復疊式制冷循環(huán)ppt課件

1、報告人：盛 偉 （博士，副教授） 機械與動力工程學院,復疊式制冷循環(huán),2021年1月30日,根據(jù)制冷劑常溫下在冷凝器中冷凝時飽和壓力Pk和正常蒸發(fā)溫度T0的高低，一般分為三大類： .低壓高溫制冷劑 冷凝壓力PkKg/cm2（絕對），T0 如11（CFCl3），其T023.7。這類制冷劑適用于空調(diào)系統(tǒng)的離心式制冷壓縮機中。通常時，Pk3.06Kg/cm2,引課:制冷劑的一般分類,2,weisean,中壓中溫制冷劑 冷凝壓力Pk-60。 如717、12、22等，這類制冷劑一般用于普通單級壓縮和雙級壓縮的活塞式制冷壓縮機中。 .高壓低溫制冷劑 冷凝壓力Pk20Kg/cm2（

2、絕對），T070。 如13（CF3Cl）、14（CF4）、二氧化碳、乙烷、乙烯等，這類制冷劑適用于復迭式制冷裝置的低溫部分或-以下的低溫裝置中,引課:制冷劑的一般分類,為獲得更低的蒸發(fā)溫度,單級壓縮轉(zhuǎn)向多級壓縮 限制,采用一種制冷劑循環(huán)將出現(xiàn)的問題： (1)任何制冷劑，當蒸發(fā)溫度降低時，其蒸發(fā)器壓力也必然降低。 (2)任何制冷劑，當蒸發(fā)溫度降低時，其比容就很大。 (3). 任何制冷劑，當蒸發(fā)溫度降低時，其冷凝壓力就很高,4,weisean,為了獲取更低溫度，采用單一制冷劑的多級壓縮循環(huán)仍將受到蒸發(fā)壓力過低、甚至使制冷劑凝固的限制。 例： 當蒸發(fā)溫度為80時，若采用氨作為制冷劑，它在-77.7時

3、就已凝固，使循環(huán)遭到完全破壞。如果采用R22作為制冷劑，此時它雖未凝固，但蒸發(fā)壓力已低達10Kpa，一方面增加了空氣漏入系統(tǒng)的可能性，另一方面導致壓縮機吸氣比容增大（此時蒸氣比容為1.76m3/kg）和輸氣系數(shù)的降低，從而使壓縮機的氣缸尺寸增大，運行經(jīng)濟性下降,對于往復式制冷壓縮機而言，氣閥是依靠閥片兩側(cè)氣體的壓力差自動啟、閉來完成壓縮機的吸氣、壓縮、排氣和膨脹過程的，當吸氣壓力低于15Kpa時，吸氣閥片因壓差過低而往往無法開啟，壓縮機無法正常工作，增加壓縮機級數(shù)也是無濟于事的,6,weisean,如果采用低溫制冷劑，雖然低溫下它們的蒸發(fā)壓力一般均高于15Kpa。例如乙烷，當蒸發(fā)溫度為-100

4、時，其相應的蒸發(fā)壓力為52Kpa；但其冷凝壓力太高，當 tk=25 時，其冷凝壓力就高達4.18Mpa，使機器顯得十分笨重；而且當冷凝溫度 35 時就已超過了它的臨界溫度（）,使乙烷蒸氣無法液化，循環(huán)的經(jīng)濟性大大惡化。 到目前為止，還難以找到一種制冷劑，它既滿足冷凝壓力不太高、又滿足蒸發(fā)壓力不太低的要求,7,weisean,制冷劑蒸發(fā)溫度過低： 1、易導致壓縮機和系統(tǒng)低壓部分在高真空下運行，增加空氣滲入的可能性。 2、將導致壓縮機吸氣比容增大，輸氣系數(shù)減小，需要采用更大尺寸的壓縮機。 如 R13 的凝固溫度為 -181 ，且在低溫條件下，飽和蒸汽壓力仍然較高。但臨界溫度低，為 28.8 ，不能

