第四章,雙級壓縮和復疊式壓縮制冷循環(huán),本章內容,4.1雙級壓縮制冷循環(huán)4.2雙級壓縮制冷循環(huán)的熱力計算及工況變化的影響4.3復疊式壓縮制冷循環(huán),復習上章的內容蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的損失,節(jié)流損失過熱損失傳熱溫差,液態(tài)制冷劑過冷回收膨脹功采用多級壓縮,過冷器,蒸氣回熱循環(huán),減少過熱損失,降低功率消耗,減少節(jié)流損失,1.設置過冷器的制冷循環(huán),過冷度,概念,過冷subcooling過冷度degreeofsubcooling過冷溫度temperatureofsubcooling,2.蒸氣回熱循環(huán),aa,2,1,S,3,bb,04,2,3,1,4,q0,Tk,T0,T,c,c,過熱度,過熱superheat過熱度degreeofsuperheat過熱溫度temperatureofsuperheat,概念,過冷度,蒸氣過熱對循環(huán)性能的影響,吸入過熱蒸氣對制冷量和制冷系數的影響取決于蒸氣過熱時吸收的熱量是否產生有用的制冷效果以及過熱度的大小。（1）過熱沒有產生有用的制冷效果由蒸發(fā)器出來的低溫制冷劑蒸氣，在通過吸入管道進入壓縮機之前，從周圍環(huán)境中吸取熱量而過熱，但它并沒有對被冷卻物質產生任何制冷效應，這種過熱稱為“無效”過熱。由于循環(huán)的單位質量制冷量是相等的，但蒸氣比容的增加使單位容積制冷量減少，對給定壓縮機而言它將導致循環(huán)制冷量的降低。,蒸氣過熱對循環(huán)性能的影響,（2）吸熱本身產生有用的制冷效果如果吸入蒸氣的過熱產生在蒸發(fā)器本身的后部，或者產生在安裝于被冷卻室內的吸氣管道上，或者產生在兩者皆有的情況下，那么，由于過熱而吸收的熱量來自被冷卻空間，因而產生了有用的制冷效果，我們稱這種過熱為“有效”過熱。蒸氣回熱循環(huán)屬于有效過熱。,蒸氣過熱對循環(huán)性能的影響,從右圖可以看出，氨過熱對制冷系統(tǒng)是不利的，它獲得的制冷量增量比需要增加的功少。,有效過熱的過熱度對制冷系統(tǒng)的影響,單級蒸氣壓縮活塞式制冷機，壓縮比一般不超過10。蒸發(fā)溫度過低帶來如下問題：,(1)壓縮比增大時壓縮機的容積系數v大為降低，壓縮機的輸氣量及效率顯著下降。由于壓縮機余隙容積的存在，壓力比提高到一定數值后，壓縮機的容積系數變?yōu)榱悖瑝嚎s機不再吸氣，制冷機雖然在不斷運行，制冷量卻變?yōu)榱恪?為了獲得比較低的溫度（4070），同時又能使壓縮機的工作壓力控制在一個合適的范圍內，就要采用多級壓縮循環(huán)。,(2)壓縮機排氣溫度過高，使?jié)櫥偷恼扯燃眲∠陆?，影響壓縮機的潤滑。當排氣溫度與潤滑油的閃點接近時，會使?jié)櫥吞蓟统霈F拉缸等現象。(3)制冷劑節(jié)流損失、過熱損失增加，單位容積制冷量下降過大，經濟性下降。,氨：絕熱指數較大，排氣溫度較高，氨單級壓縮的壓力比一般不超過8；氟里昂：絕熱指數相對較小，單級壓縮的壓力比一般也不希望超過10。不同冷凝溫度時單級壓縮所能達到的最低蒸發(fā)溫度如下表所示。,兩級壓縮制冷循環(huán)中，制冷劑的壓縮過程分兩個階段進行，即將來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸氣（壓力為Po）先進入低壓壓縮機，在其中壓縮到中間壓力Pm，經過中間冷卻后再進入高壓壓縮機，將其壓縮到冷凝壓力Pk，排入冷凝器中。這樣，可使各級壓力比適中，由于經過中間冷卻，又可使壓縮機的耗功減少，可靠性、經濟性均有所提高。,4.1雙級壓縮制冷循環(huán),按中間冷卻方式：中間完全冷卻循環(huán)與中間不完全冷卻循環(huán)；按節(jié)流方式：一級節(jié)流循環(huán)與兩級節(jié)流循環(huán)。中間完全冷卻：是指將低壓級的排氣冷卻到中間壓力下的飽和蒸氣。中間不完全冷卻：低壓級排氣雖經冷卻，但并未冷到飽和蒸氣狀態(tài)。