多級蒸汽壓縮制冷循環(huán)

1、3.6 多級蒸汽壓縮制冷循環(huán)采用多級壓縮制冷的原因問題：單級壓縮在常溫冷卻條件下，能獲得的低溫程度有限。在此條件下，獲得低溫的制約因素是壓縮比和排氣溫度。壓縮比和排氣溫度升高后的危害(1) 壓縮比增大時壓縮機的余隙系數(shù)v大為降低，(2) 壓縮機的輸氣量及效率顯著下降。當壓縮比提高到一定數(shù)值后，壓縮機的余隙系數(shù)變?yōu)榱悖瑝嚎s機不再吸氣，制冷機雖然在不斷運行，制冷量卻變?yōu)榱恪?2)壓縮機排氣溫度過高，使?jié)櫥偷恼扯燃眲∠陆?，影響壓縮機的潤滑。當排氣溫度與潤滑油的閃點接近時，會使?jié)櫥吞蓟统霈F(xiàn)拉缸等現(xiàn)象。(3)制冷劑過熱損失增加，單位容積制冷量下降過大，經(jīng)濟性顯著下降。3.6.1 兩級壓縮制冷的循環(huán)

2、形式兩級蒸氣壓縮工作原理壓縮過程分兩階段進行:低壓級壓縮 高壓級壓縮蒸發(fā)壓力 中間壓力 冷凝壓力1.來自蒸發(fā)器的低溫制冷劑蒸氣（壓力為P0）先進入低壓級壓縮機，在其中壓縮到中間壓力Pm；2.經(jīng)過中間冷卻器冷卻（分為兩種情況 中間完全冷卻為飽和蒸氣和中間不完全冷卻為過熱蒸氣）；3.再進入高壓級壓縮機，將其壓縮為冷凝壓力Pk，排入冷凝器中。兩級蒸氣壓縮類型按壓縮機臺數(shù)分單機雙級：一臺壓縮機，氣缸一部分為高壓級，另一部分為低壓級。雙機雙級：兩臺壓縮機，分別作為高壓級和低壓級。按中間冷卻方式分中間完全冷卻：將低壓級的排氣冷卻到中間壓力下的飽和蒸氣。中間不完全冷卻：低壓級排氣雖經(jīng)冷卻，但并未冷卻到飽和蒸

3、氣狀態(tài)，仍然是過熱蒸汽。按節(jié)流方式分兩次節(jié)流循環(huán)：將高壓液體先從冷凝壓力Pk 節(jié)流到中間壓力 Pm ，然后再由Pm節(jié)流降壓至蒸發(fā)壓力P0 。一次節(jié)流循環(huán)：制冷劑液體由冷凝壓力Pk直接節(jié)流至蒸發(fā)壓力 P0常用的組成型式1.一次節(jié)流、中間完全冷卻2.一次節(jié)流、中間不完全冷卻3.兩次節(jié)流、中間完全冷卻4.兩次節(jié)流、中間不完全冷卻a）一次節(jié)流、中間完全冷卻循環(huán)b）兩次節(jié)流、中間完全冷卻循環(huán)c )一次節(jié)流、中間不完全冷卻循環(huán)d）兩次節(jié)流、中間不完全冷卻循環(huán)兩級壓縮循環(huán)形式選擇因素􀂋 中間冷卻形式選擇取決于制冷劑的性質氨：完全冷卻 ， 氟利昂：不完全冷卻一次節(jié)流：􀁺 不

4、可逆損失大，經(jīng)濟性差；􀁺 系統(tǒng)簡單，只有一個節(jié)流閥；􀁺 供液壓差大，節(jié)流閥尺寸小，可實現(xiàn)遠距離供液或高層供液；􀁺 節(jié)流前液體過冷度大，不易閃蒸。二次節(jié)流：􀁺 不可逆損失小，經(jīng)濟性好；􀁺 可以獲得兩種不同蒸發(fā)溫度；􀁺 系統(tǒng)復雜，要兩個節(jié)流閥,且要保證流量調節(jié)相協(xié)調；􀁺 供液壓差小，節(jié)流閥尺寸大；􀁺 第二只節(jié)流閥前液體溫度過低且無過冷，容易出現(xiàn)閥前閃蒸。3.6.2 兩級壓縮制冷的系統(tǒng)流程與循環(huán)分析一次節(jié)流中間完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán)熱力計算一次節(jié)流中間完

