制冷原理與裝置課件第四章-兩級壓縮和復疊式制冷循環(huán)

第四章兩級壓縮和復疊式制冷循環(huán)第一節(jié)概述第二節(jié)兩級壓縮蒸汽式制冷循環(huán)第三節(jié)兩級壓縮的中間壓力第四節(jié)復疊式制冷循環(huán)12/10/20221第四章兩級壓縮和復疊式制冷循環(huán)第一節(jié)概述12第一節(jié)概述為獲得低溫而采取兩級壓縮和復疊式制冷循環(huán)，主要有兩方面的原因：1、單級壓縮蒸汽制冷循環(huán)壓縮比的限制tK一定，t0降低，會使P0降低，導致壓縮比增大，引起以下變化：⑴壓縮機的容積效率降低，實際輸氣量減小，機器制冷量降低。⑵壓縮機排氣溫度升高，導致：①潤滑條件惡化；②潤滑油炭化，積炭堵塞油路；③潤滑油揮發(fā)量增大，油進入系統(tǒng)，在換熱器表面形成油膜，影響傳熱；④潤滑油及制冷劑分解產生不凝性氣體，影響系統(tǒng)。12/10/20222第一節(jié)概述為獲得低溫而采取兩級壓縮和復疊式制冷循環(huán)，主要⑶壓縮過程偏離等熵過程更大，使壓縮機功耗增大。⑷節(jié)流壓差大，使節(jié)流損失增大，節(jié)流后制冷劑干度增大，制冷量減小。實際循環(huán)對單級壓縮的壓縮比限定值為：R717PK/P0≤8；R12PK/P0≤9.0~9.5；R22PK/P0≤10.0~10.3；R502PK/P0≤8.3~9.3。12/10/20223⑶壓縮過程偏離等熵過程更大，使壓縮機功耗增大。12/10/22、制冷劑熱物理性質的限制制冷劑按其標準沸點及常溫下的冷凝壓力可分為三類：對中溫制冷劑，如R717，tS=-33.35℃，t凝=-77.7℃，tC=132.4℃。當t0要求極低（低于其凝固溫度時），使用受限。中溫中壓制冷劑低溫高壓制冷劑高溫低壓制冷劑12/10/202242、制冷劑熱物理性質的限制中溫中壓制冷劑低溫高壓制冷劑高溫低但采用低溫制冷劑如R23，tS=-82.1℃，t凝=-155℃，tC=25.6℃。t0要求較低時，標準沸點是可以滿足要求，但其臨界溫度較低，常溫下冷凝壓力太高，使用也很麻煩。此時就應該采用復疊式制冷循環(huán)。一般要獲取-60℃以上的低溫時，采用中溫制冷劑的兩級壓縮制冷循環(huán)即可；但要獲取-60℃以下的低溫時，應采用復疊式制冷循環(huán)。12/10/20225但采用低溫制冷劑如R23，tS=-82.1℃，t凝=-1兩級壓縮制冷循環(huán)，據其節(jié)流的次數，可分為一次節(jié)流兩次節(jié)流。據其中間冷卻方式，可分為中間完全冷卻中間不完全冷卻復疊式制冷循環(huán)也可分為：兩個單級循環(huán)復疊；兩級壓縮循環(huán)復疊；三個單級循環(huán)復疊等。12/10/20226兩級壓縮制冷循環(huán)，12/10/20226第二節(jié)兩級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)一、一次節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán)（一）循環(huán)的系統(tǒng)圖及P-h圖12/10/20227第二節(jié)兩級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)一、一次節(jié)流、中間不完全冷卻（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量

