双级蒸汽压缩式与复叠式制冷循环.ppt

1、第三章 双级蒸汽压缩式与复叠式制冷循环,教学目的与要求 教学内容 教学重点和教学难点 教学建议 作业,教学目的与要求,1. 了解采用多级蒸汽压缩式与复叠式制冷的原因。 2. 掌握双级蒸汽压缩式制冷循环的工作过程。 3. 掌握双级蒸汽压缩式制冷循环的基本热力分析与计算方法。 4. 了解复叠式制冷循环的工作过程。,教学内容,第一节 采用多级蒸汽压缩式制冷的原因 第二节 双级蒸汽压缩式制冷循环 第三节 双级蒸汽压缩式制冷循环的热力计算 第四节 温度变动对双级蒸汽压缩式制冷循环制冷机特性的影响 第五节 复叠式制冷循环,返回总目录,第一节 采用多级蒸汽压缩式制冷的原因,（一）单级蒸汽压缩式制冷循环的局限

2、性 （二）采用多级蒸汽压缩式制冷循环的特点及应用,返回本章,一、单级蒸气压缩局限性：,1. 冷凝压力 tk 环境温度、冷却介质温度 蒸发压力 t0 用户要求（制冷系统的用途） 2. 用户要求蒸发温度 蒸发压力 压缩比（pk/p0） 压缩机输气系数下降； 3. pk/p0增大导致 压缩机排气温度升高，润滑条件变坏；耗功增加，制冷量下降，制冷系数降低。,冷凝压力由环境介质温度决定,所以，为了获得比较低的温度（4070），同时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围内，就要采用多级压缩循环。,在一定的冷凝温度下,蒸发温度的降低,冷凝压力和蒸发压力之差（pk-po）增大,压缩比pk / po变大,活

3、塞式制冷压缩机使用有限制,我国活塞式制冷压缩机标准B10875-89中规定了不同制冷机使用温度在高温、中温和低温的不同温度范围。 单级压缩循环所能达到的最低制冷温度是有限的。通常，最低只能达到-40左右。 原因: 受单级活塞式压缩机的极限使用条件的限制。,单级蒸汽压缩活塞式制冷机，压缩比一般不超过10。当蒸发温度过低，超出极限使用条件时会带来如下问题：,(1)压缩比增大时压缩机的输气系数大为降低，压缩机的输气量及效率显著下降。,(2)压缩机排气温度过高，使润滑油的粘度急剧下降，影响压缩机的润滑。当排气温度与润滑油的闪点接近时，会使润滑油碳化，以致在阀片上产生结碳现象。,活塞式制冷机超出极限条件

4、使用,(3)制冷剂节流损失增加，单位质量制冷量及单位容积制冷量下降过大，经济性下降。,二、单级蒸气压缩条件：,1.氨制冷系统：pk/p08； 最低蒸发温度-25； 2.氟利昂制冷系统：pk/p010； 蒸发温度-37,由于环境温度、压力差（Pk-P0）和压力比Pk/P0的限制，单级压缩机不能达到很低的蒸发温度，为了获得更低的蒸发温度，就需要使用多级压缩。,（二）采用多级蒸汽压缩式制冷循环的特点及应用,（1）降低压缩机的排气温度 （2）降低压力比 （3）减少节流损失,第二节 双级蒸汽压缩式制冷循环,（一）双级蒸汽压缩式制冷循环的基本形式和选择方法 （二）一次节流中间完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环

5、 （三）一次节流中间不完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环 （四）一次节流中间完全不冷却双级蒸汽压缩式制冷循环 （五）二次节流中间完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环 （六）二次节流中间完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环 （七）氨泵供液的双级制冷循环 （八）双级蒸汽压缩式制冷循环的比较分析,返回本章,（一）双级蒸汽压缩式制冷循环的基本形式和选择方法,采用哪一种型式有利则与制冷剂种类、制冷剂容量及其它条件有关。常用的组成型式有： 一次节流中间完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环 一次节流中间不完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环 一次节流中间完全不冷却双级蒸汽压缩式制冷循环 二次节流中间完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环 二次

6、节流中间完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环,相关名词,单机双级：一台压缩机,气缸一部分为高压级,一部分为低压级。 双机双级：两台压缩机，分别为高压级和低压级。 一级节流：供液的制冷剂液体直接由冷凝压力节流至蒸发压力。 二级节流：一级节流至中间压力，二级节流至蒸发压力。 中间完全冷却：将低压级的排气冷却到中间压力下的饱和蒸气。 中间不完全冷却：未将排气冷却到中间压力下的饱和蒸气。,（二）一次节流中间完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环,一次节流中间完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环的流程图和 lgp-h图,动画演示,一次节流中间完全冷却双级循环原理图,动画演示,双级蒸气压缩工作原理,压缩过程分两阶段进行: 低

