制冷与低温技术原理-第3章-蒸气压缩式制冷-多级蒸气压缩制冷循环

制冷与低温技术原理第

3章蒸气压缩式制冷---多级蒸气压缩制冷循环采用多级压缩的必要性受压缩机单级压力比的限制；受制冷剂热物理性质的限制。压缩比增大，压缩机的输气系数大为降低，其输气量和容积效率显著降低；压缩机的排气温度过高，润滑条件恶化；制冷剂节流损失增加，使制冷量,制冷系数均下降。3.4多级蒸气压缩制冷循环对往复式压缩机的影响压缩机排气温度：R717<150℃，R22<115℃单级压缩压力比PK/P0：NH3<8，Freon<10单级压力比和排气温度的限定：往复式压缩机单级压缩的最低蒸发温度制冷剂冷凝温度R717R22R134aR12R290R152a30-25-37-32-36-40-3430-22-34-29-33-37-3040-20-31-25-31-35-2950-26-29-25-29-21受焓增量的限制；为保证一定效率，每一级压缩的焓增量不能超过一定范围。容积效率不随压力比的升高而明显降低；受排气温度限制。对离心式压缩机的影响对回转式压缩机的影响1.

两个压缩阶段：2.循环形式：两级压缩一级节流循环：a:

中间不完全冷却

b:

中间完全冷却

c:

中间不冷却两级压缩两级节流循环：a:

中间不完全冷却

b:中间完全冷却

3.4.1

两级压缩制冷的循环形式蒸发压力p0中间压力pm冷凝压力pk按节流和冷却方式:节流方式和冷却方式的含义将低压级压缩机排气冷却到中间压力下的饱和蒸气。中间完全冷却低压级压缩机排气虽冷却，但并未冷却到饱和蒸气状态。中间不完全冷却制冷剂液体由冷凝压力pk直接节流至蒸发压力p0

。一次节流先将高压液体从冷凝压力pk节流到中间压力pm，再由pm节流降压至蒸发压力p0。

两次节流取决于制冷剂的性质：氟利昂制冷机宜采用中间不完全冷却；氨制冷机应采用中间完全冷却。根据实际系统决定：一级节流：不可逆损失大，单位制冷量小，COP小；供液压差大，系统简化，节流前液体的过冷度大，不易闪蒸。小型装置采用一次节流，大型装置多采用一次节流。1.一次节流中间完全冷却的两级压缩制冷循环

系统流程与循环：高压级循环回路34563：中间冷却器产生冷量，用于另一个循环中饱和液体过冷5-7和低压级压缩机排出过热蒸气的完全冷却2-3；

主循环12345781：

完成两次压缩，一次节流，

中间完全冷却。（1）系统流程与循环及p-h图表示3.4.2

两级压缩制冷的系统流程与循环分析循环p-h图表示注意两个循环回路：主循环和高压循环。制冷剂流量：不同循环回路中制冷剂流量的变化。思考：如何在T-S图中表示该制冷循环。1-2低压压缩机的压缩过程；2-3低压压缩机的排气在中间冷却器的冷却过程；3-4高压压缩机的压缩过程；

4-5冷凝器中的冷却过程；5-6进入中间冷却器的一路液体在节流阀中的节流过程；

6-3

节流后的液体在中间冷却器的蒸发过程；

5-7流入蒸发器的一路液体在中间冷却器中的过冷过程；

7-8进入蒸发器的液体在节流阀中的节流过程；

8-1蒸发器中的蒸发制冷过程。（2）循环工作过程：计算的步骤和内容：

两级压缩制冷循环的性能计算需借助p-h图或T-S图已知制冷量Q0，工作条件；确定冷凝温度，蒸发温度，压缩机吸气温度，高压液体过冷温度；借助p-h图，确定冷凝压力，蒸发压力，确定中间压力和中间温度；计算或查出各状态点的状态参数（焓，吸气比体积）；进行循环性能指标计算，计算按先低压级后高压级顺序。（3）热力计算

低压级压缩机的制冷剂质量流量：

理论比功：低压级压缩机所需轴功率：

低压级压缩机：

低压级压缩机的绝热效率

单位质量制冷量：

实际输气量：理论输气量：低压级压缩机的输气系数

高压级压缩机：

理论比功：高压级压缩机的制冷剂质量流量：高压级压缩机所需轴功率：理论输气量：高压级压缩机的输气系数高压级压缩机的绝热效率思考；如何确定高压级压缩机的制冷剂流量。实际输气量：

制冷系数：

理论循环：实际循环：

冷凝器的热负荷：

（4）设计计算和校核计算：设计计算：已知制冷量Q0，制冷剂种类；计算输气量，选择高低级压缩机；计算冷凝器热负荷，设计选配蒸发器，冷凝器。校核计算：已知选定型号的压缩机（结构参数，理论容积）；计算制冷量Q0