12/10/20228（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量12/10/202284、低壓級容積流量5、低壓級理論輸氣量（三）熱力計算（熱力性能分析）12/10/202294、低壓級容積流量（三）熱力計算（熱力性能分析）16、中間冷卻器內的蒸發(fā)量qm1中間冷卻器內的熱平衡式7、高壓級的質量流量qmg12/10/2022106、中間冷卻器內的蒸發(fā)量qm112/10/2022108、狀態(tài)點3的確定9、高壓機的容積流量qvg10、高壓機的理論輸氣量Vhg12/10/2022118、狀態(tài)點3的確定12/10/20221114、循環(huán)的理論制冷系數15、循環(huán)的實際制冷系數12/10/20221214、循環(huán)的理論制冷系數12/10/202212例題4－1一R22雙級壓縮制冷循環(huán)，Q0=150KW，tK=40℃，使用有回熱器的中間不完全冷卻循環(huán)，中間冷卻溫差△t1=4℃，回熱器熱端溫差△t2=8℃，循環(huán)的中間溫度tm=-5℃，試進行循環(huán)性能指標計算。解：循環(huán)的P-h圖及各參數如下：t6=tm+△t1=-1℃熱端溫差△t2=t6-t1t1=t6-△t2=-9℃12/10/202213例題4－112/10/202213性能指標計算如下：12/10/202214性能指標計算如下：12/10/202214狀態(tài)點3的確定：據h3可查h4及v3。12/10/202215狀態(tài)點3的確定：12/10/202215循環(huán)的理論制冷系數：循環(huán)的實際制冷系數：循環(huán)的高、低壓級理論輸氣量之比：12/10/202216循環(huán)的理論制冷系數：12/10/202216二、一次節(jié)流、中間完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán)（一）循環(huán)的系統(tǒng)圖及P-h圖圖片\旋轉一次節(jié)流中間完全冷卻雙級循環(huán)系統(tǒng)圖，壓焓圖及循環(huán)過程.tif12/10/202217二、一次節(jié)流、中間完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán)12/10/20（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量12/10/202218（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量12/10/202218（三）性能指標計算12/10/202219（三）性能指標計算12/10/20221912/10/20222012/10/202220例題4-2現有210A和610A制冷壓縮機各一臺，需要配置成R717,工況條件為tK=40℃，t0=-40℃的兩級壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)。已知100系列活塞式制冷壓縮機結構參數為：D=100mm，S=70mm，n=960r/min。循環(huán)的中間溫度tm=-5℃，壓縮機吸氣過熱度△tr=5℃。試計算循環(huán)的制冷量Q0，冷凝器熱負荷QK及制冷系數εa。12/10/202221例題4-212/10/202221解：循環(huán)的P-h圖及各參數如下：t1=t0+△tr=-35℃12/10/202222解：循環(huán)的P-h圖及各參數如下：12/10/202222t7=tm+△t1=-5+3=-2℃查圖表可得：h0、h1、v1、h2、h3、v3、h4、h5=h6、h7=h8。過熱視為無效過熱。12/10/202223t7=tm+△t1=-5+3=-2℃12/10/2022212/10/20222412/10/202224三、帶氨泵的二級壓縮一次節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)（一）循環(huán)的系統(tǒng)圖及P-h圖12/10/202225三、帶氨泵的二級壓縮一次節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)12/10/20（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量12/10/202226（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量12/10/202226qmd—低壓級制冷劑的質量流量，kg/S；qmg—高壓級制冷劑的質量流量，kg/S；qm3—中間冷卻器內冷卻低壓級排氣的蒸發(fā)量，kg/S；qm4—中間冷卻器內冷卻蛇管內高壓液體的蒸發(fā)量，kg/S；qmp—氨泵內制冷劑的循環(huán)量，kg/S；qm2—7-8節(jié)流過程產生的氣體量，kg/S；qmz—蒸發(fā)器的回氣量，kg/S；qm0—蒸發(fā)器內的蒸發(fā)量，kg/S；qm1—10-10′節(jié)流過程產生的氣體量，kg/S；qmz=qm0+qm112/10/202227qmd—低壓級制冷劑的質量流量，kg/S；12/10/202（三）性能指標計算1、確定狀態(tài)點10′氨泵消耗的功率全部用于液體焓值的增加。12/10/202228（三）性能指標計算12/10/2022282、10-10′節(jié)流過程產生的氣體量qm13、蒸發(fā)器內的蒸發(fā)量qm04、蒸發(fā)器的回氣量qmz5、回氣干度X1112/10/2022292、10-10′節(jié)流過程產生的氣體量qm112/10/2026、供液倍數n7、7-8節(jié)流過程產生的氣體量qm28、低壓級制冷劑的質量流量qmd12/10/2022306、供液倍數n12/10/2022309、中間冷卻器內冷卻低壓級排氣的蒸發(fā)量qm310、中間冷卻器內冷卻蛇管內高壓液體的蒸發(fā)量qm411、高壓級制冷劑的質量流量qmg12/10/2022319、中間冷卻器內冷卻低壓級排氣的蒸發(fā)量qm312/10/212、高、低壓級的理論比功及理論功率13、冷凝器的熱負荷14、循環(huán)的理論制冷系數12/10/20223212、高、低壓級的理論比功及理論功率12/10/202232第三節(jié)二級壓縮的中間壓力中間壓力對循環(huán)的經濟性、壓縮機的容量、結構尺寸、功率和效率都有直接的影響。因此，合理確定中間壓力很有意義。一、中間壓力的確定確定中間壓力的方法有以下幾種：（一）用計算法求最佳中間溫度對氨系統(tǒng)，當在-40℃~40℃范圍內工作時，tzj=0.4tK+0.6t0+3℃此公式對R12、R40等制冷劑也能得到滿意的結果。12/10/202233第三節(jié)二級壓縮的中間壓力中間壓力對循環(huán)的經濟性、壓縮機的

