制冷原理与装置-两级压缩、复叠式.ppt

第四章两级压缩和复叠制冷循环学习要点 1 掌握两种两级压缩一级节流循环的工作原理及其热力过程在T S图和lgp h图上的表示 2 掌握两级压缩一级节流制冷循环的性能指标计算 3 掌握带氨泵的两级压缩一级节流中间完全冷却制冷循环的工作原理 4 掌握两级压缩制冷循环运行特性分析及中间压力的确定 5 掌握两级复叠制冷循环的工作原理及其热力过程在T S图和lgp h图上的表示 6 掌握三级复叠制冷循环的工作原理 7 掌握复叠式制冷循环性能指标计算 8 掌握复叠式制冷循环系统运行特性分析 第一节概述为获得低温而采取两级压缩或复叠制冷循环 主要有两方面原因 1 单级压缩蒸气制冷循环压比的限制在冷凝温度一定的条件下 蒸发温度越低 其循环的压比越大 压缩机输气系数越小 制冷量也越小 单级压缩蒸气制冷循环压比一般不超过8 10 不同冷凝温度下 在允许压比范围的最大值时 常用的中温制冷剂一般只能获得 20 40 的低温 2 制冷剂热物理特性的限制由于制冷剂有高温制冷剂 中温制冷剂和低温制冷剂之分 各种制冷剂又具有不同的热物理特性 例如中温制冷剂R717 其标准蒸发温度 凝固温度 临界温度 临界压力 因而它不适于以下范围 即使是用于 33 35 77 7 的制冷循环 也会因蒸发压力低于大气压力而使空气漏入系统的机会增加 同时过低的会影响到往复活塞式压缩机气阀的自动开闭特性 偏离设计范围 当吸气压力在10 16kpa时 压缩机难以正常工作 若采用低温制冷剂R23 在相同的下 其蒸发压力可得到较大的提高 制冷剂也不会出现凝固的可能 但是 通常以水和空气为冷却介质的单级压缩蒸气制冷循环 一般在30 60 之间 在这种情况下势必会造成R23超临界循环 其制冷系统内压力将远远超过允许的1 6Mpa安全压力 这种采用低温制冷剂的单级压缩蒸气制冷循环是根本无法运行 由此可以得出结论 要获取 60 以上的低温 采用中温制冷剂的两级压缩制冷循环 可使压缩机压比减小 工作效率提高 当需要获取 60 以下的低温时 应采用中温制冷剂与低温制冷剂复叠的制冷循环 一般 两个单级压缩制冷循环复叠用于获取低温 三个单级压缩制冷循环复叠用于获低温 第二节两级压缩一级节流循环一 两级压缩一级节流中间不完全冷却制冷循环1 系统的组成 由低压级压缩机 高压级压缩机 冷凝器 中间冷却器 节流阀 蒸发器和回热器组成 A 低压级压缩机B 高压级压缩机C 水冷冷凝器D 节流阀E 中间冷却器F 回热器G 蒸发器 2 循环热力过程在T S图和lgp h图上的表示 1 2和3 4过程分别表示低压级和高压级压缩机的压缩过程 2 3表示低压级排气在管道内的冷却过程 点3为低压级排气与中间冷却器出来的蒸气混合的状态 即高压级压缩机的吸气状态 4 5为冷凝器的冷凝过程 5 6为出冷凝器的部分高压液体在中间冷却器的过冷过程 5 9为出冷凝器的另一部分高压液体进中间冷却器前的节流过程 9 10为中间冷却器内制冷剂的蒸发过程 6 7为出中间冷却器的高压液体在回热器的过冷过程 7 8表示由回热器出来的有一定过冷度的制冷剂液体进入蒸发器前的节流过程 8 0表示制冷剂在蒸发器内的蒸发 制冷 过程 0 1表示从蒸发器出来的制冷剂蒸气在回热器中的复热过程 点1为低压级压缩机的吸气状态 二 两级压缩一级节流中间完全冷却制冷循环1 循环系统图 2 循环热力过程在T S图和lgp h图上的表示 1 2和3 4为低压级和高压级的压缩机压缩过程 2 3为低压级压缩机排气在中间冷却器内的冷却过程 4 5为高压级压缩机排气在冷凝器内的冷却和冷凝过程 5 7为中间冷却器节流阀的节流过程 7 3为部分制冷剂液体在中间冷却器内的蒸发过程 点3为中间冷却器内的蒸气与低压级压缩机排出的过热蒸气进行热交换后的混合状态 5 8为另一部分制冷剂液体在中间冷却盘管内过冷的过程 8 9为过冷液体的节流过程 9 0为制冷剂液体在蒸发器内的蒸发过程 0 1为制冷剂蒸气在低压级压缩机吸气管中的过热过程 