1、2022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室第四章第四章 两级压缩和复叠式制冷循环两级压缩和复叠式制冷循环12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室4.1 4.1 概述概述 冷凝压力冷凝压力 t tk k 环境温度、冷却介质温度环境温度、冷却介质温度 蒸发压力蒸发压力 t t0 0 用户要求（制冷系统的用途）用户要求（制冷系统的用途）在单级蒸气压缩式制冷循环中，当制冷剂选定后，其冷凝在单级蒸气压缩式制冷循环中，当制冷剂选定后，其冷凝压力，蒸发压力由冷凝温度和蒸发温度决定。冷凝温度受环境压力，蒸发压力由冷凝温度和蒸发温度决定。冷凝温度受环境介质介质(水或空气水或空气)
2、温度的限制，蒸发温度由制冷装置的用途确定温度的限制，蒸发温度由制冷装置的用途确定的。在常温冷却条件下能够获得低温程度是有限的，即的。在常温冷却条件下能够获得低温程度是有限的，即制冷温制冷温差是有限的差是有限的。为什么？为什么？一、单级蒸气压缩局限性：一、单级蒸气压缩局限性：12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室蒸发温度降低对单级制冷循环的影响：蒸发温度降低对单级制冷循环的影响：1 1节流损失增加节流损失增加，制冷系数下降。，制冷系数下降。2 2压缩机运行时的压缩机运行时的压力比增大，功耗压力比增大，功耗增加，容积效率下降增加，容积效率下降。由于压缩机余隙容积的存在，压由于压
3、缩机余隙容积的存在，压力比提高到一定数值后，压缩机力比提高到一定数值后，压缩机的容积系数变为零，压缩机不再的容积系数变为零，压缩机不再吸气，制冷机虽然在不断运行，吸气，制冷机虽然在不断运行，制冷量却变为零。制冷量却变为零。蒸发温度降低对单级制冷循环的影响蒸发温度降低对单级制冷循环的影响12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 实际的活塞式压气机中，当活实际的活塞式压气机中，当活塞处于左止点时，活塞顶面与缸塞处于左止点时，活塞顶面与缸盖之间必须留有一定的空隙，称盖之间必须留有一定的空隙，称为为余隙容积余隙容积。具有余隙容积的压。具有余隙容积的压气机理论示功图，图中容积气机理论示
4、功图，图中容积V V3 3就就是余隙容积。是余隙容积。余隙容积余隙容积余隙容积余隙容积12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室余隙容积的影响余隙容积的影响有效吸气容积：有效吸气容积：41VVV容积效率：容积效率：111nhchVVVVV 余隙容积百分比余隙容积百分比V Vc c/V/Vh h和多变指数和多变指数n n一定时，增压比一定时，增压比 越大，则容越大，则容积效率越低，当积效率越低，当 增加到一定值时容积效率零。增加到一定值时容积效率零。增压比增压比 一定时余隙容积百分比越大，容积效率越低。一定时余隙容积百分比越大，容积效率越低。12pp12022-11-21机械学院
5、能动教研室机械学院能动教研室3 3压缩机的排气温度上升压缩机的排气温度上升 单级压缩的最低蒸发温度不仅受到容积系数为零的限制，随着单级压缩的最低蒸发温度不仅受到容积系数为零的限制，随着压力比的增大，除了引起制冷量下降，功耗增加、制冷系数下降、经压力比的增大，除了引起制冷量下降，功耗增加、制冷系数下降、经济性降低外，济性降低外，排气温度的限制也是选择压缩机级数的另一个重要原因。排气温度的限制也是选择压缩机级数的另一个重要原因。排气温度过高，排气温度过高，它将使润滑油变稀，润滑条件恶化，当排气温度它将使润滑油变稀，润滑条件恶化，当排气温度与润滑油的闪点接近时，与润滑油的闪点接近时，会使润滑油碳化，
6、会使润滑油碳化，以致在以致在阀片阀片上产生上产生结碳结碳现现象象,甚至出现甚至出现拉缸拉缸等现象。等现象。当冷凝温度为当冷凝温度为4040，蒸发温度为，蒸发温度为-30-30时，单级氨压缩机即使在等时，单级氨压缩机即使在等熵压缩的情况下，排气温度已高达熵压缩的情况下，排气温度已高达160160，显然它已超过了规定最高，显然它已超过了规定最高排气温度为排气温度为150150的限制。的限制。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 综上所述，综上所述，单级蒸气压缩活塞式制冷机，单级蒸气压缩活塞式制冷机，压缩比压缩比一般一般不超过不超过1010。蒸发温度过低带来如下问题蒸发温度过低