5、全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán)假定已知制冷量Q01. 單位質量制冷量: q0h1h8 kJ/kg2. 低壓級比功: wDh2h1 kJ/kg3. 低壓級制冷劑質量流量: qm,D=Ø0/q0 kg/s4. 低壓級壓縮機軸功率: Pk,D=qm,DwD/K,D kw5. 低壓級輸氣量:實際: qvs,D=qm,Dv1 m3/s理論: qvh,D=qvs,D /D m3/s(低壓級壓縮機的容積效率D等于相同壓力下單級壓縮的90%)6. 高壓級比功: wG=h4h3 kJ/kg7. 高壓級制冷劑質量流量（由中間冷卻器熱平衡確定）質量平衡：qm,G=qm,D+qm6=qm6+qm7qm7=qm,D

6、能量平衡:qm,Dh2+ qm,Dh5+(qmG-m,D)h6=qm,Gh3+qm,Dh7 , qm,G=qm,D (h2h7) /(h3h6) kg/s8. 高壓級壓縮機軸功率: Pk,G=qm,GWG/k,G kw9. 高壓級輸氣量：實際: qvs,G=qm,Gv3 m3/s理論: qvh,G=qvs,G/G m3/s(G等于相同壓力下單級壓縮的容積效率)10. 性能系數(shù)理論循環(huán)：COP=Ø0/（qm,GWG+ qm,DWD ）實際循環(huán)： COPs=Ø0/（qm,GWG /k,G + qm,DWD /k,D ）11. 冷凝器的熱負荷Øk = qvs,G(h4s

7、-h5） kwh4s= h3+(h4-h3) /i,D kJ/kg氨一次節(jié)流中間完全冷卻兩級壓縮制冷系統(tǒng)油氨分離器：將夾帶的油滴分離出來，以免進入冷凝器和蒸發(fā)器中而影響傳熱。單向閥：當機器一旦突然停車時防止高壓蒸氣倒流入壓縮機中。貯液器：用來保證根據(jù)蒸發(fā)器熱負荷的需要供給足夠的液氨以及減少向系統(tǒng)內補充液氨的次數(shù)。浮球調節(jié)閥：自動控制中間冷卻器中的液位。氣液分離器：一方面將從蒸發(fā)器出來的低壓蒸氣中夾帶的液滴分離出去，以防止氨液進入壓縮機中而形成濕壓縮，另一方面又可使節(jié)流后產(chǎn)生的部分蒸氣不進入蒸發(fā)器，使蒸發(fā)器的面積可得到更為合理的利用。一個氣液分離器可以與幾個蒸發(fā)器相連，這樣它還起著分配液體和匯集

8、蒸氣的作用。一次節(jié)流、中間完全冷卻的4兩級壓縮制冷循環(huán)( a ) 流程圖 b ) lgp-h圖兩級循環(huán)與單級循環(huán)比較增加了壓縮機或增加了一級壓縮； 增加了一個中間冷卻器；中間冷卻器出口高壓液體溫度與中間冷卻器飽和溫度之間的差值：tF=t7-tm=35 增加了節(jié)流閥； 高壓壓縮機的流量qm,G大于低壓壓縮機的流量qm,D氟利昂一次節(jié)流中間不完全冷卻雙級壓縮系統(tǒng)氣液熱交換器：不但可使高壓液體的溫度進一步降低，使單位制冷量增大，而更為主要的是為了提高低壓壓縮機的吸氣溫度，以改善壓縮機的潤滑條件，并避免氣缸外表面結霜等。系統(tǒng)中還采用了自動回油的油分離器裝置、熱力膨脹閥型式的供液量調節(jié)以及為了使當壓縮機

