制冷技术 课件 第六章-双级和复叠式

第六章双级和复叠式蒸气压缩制冷第一节双级蒸气压缩制冷循环

一、概述空调用的制冷技术，单级压缩制冷就可满足，但在冷库制冷中，当结冻间的库房温度要求保持-23℃时，其蒸发温度必须达到-33℃左右。而单级压缩制冷其蒸发温度只能达到-25～-30℃左右，这是因为对活塞式压缩机来说，其压缩机的压力比Pk/Po不能太大。对R717其压力比Pk/Po≤8，对R12或R22其压力比Pk/Po≤10。对于R12和R22，其蒸发温度低于-30℃时将采用双级压缩制冷。双级压缩有双机双级压缩和单机双级压缩之分。所谓双机压缩是由两台不同的压缩机（即低压压缩机和高压压缩机）来完成双级压缩，而单机双级压缩是由一台压缩机上设有低压缸和高压缸来完成双级压缩的。

二、一次节流、完全中间冷却的双级压缩制冷循环（一）制冷循环过程双级压缩根据中间冷却器的工作原理不同，分为完全中间冷却的双级压缩和不完全中间冷却的双级压缩。氨系统一般用完全中间冷却的双级压缩，氟利昂系统用不完全中间冷却的双级压缩。氨系统完全中间冷却的双级压缩基本原理如下页图6-1所示。它的工作原理是：质量流量为MR1的氨液在蒸发器中吸热，制取冷量Ф0以后，以状态1吸入低压级压缩机（或单机双级压缩的低压缸）压缩到状态2，进入中间冷却器。状态2的过热蒸汽被来自膨胀阀的液体制冷剂在中间冷却器内冷却，冷却至饱和状态3，又进入了高压级压缩机（或单机双级压缩的高压缸）压缩至状态4，然后进入冷凝器，冷凝至饱和液态5。状态5的高压液体制冷剂分两路，一路流量为MR2经膨胀阀①节流至状态6，进入中间冷却器；另一路流量MR1经中间冷却器的盘管过冷至状态7，状态7的液体经膨胀阀②节流至状态8，然后进入蒸发器中蒸发吸热，吸收被冷却物体的热量，达到制冷目的。第一节双级蒸气压缩制冷循环图6-1一次节流、完全中间冷却的双级压缩制冷（a）工作流程（b）理论循环第一节双级蒸气压缩制冷循环

（二）热力计算这里需要指出的是，上述这种双级压缩制冷循环与单级压缩制冷循环有一点不同，就是流经各设备的制冷剂质量流量并不相等。流经膨胀阀②、蒸发器和低压压缩机的制冷剂流量为MR1，流经高压级压缩机和冷凝器的制冷剂质量流量为MR，也就是说，高压压缩机的质量流量为MR，低压压缩机的质量流量为MR1，它们的差值：MR–MR1=MR2。MR2就是通过膨胀阀①进入中间冷却器的质量流量。对于中间冷却器来说，流进的流量为MR1+MR2，流出的流量为MR。即

MR=MR1+MR2

（6‐1）因此，进行热力计算时必须首先计算出流经各设备的制冷剂质量流量，才能计算各级压缩机的耗功率、循环的制冷系数以及冷却器的热负荷等。第一节双级蒸气压缩制冷循环

当已知需要的制冷量为φ0，通过蒸发器的制冷剂质量流量MR1为

根据工作流程图6-1（a）可以看出，通过低压级压缩机的制冷剂流量，与通过膨胀阀②的流量相同，都是MR1。确定通过膨胀阀①的制冷剂流量MR2，是根据中间冷却器的热平衡方程来确定。一方面是来自低压级压缩机的排气完全冷却至饱和状态；另一方面从冷凝器出来的制冷剂通过中间冷却器盘管，液态制冷剂由状态5再冷至状态7，因此，中间冷却器的热平衡方程为：第一节双级蒸气压缩制冷循环