7、压级压缩 高压级压缩 蒸发压力 中间压力 冷凝压力 1.来自蒸发器的低温制冷剂蒸气（压力为Po）先进入低压级压缩机，在其中压缩到中间压力Pm 2.经过中间冷却器冷却（分为两种情况中间完全冷却为饱和蒸气和中间不完全冷却为过热蒸气） 3.再进入高压级压缩机，将其压缩为冷凝压力Pk，排入冷凝器中,双级压缩制冷循环与系统组成 双级压缩制冷循环仅压缩过程为两级压缩，其他与单级相同：,作用： 1.降低低压级压缩机排出的气体温度，以避免高压级过高的排气温度； 2.使高压液体在节流前得到过冷，以提高系统制冷能力，减少节流过程产生的闪发气体； 3.起到油分离器的作用，它可将由低压级压缩机带出的润滑油，通过改变流

8、动方向、降低流速、洗涤和降温作用分离出来，并由放油管排出。,中间冷却器,结构 连接,中间冷却器,2.热力计算,轴,轴,（三）一次节流中间不完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环,一次节流中间不完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环的流程图和 lgp-h图,动画演示,二级节流中间不完全冷却,2.热力计算,（四）一次节流中间完全不冷却双级蒸汽压缩式制冷循环,一次节流中间完全不冷却双级蒸汽压缩式制冷循环的流程图和 lgp-h图,一次节流中间完全不冷却双级循环工作过程,工作过程为：从蒸发器出来的蒸汽经回热器后被低压压缩机吸入，压缩到中间压力并与中冷器出来的干饱和蒸汽在管路中进行混合，使从低压机排出的过热蒸汽被冷却后再

9、进入高压压缩机，经压缩到冷凝压力并进入冷凝器，冷凝后的高压制冷剂液体进入了中冷器的蛇形盘管进行再冷却，然后进入回热器与从蒸发器出来的低温低压蒸汽进行热交换，使从中冷器蛇形盘管中出来的过冷液体再一次得到冷却，最后经膨胀阀进入蒸发器吸热蒸发。,（五）二次节流中间完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环,二次节流中间完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环的流程图和 lgp-h图,动画演示,二级节流中间完全冷却,（六）二次节流中间不完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环,二次节流中间不完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环的流程图和 lgp-h图,动画演示,（七）氨泵供液的双级制冷循环,氨泵供液的一级节流中间完全冷却制冷循环的流程图和

10、 lgp-h图,（八）双级蒸汽压缩式制冷循环的比较分析,（1）中间不完全冷却循环的制冷系数要比中间完全冷却循环的制冷系数小。 （2）在相同的冷却条件下，一级节流循环要比二级节流循环的制冷系数小。 1）一级节流可依靠高压制冷剂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）盘管中的高压制冷剂液体不与中间冷却器中的制冷剂相接触，减少了润滑油进入蒸发器的机会，可提高热交换设备的换热效果。 3）蒸发器和中间冷却器分别供液，便于操作控制，有利于制冷系统的安全运行 。,第三节 双级蒸汽压缩式制冷循环的热力计算,（一）制冷剂与循环形式的选择 （二）制冷循环工作参数的确定 （三）制冷循环状态点及状态

11、参数的确定 （四）制冷循环热力性能计算与分析 （五）计算实例,返回本章,（一）制冷剂与循环形式的选择,双级压缩制冷循环通常应使用中温制冷剂。目前广泛使用的制冷剂是R717、R22和R502。R717常采用一级节流中间完全冷却形式，R22、R502常采用一级节流中间不完全冷却形式。 对采用回热循环有利的R12、R502等制冷剂，就采用中间不完全冷却的循环形式；对采用回热循环形式不利的制冷剂（如R717），则应采用中间完全冷却的循环形式。,（二）制冷循环工作参数的确定,容积比的选择； 中间温度和中间压力的确定； 高压级压缩机吸气温度与节流前液体温度的确定。,容积比的选择,qvtg高压级理论输气量（

12、m3/s）； qvtd低压级理论输气量（m3/s）； qmg高压级制冷剂的质量流量（kg/s）； qmd低压级制冷剂的质量流量（kg/s）； vg高压级吸气比体积（m3/kg）； vd低压级吸气比体积（m3/kg）； g高压级输气系数； d低压级输气系数,容积比 ：,= qvtg/qvtd =（ qmg *vg/g ）*（qmd*vd/d）,常用容积比,根据我国冷藏库的生产实践，当蒸发温度t0=-28-40范围内时，容积比的值通常取0.330.5之间，即qvtg:qvtd=1:31:2。在长江以南地区宜取大些。 合理的容积比的选择还应结合考虑其他经济指标。配组双级压缩机的容积比可以有较大的选择