5、用環(huán)境介質(zhì)（水、空氣）來完成冷凝過程,8,weisean,1.雙級壓縮制冷的局限性： 雙級壓縮制冷的制冷溫度受制冷劑凝固點的限制不能太低。 雙級壓縮制冷受蒸發(fā)壓力過低的限制。 雙級壓縮受循環(huán)壓力比的限制,9,weisean,2. 解決方法 ：采用低溫制冷劑。 注意:低溫制冷劑常常在常溫下無法冷凝成液體! 采用低溫制冷劑的制冷裝置，雖然能夠制取很低的溫度，但不能單獨工作，需要有另一臺制冷裝置與之聯(lián)合運行，為低溫制冷劑循環(huán)的冷凝過程提供冷源，降低冷凝溫度和壓力。即為復疊式制冷,10,weisean,1)凝固點 2)壓力比 3)蒸發(fā)壓力過低 到目前為止，還難以找到一種制冷劑，它既滿足冷凝壓力不太高、

6、又滿足蒸發(fā)壓力不太低的要求,1、原因,11,weisean,復疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán)是由兩個或兩個以上的單級（也可以是多級）制冷循環(huán)組成，而且在兩個制冷系統(tǒng)中充加不同性質(zhì)的制冷劑。它既能滿足在較低蒸發(fā)溫度時有合適的蒸發(fā)壓力，又能滿足在環(huán)境溫度條件下冷凝時具有適中的冷凝壓力,定義,2、工作原理,12,weisean,圖1示出由兩個單級壓縮系統(tǒng)組成的最簡單的復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖。循環(huán)工作過程可從圖中清楚地看出。圖2示出了這一循環(huán)的壓焓圖。圖中123451為低溫部分循環(huán)。6789106為高溫部分循環(huán)。冷凝蒸發(fā)器中的傳熱溫差一般取510,D 冷凝蒸發(fā)器,14,weisean,實際復疊機,壓力控制閥

7、電磁閥: 1. 作用：自動接通或切斷制冷系統(tǒng)的供液管路，廣泛用于如冷藏箱、空調(diào)器等所匹配的氟利昂制冷機中。 2. 位置：冷凝器與蒸發(fā)器間的管路上裝有，可控制液體管路的啟閉,16,weisean,17,weisean,壓縮機 冷凝蒸發(fā)器 回熱器 節(jié)流閥 蒸發(fā)器 膨脹容器,低溫系統(tǒng),制冷劑,R13/R23,常溫下低溫制冷劑 的飽和壓力非常高，所以機組一停，需要提供一個額外膨脹空間，讓低溫制冷劑 有地方排泄，但當機組一運行，這部分制冷劑必須參與循環(huán)，這就設計了一個膨脹容器和電磁閥來進行控制,復疊式制冷機的啟動問題 一般先啟動高溫部分，后啟動低溫部分 復疊式與多級循環(huán)的比較 體積小緊湊，工作壓力范圍適

8、中，運行穩(wěn)定，復雜,3、特點,組成,18,weisean,復疊式制冷機通常由兩個單獨的制冷系統(tǒng)組成，分別稱為高溫級及低溫級部分。高溫部分使用中溫制冷劑，低溫部分使用低溫制冷劑。高溫部分系統(tǒng)中制冷劑的蒸發(fā)是用來使低溫部分系統(tǒng)中制冷劑冷凝，用一個冷凝蒸發(fā)器將兩部分聯(lián)系起來，它既是高溫部分的蒸發(fā)器，又是低溫部分的冷凝器。低溫部分的制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)向被冷卻對象吸取熱量（即制取冷量），并將此熱量傳給高溫部分制冷劑，然后再由高溫部分制冷劑將熱量傳給冷卻介質(zhì)（水或空氣）。高溫部分的制冷量基本等于低溫部分的冷凝熱負荷,4、熱力計算,19,weisean,復疊式制冷循環(huán)中中間溫度的確定應根據(jù)制冷系數(shù)最大或各個壓