9、停止運行時能自動切斷供液管路的電磁閥等。獲得兩種蒸發(fā)溫度的兩級壓縮制冷循環(huán)中間壓力的確定中間壓力（或中間溫度）如何確定是兩級壓縮循環(huán)的特有問題，中間壓力選擇是否恰當，不僅影響到經(jīng)濟性，而且對壓縮機的安全運行也有直接關系。確定中間壓力時要區(qū)分兩種情況：（1）已經(jīng)選配好高、低壓級壓縮機，需通過計算去確定中間壓力；（2）從循環(huán)的設計計算出發(fā)來確定中間壓力數(shù)值。在循環(huán)參數(shù)確定之后即可對循環(huán)進行熱力計算，求出所需要的理論輸氣量qvh,G和qvh,D 。但在現(xiàn)有的壓縮機系列產(chǎn)品中很可能選不到正好符合熱力計算要求的壓縮機，這時可選配其容量與計算值相近的壓縮機來代替，雖然中間壓力會稍有變動，但對制冷系數(shù)大小影

10、響甚微。（1）已經(jīng)選配好高、低壓級壓縮機，通過計算去確定中間壓力由于壓縮機已經(jīng)選定，則高壓壓縮機的理論輸氣量qvh,G和低壓壓縮機的理論輸氣量 qvh,D之比值為定值，不可能剛好等于最佳設計工況下計算出的值，用這種方法確定的中間壓力不一定是循環(huán)的最佳中間壓力。此時應按實際壓縮機搭配下的值試算中間壓力。具體步驟：1）按一定間隔選擇若干個中間壓力（或溫度），按所選壓力（或溫度）分別進行循環(huán)的熱力計算，求出不同中間壓力（或溫度）下的值；2）繪制 = f (pm) 或 = f (tm) 曲線，并在圖上畫一條等于給定值的水平線，此線與曲線的交點即為所求中間壓力（或中間溫度）。選配壓縮機時，高壓壓縮機和低

11、壓壓縮機可以由同一臺壓縮機來承擔，即所謂單機雙級型壓縮機，它們的容積比是固定的，一般為1/2或1/3 ；也可選一臺壓縮機為高壓級，另一臺壓縮機為低壓級，一般在1/2-1/3 之間。無論是哪一種情況，所搭配出的都未必與最佳中間壓力要求的值完全吻合。（2）從循環(huán)的設計計算出發(fā)來確定中間壓力數(shù)值這種情況下，中間壓力的確定可以根據(jù)制冷系數(shù)最大這一原則去選取，這一中間壓力又稱最佳中間壓力。具體步驟為：1）根據(jù)設定的冷凝壓力 PK 和蒸發(fā)壓力 P0 ，按壓力的比例中項求得一個近似值：m o k p = p p這種情況下，中間壓力的確定可以根據(jù)制冷系數(shù)最大這一原則去選取，這一中間壓力又稱最佳中間壓力。（2）

12、從循環(huán)的設計計算出發(fā)來確定中間壓力數(shù)值Pm -中間壓力， MPaPo -蒸發(fā)壓力， MPaPk -冷凝壓力， MPam o k T = T T Tm-中間壓力，kTo -蒸發(fā)壓力，kTk -冷凝壓力，k2）查表得到對應的中間溫度tm，在該 tm 值的上下按一定間隔選取若干個中間溫度；3）對每一個 tm 值進行循環(huán)的熱力計算，求得該循環(huán)下的制冷系數(shù) ；4）繪制= f (tm) 曲線，找到的最大值，由該點對應的中間溫度即為循環(huán)的最佳中間溫度（然后查表得最佳中間壓力）。氨系統(tǒng)的最佳中間壓力對于兩級氨制冷循環(huán)，拉賽(A.Rasi)提出了較為簡單的最佳中間溫度計算式：tm=0.4tk+0.6to+3tm

13、 中間溫度tk 冷凝溫度to 蒸發(fā)溫度，單位均為。上式不僅適用于氨，在4040溫度范圍內，對于R12也能得到滿意的結果。3.6.4 兩級壓縮式制冷機的變工況特性􀂋 運行時系統(tǒng)內外、系統(tǒng)內部各部件之間自動建立平衡；􀂋 運行工況是系統(tǒng)平衡點對應的循環(huán)參數(shù)值；􀂋 外部條件發(fā)生變化，平衡點將發(fā)生移動，冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、中間溫度均會發(fā)生改變；􀂋 冷凝溫度升高或蒸發(fā)溫度降低，將使循環(huán)的工作溫差增大，制冷量和COP下降。從啟動到達到平衡的過程假定􀂋 高、低壓級輸氣量之比為定值􀂋 高低壓級壓縮機的質量