中间冷却器盘管中高压液体过冷后的温度一般应较中间冷却器温度高 三 两级压缩一级节流制冷循环的性能指标计算 一 一级节流中间不完全冷却循环性能指标计算蒸发器中的单位制冷量 单位为kj kg 低压级压缩机单位理论功 单位为kw 二 中间完全冷却循环的性能指标计算中间完全冷却循环性能指标的计算方法 与中间不完全冷却循环基本相同 但由于中间冷却器结构有所不同 引起高压级流量及其吸气状态的计算方法存在一定差异 式中 为高压级压缩机输气系数 为高压级压缩机绝热效率 为高压级压缩机吸气比体积 循环的冷凝热负荷为 式中 为高压级压缩机实际排气比焓值 为高压级压缩机指示效率 三 带氨泵的两级压缩一级节流中间完全冷却制冷循环 1 循环系统图A 低压级压缩机B 高压级压缩机C 水冷冷凝器D 中间冷却器E 蒸发器F 低压贮液器G 节流阀M 电磁阀P 氨泵H 低压贮液器与氨泵的位差 2 热力过程在lgp h图上的表示 点9为低压贮液器中饱和液体状态 点1为其中的饱和蒸气状态 9 10为氨泵对饱和液体的加压过程 为低压饱和液体进入蒸发器的闪发过程 为1 n低压液体在蒸发器内的吸热制冷过程 n是氨液的循环倍率 氨泵流量 低压级压缩机流量 对工况稳定的下进上出供液系统 其氨泵功率 单位为kw 为 第三节两级压缩制冷循环运行特性分析一 中间压力的确定 的最大值 并自动选定最佳中间压力 3 经验公式法实际工程建设中 由于制冷压缩机生产的系列化 往往是通过在已有的系列压缩机产品中进行选配来组成两级压缩制冷循环 一般有以下两种情况 1 在现有产品中选配合适的高压级和低压级制冷压缩机 2 用一台多缸制冷压缩机配成两级压缩制冷循环 确定高压级和低压级应有的气缸数目 这种压缩机通常称做单机双级制冷压缩机 对于第一种情况 采用制冷系数最大的原则 求取最佳中间压力 然后按所求得的循环热力计算结果 在已有的产品系列中 选择合适的压缩机 二 运行特性分析 一 变工况特性R717两级压缩一级节流中间完全冷却循环 在条件下运行的工作压力与之间的关系 1 当上升时 和随之上升 而且的升高率大于升高率 在升达某一边界值 图中 时 从这一温度开始高压级压缩机将不起压缩作用 2 上升时值逐渐减小 而值先逐渐增大 到时 达到最大值 然后又逐渐减小 在时低压级压缩机出现最大功率值 3 当时 高压级压缩机出现最大功率 由此可以确定高压级压缩机的电机功率配备问题 第四节复叠式制冷循环 一 复叠式制冷循环的类型及其组成 一 两级复叠制冷循环 1 复叠制冷循环系统图A 低温级压缩机B 高温级压缩机C 油分离器D 水冷冷凝器E 冷凝蒸发器F 过滤器G 回热器H 电磁阀I 热力膨胀阀J 蒸发器K 低温室W 膨胀容器V 截止阀R 减压阀S 低压级排气冷却器 2 循环过程在lgp h图上的表示 该循环系统高温级制冷剂为R22 低温级制冷剂为R13 高温级和低温级工况分别为和 蒸发器工作的低温室内得到的低温为高温级制冷循环为低温级制冷循环为0 1 2 3 4 5 0 冷凝蒸发器作为R13冷凝和R22蒸发的热交换设备 传热 温差的选取范围为 一般取 高低温级分别设回热器目的在于增大循环的单位制冷量和提高压缩机吸气温度 改善压缩机的工作条件 低温级压缩机排气管设置套管式水冷却器 旨在降低其排气温度 减少冷凝蒸发器中的冷凝热负荷 即减少高温级循环的制冷量 膨胀容器的设置 对保证低温级系统避免超压和安全顺利的启动运行有重要意义 两部分分设的油分离器 可以有效地防止润滑油进入热交换器 减小传热热阻 二 三级复叠制冷循环工作原理图 A 低温级压缩机B 低温级压缩机C 高温级压缩机D 水冷冷凝器E 冷凝蒸发器F 蒸发器G 低温室H 热力膨胀阀V 截止阀 三级复叠式制冷循环天然气液化装置原理图使用三台离心式制冷机 它们各自拥有一个封闭式循环系统 分别以丙烷 乙烯和甲烷作为制冷剂 其中丙烷循环系统提供两个温度级 约左右 的冷量冷却天然气 乙烯循环系统提供三个温度级 110 左右 的冷量 用以液化天然气 