由于h5=h6,h7=h8，所以高压级压缩机吸入的饱和蒸气量为

则低压级压缩机的理论耗功率Pth1为第一节双级蒸气压缩制冷循环

高压级压缩机的理论耗功率Pth2为双级蒸气压缩制冷循环的理论总耗功率为双级蒸气压缩制冷循环的理论制冷系数为第一节双级蒸气压缩制冷循环

【例题6-1】双级氨压缩制冷循环，如图6-1，蒸发温度为-40℃，P0=0.07171MPa，冷凝温度为30℃，PK=1.16693MPa，冷凝器出口为饱和液。中间压力P=φ，饱和温度为-10.1℃。如果蒸发器出口为饱和蒸气（一般制冷剂为氨时，压缩机吸入的蒸气应有5～8℃的过热度，但希望不低于-40℃），t7=-5℃(一般t7比t6高5～8℃)，求该循环的理论制冷系数。【解】利用R717lgP-h图可查出

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

其理论制冷系数，根据公式（6-8）计算如下：

（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第一节双级蒸气压缩制冷循环

（三）双级压缩氨制冷系统图6-2所示为冷藏库中采用的双级压缩氨制冷系统图，其工艺流程为：低压级压缩机→中间冷却器→高压级压缩机→氨油分离器→冷凝器→高压贮液器→调节站→中间冷却器盘管→氨液过滤器→浮球膨胀阀→气液分离器→氨液过滤器→氨泵→供液调节站→蒸发排管→回气调节站→气液分离器→低压级压缩机。第一节双级蒸气压缩制冷循环

图6-2冷藏库用的双级压缩氨制冷系统图1—低压级压缩机2—中间冷却器3—高压级压缩机4—氨油分离器5—冷凝器6—高压贮液器7—调节阀8—气液分离器9—氨泵10—蒸发排管（或冷风机）11—排液桶12—集油器13—空气分离器第一节双级蒸气压缩制冷循环

三、一次节流，不完全中间冷却的双级压缩制冷循环（一）制冷循环过程氟利昂系统用不完全中间冷却的双级压缩，是希望压缩机吸气的过热度大一些，这样，即能改善压缩机的运行性能，又能改善制冷循环的热力性能。氟利昂系统用的不完全中间冷却的双级压缩的基本原理如图6-3所示图6-3一次节流、不完全中间冷却的双级压缩制冷（a）工作流程（b）理论循环第一节双级蒸气压缩制冷循环

不完全中间冷却的双级压缩与完全中间冷却的双级压缩主要区别是：低压级压缩机的排气不在中间冷却器中冷却，而是与中间冷却器中产生的饱和蒸气在管路中混合后再进入高压级压缩机中。系统中还设有回热器，使低压蒸气与高压液体进行热交换。保证低压级压缩机吸气的过热度。一般，低压级压缩机吸气过热度可取20~50℃。使循环系统中t7比t6高5~8℃。（二）热力计算这种循环在进行热力计算时，首先要确定高压级压缩机的吸气状态点3，状态点3是由状态点2和状态3’这两种状态混合而成，因此热平衡方程为第一节双级蒸气压缩制冷循环

低压级压缩机的制冷剂质量流量为

通过膨胀阀①进入中间冷却器的制冷剂质量流量MR2，可根据中间冷却器热平衡方程式确定。

通过高压级压缩机的制冷剂质量流量为第一节双级蒸气压缩制冷循环将公式（6-10），（6-13）代入（6-9）得出则低压级压缩机的理论耗功率Pth1为高压级压缩机的理论耗功率Pth2为第一节双级蒸气压缩制冷循环因此，这种制冷循环压缩机的理论总耗功率Pth为而理论制冷系数为第一节双级蒸气压缩制冷循环

（三）双级压缩氟里昂制冷系统图6-4为双级压缩氟里昂制冷系统图。由高、低压压缩机组成双机双级系统，主要设备有：低压级压缩机、高压级压缩机、KL—40型空气冷却器（即蒸发器）、气液交换器、中间冷却器、电磁阀和热力膨胀阀等组成。图6-4DS-3型氟里昂两级压缩低温制冷系统图

