1、双级压缩式制冷循环2 5 两级压缩及复叠式制冷原理2 5 1 采用两级压缩的原因单级压缩在选用合适的制冷剂时，其蒸发温度只能达到-25 -35 ，原因是压缩比pk 不能p0再提高了。因为：p（1） T 0k，压缩机输气量制冷量pop0（2）pk压缩机排气温度 (pv RT) 汽缸壁温吸入蒸汽温度v 吸气量p0例如：当蒸发温度 -30 ，冷凝温度 40时，单级氨压缩机排气温度可达160以上。必须作如下限制： 单级氨压缩机排气温度 140 单级氟压缩机（ R12）排气温度 100 单级氟压缩机（ R22）排气温度 115（3） pk偏离理想等熵压缩机过程的程度压缩机效率p0我国规定： R717：
2、pk 8R12、R22： pk 10（ P38表 2-3 ）p0p0要获得 -30 -65 的蒸发温度，又要符合合适的压缩比，则需要两级压缩制冷。2 5 2 两级压缩制冷循环1两级压缩制冷循环的类型压缩压缩p01 pm（中间冷却器冷却后）p02pk总压缩比pmpk?每一级压缩比 810 以下p01p02两级节流中间完全冷却可分为中间不完全冷却一级节流* 两级节流：冷凝压力pk 节流到 pm 中间压力，再节流到蒸发压力p0* 一级节流：冷凝压力pk 节流到蒸发压力p0 ，容易调节，实际生产中常用一级节流。* 两级压缩采用中间冷却的目的是降低高压级的排气温度，降低压缩机功耗。 中间完全冷却低压级排
3、气温度（过热蒸汽） 被冷却成 pm 中间压力下的干饱和蒸汽温度。（氨压缩机） 中间不完全冷却低压级排气温度（过热蒸汽）被冷却降低了温度，来达到pm 中间压力下的干饱和蒸汽温度。（氟压缩机）2一级节流中间完全冷却循环这种循环形式被大多数的两级压缩氨制冷系统所采用。1234lgP低压级7 5Pk,tk4蒸发器高压级6Pm,tm3268P0 ,t 01冷凝器87A5Bi中间冷却器（ b）旁通阀（ a）图 2-32两级压缩一级节流中间完全冷却循环如图所示：从压缩机高压级排出的高压高温过热蒸汽4，进入冷凝器后被冷却成饱和液体5；从冷凝器出来的液体分为两路，一路经膨胀阀 A 进行节流，节流后降温为 6，然
4、后进入中间冷却器吸热，使中间冷却器中来自低压级的排气2 充分冷却，6 与 2 混合后的气体 3 为中间压力 pm 下的饱和温度tm ， 作为高压级的吸气经高压级压缩后变成过热蒸汽，至此构成一个高压级的循34环回路；另一路饱和液体 5 经中间冷却器过冷后变成过冷液 7，经膨胀阀 B 进行节流后变成低压液体 8，进入蒸发器汽化制冷，然后变成饱和蒸汽1，在低压级压缩后变成过热蒸汽 2，在中间冷却器冷却并与在中间冷却器汽化的蒸汽混合，变成饱和蒸汽了，作为高压级的吸气经压缩后变成高压级排气 4，形成另一个循环，这是实现低温制冷的主循环。如果高压液体不要过冷时，可经过旁通阀直接进入膨胀阀B。从图（ b）可
5、看到，循环 34563 在中间冷却器里产生冷量，供另一个循环中饱和液体的过冷（过程 57）和低压级过热蒸汽的完全冷却（过程23）之用。另一个循环12345781 是制取低温冷量用， 其制冷剂蒸汽经过高低压级两次压缩、 一级节流、 中间完全冷却。整个制冷系统有三个压力： 4 5 7 为冷凝压力 pk 段，也称高压段； 8 1 为蒸发压力 p0段，也称低压段； 63 为中间压力 pm 段，它既是低压级的排气压力，又是高压级的吸气压力。（对照 P40 图 2-33 两级压缩氨制冷装置）双级压缩制冷循环分析与计算理想的中间压力应当选择使高压级和低压级所消耗的压缩功的总和为最小值，而制冷系数达到最大值。