。2.一次节流中间不完全冷却的两级压缩制冷循环对比一级节流中间完全冷却，中间不完全冷却两种循环方式：两个循环的高压液体节流方式有共同之处；低压级压缩机排气的冷却方式是不同的；热力计算基本相同（除高压级压缩机的质量流量，吸气过热蒸气外）；适合不同种类的制冷剂工质：（1）系统流程与循环及p-h图表示

相同过程：

5-6-8高压制冷剂蒸气的冷却及冷凝过程；

8-9

节流阀中的节流过程；

7-3中间冷却器中的蒸发过程；

6-8

高压制冷剂液体在中间冷却器中冷却过程；

6-7

节流阀中的节流过程；

9-1蒸发器中的蒸发过程；1-2低压压缩机中的压缩过程。（2）循环工作过程：如何在T-S图中表示制冷循环，画出对应的状态点。不同过程：

中间完全冷却循环：

3-4高压压缩机中的压缩过程；适用于等熵指数大的制冷剂（氨）。

中间不完全冷却循环：

2-4

和

3-4管道中混合过程，4-5高压压缩机的压缩过程。适用于等熵指数较小的制冷剂。氨两级压缩制冷系统氟利昂两级压缩制冷系统涉及到的辅助设备：（2）干燥过滤器：

除去冷凝器中出来液体中的水分和杂质，防止膨胀阀冰堵或堵塞。（1）油分离器：

把压缩机排气的润滑油分离出来，并返回到曲轴箱去，以免油进入各种换热器影响传热。（3）回热器：

过冷液体制冷剂，同时提高低压蒸气温度，避免压缩机产生液击。（5）气-液分离器：

防止低压蒸气中液滴带到压缩机中引起液击。（4）电磁阀；

压缩机停止后自行切断输液管路，防止过多制冷剂液体进入蒸发器，以免压缩机下一次启动时产生液击，起保护压缩机的作用。（1）冷却方式：

中间完全冷却和中间不完全冷却。（2）系统流程与循环：（3）循环的P-h图，T-S图表示：（5）区别：节流方式不同3.两级节流两级压缩制冷循环循环的制冷系数较高，且中间容器中产生的气量较多。用于离心式制冷，不适于活塞式，螺杆式制冷系统。两次节流一次节流可利用其较大的压力差，实现远距离供液及向多层冷库供液，且供液量便于调节，应用较广。1.热力计算（2）冷却方式的选择中间完全冷却：

适于回热不利的制冷剂：如R717。

中间不完全冷却：

适于回热有利的制冷剂：如R290，R22，但有时为降低高压级压缩机的排气温度，也可采用中间完全冷却。（1）制冷剂的选择

中温制冷剂：如R717，R22，R290。3.4.3

两级压缩制冷循环的热力计算（3）回热器的选择：

对蒸发温度较低的两级压缩循环通常增设回热器，目的：提高低压级压缩机的吸气温度，改善压缩机的工作条件。

（4）工作参数的确定：

根据冷、热源温度及传热温差（已知）；确定蒸发温度to,

冷凝温度tk

；确定中间温度，中间压力（关键）。

2.两级压缩制冷机中间压力的确定

两种情况：

a:已经选配好高、低压级压缩机，计算确定Pm；b:从循环的设计计算出发，确定中间压力Pm

。

（1）已有高、低压缩机；则高、低压缩机的理论输气量为定值。

即：确定原则：使循环的性能系数为最佳。具体步骤：

a:按一定间隔选定若干个中间温度，按选定温度分别进行循环的热力计算，求出不同中间温度下的理论输气量的比值，

b:

绘制ξ=f（tm)的曲线，画出一条ξ=定值

的水平线，交点即为所求中间温度。

中间压力不等于最佳中间压力；对中小型装置，采用单机双级压缩机，一般选择ξ=1/2-1/3；对大型装置，从已有产品中选型搭配高压级压缩机与低压级压缩机。

用试凑法确定中间压力说明原则：使制冷系数为最大；具体步骤：

令，近似确定中间压力；在tm(Pm)值的上下按一定间隔选取若干个中间温度值；对每一个tm值进行循环的热力计算，计算该循环的制冷系数；绘制制冷系数随中间温度的变化曲线，找到最大制冷系数值，此时中间温度为最佳中间温度。从设计计算出发，选择压缩机，确定中间压力经验公式：

对蒸发温度to

在-40℃--40℃，如R717，R12，有：tm=0.4tK+0.6to+

3，中间压力Pm与tm相对应。1.温度变动时制冷机的特性（1）运行工况：系统平衡点所对应的各循环参数值。（2）变动工况：外部条件发生变化，平衡点发生偏移，致使冷凝温度，蒸发温度以及中间温度发生改变