（二）用壓力的幾何比例中項求最佳中間壓力對理想氣體：Ψ—因制冷劑非理想氣體的修正系數對R717，Ψ=0.95~1.0對R22,Ψ=0.90~0.9512/10/202234（二）用壓力的幾何比例中項求最佳中間壓力12/10/202(三)按最大制冷系數法確定最佳中間壓力按給定的t0及tK，假定幾個中間溫度tzj，分別計算其理論制冷系數，最大制冷系數所對應的tzj即為最佳tzj，對應的壓力即為最佳Pzj。以上介紹的中間壓力確定方法均為最佳中間壓力的確定。在實際系統(tǒng)中，系統(tǒng)未必按最佳中間壓力工作。實際系統(tǒng)中一般是根據已經確定的tK及t0和高、低壓級的理論輸氣量之比，確定實際運行的中間壓力及中間溫度。12/10/202235(三)按最大制冷系數法確定最佳中間壓力12/10/20223（四）實際運行的中間壓力的確定具體步驟如下：1、據已知的蒸發(fā)溫度及冷凝溫度查出所對應的蒸發(fā)壓力及冷凝壓力，據確定最佳中間壓力及中間溫度。2、在最佳中間溫度的上下各假設一中間溫度tzj

′和tzj

″，兩者溫差以10℃左右為宜。3、據假設的tzj

′和tzj

″，畫出循環(huán)的P-h圖，查出各參數，進行熱力計算，分別求出中間溫度為tzj

′和tzj

″時所對應的高、低壓級的理論輸氣量之比ξ′和ξ

″。12/10/202236（四）實際運行的中間壓力的確定12/10/202236計算公式如下：12/10/202237計算公式如下：12/10/2022374、據計算得到的和ξ″，得到（ξ′，tzj′)和（ξ″

