制冷技術 課件 第六章-雙級和復疊式

第六章雙級和復疊式蒸氣壓縮制冷第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

一、概述空調用的制冷技術，單級壓縮制冷就可滿足，但在冷庫制冷中，當結凍間的庫房溫度要求保持-23℃時，其蒸發(fā)溫度必須達到-33℃左右。而單級壓縮制冷其蒸發(fā)溫度只能達到-25～-30℃左右，這是因為對活塞式壓縮機來說，其壓縮機的壓力比Pk/Po不能太大。對R717其壓力比Pk/Po≤8，對R12或R22其壓力比Pk/Po≤10。對于R12和R22，其蒸發(fā)溫度低于-30℃時將采用雙級壓縮制冷。雙級壓縮有雙機雙級壓縮和單機雙級壓縮之分。所謂雙機壓縮是由兩臺不同的壓縮機（即低壓壓縮機和高壓壓縮機）來完成雙級壓縮，而單機雙級壓縮是由一臺壓縮機上設有低壓缸和高壓缸來完成雙級壓縮的。

二、一次節(jié)流、完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環(huán)（一）制冷循環(huán)過程雙級壓縮根據(jù)中間冷卻器的工作原理不同，分為完全中間冷卻的雙級壓縮和不完全中間冷卻的雙級壓縮。氨系統(tǒng)一般用完全中間冷卻的雙級壓縮，氟利昂系統(tǒng)用不完全中間冷卻的雙級壓縮。氨系統(tǒng)完全中間冷卻的雙級壓縮基本原理如下頁圖6-1所示。它的工作原理是：質量流量為MR1的氨液在蒸發(fā)器中吸熱，制取冷量Ф0以后，以狀態(tài)1吸入低壓級壓縮機（或單機雙級壓縮的低壓缸）壓縮到狀態(tài)2，進入中間冷卻器。狀態(tài)2的過熱蒸汽被來自膨脹閥的液體制冷劑在中間冷卻器內冷卻，冷卻至飽和狀態(tài)3，又進入了高壓級壓縮機（或單機雙級壓縮的高壓缸）壓縮至狀態(tài)4，然后進入冷凝器，冷凝至飽和液態(tài)5。狀態(tài)5的高壓液體制冷劑分兩路，一路流量為MR2經(jīng)膨脹閥①節(jié)流至狀態(tài)6，進入中間冷卻器；另一路流量MR1經(jīng)中間冷卻器的盤管過冷至狀態(tài)7，狀態(tài)7的液體經(jīng)膨脹閥②節(jié)流至狀態(tài)8，然后進入蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，吸收被冷卻物體的熱量，達到制冷目的。第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)圖6-1一次節(jié)流、完全中間冷卻的雙級壓縮制冷（a）工作流程（b）理論循環(huán)第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

（二）熱力計算這里需要指出的是，上述這種雙級壓縮制冷循環(huán)與單級壓縮制冷循環(huán)有一點不同，就是流經(jīng)各設備的制冷劑質量流量并不相等。流經(jīng)膨脹閥②、蒸發(fā)器和低壓壓縮機的制冷劑流量為MR1，流經(jīng)高壓級壓縮機和冷凝器的制冷劑質量流量為MR，也就是說，高壓壓縮機的質量流量為MR，低壓壓縮機的質量流量為MR1，它們的差值：MR–MR1=MR2。MR2就是通過膨脹閥①進入中間冷卻器的質量流量。對于中間冷卻器來說，流進的流量為MR1+MR2，流出的流量為MR。即

MR=MR1+MR2

（6‐1）因此，進行熱力計算時必須首先計算出流經(jīng)各設備的制冷劑質量流量，才能計算各級壓縮機的耗功率、循環(huán)的制冷系數(shù)以及冷卻器的熱負荷等。第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

當已知需要的制冷量為φ0，通過蒸發(fā)器的制冷劑質量流量MR1為

根據(jù)工作流程圖6-1（a）可以看出，通過低壓級壓縮機的制冷劑流量，與通過膨脹閥②的流量相同，都是MR1。確定通過膨脹閥①的制冷劑流量MR2，是根據(jù)中間冷卻器的熱平衡方程來確定。一方面是來自低壓級壓縮機的排氣完全冷卻至飽和狀態(tài)；另一方面從冷凝器出來的制冷劑通過中間冷卻器盤管，液態(tài)制冷劑由狀態(tài)5再冷至狀態(tài)7，因此，中間冷卻器的熱平衡方程為：第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