7、带来如下问题：(1)(1)压缩比增大，压缩机的容积系数压缩比增大，压缩机的容积系数vv大为降低，压缩机的输气大为降低，压缩机的输气量及效率显著下降。量及效率显著下降。由于压缩机余隙容积的存在，压力比提高到由于压缩机余隙容积的存在，压力比提高到一定数值后，压缩机的容积系数变为零，压缩机不再吸气，制冷一定数值后，压缩机的容积系数变为零，压缩机不再吸气，制冷机虽然在不断运行，制冷量却变为零。机虽然在不断运行，制冷量却变为零。1011mkvpcp 12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室不同冷凝温度时单级压缩所能达到的最低蒸发温度如下表所示。不同冷凝温度时单级压缩所能达到的最低蒸发温
8、度如下表所示。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 为了获得比较低的温度为了获得比较低的温度（40407070），），同时又同时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围内，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。就要采用多级压缩循环。(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。当排气温度与润滑油的闪点接近时，会使润滑油碳化和出现拉缸等现象。油碳化和出现拉缸等现象。(3)(3)制冷剂节流损失、过热损失增加，单位容积制
9、冷量下降制冷剂节流损失、过热损失增加，单位容积制冷量下降过大，经济性下降过大，经济性下降。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 两级压缩制冷循环中，制冷剂的压缩过程分两个阶段进行，两级压缩制冷循环中，制冷剂的压缩过程分两个阶段进行，即将即将来自蒸发器的低压制冷剂蒸气（压力为来自蒸发器的低压制冷剂蒸气（压力为P Po o ）先进入低压先进入低压压缩机，在其中压缩到中间压力压缩机，在其中压缩到中间压力P Pm m，经过中间冷却后再进入高，经过中间冷却后再进入高压压缩机，将其压缩到冷凝压力压压缩机，将其压缩到冷凝压力P Pk k ，排入冷凝器中。，排入冷凝器中。这样，这样，可使
10、各级压力比适中，由于经过中间冷却，又可使压缩机的耗可使各级压力比适中，由于经过中间冷却，又可使压缩机的耗功减少，可靠性、经济性均有所提高。功减少，可靠性、经济性均有所提高。4.2 4.2 两级压缩制冷循环两级压缩制冷循环12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室按中间冷却方式：按中间冷却方式：中间完全冷却循环与中间不完全冷却循环；中间完全冷却循环与中间不完全冷却循环；按节流方式：按节流方式：一级节流循环与两级节流循环。一级节流循环与两级节流循环。中间完全冷却：中间完全冷却：是指将低压级的排气冷却到中间压力下的饱和蒸气。是指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
11、中间不完全冷却：低压级排气虽经冷却，但并未冷到饱和蒸气状态。：低压级排气虽经冷却，但并未冷到饱和蒸气状态。两级节流循环：两级节流循环：将高压液体先从冷凝压力将高压液体先从冷凝压力Pk Pk 节流到中间压力节流到中间压力PmPm ，然后再由然后再由PmPm节流降压至蒸发压力节流降压至蒸发压力P0P0 。一级节流循环：一级节流循环：制冷剂液体由冷凝压力制冷剂液体由冷凝压力PkPk直接节流至蒸发压力直接节流至蒸发压力P0P0一级节流循环经济性较两级节流稍差，但它利用节流前本身的压力一级节流循环经济性较两级节流稍差，但它利用节流前本身的压力可实现远距离供液或高层供液，故被广泛采用。可实现远距离供液或高
12、层供液，故被广泛采用。两级压缩制冷循环分类两级压缩制冷循环分类12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室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。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：常用的组成型式有：1.1.一级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环一级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环 2.2.一级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环一级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 3.3.两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环 4.4.两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环