9、縮機壓力比大致相等的原則。前者對能量利用最經(jīng)濟，后者對壓縮機氣缸工作容積的利用率較高（即輸氣系數(shù)較大）。由于中間溫度在一定范圍內(nèi)變動時對制泠系數(shù)影響并不大，故按各級壓力比大致相等的原則來確定中間溫度更為合理,20,weisean,冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差的大小不僅影響到傳熱面積和冷量損耗，一般 510而且也影響到整個制冷機的容量和經(jīng)濟性，溫差選得大，冷凝蒸發(fā)器的面積可小些，但卻使壓力比增加，循環(huán)經(jīng)濟性降低。 制冷劑的溫度越低，傳熱溫差引起的不可逆損失越大，故蒸發(fā)器的傳熱溫差因蒸發(fā)溫度很低而應取較小值，最好不大于5,21,weisean,當需要獲取-60以下的低溫時，采用中溫制冷劑與低溫制冷劑復疊的制

10、冷循環(huán)。兩級復疊制取-60-80的低溫，三級復疊制取-80-120的低溫。 用作高溫級的中溫制冷劑有：R717、R22、R502、R134a、R407c、R410A等；用于低溫級的低溫制冷劑有：R13、R14、R23、C2H6、C2H4等,22,weisean,三個單級壓縮循環(huán)組成的復疊式制冷機,循環(huán),中溫,高溫,低溫,中溫 R23,高溫 R22或R507,低溫 R50、R1150或R170,制冷劑,最低蒸發(fā)溫度可達120140,23,weisean,5、復疊式制冷循環(huán)應用中的一些問題,1)停機后低溫制冷劑的處理 當復疊式制冷機在停止運轉(zhuǎn)后，系統(tǒng)內(nèi)部溫度會逐漸升高到接近環(huán)境溫度，低溫部分的制冷

11、劑就會全部汽化成過熱蒸氣，這時低溫部分的壓力將會超出制冷系統(tǒng)允許的最高工作壓力這一非常危險的情況。當環(huán)境溫度為40時，低溫部分允許的最高絕對壓力為1.079MPa。為解決這一問題，大型系統(tǒng)采用高溫系統(tǒng)定時開機，以維持低溫系統(tǒng)較低壓力，但這種方法耗功大；或者將低溫制冷劑抽出裝入高壓鋼瓶中。對于小型復疊式制冷裝置，通常在低溫部分的系統(tǒng)中連接一個膨脹容器，當停機后低溫部分的制冷劑蒸氣可進入膨脹容器，如系統(tǒng)中不設膨脹容器，則應考慮加大蒸發(fā)冷凝器的容積，使其起到膨脹容器的作用，以免系統(tǒng)壓力過高,25,weisean,2). 系統(tǒng)的起動 由于低溫制冷劑的臨界溫度一般較低，所以復疊式制冷機在起動時，必須先起

12、動高溫部分，當高溫部分的蒸發(fā)溫度降到足以保證低溫部分的冷凝壓力不超過允許的最高壓力時，才可以起動低溫部分。例如： 對于使用R22與R13的二元復疊式制冷循環(huán)，要先將R22的蒸發(fā)溫度降至-15以下，這時低溫系統(tǒng)中R13的最高冷凝溫度大約為-l0，相應的飽和壓力為1.5616 MPa（在允許值內(nèi)）。對于小型復疊式制冷循環(huán)，高低溫部分可同時起動，但在低溫系統(tǒng)上必須裝設壓力控制閥，以保證系統(tǒng)的安全,26,weisean,3)溫度范圍的調(diào)節(jié) 復疊式制冷循環(huán)的制冷溫度是可以調(diào)節(jié)的，但有一定的溫度范圍。因壓力比不能太大，所以吸氣壓力不能調(diào)節(jié)得太低，這就決定了它的下限溫度不能太低。同時，吸氣壓力也不能調(diào)得太高

13、，因為隨著吸氣壓力的升高，蒸發(fā)溫度也升高，當蒸發(fā)溫度高到一定程度時，就失去了復疊式循環(huán)的意義。而且隨著吸氣壓力的升高，冷凝壓力也升高，一般壓縮機的耐壓為2MPa。為使壓縮機和制冷系統(tǒng)能正常工作，復疊式制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度在調(diào)節(jié)時一般不高于-50，也不應低于-80,27,weisean,6、低溫箱復疊式系統(tǒng)的常見故障與排除,既有電氣又有制冷機械 出現(xiàn)故障，全面檢查綜合分析 一般過程可以先“外”后“里” 外部因素冷卻水、供電等 內(nèi)部因素先檢查電氣系統(tǒng)，后查制冷系統(tǒng),28,weisean,制冷劑量不足（漏） 管路臟堵或冰堵 蒸發(fā)器供液電磁閥損壞 膨脹閥流量過大、過小或損壞,查漏并補充制冷劑 更壞被堵器