，tzj″)兩組數據，列ξ－tzj方程。5、將實際運行的ξ代入上述方程，求出實際運行的tzj，查出其對應的Pzj。12/10/2022384、據計算得到的和ξ″，得到（ξ′，tzj′)和（ξ″一般情況下，ξ可在下列范圍內選?。簩717，對R22，12/10/202239一般情況下，ξ可在下列范圍內選?。?2/10/202239二、影響中間壓力的因素影響中間壓力的因素有三個：t0，tK，ξ。1、蒸發(fā)溫度tz的影響（假設tK及ξ不變）t0升高，Pz升高，低壓級的壓力比減小，低壓級的輸氣系數增大，低壓級的質量流量增大，導致中間壓力升高。反之，t0降低，中間壓力降低。2、冷凝溫度tK的影響（假設t0及ξ不變）tK升高，PK升高，高壓級的壓力比增大，高壓級的輸氣系數減小，高壓級的質量流量減小，導致中間壓力升高。反之，tK降低，中間壓力降低。12/10/202240二、影響中間壓力的因素12/10/2022403、高低壓級理論輸氣量之比ξ的影響（假設t0及tK均不變）高低壓級理論輸氣量之比ξ增大，高壓級理論輸氣量增大或低壓級理論輸氣量減小，使高壓級制冷劑的質量流量增大或低壓級制冷劑的質量流量減小，導致中間壓力降低。反之，高低壓級理論輸氣量之比ξ減小，中間壓力升高。12/10/2022413、高低壓級理論輸氣量之比ξ的影響（假設t0及tK均不變）第四節(jié)復疊式制冷循環(huán)一、復疊式制冷循環(huán)的類型及組成定義：復疊式制冷裝置是使用兩種或兩種以上制冷劑，由兩個或兩個以上制冷循環(huán)在高溫循環(huán)的蒸發(fā)器和低溫循環(huán)的冷凝器處疊加而成的低溫制冷機。一般可用于獲得-60℃~-120℃的低溫。常用的兩級復疊裝置，高溫級采用中溫制冷劑，低溫級采用低溫制冷劑。12/10/202242第四節(jié)復疊式制冷循環(huán)一、復疊式制冷循環(huán)的類型及組成12/（一）兩級復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)圖及P-h圖如下：圖片\旋轉兩個單級循環(huán)組成的復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)圖，壓焓圖.tif圖片\一復疊式循環(huán)系統(tǒng)圖4－9tif.tif高溫循環(huán)采用R22做制冷劑，低溫循環(huán)采用R13做制冷劑。高、低溫級的工況分別為：tKg=35℃，tKd=-30℃，t0g=-35℃，t0d=-85℃。可制取-80℃的低溫。冷凝蒸發(fā)器為高溫部分的蒸發(fā)器，低溫部分的冷凝器。其傳熱溫差為5~10℃，一般可取△t=5℃。高低溫循環(huán)均為回熱循環(huán)。低溫部分需設置膨脹容器。12/10/202243（一）兩級復疊制冷循環(huán)12/10/202243（二）三級復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)圖如下：圖片\三級復疊系統(tǒng)圖4－10.tif為獲取更低的溫度，需采用三級復疊制冷循環(huán)。最低溫度可達到-110~-140℃。系統(tǒng)采用R22、R13（或R23）、R14三種制冷劑。各級工況條件分別為：首級R22：tK=35℃，t0=-35℃；次級R13（R23）：tK=-30℃，t0=-80℃；第三級R14：tK=-75℃，t0=-130℃?？色@得-120℃的低溫。12/10/202244（二）三級復疊制冷循環(huán)12/10/202244圖4-11為采用丙烷、乙烯和甲烷的三級復疊式天然氣液化裝置的工作原理。圖片\天然氣液化裝置系統(tǒng)圖4－11.tif該裝置的優(yōu)、缺點：優(yōu)點是能耗低，它是天然氣液化裝置中效率最高的一種，而且制冷循環(huán)與天然氣液化系統(tǒng)各自獨立運行，相互影響較少，運行穩(wěn)定，操作方便。缺點是機組多，流程復雜，需要有生產和儲存各種制冷劑的容器和設備，管道復雜，維修不便，各制冷系統(tǒng)間不允許有任何滲透，安全防護要求高。12/10/202245圖4-11為采用丙烷、乙烯和甲烷的三級復疊式天然氣液化裝置的（三）兩級和單級復疊制冷循環(huán)循環(huán)的系統(tǒng)圖如下：圖片\兩級和單級復疊循環(huán)系統(tǒng)圖4－12.tif高溫部分采用兩級循環(huán)（采用一次節(jié)流，中間不完全冷卻的雙級循環(huán)），用R22做制冷劑；低溫部分采用單級循環(huán)，用R13做制冷劑。其工況條件為：tK=30℃，tmg=-36℃，t0g=-66℃；tKd=-59℃，t0d=-102℃。低溫環(huán)境室可得到－100℃的低溫。12/10/202246（三）兩級和單級復疊制冷循環(huán)12/10/202246二、復疊式制冷循環(huán)性能指標計算高、低溫級制冷劑的循環(huán)量應考慮冷損失△Q0d和△Q0g。低溫級制冷劑的循環(huán)量高溫級制冷劑的循環(huán)量在數值上應有△Q0g—冷凝蒸發(fā)器及連接管道的冷量損失。12/10/202247二、復疊式制冷循環(huán)性能指標計算12/10/202247三、復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)運行特性（一）兩級復疊制冷循環(huán)中間溫度的確定主要從兩個方面考慮：①使循環(huán)的制冷系數最大；②各級壓縮機的壓力比大致相等。（二）復疊式制冷循環(huán)的應用溫度范圍確定某種型式的循環(huán)系統(tǒng)的使用溫度范圍，通常有兩條原則：①它所能達到的最低溫度；②循環(huán)的經濟性。12/10/202248三、復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)運行特性12/10/202248（三）制冷劑的選擇與使用高溫級：中溫制冷劑；如：R22，R290，R1270，R13B1，R134a等。低溫級：低溫制冷劑。如：R23，R13，R14，R1150，R170等。R23適用于－70～－110℃的范圍；R14適用于－110～－140℃的范圍。R170與R23相似，具有可燃、可爆性。R1150應用范圍介于R23和R14之間。三級復疊用：R22、R23、R14配組方式。12/10/202249（三）制冷劑的選擇與使用12/10/202249（四）循環(huán)型式、工作參數與變工況特性循環(huán)型式是指復疊式制冷循環(huán)的組成方式。包括：①兩個單級循環(huán)復疊；②三個單級循環(huán)復疊；③高溫為兩級，低溫為單級復疊；④高溫為單級，低溫為兩級復疊等。具體要根據所要達到的溫度、使用場合、制冷劑種類、特性及效率等因素確定采用何種循環(huán)型式。t0=-60~-80℃時，一般用兩個單級復疊，t0上限可達到-60℃。