第四章,雙級壓縮和復(fù)疊式壓縮制冷循環(huán),本章內(nèi)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(fù)疊式壓縮制冷循環(huán),復(fù)習(xí)上章的內(nèi)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?zé)嵫h(huán),減少過熱損失,降低功率消耗,減少節(jié)流損失,1.設(shè)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?zé)嵫h(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(shù)的影響取決于蒸氣過熱時吸收的熱量是否產(chǎn)生有用的制冷效果以及過熱度的大小。（1）過熱沒有產(chǎn)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(jìn)入壓縮機(jī)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(zhì)產(chǎn)生任何制冷效應(yīng)，這種過熱稱為“無效”過熱。由于循環(huán)的單位質(zhì)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(jī)而言它將導(dǎo)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(chǎn)生有用的制冷效果如果吸入蒸氣的過熱產(chǎn)生在蒸發(fā)器本身的后部，或者產(chǎn)生在安裝于被冷卻室內(nèi)的吸氣管道上，或者產(chǎn)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(chǎn)生了有用的制冷效果，我們稱這種過熱為“有效”過熱。蒸氣回?zé)嵫h(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(jī)，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(jī)的容積系數(shù)v大為降低，壓縮機(jī)的輸氣量及效率顯著下降。由于壓縮機(jī)余隙容積的存在，壓力比提高到一定數(shù)值后，壓縮機(jī)的容積系數(shù)變?yōu)榱悖瑝嚎s機(jī)不再吸氣，制冷機(jī)雖然在不斷運(yùn)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(jī)的工作壓力控制在一個合適的范圍內(nèi)，就要采用多級壓縮循環(huán)。,(2)壓縮機(jī)排氣溫度過高，使?jié)櫥偷恼扯燃眲∠陆?，影響壓縮機(jī)的潤滑。當(dāng)排氣溫度與潤滑油的閃點(diǎn)接近時，會使?jié)櫥吞蓟统霈F(xiàn)拉缸等現(xiàn)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(jīng)濟(jì)性下降。,氨：絕熱指數(shù)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(shù)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(dá)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(jìn)行，即將來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸氣（壓力為Po）先進(jìn)入低壓壓縮機(jī)，在其中壓縮到中間壓力Pm，經(jīng)過中間冷卻后再進(jìn)入高壓壓縮機(jī)，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(jīng)過中間冷卻，又可使壓縮機(jī)的耗功減少，可靠性、經(jīng)濟(jì)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(jīng)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(jīng)濟(jì)性較兩級節(jié)流稍差，但它利用節(jié)流前本身的壓力可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(guān)。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(jù)環(huán)境介質(zhì)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(dāng)，影響到經(jīng)濟(jì)性及壓縮機(jī)的安全運(yùn)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(shù)最大原則去選取最佳中間壓力。,幾個推薦應(yīng)用的公式：(1)按壓力的比例中項(xiàng)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(yīng)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(jìn)行循環(huán)的熱力計算，求得該循環(huán)下的制冷系數(shù)e；4）繪制eF(tm)曲線，找到e的最大值，由該點(diǎn)對應(yīng)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(xiàng)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(jīng)驗(yàn)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(nèi)，對于R12也能得到滿意的結(jié)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(jī)的單位理論功w0=h2-h1當(dāng)制冷機(jī)的冷負(fù)荷為Q0時，低壓級制冷劑循環(huán)量：,=,從而可算出低壓壓縮機(jī)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(jī)的單位理論功為wog=h7-h3由此可得高壓壓縮機(jī)的理論功率,Pg=,=,根據(jù)制冷系數(shù)的定義，兩級壓縮制冷循環(huán)的理論制冷系數(shù)為:,對于中間不完全冷卻的兩級循環(huán)，根據(jù)中間冷卻器的熱平衡關(guān)系,可得到流經(jīng)高壓級壓縮機(jī)的制冷劑流量：,qmgh9=（qmg-qmd）h3+qmdh4,qmg=qmd(h3-h4)/(h3-h9),高壓壓縮機(jī)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(jī)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(shù)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(dāng)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(jī)起壓縮作用，此圖t0b4；（3）當(dāng)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(dāng)t0=t0b，（pk-pm）0，（pm-po）達(dá)到最大值；（4）高壓壓縮機(jī)的最大功率出現(xiàn)在t0=-27，壓縮比pk/pm3。低壓壓縮機(jī)的最大功率出現(xiàn)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(biāo)上畫出一系列的關(guān)系曲線，這種關(guān)系曲線圖稱為運(yùn)行圖解，運(yùn)行圖解對于設(shè)計和運(yùn)轉(zhuǎn)工作有一定的指導(dǎo)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(guān)系,1.變工況特性,2.與變工況特性相關(guān)的問題,（1）啟動：當(dāng)制冷機(jī)長時間停止運(yùn)轉(zhuǎn)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(dāng)蒸發(fā)溫度未達(dá)到邊界數(shù)值t0b以前，高壓壓縮機(jī)不起壓縮作用，此時如果高、低壓壓縮機(jī)同時啟動勢必造成能源浪費(fèi)。通常先啟動高壓壓縮機(jī)，待蒸發(fā)溫度降低到某一數(shù)值時（決定于低壓壓縮機(jī)配用的電動機(jī)功率），再啟動低壓壓縮機(jī)。對于帶有能量調(diào)節(jié)的單機(jī)雙級壓縮制冷機(jī)，在啟動初始階段，可按高蒸發(fā)溫度選用大的值運(yùn)轉(zhuǎn)；隨著蒸發(fā)溫度的降低，再調(diào)整減小到正常運(yùn)行值。這樣可以避免壓縮機(jī)電機(jī)過載，又能使啟動過程節(jié)能。（2）電動機(jī)選配：高壓壓縮機(jī)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(jī)的功率；也可按最常用運(yùn)轉(zhuǎn)工況選配電動機(jī)，在啟動過程中需采用部分卸載或進(jìn)氣節(jié)流等措施。由于啟動時先啟動高壓壓縮機(jī)，低壓壓縮機(jī)的功率應(yīng)按照運(yùn)行的溫度范圍內(nèi)的功率最大時的情況去確定，即低壓壓縮機(jī)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(fù)疊式壓縮制冷循環(huán),由兩個（或數(shù)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(zhì)的限制1.蒸發(fā)溫度受制冷劑凝固點(diǎn)的限制:T0必須高于制冷劑的凝固點(diǎn)；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(jī)的體積流量很大。,定義,壓縮機(jī)冷凝蒸發(fā)器回?zé)崞鞴?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(fù)疊式制冷,由兩個單級系統(tǒng)組成的復(fù)疊式制冷機(jī)a)制冷循環(huán)系統(tǒng)b)T-s圖,R22或R507,低溫部分,帶回?zé)岬膯渭墘嚎s循環(huán),制冷劑,低溫,高溫,最低蒸發(fā)溫度可達(dá)-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(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖a1低溫部分壓縮機(jī)a2高溫部分低壓級壓縮機(jī)a3高溫部分高壓級壓縮機(jī)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(fù)疊式制冷循