13、两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室4.2.14.2.1一级节流中间完全冷却的两级压缩制冷循一级节流中间完全冷却的两级压缩制冷循环环12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室4.2.14.2.1一级节流中间完全冷却的两级压缩制冷循环一级节流中间完全冷却的两级压缩制冷循环1 1、在双级压缩制冷循环中，制取冷量的是低压部分的蒸发过、在双级压缩制冷循环中，制取冷量的是低压部分的蒸发过程程8 81 1，其单位制冷量，其单位制冷量(kJ(kJkg)kg)为为810hhq2 2、过冷后的高压制冷剂液体的温度、过冷后的高压制冷剂
14、液体的温度t7t7为为 ttt67式中，式中，tt为中间冷却器冷却盘管的端部传热温差，约为为中间冷却器冷却盘管的端部传热温差，约为3 355。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室3 3、低压级压缩机的制冷剂质量流量、低压级压缩机的制冷剂质量流量(kg(kgs)s)为为 81000hhQqQqmd4 4、低压级压缩机吸入的制冷剂体积流量、低压级压缩机吸入的制冷剂体积流量(m3(m3s)s)为为81101hhvQvqqmdVd5 5、低压级压缩机的理论输气量、低压级压缩机的理论输气量(m3(m3s)s)为为ddVdVthdvhhQqq18106 6、低压级压缩机所消耗的轴功、
15、低压级压缩机所消耗的轴功(kW)(kW)为为 kdkddmdedhhhhQwqP12810011.0085.094.010nmdppR717R717，n=1.28n=1.28；R12R12，n=1.13n=1.13；R22R22，n=1.18n=1.18。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室不考虑中间冷却器与外界的传热，如下图所示的中间冷却器不考虑中间冷却器与外界的传热，如下图所示的中间冷却器的热平衡图的热平衡图 36752)()(hqhqqhhqhqmgmdmgmdmd 7 7、高压级压缩机的制冷剂质量流量、高压级压缩机的制冷剂质量流量 (kg(kgs)s)为为 mgq
16、)()(63817206372hhhhhhQhhhhqqmdmg 8 8、高压级压缩机吸入的制冷剂体积流量、高压级压缩机吸入的制冷剂体积流量(m3(m3s)s)为为 637281303hhhhhhvQvqqmgVg12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 9 9、高压级压缩机的理论输气量、高压级压缩机的理论输气量(m3(m3s)s)为为ggVgVthgvhhhhhhQqq36372810 虽然高压级压缩机制冷剂的质量流量大于低压级压缩机制冷剂的质量虽然高压级压缩机制冷剂的质量流量大于低压级压缩机制冷剂的质量流量，但低压级压缩机的吸气比体积流量，但低压级压缩机的吸气比体积 远大
17、于高压级压缩机的吸气比体远大于高压级压缩机的吸气比体积积 ，所以低压级压缩机吸入的制冷剂体积流量，所以低压级压缩机吸入的制冷剂体积流量 ,总大于高压级压总大于高压级压缩机吸入的体积流量缩机吸入的体积流量 ，在通常情况下，低压级压缩机制冷剂的体积，在通常情况下，低压级压缩机制冷剂的体积流量为高压级压缩机的流量为高压级压缩机的2 23 3倍。倍。1v3vVdqVgq1010、高压级压缩机所消耗的轴功率、高压级压缩机所消耗的轴功率(kW)(kW)为为6372348100hhhhhhhhQwqPkgkggmgeg1085.094.01nmkgpp R717，n=1.28；R12，n=1.13；R22，
18、n=1.18。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室1111、理论循环的制冷系数、理论循环的制冷系数 )()(12346372810000hhhhhhhhhhwqwqQgmgdmd1212、实际循环的制冷系数实际循环的制冷系数kdkgkggmgkddmdhhhhhhhhhhwqwqQ1234637281000111313、冷凝器热负荷冷凝器热负荷Qk(kw)Qk(kw)为为)(54hhqQsmgkigshhhh3434式中，式中，为高压级压缩机的实际排气比焓。为高压级压缩机的实际排气比焓。sh412022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室12022-11-21
