1、第4章 蒸气压缩式制冷循环4.1 单级蒸气单级蒸气压缩式制冷循环压缩式制冷循环1朗肯循环2劳伦茨循环3跨临界循环4.2 多级蒸气压缩式制冷循环多级蒸气压缩式制冷循环4.3 复叠式制冷循环复叠式制冷循环4.1 单级蒸气压缩式制冷循环容积式压缩机的单级压比受容积式压缩机的单级压比受压缩机容积效率、制冷剂凝固温度压缩机容积效率、制冷剂凝固温度和压缩终了温度的制约和压缩终了温度的制约通常被限制在通常被限制在810离心式压缩机的单级压缩比受工离心式压缩机的单级压缩比受工质分子量大小与叶轮的周边速度制约质分子量大小与叶轮的周边速度制约通常被限制在通常被限制在 24单级蒸气压缩制冷的典型循环单级蒸气压缩制冷
2、的典型循环1朗肯循环空调、制冷、食品冷藏温度范空调、制冷、食品冷藏温度范围大量使用的循环围大量使用的循环基本朗肯循环有回热的朗肯循环T朗肯循环图例2341s图图4-1 4-1 基本朗肯循环基本朗肯循环循环循环T Ts s图：图：1 12 2 压缩过程压缩过程 2 23 3 冷却冷凝过程冷却冷凝过程3 34 4 节流过程节流过程 4 41 1 蒸发吸热过程蒸发吸热过程T23311S4图图4-2 有回热的朗肯循环有回热的朗肯循环TS图：图：12 压缩过程压缩过程 23 冷凝过程冷凝过程33 液体过冷过程液体过冷过程34 节流过程节流过程 4 1 蒸发过程蒸发过程 11 吸气过热过程吸气过热过程2劳
3、伦茨循环劳伦茨循环朗肯循环的主要特征朗肯循环的主要特征有两个定压定温的相变过程与纯有两个定压定温的相变过程与纯质制冷剂及共沸混合制冷剂的压力特质制冷剂及共沸混合制冷剂的压力特性相适应。性相适应。劳伦茨循环劳伦茨循环循环中的两个相变过程变成伴循环中的两个相变过程变成伴随有降温的定压凝结和伴随有升温随有降温的定压凝结和伴随有升温的定压蒸发。的定压蒸发。T2341s图图2-3 劳伦茨循环劳伦茨循环3跨临界循环跨临界循环定义定义将将CO2作为制冷剂用于空调制冷的温度范作为制冷剂用于空调制冷的温度范围时，由于围时，由于CO2的临界温度低（仅的临界温度低（仅30），排），排热将在超临界区进行。而吸热则在临
4、界点以下热将在超临界区进行。而吸热则在临界点以下进行，整个循环跨越临界点。进行，整个循环跨越临界点。T3241560S图图4-4 CO2跨临界循环跨临界循环12压缩过程；压缩过程；23气体冷却过程；气体冷却过程；34气体冷却过程；气体冷却过程；45节流过程；节流过程；56蒸发过程；蒸发过程；01气体过热过程。气体过热过程。4.2 多级蒸气压缩式制冷循环多级蒸气压缩式制冷循环?4.2.1 概述概述?4.2.2 两级压缩制冷循环两级压缩制冷循环?4.2.3 两级压缩制冷循环的热力计算两级压缩制冷循环的热力计算?4.2.4 中间压力的选择中间压力的选择4.2.1 概述概述单级蒸气压缩制冷机运行时制冷
5、剂的冷单级蒸气压缩制冷机运行时制冷剂的冷凝压力是由环境介质（如空气或水）温度所凝压力是由环境介质（如空气或水）温度所决定。决定。在一定的冷凝温度下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）增大压力比pk/po变大我国活塞式制冷压缩机标准我国活塞式制冷压缩机标准GB10875-89中中规定了不同制冷机使用温度在高温、中温和低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。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，最低只能达到有限的。通常，最低只能达到-40左右。左右。原因原因:受单级活塞式压缩机的极
6、限使用条件的限制。受单级活塞式压缩机的极限使用条件的限制。单级蒸气压缩活塞式制冷机，压缩比一单级蒸气压缩活塞式制冷机，压缩比一般不超过般不超过10。当蒸发温度过低，超出极限使。当蒸发温度过低，超出极限使用条件时会带来如下问题用条件时会带来如下问题：(1)压缩比增大时压缩机的输气系数大为降低，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，为了获得比较低的温度（所以，为了获得比较低的温度（4