兩級節(jié)流循環(huán)：將高壓液體先從冷凝壓力Pk節(jié)流到中間壓力Pm，然后再由Pm節(jié)流降壓至蒸發(fā)壓力P0。一級節(jié)流循環(huán)：制冷劑液體由冷凝壓力Pk直接節(jié)流至蒸發(fā)壓力P0。一級節(jié)流循環(huán)經濟性較兩級節(jié)流稍差，但它利用節(jié)流前本身的壓力可實現遠距離供液或高層供液，故被廣泛采用。,采用哪一種型式有利則與制冷劑種類、制冷劑容量及其它條件有關。常用的組成型式有：,1.一級節(jié)流、中間完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán),2.一級節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán),3.兩級節(jié)流、中間完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán),4.兩級節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán),兩級節(jié)流、中間完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán)(a)流程圖(b)lgp-h圖,兩級節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán)(a)流程圖(b)lgp-h圖,中間壓力的確定循環(huán)的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度：根據環(huán)境介質的溫度和被冷卻物體要求的溫度，考慮一定的傳熱溫差確定。中間溫度（或中間壓力）：兩級壓縮循環(huán)的特有問題，中間壓力選擇是否恰當，影響到經濟性及壓縮機的安全運行。,4.2雙級壓縮制冷循環(huán)的熱力計算及工況變化的影響,中間壓力的確定原則：制冷系數最大原則去選取最佳中間壓力。,幾個推薦應用的公式：(1)按壓力的比例中項確定中間壓力:,Pm-中間壓力Po-蒸發(fā)壓力Pk-冷凝壓力單位均為MPa,按此式求出的中間壓力和制冷循環(huán)的最佳中間壓力有一定的偏差。但公式很簡單，可用于初步估算。,具體步驟為：1）確定冷凝壓力PK和蒸發(fā)壓力P0，按求得一個近似值，查表得到對應的中間溫度tm；2）在該tm值的上下按一定間隔選取若干個中間溫度；3）對每一個tm值進行循環(huán)的熱力計算，求得該循環(huán)下的制冷系數e；4）繪制eF(tm)曲線，找到e的最大值，由該點對應的中間溫度即為循環(huán)的最佳中間溫度（即最佳中間壓力）。,最佳中間溫度的確定,(2)按溫度的比例中項確定中間壓力,Tm-中間溫度To-蒸發(fā)溫度Tk-冷凝溫度單位均為K,(3)用經驗公式直接計算最佳中間壓力,tm=0.4tk+0.6to+3,tm中間溫度tk冷凝溫度to蒸發(fā)溫度，單位均為。上式不只適用于氨，在4040溫度范圍內，對于R12也能得到滿意的結果。,對于兩級氨制冷循環(huán)，拉賽(A.Rasi)提出了較為簡單的最佳中間溫度計算式：,1、循環(huán)的熱力計算,在二級壓縮制冷循環(huán)中，制取冷量的都是低壓部分的蒸發(fā)過程，其單位制冷量：q0=h1-h5=h1-h4低壓壓縮機的單位理論功w0=h2-h1當制冷機的冷負荷為Q0時，低壓級制冷劑循環(huán)量：,=,從而可算出低壓壓縮機消耗的理論功率,Pd=,對于中間完全冷卻的兩級循環(huán)：qmgh9+qmdh2=qmgh3+qmdh4,qmg=qmd(h2-h4)/(h3-h9),高壓壓縮機的單位理論功為wog=h7-h3由此可得高壓壓縮機的理論功率,Pg=,=,根據制冷系數的定義，兩級壓縮制冷循環(huán)的理論制冷系數為:,對于中間不完全冷卻的兩級循環(huán)，根據中間冷卻器的熱平衡關系,可得到流經高壓級壓縮機的制冷劑流量：,qmgh9=（qmg-qmd）h3+qmdh4,qmg=qmd(h3-h4)/(h3-h9),高壓壓縮機的單位理論功為wog=h7-h6,qmgh6=(qmgqmd)h3+qmdh2,h6=,g,md,mg,q,h,h,q,h,q,),(,3,2,3,-,+,=,高壓壓縮機消耗的理論功率：,Pg=qmgwog=,中間不完全冷卻的兩級循環(huán)的理論制冷系數為:,2、工況變化的影響,從圖可看出雙級壓縮制冷循環(huán)在工況變化時的特性：（1）當蒸發(fā)溫度升高時，蒸發(fā)壓力和中間壓力隨著升高，中間壓力升高的速率相對較快；（2）蒸發(fā)溫度的升高有一邊界值t0b，此時pm=pk，高壓壓縮機起壓縮作用，此圖t0b4；（3）當蒸發(fā)溫度升高時，壓差（pk-pm）逐漸減小，而（pm-po）先逐漸增大，后逐漸減小，有一最大值。當t0=t0b，（pk-pm）0，（pm-po）達到最大值；（4）高壓壓縮機的最大功率出現在t0=-27，壓縮比pk/pm3。低壓壓縮機的最大功率出現在t0=t0b，此時，它承受的壓差最大而壓縮比接近3。在冷凝壓力為定值時，對于不同的值在tm-to坐標上畫出一系列的關系曲線，這種關系曲線圖稱為運行圖解，運行圖解對于設計和運轉工作有一定的指導作用。,定值時雙級壓縮制冷循環(huán)的壓力與蒸發(fā)溫度的變化關系,1.變工況特性,2.與變工況特性相關的問題,（1）啟動：當制冷機長時間停止運轉后第一次啟動時，蒸發(fā)溫度是從環(huán)境溫度逐漸降低的。當蒸發(fā)溫度未達到邊界數值t0b以前，高壓壓縮機不起壓縮作用，此時如果高、低壓壓縮機同時啟動勢必造成能源浪費。通常先啟動高壓壓縮機，待蒸發(fā)溫度降低到某一數值時（決定于低壓壓縮機配用的電動機功率），再啟動低壓壓縮機。對于帶有能量調節(jié)的單機雙級壓縮制冷機，在啟動初始階段，可按高蒸發(fā)溫度選用大的值運轉；隨著蒸發(fā)溫度的降低，再調整減小到正常運行值。這樣可以避免壓縮機電機過載，又能使啟動過程節(jié)能。（2）電動機選配：高壓壓縮機可以按照最大功率工況規(guī)定的最高冷凝溫度及pk/pm3時的工況選配電動機的功率；也可按最常用運轉工況選配電動機，在啟動過程中需采用部分卸載或進氣節(jié)流等措施。由于啟動時先啟動高壓壓縮機，低壓壓縮機的功率應按照運行的溫度范圍內的功率最大時的情況去確定，即低壓壓縮機開始啟動時的情況，此時它承受的壓力差最大，吸入的蒸氣比容最小。,4.3復疊式壓縮制冷循環(huán),由兩個（或數個）采用不同制冷劑的單級（也可以是多級）制冷系統(tǒng)組合而成。原因：受到制冷劑本身物理性質的限制1.蒸發(fā)溫度受制冷劑凝固點的限制:T0必須高于制冷劑的凝固點；2.蒸發(fā)壓力過低，容易滲入空氣；3.蒸發(fā)壓力過低，單位容積制冷量下降:低壓時，氣態(tài)制冷劑的比容很大，單位容積制冷能力很小，要求壓縮機的體積流量很大。,定義,壓縮機冷凝蒸發(fā)器回熱器節(jié)流閥蒸發(fā)器膨脹容器,低溫系統(tǒng),制冷劑,R22/R23,兩個單級系統(tǒng)組成的復疊式制冷,由兩個單級系統(tǒng)組成的復疊式制冷機a)制冷循環(huán)系統(tǒng)b)T-s圖,R22或R507,低溫部分,帶回熱的單級壓縮循環(huán),制冷劑,低溫,高溫,最低蒸發(fā)溫度可達-110,R13或R14,高溫部分為雙級壓縮循環(huán)低溫部分為單級壓縮循環(huán),高溫部分為兩級壓縮循環(huán)、低溫部分為單級壓縮循環(huán)組成的復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖a1低溫部分壓縮機a2高溫部分低壓級壓縮機a3高溫部分高壓級壓縮機b冷凝器c1、c2、c3節(jié)流閥d蒸發(fā)器d12冷凝-蒸發(fā)器e1低溫部分氣-液熱交換器e2高溫部分氣-液熱交換器f高溫部分中間冷卻器,高溫部分為兩級壓縮循環(huán)、低溫部分為單級壓縮循環(huán)組成的復疊式制冷循