19、机械学院能动教研室机械学院能动教研室4.2.24.2.2一级节流、中间不完全冷却的两级压缩循一级节流、中间不完全冷却的两级压缩循环环12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室一级节流中间不完全冷却的双级压缩制冷循环热力计算一级节流中间不完全冷却的双级压缩制冷循环热力计算 1 1、单位质量制冷量、单位质量制冷量q0(kJq0(kJkg)kg)为为910hhq2 2、低压级压缩机制冷剂的质量流量、低压级压缩机制冷剂的质量流量qmd(kgqmd(kgs)s)为为 91000hhQqQqmd12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室3 3、低压级压缩机吸入的制冷剂体积流
20、量、低压级压缩机吸入的制冷剂体积流量(m3(m3s)s)为为 91101hhvQvqqmdVd4 4、低压级压缩机的理论输气量、低压级压缩机的理论输气量(m3(m3s)s)为为 ddVdVthdvhhQqq19105 5、低压级压缩机所消耗的轴功率、低压级压缩机所消耗的轴功率Ped(kW)Ped(kW)为为 kdkddmdedhhhhQwqP129100如上图所示，假设中间冷却器外壳具有良好的绝热性能，不如上图所示，假设中间冷却器外壳具有良好的绝热性能，不考虑中间冷却器与外界的传热，则考虑中间冷却器与外界的传热，则6873)()()(hqqhhqhqqmdmgmdmdmg12022-11-21
21、机械学院能动教研室机械学院能动教研室6 6、高压级压缩机的制冷剂流量、高压级压缩机的制冷剂流量qmg(kgqmg(kgs)s)为为)()(73918307383hhhhhhQhhhhqqmdmg7 7、高压级压缩机吸入状态的确定、高压级压缩机吸入状态的确定根据右图列出平衡式根据右图列出平衡式324)(hqqhqhqmdmgmdmg)(32837334hhhhhhhh8 8、高压级压缩机吸入的制冷剂体积流量高压级压缩机吸入的制冷剂体积流量(m3(m3s)s)为为4vqqmgVg9 9、高压级压缩机的理论输气量、高压级压缩机的理论输气量(m3(m3s)s)为为VgVthggqq12022-11-2
22、1机械学院能动教研室机械学院能动教研室 1010、高压级压缩机所消耗的轴功率、高压级压缩机所消耗的轴功率(kW)(kW)为为 kggmgegwqP01111、理论循环的制冷系数理论循环的制冷系数 gmgdmdwqwqQ0000 1212、实际循环的制冷系数、实际循环的制冷系数 kggmgkddmdwqwqQ110001313、冷凝器的热负荷、冷凝器的热负荷Qk(kW)Qk(kW)为为)(65hhqQsmgk12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室1414、高压级压缩机的实际排气比焓、高压级压缩机的实际排气比焓 igshhhh45451515、对于已有的两级制冷压缩机，可以根据
23、压缩机的理论输气、对于已有的两级制冷压缩机，可以根据压缩机的理论输气量量 和和 计算出制冷机的制冷量计算出制冷机的制冷量 (kW)(kW)VthdqVthgq0Q)(9110hhvqQdVthd12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 一级节流中间不完全冷却的两级压缩氟利昂制冷系统一级节流中间不完全冷却的两级压缩氟利昂制冷系统 12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室4.2.3两级压缩两级节流制冷循环两级压缩两级节流制冷循环12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制
24、冷循环(a)流程图流程图(b)lgp-h图图12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室1 1、制冷量为、制冷量为Qo(kWQo(kW或或kJkJs)s)时，低压压缩机的质量流量时，低压压缩机的质量流量(kg(kgs)s)为为91000hhQqQqmd2 2、按吸入状态计算的低压级压缩机的体积流量、按吸入状态计算的低压级压缩机的体积流量(m3(m3s)s)为为 1vqqmdVd3 3、低压级压缩机理论比功为低压级压缩机理论比功为 120hhwd4 4、低压级压缩机所需的轴功率低压级压缩机所需的轴功率(kW)(kW)为为kddkdkddmdedQhhhhQwqP01291005 5
25、、低压级理论输气量、低压级理论输气量(m3(m3h)h)为为ddVdVthdvhhQqq19103600360012022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室中间冷却器的热平衡关系式中间冷却器的热平衡关系式 896)(hqqhqhqmdmgmdmg6 6、高压级质量流量、高压级质量流量68989106898hhhhhhQhhhhqqmdmg7 7、高压级压缩机的理论比功、高压级压缩机的理论比功 45hhwg8 8、高压级吸气状态的确定：根据高压级压缩机吸气管道中、高压级吸气状态的确定：根据高压级压缩机吸气管道中的绝热混合列平衡式的绝热混合列平衡式 284)(hqhqqhqmdmdm