7、070），同时又能使压缩机的工作压），同时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围内，就要采用多级力控制在一个合适的范围内，就要采用多级压缩循环。压缩循环。采用哪一种型式有利则与制冷剂种类、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。常用的组成型式制冷剂容量及其它条件有关。常用的组成型式有：有：4.2.2 两级压缩制冷循环两级压缩制冷循环1.一级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环（如图4-5 所示）2.一级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环（如图4-6所示）3.两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环（如图4-7 所示）4.两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环（如
8、图4-8 所示）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，(如图4-9 所示）图图4-5 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(a)流程图流程图b)lgp-h图图图图4-6 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(a)流程图流程图(b)lgp-h图图图图4-7 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(a)流程图流程图(b)lgp-h图图图图4-8 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冷循环(a)流程图流程
9、图(b)lgp-h图图图图4-9 两级节流、具有中温蒸发器的中间完全冷却两级两级节流、具有中温蒸发器的中间完全冷却两级压缩制冷循环压缩制冷循环(a)流程图流程图(b)lgp-h图图4.2.3 两级压缩制冷循环的热力计算两级压缩制冷循环的热力计算一、一、两级节流、中间完全冷却的两级压缩循环两级节流、中间完全冷却的两级压缩循环单位制冷量：单位制冷量：pq0?h1?h4低压级理论功：低压级理论功：9 84105pk7wd?h2?h1低压级制冷剂循环量：低压级制冷剂循环量：pm3 62p01hqmdQ0Qo?q0h1?h4从而可算出低压压缩机消耗的理论功率：从而可算出低压压缩机消耗的理论功率：h2?h
10、1Ptd?qmdwd?Q0h1?h4对于中间冷却器：对于中间冷却器：3qmg2qmdqmghg?qmdh2?qmgh3?qmdh4则：则：10qmgqmd中间冷却器中间冷却器4qmgqmd(h2?h4)?h3?h9高压压缩机的单位理论功为高压压缩机的单位理论功为wg?h7?h3由此可得高压压缩机的理论功率：由此可得高压压缩机的理论功率：Qoh2?h4Ptg?qmgwg?(h7?h3)h1?h4h3?h9根据制冷系数的定义，两级压缩制冷循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环的理论制冷系数为Qo?qmgwg?qmdwd最后可得：最后可得：h1?h4?h2?h4h2?h1?(h7?
11、h3)h3?h9二、二、两级节流、中间完全冷却的两级压缩循环两级节流、中间完全冷却的两级压缩循环单位制冷量：单位制冷量：p984 10q0?h1?h4低压级理论功：低压级理论功：pk731hwd?h2?h1qmdQ0Qo?q0h1?h4pmp0625低压级制冷剂循环量：低压级制冷剂循环量：高压级理论功为高压级理论功为wg?h7?h6对于中间不完全冷却的两对于中间不完全冷却的两级循环，根据中间冷却器级循环，根据中间冷却器的热平衡关系的热平衡关系qmg632qmd10qmgh9?qmg?qmd?h3?qmdh4qmgqmd中间冷却器中间冷却器4可得到流经高压级压缩机的制冷剂流量：可得到流经高压级压
12、缩机的制冷剂流量：qmg?qmd?h3?h4?h3?h9?另外：另外：qmgh6?qmg?qmd?h3?qmdh2h6?qmgh3?qmd(h2?h3)qmg可得：可得：h2?h4?h3?(h2?h3)h3?h4高压压缩机消耗的理论功率高压压缩机消耗的理论功率：Qoh3?h4Ptg?qmgwg?(h7?h6)h1?h4h3?h9中间不完全冷却的两级循环的理论制冷系数为中间不完全冷却的两级循环的理论制冷系数为h1?h4?h3?h4(h2?h1)?(h7?h6)h3?h9三、三、具有中温冷却器的中间完全冷却、两级节流具有中温冷却器的中间完全冷却、两级节流的两级压缩循环的两级压缩循环进行高压级压缩机