14、件或干燥劑 更換電磁閥 調(diào)整或更換膨脹閥,制冷系統(tǒng)中有空氣 冷卻水量不足或溫度過高 冷凝器水管積垢過厚,放空氣 增加供水量 清洗冷凝器,制冷系統(tǒng)中制冷劑量不足 膨脹閥冰堵或損壞 過濾器堵塞,查漏并補充制冷劑 對管路進行干燥或更換膨脹閥 更換過濾器,6、低溫箱復疊式系統(tǒng)的常見故障與排除,30,weisean,補充：自復疊,從低于環(huán)境溫度的空間或物體中吸收熱量，并將其轉(zhuǎn)移給環(huán)境介質(zhì)的過程稱為制冷。制冷技術(shù)是為適應人們對低于環(huán)境溫度條件的需要而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。 現(xiàn)代制冷技術(shù)始于18世紀中葉。1755年愛丁堡的化學教授庫侖(William Cullen)利用乙醚蒸發(fā)使水結(jié)冰。他的學生布拉克(Blac

15、k)從本質(zhì)上解釋了融化和汽化現(xiàn)象，導出了潛熱的概念，并發(fā)明了冰量熱器，標志著現(xiàn)代制冷技術(shù)的開始,31,weisean,此后的200多年時間里，制冷技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,其中利用工質(zhì)節(jié)流后產(chǎn)生制冷效應的焦耳-湯姆遜效應(Joule-Thomson effect)是最古老的制冷方法之一。在普冷領(lǐng)域，蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)就是利用工質(zhì)的節(jié)流制冷效應進行工作的，目前這種制冷方法在普冷領(lǐng)域占據(jù)著主導地位； 在低溫領(lǐng)域，利用氣體節(jié)流制冷效應的林德-漢普遜(Linde-Hampson)循環(huán)也獲得了廣泛的應用，是氣體液化和低溫制冷技術(shù)的主要方法之一,32,weisean,然而隨著制冷溫度的降低，采用單純工質(zhì)的一級

16、節(jié)流制冷機的效率將降低、壓縮機功耗增加，甚至會造成系統(tǒng)內(nèi)制冷劑和潤滑油分解，運轉(zhuǎn)條件惡化，危害壓縮機的正常工作，所以在普冷領(lǐng)域，當需要的溫度降到230K以下時，人們通常采用兩級壓縮或復疊式制冷系統(tǒng)來滿足要求，但是其復雜性和系統(tǒng)的運行維護都比單級制冷系統(tǒng)要大得多,33,weisean,因此，近幾十年來，人們將目光投向了多元混合工質(zhì)的研究。目前，無論在普冷領(lǐng)域還是在低溫領(lǐng)域，多元混合工質(zhì)節(jié)流技術(shù)都成了國際制冷界研究的熱點課題。在普冷領(lǐng)域，由于CFCs工質(zhì)中氯原子對大氣臭氧層的破壞，其面臨的問題是工質(zhì)替代，采用幾種現(xiàn)有的或新的純工質(zhì)所組成的多元混合工質(zhì)則是一條在近期乃至中長期都最有發(fā)展前途的方案；在

17、低溫領(lǐng)域，由于采用了商用單級制冷壓縮機驅(qū)動的混合物工質(zhì)節(jié)流制冷機，使得混合物節(jié)流制冷機飛速發(fā)展，成為最有前途的低溫制冷機之一,34,weisean,近幾年來，無論在普冷領(lǐng)域還是在低溫領(lǐng)域，采用多元混合工質(zhì)作為節(jié)流制冷劑的研究已經(jīng)越來越引起人們的興趣，單級壓縮機驅(qū)動的混合工質(zhì)節(jié)流制冷機大大增加了制冷機在低溫方面的商業(yè)應用。在普冷領(lǐng)域，當溫度降到230K以下時，人們通常采用多級壓縮或復疊式制冷系統(tǒng)。由于非共沸混合工質(zhì)具有變溫冷凝/蒸發(fā)特性，且能通過部分冷凝獲得成分不同的多種流體，自動復疊制冷系統(tǒng)近幾年來在普冷領(lǐng)域也逐漸有所應用,35,weisean,非共沸制冷劑,1. 相變過程中氣、液相中組分的濃