t0=-80~-110℃時，可用高溫兩級，低溫單級循環(huán)，t0上限可達到-60℃，變工況性能較好。如用單級做高溫，兩級做低溫，則t0也可低達-110℃，上限只能達到-90℃，變工況性能較差。12/10/202250（四）循環(huán)型式、工作參數與變工況特性12/10/202250（五）提高復疊式制冷循環(huán)性能指標的措施1、合理的溫差取值低溫下傳熱溫差對循環(huán)性能的影響尤其重要。蒸發(fā)器的傳熱溫差一般不大于5℃，冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差一般為5～10℃，通常取△t=5℃。2、設置低溫級排氣冷卻器其目的在于減小冷凝蒸發(fā)器熱負荷，提高循環(huán)效率。按其蒸發(fā)溫度和制冷劑不同，循環(huán)的制冷系數可提高7％～18％，壓縮機總容量可減小6％～12％。3、采用氣－氣熱交換器氣－氣熱交換器是用于將低溫級排氣與蒸發(fā)器的回氣間進行熱交換，以提高低溫級壓縮機的吸氣溫度，達到降低壓縮機的排氣壓力，改善壓縮機工作條件，減小冷凝－蒸發(fā)器熱負荷的目的。12/10/202251（五）提高復疊式制冷循環(huán)性能指標的措施12/10/202254、設置氣－液熱交換器（回熱器）將蒸發(fā)器的回氣與冷凝器出液之間進行熱交換，使蒸發(fā)器的回氣過熱，冷凝器出液過冷。高低溫級均設。可使循環(huán)的單位制冷量增大，同時增加壓縮機的吸氣過熱，改善壓縮機的工作條件。壓縮機吸入蒸汽的過熱度應控制在12～63℃，蒸發(fā)溫度高時取小值，低時取大值。在使用氣－液熱交換器尚不能達到上述過熱度要求時，可加一個氣－氣熱交換器配合使用。12/10/2022524、設置氣－液熱交換器（回熱器）12/10/2022525、低溫級設置膨脹容器便于系統(tǒng)停機后回收低溫級制冷劑，避免系統(tǒng)壓力過高。膨脹容器的容積可由下式計算：mx為低溫級系統(tǒng)中（不包括膨脹容器的）制冷劑總充注量kg；Vxt為低溫級系統(tǒng)中（不包括膨脹容器）總容積m3；vp為在環(huán)境溫度下，平衡壓力時的制冷劑氣體比體積m3/kg；vx為在環(huán)境溫度下，工作時吸氣狀態(tài)的制冷劑氣體比體積m3/kg；12/10/2022535、低溫級設置膨脹容器12/10/202253系統(tǒng)平衡壓力一般取10×102~15×102Kpa。增加膨脹容器后，低溫制冷劑的總充注量mZ為：當mz一定時，mx的值隨vx（即隨吸氣壓力）而變。對于蒸發(fā)溫度需要調整的系統(tǒng)，若mz較小，在t0上升（即vx減?。?，膨脹容器中的制冷劑量增多，使系統(tǒng)中工質循環(huán)量不足。因此，有這種情況的低溫系統(tǒng)，應按蒸發(fā)溫度調節(jié)范圍的上限來確定mz和膨脹容器的容積。12/10/202254系統(tǒng)平衡壓力一般取10×102~15×102Kpa。12/6、復疊式循環(huán)系統(tǒng)的啟動特性低溫級系統(tǒng)停機時，制冷劑處于超臨界狀態(tài)，裝置啟動時，應先啟動高溫級，使低溫級制冷劑在冷凝蒸發(fā)器內得以冷凝，使低溫級系統(tǒng)內平衡壓力逐漸降低。當其冷凝壓力不超過16×102時，可啟動低溫級。在低溫級系統(tǒng)設置膨脹容器的情況下，高溫級和低溫級可以同時啟動。12/10/2022556、復疊式循環(huán)系統(tǒng)的啟動特性12/10/202255第四章兩級壓縮和復疊式制冷循環(huán)第一節(jié)概述第二節(jié)兩級壓縮蒸汽式制冷循環(huán)第三節(jié)兩級壓縮的中間壓力第四節(jié)復疊式制冷循環(huán)12/10/202256第四章兩級壓縮和復疊式制冷循環(huán)第一節(jié)概述12第一節(jié)概述為獲得低溫而采取兩級壓縮和復疊式制冷循環(huán)，主要有兩方面的原因：1、單級壓縮蒸汽制冷循環(huán)壓縮比的限制tK一定，t0降低，會使P0降低，導致壓縮比增大，引起以下變化：⑴壓縮機的容積效率降低，實際輸氣量減小，機器制冷量降低。⑵壓縮機排氣溫度升高，導致：①潤滑條件惡化；②潤滑油炭化，積炭堵塞油路；③潤滑油揮發(fā)量增大，油進入系統(tǒng)，在換熱器表面形成油膜，影響傳熱；④潤滑油及制冷劑分解產生不凝性氣體，影響系統(tǒng)。12/10/202257第一節(jié)概述為獲得低溫而采取兩級壓縮和復疊式制冷循環(huán)，主要⑶壓縮過程偏離等熵過程更大，使壓縮機功耗增大。⑷節(jié)流壓差大，使節(jié)流損失增大，節(jié)流后制冷劑干度增大，制冷量減小。實際循環(huán)對單級壓縮的壓縮比限定值為：R717PK/P0≤8；R12PK/P0≤9.0~9.5；R22PK/P0≤10.0~10.3；R502PK/P0≤8.3~9.3。12/10/202258⑶壓縮過程偏離等熵過程更大，使壓縮機功耗增大。12/10/22、制冷劑熱物理性質的限制制冷劑按其標準沸點及常溫下的冷凝壓力可分為三類：對中溫制冷劑，如R717，tS=-33.35℃，t凝=-77.7℃，tC=132.4℃。當t0要求極低（低于其凝固溫度時），使用受限。中溫中壓制冷劑低溫高壓制冷劑高溫低壓制冷劑12/10/2022592、制冷劑熱物理性質的限制中溫中壓制冷劑低溫高壓制冷劑高溫低但采用低溫制冷劑如R23，tS=-82.1℃，t凝=-155℃，tC=25.6℃。t0要求較低時，標準沸點是可以滿足要求，但其臨界溫度較低，常溫下冷凝壓力太高，使用也很麻煩。此時就應該采用復疊式制冷循環(huán)。一般要獲取-60℃以上的低溫時，采用中溫制冷劑的兩級壓縮制冷循環(huán)即可；但要獲取-60℃以下的低溫時，應采用復疊式制冷循環(huán)。12/10/202260但采用低溫制冷劑如R23，tS=-82.1℃，t凝=-1兩級壓縮制冷循環(huán)，據其節(jié)流的次數，可分為一次節(jié)流兩次節(jié)流。據其中間冷卻方式，可分為中間完全冷卻中間不完全冷卻復疊式制冷循環(huán)也可分為：兩個單級循環(huán)復疊；兩級壓縮循環(huán)復疊；三個單級循環(huán)復疊等。12/10/202261兩級壓縮制冷循環(huán)，12/10/20226第二節(jié)兩級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)一、一次節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán)（一）循環(huán)的系統(tǒng)圖及P-h圖12/10/202262第二節(jié)兩級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)一、一次節(jié)流、中間不完全冷卻（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量