6、进行热力计算时，首先要确定制冷剂和制冷循环工作参数以及中间冷却方式。双级压缩制冷循环必须使用中温制冷剂。制冷量是指低压侧蒸发器的制冷量。当氨系统高低压级容积比为1:2 时，其中间压力在0.25MPa左右。当氨系统高低压级容积比为1:3 时，其中间压力在0.34MPa左右。通常高压级制冷剂流量要大于低压级制冷剂流量。双级压缩循环工作参数的确定，是根据环境介质的温度和被冷却物体的温度，考虑选取一定的合理传热温差，即可确定冷凝温度和蒸发温度。热力计算的任务是求出循环的性能指标，如压缩机的输气量、功率和制冷量等。根据双级压缩一级节流中间完全冷却制冷循环系统的工况图，其热力计算如下：（ 1） 单位质量制
7、冷剂的制冷量?：0?0 =?1 -?8()?/?（ 2） 低压级单位质量制冷剂的压缩功? ：? = ?2 -?1()?/?（ 3） 低压级的制冷量为 ?()时，低压级制冷剂质量循环量：0 ?3600?03600?0()? =?1 -?8?/?0（ 4） 低压级压缩机的理论功率 ?：?2-?1)3600?2-?1 )? ?-?(0(21 )? =3600=? -? ?3600=?1-?(?)188（ 5） 低压级压缩机的轴功率 ? ：?= ?kdim式中： ? 低压级压缩机的总效率，通常为：0.65 0.72 。kd?i 低压级压缩机的指示效率，实际压缩制冷剂气体的效率。? 低压级压缩机的摩擦效
8、率，通常为：0.8 0.9 。m?= ?kd(?)（ 6） 低压级压缩机的排气量 ? ：? =? 1( ?3 /? )?式中： ?低压级压缩机吸入蒸气比体积，?3 /?1?低压级压缩机的输气系数，其数值按相同压缩比时单级压缩机输气系?数的 90%考虑。（ 7） 高压级压缩机的制冷剂质量循环量? ：?中间冷却器内的热量平衡与质量平衡关系式为：? ( ?3- ?5) = ? ( ? - ?7)? 2因为 ?5 = ?6 ，?7 = ?8 ，所以有：? (?- ?6) = ? ( ? - ? )? 3? 28（ 8） 高压级压缩机的排气量 ? ：?=? 3(?3 /? )?式中： ?高压级压缩机吸入
9、蒸气比体积，?3 /?3?高压级压缩机的输气系数，其数值按相同压缩比时单级压缩机输气系?数相同。（ 9） 高压级单位质量制冷剂的压缩功? ：? = ?4 - ?3()?/?（ 10）高压级压缩机的理论功率 ?：? =? ( ? - ?)(?2- ?8) (-?3)= 3600?0(?2- ?8) (?4 - ?3)? 43=? ?4?3600( ?3 -?6 )3600?1 - ?8( ?3 - ?6 )3600? (? - ?)( ? - ?)()02843=( ?3 - ?6 )? ?1 - ?8?（ 11）高压级压缩机的轴功率 ? ：?()?= ?kg?式中： ? 高压级压缩机的总效率k
10、g（ 12）两级压缩制冷系数 的确定：?理论 =0=0?+ ?3600? ( ?2- ?)(? 2- ?1 ) ?0+ (? 4 - ?3 ) ?8?1 - ?8( ?3 - ?6 )?=03600?+ (? 4 - ?3 ) ?3600?(? 2 - ?1 ) ?0(? 1 -0?1 - ?8?8=13600 (? 2- ?1 )+(? 4- ?3 ) ( ?2 - ?8 )(? 1- ?8 )(? 1 - ?8 ) (?3 - ?6 )=(? 1 - ?8 )3600 (? 2 -?1 ) +(? 4- ?3 )( ?2 - ?8 )( ?3 - ?6 )?0?实际=? +? ?kd?kg
11、(?2 - ?8 ) ( ?3 - ?6 )（ 13）冷凝器热负荷 ? ：? =?( ?4 - ?5 )()?3600（ 14）中间压力 ? 和中间温度 ?的确定：?理想的中间压力 ? 可按下式运算：? = ?0理想的中间温度 ?可按下式运算：? = ?0中间温度 ?也可用近似式计算：? = 0.6?0+ 0.4?+ 3( )3 一级节流中间不完全冷却循环这种循环形式被大多数的两级压缩氟制冷系统所采用。1234lgP低压级37 5Pk,tk4蒸发器高压级6Pm,tm33268P0 ,t 01冷凝器87A5Bi中间冷却器（ b）（ a）图 2-34两级压缩一级节流中间不完全冷却循环如图所示：从压