13、制冷剂流量计算时，应该加进行高压级压缩机制冷剂流量计算时，应该加上流经中温蒸发器的制冷剂流量上流经中温蒸发器的制冷剂流量q qmm。Qmqmm?h3?h4式中式中,Q,Qm m为中温蒸发器的制冷量。为中温蒸发器的制冷量。对于这一制冷系统，流经高压级压缩机的制对于这一制冷系统，流经高压级压缩机的制冷剂流量和低压级压缩机的制冷剂流量之间冷剂流量和低压级压缩机的制冷剂流量之间有下列关系有下列关系qmg?qmd?qmm根据中间冷却器的热平衡关系可求得高压根据中间冷却器的热平衡关系可求得高压压缩机和低压压缩机的制冷剂流量比压缩机和低压压缩机的制冷剂流量比qmdh2?qmgh9?qmmh3?qmdh4?q
14、mgh3?qmmh4qmgqmdh2?h4qmm(h3?h4)?h3?h9qmd(h3?h9)循环理论制冷系数循环理论制冷系数为为qmd(h1?h4)?qmm(h3?h4)?qmg(h7?h3)?qmd(h2?h1)压缩机实际过程的排气焓值为压缩机实际过程的排气焓值为h2?h1?h2s?h1?id高压压缩机实际过程的排气焓值（中间完高压压缩机实际过程的排气焓值（中间完全冷却）为全冷却）为h7?h3?h7s?h3?ig四、四、两级节流、中间补气的两级压缩循环两级节流、中间补气的两级压缩循环两级节流、中间补气的两级压缩循环系统图两级节流、中间补气的两级压缩循环系统图两级节流、中间补气的两级压缩循环
15、压两级节流、中间补气的两级压缩循环压-焓图焓图4.2.4 中间压力的选择中间压力的选择图图2-24 2-24 最佳中间温度的确定最佳中间温度的确定一些文献曾给出了确定中间压力（或中间一些文献曾给出了确定中间压力（或中间温度）的经验公式或图线。下面列举几个温度）的经验公式或图线。下面列举几个推荐应用的公式：推荐应用的公式：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pm?p0?pkppp0和和k分别为中间压分别为中间压式中式中m,力、蒸发压力和冷凝压力。力、蒸发压力和冷凝压力。按式求出的中间压力和制冷循环的最佳中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
16、间压力有一定的偏差。但公式很简单，可用于初步估算。用于初步估算。按温度的比例中项确定中间压力按温度的比例中项确定中间压力Tm?To?TkT0和和Tk分别为中间温度，分别为中间温度，式中式中Tm,蒸发温度和冷凝温度蒸发温度和冷凝温度,单位均为单位均为K K。用经验公式直接计算最佳中间压力用经验公式直接计算最佳中间压力对于两级氨制冷循环，拉赛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：提出了较为简单的最佳中间温度计算式：tm?0.4tk?0.6t0?3t0和和tk分别为中间温度，分别为中间温度，式中式中tm,蒸发温度和冷凝温度蒸发温度和冷凝温度,单位均为单位均为。上
17、式不只适用于氨，在上式不只适用于氨，在40404040温度温度范围内，对于范围内，对于R12R12也能得到满意的结果。也能得到满意的结果。4.3 复叠式蒸气压缩式制冷循环复叠式蒸气压缩式制冷循环?4.3.1.两个单级压缩循环组成的复叠式制冷机两个单级压缩循环组成的复叠式制冷机?4.3.2 一个两级压缩循环和一个单级压缩循环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组成的复叠式制冷机?4.3.3 三个单级压缩循环组成的复叠式制冷机三个单级压缩循环组成的复叠式制冷机?4.3.4 用用CO2作为第二制冷剂的复叠式制冷机作为第二制冷剂的复叠式制冷机定义定义由两个（或数个）不同制冷剂工作由两个
18、（或数个）不同制冷剂工作的单级（也可以是多级）制冷系统组合的单级（也可以是多级）制冷系统组合而成。而成。4.3.1 两个单级压缩循环组成的复叠式制冷机两个单级压缩循环组成的复叠式制冷机高温压缩机高温系统高温系统冷凝器节流阀冷凝蒸发器制冷剂制冷剂R23压缩机冷凝蒸发器低温系统低温系统回热器节流阀蒸发器膨胀容器组成制冷剂制冷剂R22图图4-10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图图复叠式制冷循环计算复叠式制冷循环计算复叠式制冷循环是由单级或两级压缩复叠式制冷循环是由单级或两级压缩制冷循环组成的，在制冷机循环中除个别制冷循环组成的，
