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4两级压缩与复叠式制冷循环v2


制 冷 原 理
4 两级压缩与复叠式制冷循环
1.采用双级压缩制冷循环的原因; 2.双级压缩制冷循环的类型; 3.双级压缩制冷循环系统及热力计算; 4.复叠式制冷循环原理。

4.1 概述
单级蒸气压缩适用条件 1.氨制冷系统:pk/p0≤8; 最低蒸发温度=-25℃; 2.氟利昂制冷系统:pk/p0≤10; 最低蒸发温度=-37℃

[例]有一台制冷压缩机,工质R22,相对余隙容积c=余隙容积/工作 行程容积=0.048,多变指数m=1.04,tK=40℃,求此时制冷机所能 制取的最低温度。

解:容积系数的计算公式为: ?v ? 1 ? c(?
π为压缩机压力比π=
pk po

1 m

? 1)

当达到最低蒸发温度,λv=0 , Qo=0, 压缩机停止吸气,即
1 ? c(?
1 m

? 1) ? 0

1? c m 1 ? 0.048 1.04 ?? ? ( ) ?( ) ? 24.7 c 0.048

当tk=40℃, pk=15.269 bar , 故最低蒸发压力
15.269 po ? ? ? 0.618bar ? 24.7 pk

与之对应的to=-50.5℃,这就是此时蒸发温度的

极限值

单级蒸气压缩制冷机运行时制冷剂的冷凝 压力由环境介质(如空气或水)温度决定

在一定的冷凝温度下 蒸发温度降低

冷凝压力和蒸发压力之差(pk-po)增大
压缩比pk / po变大 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。

通常单级蒸气压缩活塞式制冷机压缩比≤10, 超出极限使用条件时: (1)压缩比增大时,压缩机的输气系数λ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。

(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。

所以,为获得较低的温度(-40℃以下), 同时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。

4.2 两级压缩制冷循环
两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.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(分两种情况--中间完全 冷却为饱和蒸气/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

两级蒸气压缩类型
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。 两级节流:一级节流至中间压力,二级节流至蒸发压力。 一级节流可利用压差实现远距离供液,便于调节,应用广泛 两级节流,很少采用 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。 对R12, R22, R502采用中间不完全冷却 对R717采用中间完全冷却

采用哪一种型式与制冷剂种类、制冷剂容量等条件有关 常用的组成型式有:

1.一级节流、中间完全冷却的两级压 缩制冷循环 2.一级节流、中间不完全冷却的两级 压缩制冷循环 3.两级节流、中间完全冷却的两级压 缩制冷循环 4.两级节流、中间不完全冷却的两级 压缩制冷循环

5.两级节流、具有中温蒸发器的中间完 全冷却两级压缩制冷循环

4.2.1一级节流、液体过冷、中间完全冷却的双级压缩制冷循环
由冷凝器流出的液体分为两路:

a.经膨胀阀1节流至Pm 进入 中冷器,利用它吸热冷却低 压级排气和盘管中的高压液 体。蒸发产生的蒸汽同低压 压缩机排气一起进入高压级;
b.液体在中冷器盘管中被冷 却后,经膨胀阀2节流到P0 , 在蒸发器中蒸发制冷。 高压级压缩机冷剂质量流量MR:
? ?

低压级来MR1 膨胀阀1来MR2

压-焓图分析
1-2低压压缩机压缩 2-3低压压缩机排气在中冷器冷 却 3-4高压压缩机压缩 4-5高压排气在冷凝器冷却 5-6节流阀①中液体节流 6-3节流阀①后液体在中冷器内 蒸发 5-7另一路液体在中冷器内过冷 7-8节流阀②节流 8-1蒸发器中蒸发

1)单位质量制冷量: q0=h1-h8 kJ/kg 2)单位容积制冷量: qv=q0 / v1 kJ/ m3 3)单位冷凝热负荷: qk=h4-h5 kJ/kg 4)低压级单位理论压缩功: w0d=h2-h1 kJ/kg 5)高压级单位理论压缩功: w0g=h4-h3 kJ/kg 6)低压级制冷剂的质量流量: MRd=Q0 / q0 kg/s 7)高压级制冷剂的质量流量: M ? M h 2 ? h 7 Rg Rd h3 ? h5 8)制冷系数:

QO M Rd ? ?h1 ? h 8 ? εo ? ? Pod ? Pog M Rd ?h 2 ? h1 ? ? M Rg ?h 4 ? h 3 ?