12、缩机高压级排出的高压高温过热蒸汽4，进入冷凝器后被冷却成饱和液体5；从冷凝器出来的液体分为两路，一路经膨胀阀 A 进行节流，节流后降温为 6，然后进入中间冷却器吸热，使中间冷却器维持在中间温度中使来自低压级的排气2 充分冷却， 6 与 2 混合后的气体3 为中间压力pm下的饱和温度tm ， 作为高压级的吸气经高压级压缩后变成过热蒸汽4，至此构3成一个高压级的循环回路； 另一路饱和液体 5 经中间冷却器再冷却， 过冷后变成过冷液7，经膨胀阀 B 进行节流后变成低压液体8，进入蒸发器汽化制冷，然后变成饱和蒸汽1，在低压级压缩后变成过热蒸汽2，2 与 3混合进入高压级，作为高压级的吸气经压缩后变成高
13、压级排气4，形成另一个循环，这是实现低温制冷的主循环。从图（ b）可看到，循环 34563 在中间冷却器里产生冷量，供另一个循环中饱和液体的过冷（过程 57）和低压级过热蒸汽的不完全冷却（过程2 3）之用。循环 12345781 是制取低温冷量用，其制冷剂蒸汽经过高低压级两次压缩、一级节流、中间不完全冷却。整个制冷系统有三个压力： 4 5 7 为冷凝压力 p 段，也称高压段； 8 1 为蒸发压力p0k段，也称低压段； 6332 为中间压力 pm 段，它既是低压级的排气压力，又是高压级的吸气压力。如果要确定中间压力 pm ，一般取pmpk ? p0从上式得到的 pm ，使高低压级的压缩相等，此情
14、况虽然使制冷系数偏离最佳值，但可使压缩机汽缸工作容积的利用率较高，比较实用。达到 -40 -60 。（例如：高低压级组合的一台压缩机中，8 个汽缸中， 2 个作高压级， 6 个作低压级）（对照 P41 图 2-35 两级压缩氟利昂制冷装置）举例： R717，蒸发温度 -50 时对应的饱和压力为0.041MPa，冷凝温度40时对应的饱和压力为 1.559MPa，则 ? = 1.559 ?0.041 = 0.25MPa举例： R22，蒸发温度 -70 时对应的饱和压力为0.0205MPa，冷凝温度40时对应的饱和压力为 1.5331MPa，则 ? = 0.0205 ?1.5331 = 0.177M
15、Pa?中间压力有点低了。需采用复叠式制冷系统。采用双级压缩制冷循环的原因由于冷藏、生产及实验等需要，对制冷温度值要求越来越低。在单级压缩制冷循环中，选择适用的制冷剂，其最低的合理蒸发温度如表 4-1。表 4-1单级压缩合理的最低蒸发温度(单位： )冷凝温度3035404550R22 系统-37.2-34.2-28.5/R717 系统-30.5-27.5-21.0/如果要获取比表2-1 更低的蒸发温度， 单级压缩就难以实现了。 这是因为随着蒸发温度的降低，蒸发压力也随之降低，这时，压缩机的压缩比会过高，带来以下的问题：1)压缩比增大，压缩机的吸气量减小，导致制冷量大幅度下降；2)压缩比增大，造成
16、压缩机排气温度升高，汽缸壁的温度也升高，吸气比体积增大，吸气量减少；同时高温使润滑条件恶化，甚至使润滑油裂解，给压缩机的运转带来困难；3)压缩比增大，会使实际压缩过程与理想的绝热等熵压缩过程偏离程度加大，压缩机的效率下降。因此，为了要获取较低的蒸发温度(一般为 -35 -65)，并使压缩比控制在合理的范围内，就需要采用两级压缩制冷循环。双级压缩式制冷循环双级压缩是在单级压缩的基础上发展起来的，它把压缩过程分为两个阶段进行，即分为低压阶段和高压阶段，两段之间靠中间冷却器来联接。低压段用的压缩机称低压机，高压段用的压缩机称高压机；如果用一台压缩机完成双级压缩，则该压缩机的汽缸分为低压缸和高压缸。?