由于h5=h6,h7=h8，所以高壓級壓縮機吸入的飽和蒸氣量為

則低壓級壓縮機的理論耗功率Pth1為第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

高壓級壓縮機的理論耗功率Pth2為雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)的理論總耗功率為雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)的理論制冷系數(shù)為第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

【例題6-1】雙級氨壓縮制冷循環(huán)，如圖6-1，蒸發(fā)溫度為-40℃，P0=0.07171MPa，冷凝溫度為30℃，PK=1.16693MPa，冷凝器出口為飽和液。中間壓力P=φ，飽和溫度為-10.1℃。如果蒸發(fā)器出口為飽和蒸氣（一般制冷劑為氨時，壓縮機吸入的蒸氣應有5～8℃的過熱度，但希望不低于-40℃），t7=-5℃(一般t7比t6高5～8℃)，求該循環(huán)的理論制冷系數(shù)?！窘狻坷肦717lgP-h圖可查出

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

其理論制冷系數(shù)，根據(jù)公式（6-8）計算如下：

（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第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

（三）雙級壓縮氨制冷系統(tǒng)圖6-2所示為冷藏庫中采用的雙級壓縮氨制冷系統(tǒng)圖，其工藝流程為：低壓級壓縮機→中間冷卻器→高壓級壓縮機→氨油分離器→冷凝器→高壓貯液器→調節(jié)站→中間冷卻器盤管→氨液過濾器→浮球膨脹閥→氣液分離器→氨液過濾器→氨泵→供液調節(jié)站→蒸發(fā)排管→回氣調節(jié)站→氣液分離器→低壓級壓縮機。第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

圖6-2冷藏庫用的雙級壓縮氨制冷系統(tǒng)圖1—低壓級壓縮機2—中間冷卻器3—高壓級壓縮機4—氨油分離器5—冷凝器6—高壓貯液器7—調節(jié)閥8—氣液分離器9—氨泵10—蒸發(fā)排管（或冷風機）11—排液桶12—集油器13—空氣分離器第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

三、一次節(jié)流，不完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環(huán)（一）制冷循環(huán)過程氟利昂系統(tǒng)用不完全中間冷卻的雙級壓縮，是希望壓縮機吸氣的過熱度大一些，這樣，即能改善壓縮機的運行性能，又能改善制冷循環(huán)的熱力性能。氟利昂系統(tǒng)用的不完全中間冷卻的雙級壓縮的基本原理如圖6-3所示圖6-3一次節(jié)流、不完全中間冷卻的雙級壓縮制冷（a）工作流程（b）理論循環(huán)第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

不完全中間冷卻的雙級壓縮與完全中間冷卻的雙級壓縮主要區(qū)別是：低壓級壓縮機的排氣不在中間冷卻器中冷卻，而是與中間冷卻器中產(chǎn)生的飽和蒸氣在管路中混合后再進入高壓級壓縮機中。系統(tǒng)中還設有回熱器，使低壓蒸氣與高壓液體進行熱交換。保證低壓級壓縮機吸氣的過熱度。一般，低壓級壓縮機吸氣過熱度可取20~50℃。使循環(huán)系統(tǒng)中t7比t6高5~8℃。（二）熱力計算這種循環(huán)在進行熱力計算時，首先要確定高壓級壓縮機的吸氣狀態(tài)點3，狀態(tài)點3是由狀態(tài)點2和狀態(tài)3’這兩種狀態(tài)混合而成，因此熱平衡方程為第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

低壓級壓縮機的制冷劑質量流量為

通過膨脹閥①進入中間冷卻器的制冷劑質量流量MR2，可根據(jù)中間冷卻器熱平衡方程式確定。

通過高壓級壓縮機的制冷劑質量流量為第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)將公式（6-10），（6-13）代入（6-9）得出則低壓級壓縮機的理論耗功率Pth1為高壓級壓縮機的理論耗功率Pth2為第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)因此，這種制冷循環(huán)壓縮機的理論總耗功率Pth為而理論制冷系數(shù)為第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

（三）雙級壓縮氟里昂制冷系統(tǒng)圖6-4為雙級壓縮氟里昂制冷系統(tǒng)圖。由高、低壓壓縮機組成雙機雙級系統(tǒng)，主要設備有：低壓級壓縮機、高壓級壓縮機、KL—40型空氣冷卻器（即蒸發(fā)器）、氣液交換器、中間冷卻器、電磁閥和熱力膨脹閥等組成。圖6-4DS-3型氟里昂兩級壓縮低溫制冷系統(tǒng)圖

