双级蒸汽压缩式与复叠式制冷循环.ppt

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（p pk k/p/p0 0）↗ ↗ 压缩机输气系数下降；3. p pk k/p/p0 0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（－40～－70℃℃），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)(1)压缩比增大时压缩机的输气系数λλ大为降低，压缩机的输气量及效率显著下降2)(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使用(3)(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：p pk k/p/p0 0≤8≤8； 最低蒸发温度＝-25℃-25℃；2.2.氟利昂制冷系统：p pk k/p/p0 0≤10≤10； 蒸发温度＝-37℃-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（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: : 低压级压缩 高压级压缩 蒸发压力 中间压力 冷凝压力1.1.来自蒸发器的低温制冷剂蒸气（压力为PoPo）先进入低压级压缩机，在其中压缩到中间压力PmPm 2.2.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） 3.3.再进入高压级压缩机，将其压缩为冷凝压力PkPk，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： 低温低压制冷剂蒸气中间压力下过热蒸气低压级com过热蒸气被冷却中间冷却器冷凝压力下过热蒸气高压级com单机双级系统：气缸数比常为1:3or1:2双级制冷系统组成双机双级系统两台压缩机一台压缩机，高、低压气缸中间冷却程度中间完全冷却中间不完全冷却低压级com排气在中间冷却器中被冷却到中间压力下的饱和温度。

用于氨系统低压级com排气与中间冷却器中蒸发的蒸气相混合，被冷却到某一过热点用于氟利昂系统v作用：1.1.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；2.2.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；3.3.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v结构v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 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R502R717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（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ζ ：ζ= qvtg/qvtd=（ qmg *vg/λg ）*（qmd*vd/λd） 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0.33～0.5之间，即qvtg:qvtd=1:3～1:2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①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②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－40～40℃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 •①根据确定的蒸发压力p0和冷凝压力pk，•②在pm（tm）值的上下，按一定间隔选取若干个中间温度tm值•③根据给定的工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•④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+Δtk2、蒸发温度：to=tl-Δto3、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 ）*（h1-h8 ） 对于中间完全冷却的两级循环： q qmgmgh h9 9+q+qmdmdh h2 2=q=qmgmgh h3 3+q+qmdmdh h4 4qmg =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：w wg g=h=h7 7-h-h3 3 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ε= 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：q qmgmg h h9 9= =（q qmgmg-q-qmdmd）h h3 3+q+qmdmdh h4 4q qm mg g = =q qm md d( (h h3 3- -h h4 4) ) / /( ( h h3 3- - h h9 9) ) 　　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①①单位制冷量 ⑧⑧高压压缩机理论输气量②②低压压缩机制冷剂流量 ⑨⑨高压压缩机理论功率③③低压压缩机理论输气量 ⑩⑩高压压缩机轴功率④④低压压缩机理论功率 ⑾⑾高压压缩机实际排气烩值⑤⑤低压压缩机轴功率 ⑿⑿理论制冷系数⑥⑥低压压缩机实际排气恰值 ⒁⒁理论输气量比⑦⑦高压压缩机制冷剂流量 ⒀⒀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ξξ绘制ξξ =f(tm)曲线，并在图上画一条ξξ等于给定值的水平线，此线与曲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ε0绘制ε0=f(tm)曲线，找到ε0max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.h4ε0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返回本章（一）温度变动对双级压缩制冷循环特性的影响•① 随着t0的升高，压力pk和pm都有不断升高，但pm升高得快；•② 随着t0的升高，压力比σH和σL都不断下降，但σH下降快；•③ 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1.两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两个单级压缩循环组成的复叠式制冷机 高温系统高温压缩机冷凝器节流阀冷凝蒸发器制冷剂制冷剂R22低温系统压缩机冷凝蒸发器回热器节流阀蒸发器膨胀容器组成R23复叠式制冷循环压焓图R507单级压缩—R23单级压缩—R50单级压缩组合的复叠式循环R507-R23-R50R22单级压缩—R23单级压缩—R50单级压缩组合的复叠式循环R22-R23-R50R507两级压缩—R1150两级压缩组合的复叠式循环R507-R1150R22两级压缩—R1150两级压缩组合的复叠式循环R22-R1150-120℃R507两级压缩—R1150单级压缩组合的复叠式循环R507-R1150R22两级压缩—R1150单级压缩组合的复叠式循环R22-R1150R507两级压缩—R23单级或两级压缩组合的复叠式循环R507-R23R22两级压缩—R23单级或两级压缩组合的复叠式循环R22-R23-100℃R290两级压缩—R23单级压缩组合的复叠式循环R290-R23R507单级或两级压缩—R23单级压缩组合的复叠式循环R507-R23R22单级或两级压缩—R23单级压缩组合的复叠式循环R22-R23-80℃制冷循环型式制冷剂最低蒸发温度复叠式制冷循环的组合型式与制冷温度和制冷剂种类的关系一个两级压缩循环和一个单级压缩循环组成的复叠式制冷机 高温系统制冷剂制冷剂R22或R507低温系统带回热的单级压缩循环R23或1150一级节流中间不完全冷却节流前液体过冷带回热的两级压缩循环最低蒸发温度可达-110℃-110℃两级循环和单级循环组成的复叠式制冷原理图 a1—低温部分压缩机 a2—高温部分低压级压缩机 a3—高温部分高压级压缩机b—冷凝器 c1、c2、c3—节流阀 d—蒸发器 d12冷凝-蒸发器e1—低温部分气-液热交换器 e2—高温部分气-液热交换器 f—高温部分中间冷却器两级循环和单级循环组成的复叠式制冷lgp-h图(a) 高温部分 (b) 低温部分四、各种蒸气压缩式制冷方式的比较 制冷循环 使用原因应用温度范围制冷剂单级压缩 一般制冷5℃℃～- 30℃℃ 一种双级压缩 压缩比过大-30℃℃～- 80℃℃ 一种复叠压缩 制低温<-80℃℃ 两种或两种以上 [教学重点和教学难点]采用多级蒸汽压缩式与复叠式制冷循环的原因；双级蒸汽压缩式制冷循环的工作原理和基本热力分析；复叠式制冷循环的工作原理和热力分析。

[教学建议] 讲叙时，注意结合专业参观，并通过讲解例题和练习加深理解。