12/10/202263（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量12/10/202284、低壓級容積流量5、低壓級理論輸氣量（三）熱力計算（熱力性能分析）12/10/2022644、低壓級容積流量（三）熱力計算（熱力性能分析）16、中間冷卻器內的蒸發(fā)量qm1中間冷卻器內的熱平衡式7、高壓級的質量流量qmg12/10/2022656、中間冷卻器內的蒸發(fā)量qm112/10/2022108、狀態(tài)點3的確定9、高壓機的容積流量qvg10、高壓機的理論輸氣量Vhg12/10/2022668、狀態(tài)點3的確定12/10/20221114、循環(huán)的理論制冷系數15、循環(huán)的實際制冷系數12/10/20226714、循環(huán)的理論制冷系數12/10/202212例題4－1一R22雙級壓縮制冷循環(huán)，Q0=150KW，tK=40℃，使用有回熱器的中間不完全冷卻循環(huán)，中間冷卻溫差△t1=4℃，回熱器熱端溫差△t2=8℃，循環(huán)的中間溫度tm=-5℃，試進行循環(huán)性能指標計算。解：循環(huán)的P-h圖及各參數如下：t6=tm+△t1=-1℃熱端溫差△t2=t6-t1t1=t6-△t2=-9℃12/10/202268例題4－112/10/202213性能指標計算如下：12/10/202269性能指標計算如下：12/10/202214狀態(tài)點3的確定：據h3可查h4及v3。12/10/202270狀態(tài)點3的確定：12/10/202215循環(huán)的理論制冷系數：循環(huán)的實際制冷系數：循環(huán)的高、低壓級理論輸氣量之比：12/10/202271循環(huán)的理論制冷系數：12/10/202216二、一次節(jié)流、中間完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán)（一）循環(huán)的系統(tǒng)圖及P-h圖圖片\旋轉一次節(jié)流中間完全冷卻雙級循環(huán)系統(tǒng)圖，壓焓圖及循環(huán)過程.tif12/10/202272二、一次節(jié)流、中間完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán)12/10/20（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量12/10/202273（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量12/10/202218（三）性能指標計算12/10/202274（三）性能指標計算12/10/20221912/10/20227512/10/202220例題4-2現有210A和610A制冷壓縮機各一臺，需要配置成R717,工況條件為tK=40℃，t0=-40℃的兩級壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)。已知100系列活塞式制冷壓縮機結構參數為：D=100mm，S=70mm，n=960r/min。循環(huán)的中間溫度tm=-5℃，壓縮機吸氣過熱度△tr=5℃。試計算循環(huán)的制冷量Q0，冷凝器熱負荷QK及制冷系數εa。12/10/202276例題4-212/10/202221解：循環(huán)的P-h圖及各參數如下：t1=t0+△tr=-35℃12/10/202277解：循環(huán)的P-h圖及各參數如下：12/10/202222t7=tm+△t1=-5+3=-2℃查圖表可得：h0、h1、v1、h2、h3、v3、h4、h5=h6、h7=h8。過熱視為無效過熱。12/10/202278t7=tm+△t1=-5+3=-2℃12/10/2022212/10/20227912/10/202224三、帶氨泵的二級壓縮一次節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)（一）循環(huán)的系統(tǒng)圖及P-h圖12/10/202280三、帶氨泵的二級壓縮一次節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)12/10/20（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量12/10/202281（二）循環(huán)過程及各部分的循環(huán)量12/10/202226qmd—低壓級制冷劑的質量流量，kg/S；qmg—高壓級制冷劑的質量流量，kg/S；qm3—中間冷卻器內冷卻低壓級排氣的蒸發(fā)量，kg/S；qm4—中間冷卻器內冷卻蛇管內高壓液體的蒸發(fā)量，kg/S；qmp—氨泵內制冷劑的循環(huán)量，kg/S；qm2—7-8節(jié)流過程產生的氣體量，kg/S；qmz—蒸發(fā)器的回氣量，kg/S；qm0—蒸發(fā)器內的蒸發(fā)量，kg/S；qm1—10-10′節(jié)流過程產生的氣體量，kg/S；qmz=qm0+qm112/10/202282qmd—低壓級制冷劑的質量流量，kg/S；12/10/202（三）性能指標計算1、確定狀態(tài)點10′氨泵消耗的功率全部用于液體焓值的增加。12/10/202283（三）性能指標計算12/10/2022282、10-10′節(jié)流過程產生的氣體量qm13、蒸發(fā)器內的蒸發(fā)量qm04、蒸發(fā)器的回氣量qmz5、回氣干度X1112/10/2022842、10-10′節(jié)流過程產生的氣體量qm112/10/2026、供液倍數n7、7-8節(jié)流過程產生的氣體量qm28、低壓級制冷劑的質量流量qmd12/10/2022856、供液倍數n12/10/2022309、中間冷卻器內冷卻低壓級排氣的蒸發(fā)量qm310、中間冷卻器內冷卻蛇管內高壓液體的蒸發(fā)量qm411、高壓級制冷劑的質量流量qmg12/10/2022869、中間冷卻器內冷卻低壓級排氣的蒸發(fā)量qm312/10/212、高、低壓級的理論比功及理論功率13、冷凝器的熱負荷14、循環(huán)的理論制冷系數12/10/20228712、高、低壓級的理論比功及理論功率12/10/202232第三節(jié)二級壓縮的中間壓力中間壓力對循環(huán)的經濟性、壓縮機的容量、結構尺寸、功率和效率都有直接的影響。因此，合理確定中間壓力很有意義。一、中間壓力的確定確定中間壓力的方法有以下幾種：（一）用計算法求最佳中間溫度對氨系統(tǒng)，當在-40℃~40℃范圍內工作時，tzj=0.4tK+0.6t0+3℃此公式對R12、R40等制冷劑也能得到滿意的結果。12/10/202288第三節(jié)二級壓縮的中間壓力中間壓力對循環(huán)的經濟性、壓縮機的

