2.4双级压缩和复叠式制冷.ppt

第二章制冷方法及原理 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 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 这主要是由于压缩机压缩比不能过大的原因造成的 2 关于压缩比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 3 压缩比过大带来的问题 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 压缩机几乎不能吸气 从而失去制冷能力 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 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 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 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 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 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 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 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 三 各种形式的双级压缩制冷循环 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种 一级节流中间完全冷却的双级压缩制冷循环 一级节流中间不完全冷却的双级压缩制冷循环 一级节流中间不冷却的双级压缩制冷循环 二级节流中间完全冷却的双级压缩制冷循环 二级节流中间不完全冷却的双级压缩制冷循环 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 S图也请同学们自己画一下 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 S图 一级节流中间不冷却的双级压缩制冷循环 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 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 二级节流中间完全冷却的双级压缩制冷循环 二级节流中间不完全冷却的双级压缩制冷循环 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 所以一次节流循环的制冷系数略少于二次节流 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 便于操作 有利于制冷系统的安全运行 五 采用复叠式制冷循环的原因 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 则上述问题可以解决 但是低温制冷剂临界温度太低 无法在常温下液化 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 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 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 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 复叠式制冷循环应用中的一些问题 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