26、gmg)(82986884hhhhhhhhs12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室9 9、低压级压缩机排气的实际比焓值、低压级压缩机排气的实际比焓值 idshhhh12121010、高压级压缩机所需要的实际功率为、高压级压缩机所需要的实际功率为kgkggmgeghhhhhhhhQwqP4568989101111、高压级压缩机理论输气量为、高压级压缩机理论输气量为gggVthgvhhhhhhQVq46898910360036001212、冷凝器热负荷、冷凝器热负荷 )(65hhqQmgk1313、理论循环制冷系数、理论循环制冷系数)(4568981291000hhhhhhhh
27、hhwqwqQogmgdmd12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室1414、实际循环制冷系数、实际循环制冷系数kddmdkggmgwqwqQ00012022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室四、两级节流中间完全冷却的两级压缩制冷四、两级节流中间完全冷却的两级压缩制冷 12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室两级节流中间完全冷却的两级压缩制冷循环两级节流中间完全冷却的两级压缩制冷循环 1 1、两级节流中间完全冷却的双级压缩制冷循环的低压部分的计算、两级节流中间完全冷却的双级压缩制冷循环的
28、低压部分的计算与中间不完全冷却循环相同。与中间不完全冷却循环相同。2 2、高压部分的流量还包括由于冷却低压级压缩机的排气而蒸发的液体制、高压部分的流量还包括由于冷却低压级压缩机的排气而蒸发的液体制冷剂和其在第一节流过程所产生的蒸气。冷剂和其在第一节流过程所产生的蒸气。列中冷平衡方程列中冷平衡方程8427hqhqhqhqmdmgmdmg64839106483hhhhhhQhhhhqqmdmg3 3、理论循环的制冷系数、理论循环的制冷系数)()()(4564831291451200hhhhhhhhhhhhqhhqQmgmd12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室两级节流、中间完全
29、冷却的两级压缩制冷循环两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环(a)流程图流程图(b)lgp-h图图12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室4 4、理论循环的制冷系数、理论循环的制冷系数)()()(4564831291451200hhhhhhhhhhhhqhhqQmgmd由以上分析可知，在蒸发温度较低时，采用两级压缩、中间由以上分析可知，在蒸发温度较低时，采用两级压缩、中间冷却制冷循环可以达到以下目的：冷却制冷循环可以达到以下目的：1)1)降低了压缩机的排气温度。降低了压缩机的排气温度。2)2)降低了压缩机的增压比。降低了压缩机的增压比。3)3)减少了节流损失减少了节流损失(
30、由于膨胀阀之前的制冷剂已充分过冷，节流后制冷剂由于膨胀阀之前的制冷剂已充分过冷，节流后制冷剂湿饱和蒸气的干度较小湿饱和蒸气的干度较小)。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室一、中间压力的确定一、中间压力的确定循环的冷凝温度和蒸发温度：循环的冷凝温度和蒸发温度：根据环境介质的温度和被冷却物体要求的温度，考虑一定根据环境介质的温度和被冷却物体要求的温度，考虑一定的传热温差确定。的传热温差确定。（冷凝温度高于环境介质温度，蒸发温（冷凝温度高于环境介质温度，蒸发温度低于被冷却物体温度）度低于被冷却物体温度）中间温度（或中间压力）：中间温度（或中间压力）：两级压缩循环的特有问题，中
31、间压力选择是否恰当，影响两级压缩循环的特有问题，中间压力选择是否恰当，影响到到经济性经济性及压缩机的及压缩机的安全运行安全运行。4.2 4.2 两级压缩制冷机的热力计算两级压缩制冷机的热力计算12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 中间压力的确定方法：中间压力的确定方法：一、一、制冷系数最大制冷系数最大原则去选取原则去选取最佳中间压力最佳中间压力。几个推荐应用的公式：几个推荐应用的公式：(1)(1)按压力的比例中项确定中间压力按压力的比例中项确定中间压力:kompppPm-Pm-中间压力中间压力 Po-Po-蒸发压力蒸发压力Pk-Pk-冷凝压力冷凝压力 单位均为单位均为MP