（二）用壓力的幾何比例中項求最佳中間壓力對理想氣體：Ψ—因制冷劑非理想氣體的修正系數對R717，Ψ=0.95~1.0對R22,Ψ=0.90~0.9512/10/202289（二）用壓力的幾何比例中項求最佳中間壓力12/10/202(三)按最大制冷系數法確定最佳中間壓力按給定的t0及tK，假定幾個中間溫度tzj，分別計算其理論制冷系數，最大制冷系數所對應的tzj即為最佳tzj，對應的壓力即為最佳Pzj。以上介紹的中間壓力確定方法均為最佳中間壓力的確定。在實際系統(tǒng)中，系統(tǒng)未必按最佳中間壓力工作。實際系統(tǒng)中一般是根據已經確定的tK及t0和高、低壓級的理論輸氣量之比，確定實際運行的中間壓力及中間溫度。12/10/202290(三)按最大制冷系數法確定最佳中間壓力12/10/20223（四）實際運行的中間壓力的確定具體步驟如下：1、據已知的蒸發(fā)溫度及冷凝溫度查出所對應的蒸發(fā)壓力及冷凝壓力，據確定最佳中間壓力及中間溫度。2、在最佳中間溫度的上下各假設一中間溫度tzj

′和tzj

″，兩者溫差以10℃左右為宜。3、據假設的tzj

′和tzj

″，畫出循環(huán)的P-h圖，查出各參數，進行熱力計算，分別求出中間溫度為tzj

′和tzj

″時所對應的高、低壓級的理論輸氣量之比ξ′和ξ

″。12/10/202291（四）實際運行的中間壓力的確定12/10/202236計算公式如下：12/10/202292計算公式如下：12/10/2022374、據計算得到的和ξ″，得到（ξ′，tzj′)和（ξ″

