多级蒸气压缩式和复叠式制冷循环

二、采用多级蒸气压缩式制冷循环的原因 制冷系统的冷凝温度（或冷凝压力）决定于冷 却剂（或环境）的温度，而蒸发温度（或蒸发压力） 取决于制冷要求。由于生产的发展，对制冷温度的要 求越来越低，因此，在很多制冷实际应用中，压缩机 要在高压端压力（冷凝压力）对低压端压力（蒸发压 力)的比值（即压缩比）很高的条件下进行工作。由理 想气体的状态方程 Pｖ/T≡Ｃ可知，此时若采用单级 压缩制冷循环，则压缩终了过热蒸气的温度必然会很 高(Ｖ一定，Ｐ↑→Ｔ↑），于是就会产生 以下许多问题。 1. 压缩机的输气系数λ大大降低，且当压缩比≥20时， λ＝0 。
由冷凝器流出的液体分为两路：
1.经膨胀阀6节流至Pm进 入中冷器，利用它的吸 热来冷却低压级排气和 盘管中高压液体。蒸发 了的蒸汽同低压压缩机 排气一起进入高压级； 2.液体在冷器盘管中被 冷却后，经膨胀阀7节 流到P0，在蒸发器中蒸 发制冷。
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6中液体节流 5-7工质在中冷器盘管中冷却 7-8节流阀②节流 8-1蒸发器中蒸发，从冷源获取 冷量
其工作过程为： 从蒸发器出来的蒸 汽被低压压缩机吸 入，压缩到中间压 力并与中冷器出来 的干饱和蒸汽在管 路中进行混合，使 从低压机排出的过热蒸汽被冷却后再进入高压压缩机，经压缩 到冷凝压力并进入冷凝器，冷凝后的高压制冷剂液体进入了中 冷器的蛇形盘管进行再冷却，最后经膨胀阀进入蒸发器吸热蒸 发。
这种循环系统，只适用于Ｒ12或Ｒ22的双级制冷循环 系统中，而决不能用于氨的制冷系统中。这是因为：
（状态6）进入中间冷却器，大部分液体从另一路进入中间冷却 器的盘管内过冷（状态7），但由于存在传热温差，故其在盘管 内不可能被冷却到中间温度，而是比中间温度一般高△ｔ＝３ －５℃。过冷后的液体再经过主膨胀阀节流降压成低温低压的 过冷液（状态8），最后进入蒸发器吸热蒸发，产生冷效应。
这种循环系统只适用于Ｒ717与Ｒ22的双级制冷循 环系统中。
（1）一次节流 一次节流是指向蒸发器供液的制冷剂液体直接由 一次节流 冷凝压力节流至蒸发压力的节流过程。 （2）二次节流 二次节流是指向蒸发器供液的制冷剂液体先由中 二次节流 间冷却器前的节流器从冷凝压力节流至中间压力，再 由蒸发器前的节流器将中间压力下的制冷剂液体节流 至蒸发压力的过程。 （3）中间完全冷却:是指在中间冷却过程中，将低压 级排出的过热蒸气等压冷却到中间压力下干饱和蒸气 的冷却过程。 （4）中间不完全冷却:是指在中间冷却过程中，将低
qm.H = qm.L h2 - h7 h3 - h6
高压级与低压级的制冷循环量之比为
qm.H h2 - h7 = qm. L h3 - h6
（6）高压级压缩机的理论功率为 ）
P0.H = qm.H w0.H = qm. H ( h4 − h3 )
（7）冷凝器负荷Qk 为 ）
Qk = qm.H qk = qm. H (h4 − h5 )
（3）压缩机上装有气阀，在气阀与气缸之间以及阀座 本身的气道上都会有活塞赶不尽的余气，这些余气可以 减缓气体对进出口气阀的冲击作用，同时也减缓了阀片 对阀座及升程限制器（阀盖）的冲击作用。 （4）由于金属的热膨胀，活塞杆、连杆在工作中，随 着温度升高会发生膨胀而伸长。气缸中留有余隙就能给 压缩机的装配、操作和安全使用带来很多好处。 由上述原因可见，气缸中留有余隙，能给压缩机的 装配、操作和安全使用带来很多好处。但余隙留的过大， 不仅没有好处，反而使压缩机生产能力降低。在一
（8）中间冷凝器盘管负荷Qm 为 ）
Qm = qm.L qm = qm. L ( h5 − h7 )
(9)理论循环制冷系数为
(h3 - h6 )(h1 - h8 ) Q0 ε0 = = P0.L + P0.H (h3 - h6 )(h2 - h1 ) + (h2 - h7 )(h4 - h3 )
(9)理论循环热力完善度为
（2）低压级的理论功为： w0.L=h2-h1 ）低压级的理论功为：
qm. L = Q0 Q0 = q0 h1 - h8
P0.L = qm.L w0.L = Q0源自h2 - h1 h1 - h8
（5）高压级的理论比功为：w0.H=h4-h3 qm.Lh2+qm.L h5+(qm.H−qm.L) h6= qm.Hh3 高压级制冷剂的质量流量为
一、 双级蒸气压缩式制冷循环基本类型
双级压缩制冷循环由于节流方式和中间冷却程度 不同而有不同的循环方式，通常分为： 不同而有不同的循环方式，通常分为：
1.一次节流、 1.一次节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环 一次节流 2.一次节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 一次节流、 3.一次节流、中间完全不冷却的两级压缩制冷循环 3.一次节流、 一次节流 4.两次节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 5.两次节流、 5.两次节流、中间完全冷却两级压缩制冷循环 两次节流