两级压缩氨制冷机的实际系统图
A-低压压缩机B-高压压缩机C-油分离器D-单向阀E-冷凝器F-储液器 G-过冷器H-中间冷却器I-浮子调节阀J-调节站K-气液分离器L-蒸发器

170 系列氨压缩机组
机组在冷凝温度≤ 40 ℃, 蒸发温度单级 +5 ℃?-30 ℃,双级 -25 ℃?-45 ℃ 的范围内工作。

广泛应用于国民经济各部 门中需要实现人工制冷的场 合,如石油、化工、制药等 工业产品的生产、国防、科 研方面的低温试验、食品的 低温加工贮藏和运输,工厂、 医院及公共场所等大型建筑 的空气调节等。

4.2.2. 一级节流,中间不完全冷却的两级压缩制冷循环

热力计算

其余过程略

1)单位质量制冷量: q0=h1-h8 kJ/kg 2)单位容积制冷量: qv=q0 / v1 kJ/ m3 3)单位冷凝热负荷: qk=h4-h5 kJ/kg 4)低压级单位理论压缩功: w0d=h2-h1 kJ/kg 5)高压级单位理论压缩功: w0g=h4-h3 kJ/kg 6)低压级制冷剂的质量流量: MRd=Q0 / q0 kg/s h3 ? h8 7)高压级制冷剂的质量流量: M Rg ? M Rd h3 ? h6 8)制冷系数: QO M Rd ? ?h1 ? h 8 ? εo ? ? Pod ? Pog M Rd ?h 2 ? h1 ? ? M Rg ?h 4 ? h 3 ?

图7 SD2-4F10A两级压缩氟里昂制冷系统图
A-低压压缩机;B-高压压缩机;C1、C2-油分离器;D-冷凝器; E-过滤干燥器;F-中间冷却器;G-蒸发器;H-气液分离器; I1、I2-热力膨胀阀;J1、J2-电磁阀

4.2.3. 两级压缩两级节流制冷循环

两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环 ( a ) 流程图 ( b ) lgp-h图

两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 ( a ) 流程图 ( b ) lgp-h图

两级节流、具有中温蒸发器的中间完全冷却两级压缩制冷循环 ( a ) 流程图 ( b ) lgp-h图

4.3 两级压缩制冷机的热力计算
中间压力的确定
? 压缩机已定的情况

当已经选配好高、低压级压缩机时,则高、低压级的 理论输气量之比为定值,可用试凑法(作图法)确定所需的 中间压力。 具体步骤: 1)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 ; 2)绘制曲线,并在图上画一条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)。

用这种方法确定的中间压力不一定是循环的最佳中间压力。
一般高、低压级理论输气量之比值在1/2--1/3 之间,如 采用单机双级型压缩机,它们的容积比一般为1:3。

? 最佳的运行经济性—制冷系数最大:最佳中间压力

方法1:计算作图法 方法2:简单估算法
? 估算压力

pm ? ? po pk

R717:φ=0.95~1 R22:φ=0.9~0.95

?

估算温度求最佳中间压力

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。

? 例4-2 ? 例4-3

? 思考题:4-1, 4-3, 4-4

4.3.3 温度变动时制冷机特性
?

?
? ?

tk, ξ不变而t0发生变化时: t0升高, v1减小, q0增大, Q0增大,ε提高; t0下降则相反; 电机选配:高压级电机按最大功率工况选配,低压级 电机可按它投入运行时的工况选配(为什么? ) 先开高压级,后开低压级

4.4 复叠式制冷机循环
一、复叠式压缩原因 1. 双级压缩制冷的局限性: ①制冷温度受制冷剂凝固点的限制不能太低。 ②受蒸发压力过低的限制。 ③受循环压力比的限制。
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: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 工作原理 温熵图(压焓图是怎样的?)

三、复叠式制冷机

由两个单级系统组成的复叠式制冷机 a) 制冷循环系统 b) T-s图

1. 两个单级系统组成的复叠制冷机原理

高温压缩机
高温系统 冷凝器 节流阀 冷凝蒸发器 制冷剂 R23

压缩机
冷凝蒸发器 回热器

低温系统

节流阀 蒸发器

膨胀容器组成
制冷剂 R22

一级节流
高温部分 中间不完全冷却 节流前液体过冷

带回热的两级压缩循环

低温部分

带回热的单级压缩循环

高温

R22或R507 R23或R1150

制冷剂

低温

最低蒸发温度可达-110℃

2. 三个单级系统组成的复叠制冷机原理

3. 生产干冰的复叠式制冷机原理

4.5 自复叠式制冷循环
自复叠制冷系统的结构和原理

问题:应使用怎样的制冷剂才能实现复叠制冷?

各种蒸气压缩式制冷方式的比较

制冷循环
单级压缩 双级压缩 复叠压缩

适用条件
一般制冷 大压缩比 低温制冷

应用温度范围
5℃~- 30℃ -30℃~- 80℃ <-80℃

制冷剂
一种 一种 两种或两 种以上

常见复叠式制冷循环


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