32、aMPa按按此式求出此式求出的中间压力和制冷循环的最佳中间压力的中间压力和制冷循环的最佳中间压力有一定的偏差有一定的偏差。但公式很简单，但公式很简单，可用于初步估算可用于初步估算，具体需，具体需再用试凑作图法再用试凑作图法。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室1 1）确定冷凝压力）确定冷凝压力 P PK K 和蒸发压力和蒸发压力 P P0 0 ，按按 求求得一个近似值，查表得到对应的中间温度得一个近似值，查表得到对应的中间温度t tm m ；2 2）在该）在该 t tm m值的上下按一定间隔选取若干个中间温度；值的上下按一定间隔选取若干个中间温度；3 3）对每一个）对每一
33、个 t tm m 值进行循环的热力计算，求得该循环下的制冷值进行循环的热力计算，求得该循环下的制冷系数系数COPCOP0 0；4 4）绘制）绘制COPCOP0 0f f(t(tm m)曲线，找到曲线，找到COPCOP0 0的最大值，由该点对应的中的最大值，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）。间温度即为循环的最佳中间温度（即最佳中间压力）。komppp具体步骤为：具体步骤为：12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室最佳中间温度的确定最佳中间温度的确定12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室(2)2)用经验公式直接计算最佳中间压力用经验
34、公式直接计算最佳中间压力 tm=0.4tk+0.6to+3 t tm m 中间温度中间温度 t tk k 冷凝温度冷凝温度 t to o 蒸发温度，单位均为蒸发温度，单位均为。上式不只适用于氨，在上式不只适用于氨，在40404040温度范围内，对于温度范围内，对于R12R12也也能得到满意的结果。能得到满意的结果。对于两级氨制冷循环，拉赛对于两级氨制冷循环，拉赛(A.Rasi)A.Rasi)提出了较为简单提出了较为简单的最佳中间温度计算式：的最佳中间温度计算式：12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 由已知的由已知的tktk、t0t0，按几何比例中项或拉赛公式确定一个理论的
35、中间压，按几何比例中项或拉赛公式确定一个理论的中间压力力pmpm，查出对应的，查出对应的tmtm。再假设两个中间温度。再假设两个中间温度tmtm和和tmtm，要注意分别比，要注意分别比tmtm稍小些和稍大些稍小些和稍大些(为使工作曲线精确起见，差值可取为使工作曲线精确起见，差值可取5 510)10)。以低压级理论输汽量为基础，按假设的以低压级理论输汽量为基础，按假设的t tm m、t tm m求出各自的求出各自的 及及 。并由公式并由公式 求出容积比求出容积比及及。VthgqVthgqVthdVthgqq以中间温度为纵座标、以容积比为横座标，作以中间温度为纵座标、以容积比为横座标，作tmtm与
36、与的座标图。根据的座标图。根据tmtm、及及tmtm、在图上找到点在图上找到点1 1和点和点2 2，并联成一条直线。，并联成一条直线。由选配好压缩机的实际容积比由选配好压缩机的实际容积比，从图上求得实际的中间温度，从图上求得实际的中间温度tmtm值。值。二、已经选配好高、低压缩机，通过容积比插入法确定中间压力二、已经选配好高、低压缩机，通过容积比插入法确定中间压力具体步骤：具体步骤：中间压力确定方法：中间压力确定方法：12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室压缩机压缩机冷凝蒸发器冷凝蒸发器回热器回热器节流阀节流阀蒸发器蒸发器膨胀容器膨胀容器低温系统低温系统制冷剂制冷剂R22/
37、R23R22/R23两个单级系统组成的复叠式制冷两个单级系统组成的复叠式制冷12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室由两个单级系统组成的复叠式制冷机由两个单级系统组成的复叠式制冷机a)制冷循环系统制冷循环系统b)T-s图图12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室低温箱复叠式压缩制冷循环系统 12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室-100复叠式制冷机组的实际循环系统原理图。该系统的高温循环用R22为制冷剂，是一个双级压缩制冷循环；低温循环用R13为制冷剂，是一个单级压缩制冷循环。机组