18、度不同，其在任何濃度比下都不發(fā)生共沸現(xiàn)象的混合物稱為非共沸制冷劑。 與純制冷劑和共沸制冷劑相比，非共沸制冷劑有自己的特點： 在定壓下蒸發(fā)或凝結(jié)時，氣相和液相的成分不同，溫度也在不斷變化。定壓蒸發(fā)時溫度從泡點溫度變化到露點溫度，定壓凝結(jié)則相反。泡點溫度和露點溫度的溫差稱之為溫度滑移(Temperature glide)。 2. 等壓相變過程中溫度是變化的，這就有可能較好地適應變溫熱源的情況，減少蒸發(fā)和冷凝過程中的傳熱溫差，以達到節(jié)能的目的,36,weisean,3. 在實用上，使用非共沸制冷劑出現(xiàn)的問題： 當制冷裝置中發(fā)生制冷劑泄漏時，剩余在系統(tǒng)內(nèi)的混合物的濃度就會改變。 解決方式： 需要向系統(tǒng)

19、中補充制冷劑使其達到原來的數(shù)量和濃度，并需通過計算來確定兩種制冷劑的充灌量,37,weisean,近共沸制冷劑(Near azeotropic mixture refrigerant)”這一術(shù)語，是指泡點溫度與露點溫度很接近的非共沸制冷劑，但到底接近到什么程度為近共沸和非共沸的分界點，并沒有一個明確的規(guī)定，通常認為泡露點的溫度差小于3的混合制冷劑稱為近共沸混合制冷劑,非共沸混合制冷劑用于制冷主要有兩方面的意義： 1、在較寬的溫度范圍內(nèi)制冷時節(jié)能或增大制冷量。 2、在單級壓縮適中的壓力下獲得較低的蒸發(fā)溫度,38,weisean,混合物按其定壓下相變時的熱力學特征有非共沸混合物與共沸混合物之分。用

20、T-x相圖反映這兩類混合物之不同,在復疊式制冷系統(tǒng)中尚有一種特殊的形式，稱為自動復疊制冷(Auto-cascade Refrigeration)系統(tǒng)。 舉例: 系統(tǒng)中充灌了兩種制冷劑，如R23和R22，它們在相同的冷凝壓力和蒸發(fā)壓力下工作，因而在系統(tǒng)中只需要一臺壓縮機。ACR系統(tǒng)利用了R23的冷凝溫度遠低于R22的冷凝溫度這一特性。（12個大氣壓下R23飽和溫度-22, R22飽和溫度35） 自動復疊制冷系統(tǒng)采用一個普通低溫壓縮機制取很低的溫度，其奧妙在于“一級壓縮，多級復疊，自動分離”，即混合工質(zhì)一次壓縮后，在多級復疊管路中的多個冷凝蒸發(fā)器中逐級分離，使沸點最低的制冷劑進入蒸發(fā)器，制取預定的

21、低溫,40,weisean,41,weisean,A壓縮機 B冷凝器 C、D節(jié)流閥 E冷凝蒸發(fā)器 F蒸發(fā)器 最簡單的自動復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)圖,通常的冷卻水溫度(或空氣溫度)不足以使R23冷凝，故R23仍保持氣體狀態(tài)。氣態(tài)的R23進入冷凝蒸發(fā)器中，該處的溫度低至可使R23冷凝成液體，再經(jīng)過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器蒸發(fā)實現(xiàn)低溫制冷。對于R22,由于其冷凝溫度較高，在冷凝器內(nèi)被冷卻水(或空氣)冷凝成液體，冷凝液體經(jīng)節(jié)流閥后進入冷凝蒸發(fā)器，產(chǎn)生較低的溫度使R23冷凝成液體。制冷劑R22吸收了R23冷凝時放出的熱量變成蒸氣，與來自蒸發(fā)器的R23蒸氣相匯合，進入壓縮機中。嚴格地講，在R23的回路中混有少量的R22，