，tzj″)兩組數據，列ξ－tzj方程。5、將實際運行的ξ代入上述方程，求出實際運行的tzj，查出其對應的Pzj。12/10/2022934、據計算得到的和ξ″，得到（ξ′，tzj′)和（ξ″一般情況下，ξ可在下列范圍內選取：對R717，對R22，12/10/202294一般情況下，ξ可在下列范圍內選?。?2/10/202239二、影響中間壓力的因素影響中間壓力的因素有三個：t0，tK，ξ。1、蒸發(fā)溫度tz的影響（假設tK及ξ不變）t0升高，Pz升高，低壓級的壓力比減小，低壓級的輸氣系數增大，低壓級的質量流量增大，導致中間壓力升高。反之，t0降低，中間壓力降低。2、冷凝溫度tK的影響（假設t0及ξ不變）tK升高，PK升高，高壓級的壓力比增大，高壓級的輸氣系數減小，高壓級的質量流量減小，導致中間壓力升高。反之，tK降低，中間壓力降低。12/10/202295二、影響中間壓力的因素12/10/2022403、高低壓級理論輸氣量之比ξ的影響（假設t0及tK均不變）高低壓級理論輸氣量之比ξ增大，高壓級理論輸氣量增大或低壓級理論輸氣量減小，使高壓級制冷劑的質量流量增大或低壓級制冷劑的質量流量減小，導致中間壓力降低。反之，高低壓級理論輸氣量之比ξ減小，中間壓力升高。12/10/2022963、高低壓級理論輸氣量之比ξ的影響（假設t0及tK均不變）第四節(jié)復疊式制冷循環(huán)一、復疊式制冷循環(huán)的類型及組成定義：復疊式制冷裝置是使用兩種或兩種以上制冷劑，由兩個或兩個以上制冷循環(huán)在高溫循環(huán)的蒸發(fā)器和低溫循環(huán)的冷凝器處疊加而成的低溫制冷機。一般可用于獲得-60℃~-120℃的低溫。常用的兩級復疊裝置，高溫級采用中溫制冷劑，低溫級采用低溫制冷劑。12/10/202297第四節(jié)復疊式制冷循環(huán)一、復疊式制冷循環(huán)的類型及組成12/（一）兩級復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)圖及P-h圖如下：圖片\旋轉兩個單級循環(huán)組成的復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)圖，壓焓圖.tif圖片\一復疊式循環(huán)系統(tǒng)圖4－9tif.tif高溫循環(huán)采用R22做制冷劑，低溫循環(huán)采用R13做制冷劑。高、低溫級的工況分別為：tKg=35℃，tKd=-30℃，t0g=-35℃，t0d=-85℃?？芍迫?80℃的低溫。冷凝蒸發(fā)器為高溫部分的蒸發(fā)器，低溫部分的冷凝器。其傳熱溫差為5~10℃，一般可取△t=5℃。高低溫循環(huán)均為回熱循環(huán)。低溫部分需設置膨脹容器。12/10/202298（一）兩級復疊制冷循環(huán)12/10/202243（二）三級復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)圖如下：圖片\三級復疊系統(tǒng)圖4－10.tif為獲取更低的溫度，需采用三級復疊制冷循環(huán)。最低溫度可達到-110~-140℃。系統(tǒng)采用R22、R13（或R23）、R14三種制冷劑。各級工況條件分別為：首級R22：tK=35℃，t0=-35℃；次級R13（R23）：tK=-30℃，t0=-80℃；第三級R14：tK=-75℃，t0=-130℃。可獲得-120℃的低溫。12/10/202299（二）三級復疊制冷循環(huán)12/10/202244圖4-11為采用丙烷、乙烯和甲烷的三級復疊式天然氣液化裝置的工作原理。圖片\天然氣液化裝置系統(tǒng)圖4－11.tif該裝置的優(yōu)、缺點：優(yōu)點是能耗低，它是天然氣液化裝置中效率最高的一種，而且制冷循環(huán)與天然氣液化系統(tǒng)各自獨立運行，相互影響較少，運行穩(wěn)定，操作方便。缺點是機組多，流程復雜，需要有生產和儲存各種制冷劑的容器和設備，管道復雜，維修不便，各制冷系統(tǒng)間不允許有任何滲透，安全防護要求高。12/10/2022100圖4-11為采用丙烷、乙烯和甲烷的三級復疊式天然氣液化裝置的（三）兩級和單級復疊制冷循環(huán)循環(huán)的系統(tǒng)圖如下：圖片\兩級和單級復疊循環(huán)系統(tǒng)圖4－12.tif高溫部分采用兩級循環(huán)（采用一次節(jié)流，中間不完全冷卻的雙級循環(huán)），用R22做制冷劑；低溫部分采用單級循環(huán)，用R13做制冷劑。其工況條件為：tK=30℃，tmg=-36℃，t0g=-66℃；tKd=-59℃，t0d=-102℃。低溫環(huán)境室可得到－100℃的低溫。12/10/2022101（三）兩級和單級復疊制冷循環(huán)12/10/202246二、復疊式制冷循環(huán)性能指標計算高、低溫級制冷劑的循環(huán)量應考慮冷損失△Q0d和△Q0g。低溫級制冷劑的循環(huán)量高溫級制冷劑的循環(huán)量在數值上應有△Q0g—冷凝蒸發(fā)器及連接管道的冷量損失。12/10/2022102二、復疊式制冷循環(huán)性能指標計算12/10/202247三、復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)運行特性（一）兩級復疊制冷循環(huán)中間溫度的確定主要從兩個方面考慮：①使循環(huán)的制冷系數最大；②各級壓縮機的壓力比大致相等。（二）復疊式制冷循環(huán)的應用溫度范圍確定某種型式的循環(huán)系統(tǒng)的使用溫度范圍，通常有兩條原則：①它所能達到的最低溫度；②循環(huán)的經濟性。12/10/2022103三、復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)運行特性12/10/202248（三）制冷劑的選擇