13、余地。如果采用单机双级压缩机，则它的容积比是既定的，容积比的值通常只有0.33和0.5两种。,中间压力与中间温度的确定,（1）选配压缩机时中间压力的确定 选配压缩机时，中间压力pm的选择，可以根据制冷系数最大这一原则去选取，这一中间压力pm又称最佳中间压力。确定最佳中间压力pm常用的方法有公式法和图解法。 1）公式法 常用的公式法有比例中项公式法和拉塞经验公式法两种 。,中间压力与中间温度的确定,比例中项公式法 按压力的比例中项确定中间压力 pm=po*pk 式中Pm ,Po和Pk分别为中间压力、蒸发压力和冷凝压力,单位MPa。 按式求出的中间压力和制冷循环的最佳中间压力有一定的偏差。但公式很

14、简单，可用于初步估算。 按温度的比例中项确定中间压力 Tm=To*Tk 式中Tm ,To和Tk分别为中间温度，蒸发温度和冷凝温度,单位均为K。,中间压力与中间温度的确定,拉塞经验公式法 对于两级氨制冷循环，拉赛(A.Rasi)提出了较为简单的最佳中间温度计算式： tm=0.4tk+ 0.6to+3 式中，tm , tk和to分别表示中间温度，冷凝温度和蒸发温度，单位均为。 上式不只适用于氨，在4040温度范围内，对于R12也能得到满意的结果。,中间压力与中间温度的确定,2）图解法 根据确定的蒸发压力p0和冷凝压力pk， 在pm（tm）值的上下，按一定间隔选取若干个中间温度tm值。 根据给定的工

15、况和选取的各个中间温度tm分别画出双级缩循环的lgp-h图，确定循环的各状态点的参数，计算出相应的制冷系数。 绘制 =f（tm）曲线，找到制冷系数最大值 max，由该点对应的中间温度tm 。,中间压力与中间温度的确定,（2）既定压缩机时中间压力的确定 已经选定压缩机好，此时高、低压级的容积比已确定，即值一定，这时可采用容积比插入法求出中间压力 。,（三）制冷循环状态点及状态参数的确定,1、冷凝温度：tk=th+tk 2、蒸发温度：to=tl-to 3、中间温度：上述分析。 4、低压级吸气温度：R717，查表选取；氟利昂吸气温度取15。 5、高压级吸气温度：R717高压级压缩机的吸气状态为中间压

16、力下的干饱和蒸汽。氟里昂制冷剂，其高压级吸气温度取15，吸气状态为中间压力下的过热蒸汽。 6、节流前液体的温度：制冷剂液体经中间冷却器盘管冷却后的出液温度比中间温度高3一7，一般R717取小值，氟里昂取大值。对于氟里昂双级制冷系统，还考虑采用回热器，其过冷度由回热器的热平衡关系式求得。,（四）制冷循环热力性能计算与分析,1）单位质量制冷量、单位体积制冷量。 2）理论比功：低压级压缩机、高压级压缩机。 3）低压级制冷剂的质量流量。 4）高压级制冷剂的质量流量。 5）冷凝热负荷 。 6）中间冷却器盘管负荷 。 7）高、低压级压缩机理论功率 。 8）循环制冷系数,制冷循环的热力计算,低压级压缩机的理

17、论功率为 P0d= qmd * w0d= Q0*（h2-h1 ）*（h1-h8 ）,低压级的理论比功为： w0d=h2-h1,单位质量制冷量为： q0=h1-h8,低压级制冷剂的质量流量qmd为：qmd = Q0/q0=Q0/（h1-h8）,制冷循环的热力计算,在二级压缩制冷循环中，制取冷量的都是低压部分的蒸发过程，其单位制冷量： q0=h1-h4 低压压缩机的单位理论功： wd=h2-h1 当制冷机的冷负荷为Q0时，低压级制冷剂循环量： qmd = Q0/q0=Q0/（h1-h8）,制冷循环的热力计算,低压压缩机消耗的理论功率：,P0d=P0d= qmd * w0d = Q0*（h2-h1