甲烷循环系统提供三个温度级 约 160 左右 以过冷液化天然气 过冷后的天然气液体闪蒸到大气压力后输入到贮槽中 四 由两级和单级构成的复叠循环图4 12所示的是 100 两级和单级复叠制冷循环的工作原理 作为高温级的两级压缩循环以R22为制冷剂 低温级以R13为制冷剂 高温级为两级压缩一级节流中间不完全冷却循环系统 由冷凝蒸发器将单级循环连接起来 构成一个完全可以取代三级复叠制冷装置 其工况条件为 最后得到低温环境室 100 的低温 二 复叠式制冷循环性能指标计算复叠式制冷循环性能指标的计算与单级压缩或两级压缩制冷循环计算方法基本相同 仅仅是在高温级和低温级制冷剂循环量的计算中应考虑换热器及其连接管道的冷损失造成的影响 例如低温级制冷剂循环量 单位为kg s 式中 为低温级设计冷负荷 单位为kw 为蒸发器 回热器及连接管道等的冷损失 单位为kw 同理 高温级制冷剂循环量 单位为kg s 三 复叠式制冷循环系统运行特性 一 两级复叠制冷循环中间温度的确定两级复叠制冷循环中间温度的确定 实际意义在于选定冷凝蒸发器的工作参数 原则上有两个方面的考虑 1 使循环的制冷系数最大 2 各级压缩机的压比大至相等 前者体现了设计参数的经济性原则 后者涉及到压缩机气缸容积利用率的提高 二 复叠式制冷循环的应用温度范围确定某种型式的循环系统的使用温度范围 通常有两条原则 1 它所能达到的最低温度 2 循环的经济性 例如要想得到以下的低温 仅使用单一制冷剂的循环显然难以实现 必须要采用复叠式循环系统 在从理论循环分析 复叠式制冷装置的冷凝蒸发器存在着由传热温差引起的不可逆损失 使循环的经济性有所降低 其次温度调节范围偏小 系统也比较复杂 但是 系统中各压缩机工作压力范围比较适中 压比相近 使低温级压缩机输气量减少 输气系数及指示效率均得以提高 尤其摩擦功率大为减小 实际制冷系数比相同工况下两级压缩循环要高 系统内也能保持正压运行 利于防止空气渗入系统 保证装置能稳定运行 因此 对于大型的低温环境试验装置和工业用低温装置 从经济性和工作可靠性考虑 宜采用复叠式制冷循环 而温度调节范围较宽的小型低温装置 拟采用两级压缩制冷循环为好 三 制冷剂的选择与使用 四 循环型式 工作参数与变工况特性循环型式 1 两个单级压缩或三个单级压缩复叠组成的循环 2 高温级为两级压缩 低温级为单级压缩组成的循环 3 高温级为单级压缩 低温级为两级压缩组成的循环蒸发温度在范围时 一般采用两个单级压缩组成的复叠制冷循环 其蒸发温度上限可以调节到 若需要的蒸发温度 以氟利昂作为制冷剂时 可以两级压缩作为高温级 以便使高压级 低压级的压比与低温级压比相近 压缩机的效率提高 循环的制冷系数达到最大 而且在变工况条件下 蒸发温度上限可达到 与两个单级压缩组成的复叠循环系统相比较 因其蒸发温度低达 使蒸发温度的调节范围增加一倍 若采用低温级为两级压缩的复叠式循环 虽然蒸发温度也可以低达 但其蒸发温度上限只能达到 相比之下的变工况特性不及前者 只有在压缩机具有输气量调节机构的情况下 蒸发温度的可调范围才会有所增大 五 提高复叠制冷循环性能指标的措施1 合理的温差取值 蒸发器的传热温差一般不大于冷凝蒸发器传热温差一般为 通常取2 设置低温级排气冷却器 其目的在于减少冷凝蒸发器热负荷 提高循环效率 3 采用气一气热交换器 提高低温级压缩机的吸气温度 达到降低压缩机排气压力 减少吸气比容 改善压缩机工作条件 减小冷凝蒸发器热负荷 4 设置气一液热交换器 回热器 它是用蒸发器出来的低温蒸气过冷节流阀前的制冷剂液体 使循环的单位制冷量增加 同时增加压缩机的吸气过热 改善了压缩机工作条件 一般在循环系统的高温级和低温级都需要设置回热器 5 低温级设置膨胀容器 以便于系统停机后大部分低温制冷剂进入膨胀容器 避免系统内压力过度升高 6 复叠式制冷系统的启动特性鉴于低温级系统停机时 制冷剂处于超临界状态的特点 装置启动时 应先启动高温级 使低温级制冷剂在冷凝蒸发器内得以冷凝 促使低温级