38、的设计工况是：高温循环 ，-36，-66 低温循环 -59，-102 12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室R22R22或或R507R507低温部分低温部分带回热的单级压缩循环带回热的单级压缩循环制冷剂制冷剂低温低温高温高温最低蒸发温度可达最低蒸发温度可达-110-110R13R13或或R14R14高温部分为双级压缩循环高温部分为双级压缩循环低温部分为单级压缩循环低温部分为单级压缩循环12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室高温部分为两级压缩循环、低温部分为单级压缩循环组成高温部分为两级压缩循环、低温部分为单级压缩循环组成的复叠式制冷循环系统原理图的复叠式
39、制冷循环系统原理图a1低温部分压缩机低温部分压缩机a2高温部分低压级压缩机高温部分低压级压缩机a3高温部分高压级压缩机高温部分高压级压缩机b冷冷凝器凝器c1、c2、c3节流阀节流阀d蒸发器蒸发器d12冷凝冷凝-蒸发器蒸发器e1低温部分气低温部分气-液热交换器液热交换器e2高温部分气高温部分气-液热交换器液热交换器f高温部分中间冷却器高温部分中间冷却器12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室高温部分为两级压缩循环、低温部分为高温部分为两级压缩循环、低温部分为单级压缩循环组成的复叠式制冷循环单级压缩循环组成的复叠式制冷循环lgp-h图图(a)高温部分高温部分(b)低温部分低温部分
40、12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室三个单级压缩循环组成的复叠式制冷三个单级压缩循环组成的复叠式制冷 循环循环中温中温高温高温低温低温中温中温R13高温高温R22或或R507低温低温R50、R1150或或R170制冷剂制冷剂最低蒸发温度可达最低蒸发温度可达12014012022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室蒸汽压缩式制冷的温度范围 温度范围采用的制冷剂与制冷循环6080R22与R13复叠80100R22双级与R13复叠100130R22单级
41、与双级R13或R14复叠12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室复叠质量循环热力计算1、低温循环系统制冷剂的质量流量为 4100hhQqQqdoddmd2、低温循环系统压缩机的输气量为 dddVvhhQq141003、低温循环压缩机的轴功率 sdmdedhhqP124、低温循环冷凝器的热负荷 idmddkdhhqQQ12012022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 5、高温循环制冷循环的制冷量 QQQkdg06、高温制冷系统制冷剂的质量流量 67000hhQqQqgggmg7、高温循环压缩机的输气量 ggVgvhhQq76708、高温循环压缩机的轴功率 kgm
42、geghhqP7812022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室9、高温循环冷凝器的热负荷igmggkghhqQQ780 复叠式压缩制冷循环的热力计算，可应用前述方法并结合各种循环的具体情况进行。1中间温度的确定 确定中间温度可以根据制冷系统的制冷系数最大，对于能量利用最经济为原则。还可以按各个压缩机的压缩比大致相等来确定，这样压缩机气缸工作容积的利用率比较高。2应用温度的范围 当蒸发温度在-80以下时，采用单一工质的双级压缩制冷循环已无法实现，需要采用复叠式压缩制冷循环。当蒸发温度在-80-60范围之间时，复叠式压缩制冷循环和双级压缩制冷循环都可以应用。12022-11-21机械
43、学院能动教研室机械学院能动教研室 从理论循环分析，复叠式压缩制冷循环的冷凝蒸发器存在传热温差，经济性较低，系统复杂，温度调节范围小。但其每台压缩机的工作压力范围比较适中，低温部分压缩机的输气量减小，压缩机输气系数和指示功率提高，其实际循环的制冷系数比双级压缩制冷循环的要高，运转的可靠性较好，一般多用于工业生产装置和大型实验装置。对于温度条件范围较大的小型制冷装置采用双级压缩制冷循环较好。3工质的选择 复叠式压缩制冷循环选用哪种工质一般取决于制冷机的用途。其高温循环采用中温制冷剂，一般使用R22、R500、R502等，低温循环使用R13、R14、R503等。R13适用的蒸发温度是-70-110，