14、流量相等啟動順序􀂋 先啟動高壓級壓縮機，做單級運行，等蒸發(fā)溫度降到一定程度后再啟動低壓級壓縮機，轉入兩級壓縮。兩級壓縮式制冷機啟動過程系統(tǒng)中的壓力和壓差得變化過程3.6.5 多級離心壓縮制冷循環(huán)3.7 復疊式制冷􀁺 復疊式制冷定義：由兩個（或數(shù)個）采用不同制冷劑的單級（也可以是多級）制冷系疊加而成。􀁺 采用復疊式制冷的原因制冷循環(huán)的溫差受限臨界溫度與標準沸點關系Tc/Ts=0.6， 低沸點制冷劑的臨界溫低，高沸點的制冷劑臨界溫度高。復疊式壓縮制冷系統(tǒng)通常由兩個單級壓縮制冷循環(huán)組成，之間用蒸發(fā)/冷凝器聯(lián)系起來，蒸發(fā)/冷凝器既是高溫部分的蒸發(fā)器

15、，又是低溫部分的冷凝器 ：高溫部分：采用中溫制冷劑，蒸發(fā)器為低溫部分的冷凝器提供冷凝服務。低溫部分：采用低溫制冷劑，蒸發(fā)器為用戶制冷。3.7 復疊式制冷自行復疊循環(huán)經(jīng)典復疊循環(huán)：隨著復疊級數(shù)的增加 ,系統(tǒng)結構變復雜 ,效率下降 ,經(jīng)濟性變差。復疊循環(huán)分類高溫部分為兩級壓縮循環(huán)、低溫部分為單級壓縮循環(huán)組成的復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖a1低溫部分壓縮機 a2高溫部分低壓級壓縮機 a3高溫部分高壓級壓縮機b冷凝器 c1、c2、c3節(jié)流閥 d蒸發(fā)器 d12冷凝-蒸發(fā)器e1低溫部分氣-液熱交換器 e2高溫部分氣-液熱交換器 f高溫部分中間冷卻器高溫部分為兩級壓縮循環(huán)、低溫部分為單級壓縮循環(huán)組成的復疊式制冷

16、循環(huán)lgp-h圖(a) 高溫部分 (b) 低溫部分三個單級壓縮循環(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120140二元復疊循環(huán)制冷系統(tǒng)3.7.2 復疊系統(tǒng)設計與使用中的問題1.應用溫度范圍和常用制冷劑􀀹 溫度在 -35 -40以上：單級壓縮制冷􀀹 溫度在 -40 -80：雙級壓縮制冷􀀹 溫度在 -80以下：復疊式制冷制冷劑：按制冷溫度、制冷量大小及價格考慮二元復疊制冷與雙級壓縮制冷的比較小型試驗裝置，尤其是需要寬范圍溫度調節(jié)的應用裝置。工業(yè)生產(chǎn)用的低溫裝

17、置和大型試驗裝置。主要應用1、無復疊溫差造成的不可逆損失；2、低壓級壓縮機尺寸大，機械效率低；3、低壓級壓縮機容積效率和指示效率低；4、低壓級負壓程度高，滲入不凝性氣體的危險大；5、溫度調節(jié)范圍大。1、存在復疊溫差，造成不可逆損失；2、低溫制冷劑容積制冷量大，壓縮機尺寸小，機械效率高；3、各子系統(tǒng)壓力適中，壓縮機容積效率和指示效率高；4、系統(tǒng)為正壓或輕度負壓，滲入不凝性氣體的危險小；5、溫度調節(jié)范圍小。運行特性簡單，一種制冷劑，單機雙級壓縮機只需一臺，雙機雙級要處理好潤滑油的分配。復雜，兩套子系統(tǒng)，兩種制冷劑，低溫制冷劑很貴。系統(tǒng)結構項目復疊式制冷雙級壓縮制冷2. 復疊溫度與復疊溫差h