19、在制冷机循环中除个别兼供中温冷量的循环外，制取冷量的均是兼供中温冷量的循环外，制取冷量的均是低温部分的蒸发过程。低温部分的蒸发过程。复叠式制冷循环的热力计算可分别对复叠式制冷循环的热力计算可分别对高温部分及低温部分单独进行计算。高温部分及低温部分单独进行计算。复叠式制冷循环计算复叠式制冷循环计算复叠式制冷循环是由单级或两级压缩复叠式制冷循环是由单级或两级压缩制冷循环组成的，在制冷机循环中除个别制冷循环组成的，在制冷机循环中除个别兼供中温冷量的循环外，制取冷量的均是兼供中温冷量的循环外，制取冷量的均是低温部分的蒸发过程。低温部分的蒸发过程。复叠式制冷循环的热力计算可分别对复叠式制冷循环的热力计算
20、可分别对高温部分及低温部分单独进行计算。高温部分及低温部分单独进行计算。4.3.2 一个两级压缩循环和一个单级压缩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循环组成的复叠式制冷机一级节流高温部分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低温部分带回热的单级压缩循环高温高温制冷剂制冷剂低温低温R22或或R507R23或或R1150最低蒸发温度可达-110图图4-11 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 高温部高
21、温部分低压级压缩机分低压级压缩机a3 高温部分高压级压缩机高温部分高压级压缩机b冷凝器冷凝器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-液热交液热交换器换器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图图4-12 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)低温部分低温部分最低蒸最低蒸制冷剂制冷剂发温度发温度制冷循环型式制冷循环型式-80R22-R23R507-R23R
22、290-R23R22单级或两级压缩单级或两级压缩R23单级压缩组合的复叠式循环单级压缩组合的复叠式循环R507单级或两级压缩单级或两级压缩R23单级压缩组合的复叠式循环单级压缩组合的复叠式循环R290两级压缩两级压缩R23单级压缩组合的复叠式循环单级压缩组合的复叠式循环R22两级压缩两级压缩R23单级或两级压缩组合的复叠式循环单级或两级压缩组合的复叠式循环R507两级压缩两级压缩R23单级或两级压缩组合的复叠式循环单级或两级压缩组合的复叠式循环R22两级压缩两级压缩R1150单级压缩组合的复叠式循环单级压缩组合的复叠式循环R22两级压缩两级压缩R1150两级压缩组合的复叠式循环两级压缩组合的复
23、叠式循环-100R22-R23R507-R23R22-R1150-120R22-R1150R507-R1150R507两级压缩两级压缩R1150单级压缩组合的复叠式循环单级压缩组合的复叠式循环R507-R1150R507两级压缩两级压缩R1150两级压缩组合的复叠式循环两级压缩组合的复叠式循环R22-R23-R50R507-R23-R50R22单级压缩单级压缩R23单级压缩单级压缩R50单级压缩组合的复叠单级压缩组合的复叠式循环式循环R507单级压缩单级压缩R23单级压缩单级压缩R50单级压缩组合的复叠单级压缩组合的复叠式循环式循环4.3.3 三个单级压缩循环组成的复叠式制冷机三个单级压缩循环
24、组成的复叠式制冷机高温中温低温循环循环制冷剂制冷剂高温 R22或R507中温 R23低温 R50、R1150或R170最低蒸发温度可达最低蒸发温度可达 1201404.3.4 用用CO2作为第二制冷剂的复叠式制冷机作为第二制冷剂的复叠式制冷机冷凝冷凝二氧化碳二氧化碳液体液体节流降压节流降压干冰干冰制冷机制冷机开式半开式图图4-14 CO2的压力的压力焓示意图焓示意图图图4-15 生产干冰的复叠式循环原理图及温熵图生产干冰的复叠式循环原理图及温熵图(a)系统原理图系统原理图(b)T-S 图图4.4 自复叠式制冷机自复叠式制冷机?采用混合工质?单台压缩机?可获得-60以下?工作温区大（80K至230K）?用于普冷领域以及低温电子、低温医学、冷冻干燥、气体液化等低温领域，实用价值高。自复叠制冷系统流程图自复叠制冷系统流程图2?1-2：压缩过程：压缩过程?2-3：冷凝过程：冷凝过程?3-7：液态混合工质：液态混合工质节流过程节流过程?7-8：液态混合工质：液态混合工质蒸发过程蒸发过程?3”-4：气态混合工质：气态混合工质冷凝过程冷凝过程?4-5：节流过程：节流过程?5-6：蒸发制冷过程：蒸发制冷过程?8、6-1：混合过程：混合过程3”816pkp033(7)4(5)wpkp0R23/R134aR23/R134a的焓的焓-质量分数关系图质量分数关系图
