℃，低溫級(jí)應(yīng)采用雙級(jí)，高溫級(jí)采用單級(jí)來復(fù)疊。只有蒸發(fā)溫度在-60℃~-80℃，高溫級(jí)與低溫級(jí)都采用單級(jí)來復(fù)疊。表6-1復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷的使用溫度范圍溫度范圍/oC采用的制冷劑與制冷循環(huán)-60～80R22與R13復(fù)疊-80～-100R22雙級(jí)與R13