18、8715; 復疊溫度的選擇 理論 整個系統(tǒng)的COP最大。 實際 按子系統(tǒng)壓力比大致相同來確定，這樣壓縮機的容積效率較高。􀂋 復疊溫差的取值 510 復疊溫度越低，復疊溫差應取下限值。 3.輔助熱交換器的使用􀂋 回熱器 目的： 減少無用過熱 壓縮機吸氣溫度不宜低于-30 裝置 氣液回熱器 氣氣回熱器􀂋 水冷卻器 目的 減小高溫子系統(tǒng)熱負荷，提高系統(tǒng)COP 原理 低溫子系統(tǒng)壓縮機排氣溫度較高，制冷劑排氣過熱度大，用常溫的冷卻水將低溫壓縮機的排氣預冷，消除過熱后再進入蒸發(fā)/冷凝器。4.防止啟動和停機后低溫子系統(tǒng)超高壓 啟動時 先啟動高溫子系統(tǒng)，待

19、蒸發(fā)溫度下降到足以保證下一級子系統(tǒng)的冷凝溫度不至于超過限制值后，再啟動下一級子系統(tǒng)。 停機后停機后，系統(tǒng)內部溫度會逐漸升高到接近環(huán)境溫度，低溫部分的制冷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。 大型裝置 短暫停機，自動控制高溫子系統(tǒng)間歇運行； 長期停機，抽出低溫子系統(tǒng)制冷劑，儲存到高壓鋼瓶中。 小型裝置 嚴格控制低溫子系統(tǒng)制冷劑的沖灌量； 系統(tǒng)內設置膨脹容器。 或者加大蒸發(fā)/冷凝器的容積，使其起到膨脹容器的作用。混合制冷劑單級或多級分凝循環(huán)各種蒸氣壓縮式制冷方式的比較制冷循環(huán),應用溫度范圍使用原因,制冷劑復疊壓縮<-80，循環(huán)溫差過大,兩種或以上雙

20、級壓縮-80 -40 ，壓縮比過大,一種單級壓縮-35 5 ，一般制冷,一種3.8 CO2制冷二氧化碳制冷方法􀂋 CO2制成干冰，以干冰作為消耗性制冷劑，利用干冰升華過程的吸熱現(xiàn)象制冷。􀂋 不能實現(xiàn)連續(xù)制冷􀂋用CO2做制冷劑，通過制冷循環(huán)實現(xiàn)連續(xù)制冷.為什么要采用跨臨界循環(huán)？CO2臨界溫度較低(31.1) ，用作蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的工質時，其性能系數(shù)與制冷能力直接受環(huán)境溫度和冷卻介質溫度的影響。如果采用傳統(tǒng)的亞臨界蒸汽壓縮式制冷循環(huán)，循環(huán)工質的臨界溫度決定了發(fā)生冷凝過程的溫度上限，通常要求冷凝溫度至少高出環(huán)境溫度30才可以獲得較好的制冷系數(shù)

21、。尤其是環(huán)境溫度較高時，循環(huán)的單位質量制冷量q0明顯減小，制冷能力顯著下降，而功耗W卻增大，因此其經(jīng)濟性很差。這是采用傳統(tǒng)亞臨界蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的二氧化碳系統(tǒng)先天不足的主要原因。正因為如此，使原來應用于制冷循環(huán)的CO2制冷劑被鹵代烴所取代。但是根據(jù)熱力學第二定律，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)與工質的性質無關。因此，采用跨臨界制冷循環(huán)可避開亞臨界循環(huán)的制約因素。在超臨界壓力下采用回熱循環(huán)可減小循環(huán)的不可逆損失，有利于提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性能。臨界溫度Tc是加壓使氣體液化的最高溫度。超臨界流體：在Tc以上，壓力超過臨界壓力Pc的流體。超臨界流體兼有氣體及液體的雙重特性：· 體積質量接近液體；· 粘度接近氣體；· 擴散系數(shù)比液體大約10倍。近臨界制冷循環(huán)（ Transcritical Cycle） ：制冷循環(huán)高壓側接近臨界點，制冷劑的吸熱在臨界點以下，為有相變