17、2/6冷凝器氟利昂制冷系统吸气温度比蒸发温度高5左右。在有气液过热器时保持15的吸气过热度是合适的。氨制冷系统吸气温度比蒸发温度高510 左右。吸气过热度过小易液击冲缸。吸气过热度过大制冷量，排气温度，功耗，润滑效果变差。双级压缩制冷系统，高压级吸气温度比中间温度高45 ，中间温度在 -5 + 5之间。一次节流中间完全冷却的双级压缩制冷循环这种双级压缩循环方式被大多数的氨制冷系统所采用。图 4-6 为一次节流中间完全冷却的双级压缩制冷循环的系统原理图和运行工况的压焓图。图中的双级压缩制冷循环如下：(1)蒸发器内的制冷剂吸热变为干饱和蒸气被低压机吸走，即图中的1 点；(2)低压机将蒸气压缩成过热
18、蒸气2，在中间冷却（ a）系统原理简图器内被冷却，其热量传给中冷器内的制冷剂液体，部分中间压力下的液体汽化为中间压力下的饱和蒸气，低压机的排气也被冷却为中间压力下的饱和蒸气；(3)中冷器内的饱和蒸气3 被高压机吸走，然后压缩成冷凝压力下的过热蒸气4；(4)冷凝器将高压机排来的过热蒸气冷凝为制冷剂的液体 5；(5)高压制冷剂液体分两路：一路由状态5 经节图 4-6 一次节流中间完全冷却的双级流阀 2 给中间冷却器供液，经节流阀2 节流后的湿蒸气状态为 6；另一路经中冷器内的蛇形盘管被冷却到状态7，实现过冷 (过冷度一般为 35)，蛇形盘管内的热量传给中冷器内的制冷剂液体，使之汽化被高压机吸走；(
19、6)有一定过冷度的高压制冷剂液体7 经过节流阀 1 给蒸发器供液，状态为湿蒸气8；湿蒸气在蒸发器内吸热汽化，被低压机吸走，完成双级压缩循环。这里，中间冷却器主要完成两种工作，一是冷却低压机排出的高温过热蒸气至中间压力下的干饱和状态；另一是实现高压制冷剂液体的过冷，以提高单位质量制冷量。高压机与低压机的理论输气量之比为V 高:V 低 =1:2 1:3；如果用一台压缩机实现双级压缩，其输气量的比值一般为V 高 :V 低=1:3 或 V 高 :V 低 =1:2。中冷器的蛇形盘管在进出管上并联一只截止阀，在冬季不用双级压缩时，可打开此阀让液体直通过去。中冷器的浮球调节阀自动控制中冷器的液面在一定水平上
20、。如果需要确定中间压力，一般取PmPk P0从此式得出的中间压力Pm，能使高低压级的压缩比相等，这种情况虽然使制冷系数偏离最佳值，但可以充分利用汽缸的工作容积，实用价值高。一次节流中间不完全冷却的双级压缩制冷循环图 4-7 为一次节流中间不完全冷却的双级压缩制冷循环的系统原理图和运行工况压焓图。 这种循环形式被大多数的两级压缩氟制冷系统所采用。图中的双级压缩制冷循环如下：(1)蒸发器内的制冷剂吸热汽化为干饱和蒸气（状态1），由低压机吸走；(2)低压机将蒸气压缩为过热蒸气 2；(3)中冷器内产生干饱和蒸气3与低压机排出的过热蒸气2 混合，混合后的状态为 3，然后被高压机吸走；(4)高压机将蒸气3
21、 压缩为高压高温的蒸气 4，并进入冷凝器；(a)系统原理图(5)冷凝器在冷凝压力下将气体冷凝为液体 5；(6)液体分两路供出，一路为中冷器供液，使之在中间压力下吸热汽化为干饱和蒸气；另一路通过中冷器内的蛇形盘管在冷凝压力下过冷到7，经节流阀 1 节流到状态8，给蒸发器供液。从上述循环中可以看到， 低压机(b) 运行工况图图 4-7 一次节流中间不完全冷却的双级循环排出的过热蒸气只是与中冷器产生的干饱和蒸气混合，因此没有将低压机的排气冷却为干饱和蒸气，只是通过混合降低了高压机的吸气温度。回热器使供液与回气进行热交换，过冷液态制冷剂，提高单位质量制冷量，同时提高回气的过热度，防止压缩机的湿冲程和液