第一节双级蒸气压缩制冷循环

四、选择压缩机时中间压力的确定在设计双级压缩制冷系统时，选定适宜的中间压力，可以获得最佳的运行经济性。所以，应按运行经济性来确定中间压力，这个中间压力称为最佳中间压力。此时，中间压力的计算公式为

此中间压力值使双级压缩机所消耗的总功为最小值，但是制冷剂气体不是理想气体，而且高低压级压缩机吸气温度不同和吸入气体的重量也不相等，所以应对公式（6-19）进行修正。

(6-20)

式中φ—与制冷剂性质有关的修正系数。第一节双级蒸气压缩制冷循环

从实际试验结果得出：在相同压力比时，低压级压缩机的输气系数要比高压级小，而且当蒸发温度愈低，吸气压力愈小时，输气系数降低愈大。所以为了提高低压级压缩机的输气系数以获得较大的制冷量，通常对低压级压缩机的压力比取得小些。实际情况表明最佳中间压力值的确定与许多因素有关，不仅希望双级压缩机的气缸总容积为最小值，而且应使双级压缩机的实际制冷系数为最大值，这样可缩小压缩机的结构尺寸，提高经济性。同时还要求高压级压缩机的排气温度适当低些，以改善压缩机的润滑性能。综合以上的要求，修正系数推荐取下列数值。

R22

=0.9~0.95R717

=0.95~1.0第一节双级蒸气压缩制冷循环

五、中间冷却器中间冷却器可分完全中间冷却和不完全中间冷却两种，如图6-5所示图6-5中间冷却器示意图（a）完全中间冷却器（b）不完全中间冷却器第一节双级蒸气压缩制冷循环第二节复叠式蒸气压缩制冷循环

据前面所述，受到制冷剂本身物理性质的限制，两级压缩制冷装置所能达到最低的蒸发温度也是有一定限度的。所以，R12或R22以及R717作为制冷制，能够达到的最低蒸发温度有一定限度，这是因为：

1)蒸发温度降低必须有较低的蒸气压力，随着蒸发温度的降低而制冷剂的比容要增大。单位容积制冷能力大为降低，则低压气缸的尺寸也就大大增加。

2)蒸发温度太低，相应的蒸发压力也很低。例如，R717t0=-65℃，P0=0.01564MPa；R12t0=-67℃，P0=0.0149MPa；R22t0=-75℃，P0=0.0149MPa；实际上在活塞式压缩机达到上述蒸发压力时，致使压缩机气缸的吸气阀不能正常工作，同时不可避免地会有空气漏入制冷系统内。

3)蒸发温度必须高于制冷剂的凝固点，否则制冷剂无法进行循环，例如，氨的凝固温度为-77℃，不能制取更低的温度。从以上分析，为了获得低于-60~-70℃的温度，就不宜采用氨等作为制冷剂，而是采用两种制冷剂串级制冷的复叠式制冷。

一、复叠式蒸气制冷装置的工作原理图6-6是复叠式蒸气压缩制冷的工作流程图。是由两个单级压缩机系统组成的复叠式制冷装置的原理图；左端为高温级制冷循环，制冷剂为R22；右端为低温级制冷循环，制冷剂为R13。蒸发冷凝器既是高温级循环的蒸发器，又是低温级的冷凝器。靠高温级制冷剂的蒸发，吸收低温级制冷剂的气化潜热。在确定复叠式蒸气压缩制冷循环时，为了保证R13的冷凝，则要求高温级R22制冷循环的蒸发温度低于低温级的冷凝温度，一般低3~5℃。图6-6复叠式蒸气压缩制冷原理图

第二节复叠式蒸气压缩制冷循环

当蒸发温度为-80~-100℃时，高温级应采用双级制冷，低温级采用单级来复叠。如果是蒸发温度为-100℃，低温级应采用双级，高温级采用单级来复叠。只有蒸发温度在-60℃~-80℃，高温级与低温级都采用单级来复叠。表6-1复叠式蒸气压缩制冷的使用温度范围温度范围/oC采用的制冷剂与制冷循环-60～80R22与R13复叠-80～-100R22双级与R13