22、在R22的回路中也混有少量的R23,一級壓縮，多級復疊，自動分離,A壓縮機 B冷凝器 C、F儲液器 D、I節(jié)流閥 E冷凝蒸發(fā)器 G回熱器 H蒸發(fā)器 單級壓縮一次分凝制冷機系統(tǒng)圖,在壓縮機A中壓縮后的蒸氣排到冷凝器B，在這里大量中溫組分R22及少量低溫組分R23組成的冷凝液體經(jīng)儲液器C和節(jié)流閥D到達冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)；而大量低溫組分R23及少量R22組成的未冷凝蒸氣，由冷凝器上部引入冷凝蒸發(fā)器E，在這里被管內(nèi)蒸發(fā)的液體冷凝。冷凝液流入儲液器F，然后由下部引出經(jīng)節(jié)流閥I去蒸發(fā)器H蒸發(fā)制冷。為了減少損失，在系統(tǒng)中還裝設了一個回熱器G,ACR雖按單級壓縮循環(huán)工作，但由于引入了低溫制冷劑R23及采用了分凝過

23、程，從而可以達到比較低的蒸發(fā)溫度，其溫度范圍低于采用純工質(zhì)的兩級壓縮循環(huán)。同時因為蒸發(fā)器中R23的液體（含少量R22）蒸發(fā)，其蒸發(fā)壓力較一般的中溫制冷劑高，改善了壓縮機的工作條件。上述優(yōu)點在應用純工質(zhì)的常規(guī)制冷系統(tǒng)中是無法實現(xiàn)的,44,weisean,各種蒸氣壓縮式制冷方式的比較,45,weisean,干冰基礎知識 干冰是二氧化碳的固態(tài)，由于干冰的溫度非常低，溫度為攝氏負78.5度，因此經(jīng)常用于保持物體維持冷凍或低溫狀態(tài)。 干冰能夠急速的冷凍物體和降低溫度，并且已經(jīng)被廣泛的使用。干冰在溶解時不是由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，而是由固態(tài)直接升華為氣態(tài)，因此其融化并不會產(chǎn)生任何水或液體，也由此我們稱它做“干冰

24、”。 物理特性 干冰是固態(tài)二氧化碳 溫度為零下79(-79) ； 汽化時， 溫度仍在零下20（-20）左右 ； 空氣中的水氣被它冷卻成小水滴(霧滴)， 而形成白色煙霧狀 ； 固態(tài)二氧化碳。為白色分子晶體；熔點-566（101325Pa），-78477升華（101325Pa），密度156g/cm3（-79）；具有面心立方晶格,干冰的使用范圍廣泛，在食品、衛(wèi)生、工業(yè)、餐飲中有大量應用。 主要有,干冰的使用范圍,1.餐廳業(yè)菜肴裝飾、氣份營造、影視效果、舞臺、會場煙霧制造; 2.冷凍食品儲藏與運輸； 3.家禽肉品冷凍保存； 4.空運、航運需長時間冷凍需求者； 5.低溫冷凍醫(yī)療用途； 6.熱處理、低溫收

25、縮金屬組件； 7.生鮮超商業(yè)停電時食品冷凍保存，應急制冷； 8.無水制冷、消防滅火； 9.工業(yè)清洗、去除積垢，是目前及未來干冰最大的用途之一。 10、人工降雨 11、溫室大棚施肥,鋼廠鑄造等等,干冰是將二氧化碳用人工制冷方法使之凍結(jié)而成的固體。工業(yè)用干冰為白色，相對密度在1315之問，隨制造方法而變。干冰在三相點壓力以下時，可直接升華為氣體，故用作冷卻劑時有良好的衛(wèi)生條件。 干冰在大氣壓力下升華溫度為-79，而在真空條件下升華時可得到-l00的低溫 工業(yè)上生產(chǎn)干冰可以用多種方法，其流程也有高壓、中壓與低壓之分,48,weisean,干冰是將氣體二氧化碳用人工制冷的方法加以冷卻和凍結(jié)而制取的，在工業(yè)上生產(chǎn)干冰通常是