44、R14适用的蒸发温度是-110-140。在采取安全措施后，C2H4和C2H6也可以用于工业制冷装置。NH3CO2复叠式制冷循环的开发表明，在-35-55温度范围具有优势。在此复叠式压缩制冷循环系统中，用CO2作为低温制冷剂，NH3作为高温制冷剂。与传统的双级氨压缩制冷循环相比，由于C02的单位容积制冷量比NH3的大，蒸发潜热大，压缩机体积减小到原来的110。CO2与其他低温制冷剂相比，CO2的低温粘度小，CO2在-40下，液体的粘度是5水的粘度的18，即便在较低的流速下也可以产生湍流流动，使传热性能提高，减少了管道和热交换器的尺寸，使系统更紧凑。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院
45、能动教研室4制冷循环形式及工作参数 制冷循环形式主要根据制冷循环所要达到的蒸发温度来确定，同时也要考虑制冷工质的种类及效率等因素。如果所要达到的蒸发温度在-80-100，用氟利昂做工质时，可在高温循环采用双级压缩，使高温循环的压缩比与低温循环的压缩比相等。这样可以保证整个制冷循环的制冷系数较大，并使制冷循环在有利的工况下工作。当对蒸发温度要求更低时，例如-100以下时，可在低温循环采用双级压缩，相比较前一种形式而言，这样可以降低各个压缩机的压缩比，增大输气系数，使循环的经济性提高。5、冷凝蒸发器 在冷凝蒸发器中是有温差的传热，而此传热温差的大小对冷量损失有影响，也影响到整个制冷循环的经济性，一
46、般情况下建议取传热温差 。由热力学知道，温度越低，传热温差引起的不可逆损失越大，所以，对于低温复叠式制冷机，蒸发器的传热温差取小值。105t6膨胀容器 复叠式压缩制冷系统在停止运行后，由于环境温度较高，低温工质的临界温度较低，当系统内的温度逐渐升高时，低温工质会全部汽化为过热蒸气，这将使低温循环的压力升高而超过最大工作压力，如果不采取措施，将会发生安全事故。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 在低温系统接入一个膨胀容器，在停机后大部分低温工质进入膨胀容器。膨胀容器可与吸气管连接，也可与排气管连接。增加膨胀容器后低温工质的充注量会有增加。对于蒸发温度需要调节的制冷机，如果
47、充注量少，当蒸发温度升高时，系统内会出现工质不足的现象，所以设计此类系统时，充注量应按照蒸发温度的上限来考虑，同时膨胀容器的高低侧都有管道相连，并装配手动阀门，以便于运行中调节制冷剂量。膨胀容器的容积：pxxxtpxpvvvVvmV)(xtV式中，为低压级系统中（不包括膨胀容器）的制冷剂总充注量（kg）；为低温级系统（不包括膨胀容器）总容积（m3）;为在环境温度下，平衡压力的制冷剂气体比体积（m3/kg）；为在环境温度下，工作时吸气状态的制冷剂气体比体积（m3/kg）。xmpvxv 系统停机后，系统内的平衡压力应不大于系统的气体试验压力，一般取1010215102kPa。增加膨胀容器后，低温制
48、冷剂的总充注量xpxzvVmm12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室7起动 复叠式压缩制冷系统在开始起动时要先起动高温循环，只有当中间温度降低到可以保证低温循环的冷凝压力不致超高时才可起动低温循环。如果在低温循环中安装有膨胀容器和压力控制阀时，则高、低温循环可同时起动，此时低温循环压缩机的排气压力一旦上升到最高限定值时，压力控制阀自动开启，使低温级排气排入膨胀容器中。小型机组常采用此种方式。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 二、自复叠循环混合制冷剂单级压缩不仅可用于常规制冷，而且还可用于获取制冷温度较低的场合，这时，混合制冷剂中高沸点组分和低沸点组
49、分的沸点差要足够大；其次，要采用自复叠循环。图411是这种循环的流程示意图。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 自复叠循环工作原理为：压缩机将气态混合制冷剂压缩为高压状态，经冷凝器冷却冷凝后在精馏塔底部进一步放热，在节流阀J1中稍微降压后进入精馏塔，在精馏塔中混合制冷剂经热质交换分离成高沸点组分和低沸点组分两部分。在塔底的高沸点组分液体经J2节流降压降温后进入精馏塔顶部，在这里少量制冷剂液体吸热蒸发使管外的低沸点制冷剂少量冷凝成为液体，作为精馏塔的回流液。大部分高沸点制冷剂在冷凝蒸发器中吸热蒸发成为气态。另一方面，从精馏塔顶部出来的低沸点制冷剂蒸气在冷凝蒸发器中被冷凝，
50、经气液分离器、回热器后进入节流阀J3，在这里降压降温后进入蒸发器吸热蒸发，从而产生制冷效果。从蒸发器出来的低温蒸气在回热器F中回热后，与高沸点制冷剂蒸气汇合后回到压缩机，从而完成一个循环。12022-11-21机械学院能动教研室机械学院能动教研室 从上述原理可以看出，在蒸发器里蒸发的是低沸点制冷剂液体，在相同的蒸发压力下，低沸点制冷剂将具有更低的蒸发温度，从而实现较低的制冷温度。如果采用单一低沸点制冷剂单级压缩循环，则所需的冷凝压力将非常高，通常难以实现。在自复叠循环中，低沸点制冷剂的冷凝是由高沸点制冷剂的蒸发来实现的，因而无需很高的压力。自复叠循环的这一优点为单级压缩实现较低的制冷温度提供了