18、）*（h1-h8 ）,对于中间完全冷却的两级循环： qmgh9+qmdh2=qmgh3+qmdh4,qmg =qmd(h2-h4) /( h3- h9),制冷循环的热力计算,高压压缩机的单位理论功为：,wg=h7-h3 由此可得高压压缩机的理论功率： P0g= qmg * w0g = Q0*(h2-h7)*(h4-h3)/(h3-h5)*(h1-h8),根据制冷系数的定义，两级压缩制冷循环的理论制冷系数为 = Q0/（P0g + P0d） =(h3-h5)*(h1-h8)/(h3-h5)*(h2-h1)+(h2-h7)*(h4-h3),制冷循环的热力计算,对于中间不完全冷却的两级循环，根据中间

19、冷却器的热平衡关系可得到流经高压级压缩机的制冷剂流量：,qmg h9=（qmg-qmd）h3+qmdh4,qmg =qmd(h3-h4) /( h3- h9),高压压缩机的单位理论功为 wg=h7-h6,qmg h6=( qmg qmd) h3 + qmd h2,两级压缩制冷机热力计算的程序,对制冷工质及循 环型式加以选择,确定循环的 工作参数,进行具体的计算 单位制冷量 高压压缩机理论输气量 低压压缩机制冷剂流量 高压压缩机理论功率 低压压缩机理论输气量 高压压缩机轴功率 低压压缩机理论功率 高压压缩机实际排气烩值 低压压缩机轴功率 理论制冷系数 低压压缩机实际排气恰值 理论输气量比 高压压

20、缩机制冷剂流量 冷凝器热负荷,二、两级压缩制冷机中间压力的确定,巳经选配好高、低压级 压缩机，需通过计算去 确定中间压力,从循环的计算出发来确 定中间压力数值。,由于压缩机已经选定， 则高压级与低压压缩机的 理论输气量之比值为定值 即,中间压力的选择可以根 据制冷系数最大这一原则 去选取。这一中间压力 又称最佳中间压力,需要用试凑法 (或作图法) 来确定中间压力,1.,2.,需要用试凑法 (或作图法) 来确定中间压力,按一定间隔选择若干个中间温度，按所选温度 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,绘制 =f(tm)曲线， 并在图上画一条等于 给定值的水平线，此线 与曲

21、线的交点即为所求 中间温度(即中间压力),1.,中间压力的选择可以根 据制冷系数最大这一原则 去选取。这一中间压力 又称最佳中间压力,根据确定的冷凝压力Pk和蒸发压力P0， 按Pm=（ Pk P0）1/2求得一个近似值,在该tm(Pm)值的 上下按一定间隔选取若干个中间温度值,对每一个中间温度值进行循环的热力计算， 求得该循环下的制冷系数0,绘制0=f(tm)曲线，找到0max值，由该点对应的 中间温度即为循环的最佳中间温度(即最佳中间压力),2.,h4,0,第四节 温度变动对双级蒸汽压缩式制冷循环制冷机特性的影响,（一）温度变动对双级压缩制冷循环特性的影响 （二）同变工况特性有关的两个问题,

22、返回本章,（一）温度变动对双级压缩制冷循环特性的影响, 随着t0的升高，压力pk和pm都有不断升高，但pm升高得快； 随着t0的升高，压力比H和L都不断下降，但H下降快； 随着t0的升高，压力差（pk-pm）减小，（pm-po）先逐渐增大而后逐渐减小。,蒸发温度的变化对中间压力的影响,（二）同变工况特性有关的两个问题,1、双级压缩制冷循环压缩机的启动问题； 2、双级压缩制冷循环压缩机电动机的选配。,第五节 复叠式制冷循环,由两个（或数个）不同制冷剂工作的单级（也可以是多级）制冷系统组合而成的循环。 （一）采用复叠式制冷循环的原因及特点 （二）复叠式制冷循环的组成和工作过程 （三）复叠式制冷循环

23、的热力计算,返回本章,（一）采用复叠式制冷循环的原因及特点,1受制冷剂凝固点的限制 2对制冷循环压力比的限制 3受活塞式压缩机阀门结构特性的限制,2. 解决方法：采用低温制冷剂。 低温制冷剂在常温下无法冷凝成液体，因此采用另一台制冷装置与之联合运行，为低温制冷剂循环的冷凝过程提供冷源，降低冷凝温度和压力。即为复叠式制冷。,二、复叠式压缩工作原理,复叠式压缩制冷系统通常由两个单级压缩制冷循环组成，之间用蒸发冷凝器联系起来： 高温部分：采用中温制冷剂，蒸发器为低温部分冷凝器中的制冷剂冷凝服务。 低温部分：采用低温制冷剂，蒸发器为用户制冷。,复叠式制冷循环原理图,两个单级复叠系统组成的制冷机原理,2. 三个单级复叠系统组成的制冷机原理,两个单级压缩循