第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

四、選擇壓縮機時中間壓力的確定在設計雙級壓縮制冷系統(tǒng)時，選定適宜的中間壓力，可以獲得最佳的運行經(jīng)濟性。所以，應按運行經(jīng)濟性來確定中間壓力，這個中間壓力稱為最佳中間壓力。此時，中間壓力的計算公式為

此中間壓力值使雙級壓縮機所消耗的總功為最小值，但是制冷劑氣體不是理想氣體，而且高低壓級壓縮機吸氣溫度不同和吸入氣體的重量也不相等，所以應對公式（6-19）進行修正。

(6-20)

式中φ—與制冷劑性質有關的修正系數(shù)。第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

從實際試驗結果得出：在相同壓力比時，低壓級壓縮機的輸氣系數(shù)要比高壓級小，而且當蒸發(fā)溫度愈低，吸氣壓力愈小時，輸氣系數(shù)降低愈大。所以為了提高低壓級壓縮機的輸氣系數(shù)以獲得較大的制冷量，通常對低壓級壓縮機的壓力比取得小些。實際情況表明最佳中間壓力值的確定與許多因素有關，不僅希望雙級壓縮機的氣缸總容積為最小值，而且應使雙級壓縮機的實際制冷系數(shù)為最大值，這樣可縮小壓縮機的結構尺寸，提高經(jīng)濟性。同時還要求高壓級壓縮機的排氣溫度適當?shù)托?，以改善壓縮機的潤滑性能。綜合以上的要求，修正系數(shù)推薦取下列數(shù)值。

R22

=0.9~0.95R717

=0.95~1.0第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)

五、中間冷卻器中間冷卻器可分完全中間冷卻和不完全中間冷卻兩種，如圖6-5所示圖6-5中間冷卻器示意圖（a）完全中間冷卻器（b）不完全中間冷卻器第一節(jié)雙級蒸氣壓縮制冷循環(huán)第二節(jié)復疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán)

據(jù)前面所述，受到制冷劑本身物理性質的限制，兩級壓縮制冷裝置所能達到最低的蒸發(fā)溫度也是有一定限度的。所以，R12或R22以及R717作為制冷制，能夠達到的最低蒸發(fā)溫度有一定限度，這是因為：

1)蒸發(fā)溫度降低必須有較低的蒸氣壓力，隨著蒸發(fā)溫度的降低而制冷劑的比容要增大。單位容積制冷能力大為降低，則低壓氣缸的尺寸也就大大增加。

2)蒸發(fā)溫度太低，相應的蒸發(fā)壓力也很低。例如，R717t0=-65℃，P0=0.01564MPa；R12t0=-67℃，P0=0.0149MPa；R22t0=-75℃，P0=0.0149MPa；實際上在活塞式壓縮機達到上述蒸發(fā)壓力時，致使壓縮機氣缸的吸氣閥不能正常工作，同時不可避免地會有空氣漏入制冷系統(tǒng)內。

3)蒸發(fā)溫度必須高于制冷劑的凝固點，否則制冷劑無法進行循環(huán)，例如，氨的凝固溫度為-77℃，不能制取更低的溫度。從以上分析，為了獲得低于-60~-70℃的溫度，就不宜采用氨等作為制冷劑，而是采用兩種制冷劑串級制冷的復疊式制冷。

一、復疊式蒸氣制冷裝置的工作原理圖6-6是復疊式蒸氣壓縮制冷的工作流程圖。是由兩個單級壓縮機系統(tǒng)組成的復疊式制冷裝置的原理圖；左端為高溫級制冷循環(huán)，制冷劑為R22；右端為低溫級制冷循環(huán)，制冷劑為R13。蒸發(fā)冷凝器既是高溫級循環(huán)的蒸發(fā)器，又是低溫級的冷凝器?？扛邷丶壷评鋭┑恼舭l(fā)，吸收低溫級制冷劑的氣化潛熱。在確定復疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán)時，為了保證R13的冷凝，則要求高溫級R22制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度低于低溫級的冷凝溫度，一般低3~5℃。圖6-6復疊式蒸氣壓縮制冷原理圖

第二節(jié)復疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán)

當蒸發(fā)溫度為-80~-100℃時，高溫級應采用雙級制冷，低溫級采用單級來復疊。如果是蒸發(fā)溫度為-100℃，低溫級應采用雙級，高溫級采用單級來復疊。只有蒸發(fā)溫度在-60℃~-80℃，高溫級與低溫級都采用單級來復疊。表6-1復疊式蒸氣壓縮制冷的使用溫度范圍溫度范圍/oC采用的制冷劑與制冷循環(huán)-60～80R22與R13復疊-80～-100R22雙級與R13