2.压缩机的单位制冷量和单位容积制冷量都大为降 低。 3. 压缩机的功耗增加，制冷系数下降。 4. 必须采用高着火点的润滑油，因为润滑油的粘 度随温度升高而降低。 5. 被高温过热蒸气带出的润滑油增多，增加了分 油器的负荷，且降低了冷凝器的传热性能。 综上所述，当压缩比过高时，采用单级压缩循 环，不仅是不经济的，而且甚至是不可能的。为了 解决上述问题，满足生产要求，实际中常采用带有
(二) 一次节流，中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 二 一次节流，
一次节流中间不完全冷却的双级循环，主要 适用于氟利昂制冷装置，采用回热循环。这种 循环系统的特点是：制冷剂主流先经盘管式中 间冷却器过冷，再经回热器进一步冷却；且低 压压缩机的吸气有较大的过热度；此外，低压 级的排气没有完全冷却到饱和状态。
其工作过程是：
在蒸发器中产生的低压低温制冷剂蒸气（状态１），被低 压压缩机吸入并压缩成中间压力的过热蒸气（状态２），然后 进入同一压力的中间冷却器，在中冷器内被冷却成干饱和蒸气 （状态３）。中压干饱和蒸气又被高压压缩机吸入并压缩到冷 凝压力的过热蒸气（状态４），随后进入冷凝器被冷凝成制冷 剂液体（状态５）。然后分成两路，一路经膨胀阀节流降压后
ε0 =
h1 − h6 = 2.456 ' h4 − h1
小结： 小结：
双级蒸汽压缩制冷循环与单级循环的计算步骤相似，但计算中各状态 点参数的查找显得尤为重要。
[练习 练习] 练习
两级氨压缩一级节流中间完全冷却循环，to= - 40℃，tk=40℃，无过 冷，管路有害过热△t=5℃，Q0＝151KW， Pm=0.3 MPa，求ε，ε’ （一级压缩）
②冷负荷平稳的螺杆式、离心式制冷机系统宜采用多 次节流方式。 至于采用哪一种中间冷却方式，由选用制冷剂的种 类来决定。通常： ①对R717采用中间完全冷却 ②对R12, R502采用中间不完全冷却
③对R22采用中间不完全冷却
(一) 一级节流中间完全冷却循环 这个系统的特点是采用盘管式中间冷却器。它既有两 级节流的减少节流损失效果，又起到对低压级排气完 全冷却的作用。
(h1 - h8 ) ε0 TH − TL β0 = = (h2 - h7 ) (h - h ) ⋅ TL ε c (h - h ) + 2 1 4 3
h3 − h6
[例]双级氨压缩制冷循环，to=－40℃，Po=0.7171 bar, tk=30℃, 例 Pk=11.6693 bar，冷凝器出口为饱和液，Pm=2.8928 bar, 饱和温度10.1℃，若蒸发器出口为饱和蒸汽，t7= - 5℃, （一般t7 – t6=5～8℃）, 求该循环的理论制冷系数。 解： 查氨压焓图 h1=1707.7kJ/kg h2=1889.41kJ/kg h3=1749.72kJ/kg h4=1948.12kJ/kg (t4=90.29oC) h5=h6=639.01kJ/kg h7=h8=477.22KJ/kg 代公式得 εth＝2.835 若采用单级压缩，压机排气状态点4/， h4/=2142.87kJ/kg
第二节 双级蒸气压缩式制冷循环 两级压缩制冷循环， 两级压缩制冷循环，是指来自蒸发器的制冷剂蒸 气要经过低压与高压压缩机两次压缩后， 气要经过低压与高压压缩机两次压缩后，才进入冷凝 可以在两次压缩中间设置中间冷却器。 器。可以在两次压缩中间设置中间冷却器。两级压缩 制冷循环系统可以是由两台压缩机组成的双机（ 制冷循环系统可以是由两台压缩机组成的双机（其中 一台为低压级压缩机，另一台为高压级压缩机） 一台为低压级压缩机，另一台为高压级压缩机）两级 系统，也可以是由一台压缩机组成的单机两级系统， 系统，也可以是由一台压缩机组成的单机两级系统， 其中一个或两个汽缸作为高压缸， 其中一个或两个汽缸作为高压缸，其余几个汽缸作为 低压缸，其高、低压汽缸数量比一般为1:3 1:3或 低压缸，其高、低压汽缸数量比一般为1:3或1:2 。
虽然高、低压级吸入蒸汽的过热度都比较大，但是因 为氟利昂的绝热指数K值比氨要小，故压缩机的排气温 度不高。
（二）一次节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 一次节流、
一级节流中间完全冷却与一级节流中间不完全冷 却的区别： 却的区别： 一级节流中间完全冷却的压缩过程： ①一级节流中间完全冷却的压缩过程：从蒸发器 来的制冷剂在低压级压缩机中压缩至中间压力p 来的制冷剂在低压级压缩机中压缩至中间压力pm，排 入到中间冷却器中， 入到中间冷却器中，被其中的液体制冷剂冷却成中间 压力p 下的饱和蒸气， 压力pm下的饱和蒸气，再进入高压级压缩机中被压缩 到冷凝压力p 到冷凝压力pk。 一级节流中间不完全冷却的压缩过程： ②一级节流中间不完全冷却的压缩过程：低压级 压缩机的排气不是直接进入中间冷却器冷却， 压缩机的排气不是直接进入中间冷却器冷却，而是和 中间冷却器出来的中温制冷剂蒸汽在管道中混合被冷 然后进入高级压缩机压缩。 却，然后进入高级压缩机压缩。 ③一级节流中间不完全冷却的制冷系统中一般设 有回热器，保证低压级压缩机的过热度。 有回热器，保证低压级压缩机的过热度。因此供液的 制冷剂液体两次过冷。 制冷剂液体两次过冷。