22、击。油分离器将压缩机排气中带出来的润滑油分离出来，并返回曲轴箱，防止油进入热交换器而影响传热效率，同时保证了压缩机润滑的用油。中间冷却器中间冷却器装安于双级压缩或多级压缩的制冷系统中。连接在低压缸（或低压级压缩机）的排气管与高压缸（或高压级压缩机）的吸汽管之间。它的功用主要在于降低低压缸（或低压级压缩机）所排出的过热氨气的温度，避免高压缸（或高压级压缩机）由于吸入温度高而使排出温度高，使排出温度超过允许的限度。它还有分离低压缸（或低压级压缩机）排出中挟带的润滑油以及冷却蛇形盘管中通过的高压氨液，使它获得较大的过冷度以提高单位重量制冷能力的作用。中间冷却器如 图 2-52 所示。图 2-52 中
23、间冷却器中间冷却器是立式圆筒形设备，筒内下部设有蛇形盘管，筒的上部有一进气管由上方直插筒内下部，在筒侧上部设有一出气接管，在筒体侧面有一浮球阀、电磁阀、滤氨器、调节阀、液面指示器、氨液进口、压力表、氨截止阀等，在筒上部的封头上设有一安全阀，底部有放油阀和排氨液出口。氨液通过节流进入中间冷却器内，并保持一定液位高度，其蒸发压力保持为中间压力，低压缸（低压级压缩机） 排气自进气管由上部直通到筒内下部经过氨液洗涤冷却后，由上部出气管流出。高压液氨流经筒内下部浸在氨液中的蛇形盘管被冷却后流往其他设备。两级压缩中间不完全冷却制冷系统故障分析例题：正常运行参数：制冷剂 R22，冷凝压力 ? = 1.5MP
24、a，蒸发压力 ? = -0.01MPa ，库温设定为 -35 ，?0蒸发温度 ?0= -43 ，中间压力 ? = 0.20.4MPa ，排气温度 145 ，吸气温度 510 ，? +?进出中间温度 ? = 5 - 5，环境温度：见当天。冷凝温度：+ 5。2正常情况：低、高压级压缩机运行平稳无异声，冷凝器进出水有温差，冷却水畅通，电磁阀工作正常，视液镜制冷剂流量正常无气泡， 中间膨胀阀结霜， 中间冷却器出口结霜至高压吸气口，干燥过滤器前后无温差，主膨胀阀成45o结霜，蒸发器排管结霜均匀至气液分离器至低压级压缩机吸气口。显示故障：当高压高、中间压力均偏高。原因分析：1.冷却水温高，冷却水量偏小。2
25、.低压级排气温度过高，排气压力也高。3.高压吸气压力过高，中间膨胀阀供液过多造成中间膨胀阀开启度过大，使中间压力高。4.冷凝器内壁管子结水垢造成热交换变差。5.系统中有不凝性气体。6.环境温度过高。其中中间压力高的原因：1. 冷凝压力高。2.蒸发压力高。3.中间冷却器内排管热负荷过大。4.中间膨胀阀供液开启度偏大。5.中间冷却器保温损坏。6.中间冷却器内油过多，占用传热面积。排除故障：高压偏高： 冷却水流量调整，加大水量和降低水温，清洗冷凝器水套（化学清洗）。中压偏高： 中间膨胀阀调节开启度使? = 0.20.3MPa 。对系统查漏，特别是对中间膨胀阀调整后?的查漏。勤观察和微调至系统达到正常运行状态。
