双级压缩式制冷循环.docx
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双级压缩式制冷循环
双级压缩式制冷循环
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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°C,原因是压缩比仏不能Po
再提高了。
因为：
t（卩以=灯⑪一汽缸壁温f一吸入蒸汽温度t-两-吸气量
例如：
当蒸发温度-30°C,冷凝温度40°C时，单级氨压缩机排气温度可达160°C以上。
必须作如下限制：
1单级氨压缩机排气温度＜140°C
2单级氟压缩机（R12）排气温度＜100°C
3单级氟压缩机（R22）排气温度＜115°C
（3）臣弓偏离理想等爛压缩机过程的程度t〜压缩机效率I
要获得-30〜-65°C的蒸发温度，乂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
M-
POL（屮间冷却器冷却后）TPO2Tpt
*两级节流：
冷凝压力回节流到回中间压力，再节流到蒸发压力回
*一级节流：
冷凝压力固节流到蒸发压力回，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。
1中间完全冷却一一低压级排气温度（过热蒸汽）被冷却成固中间压力下的干饱和蒸汽温
度。
（氨压缩机）
2中间不完全冷却一一低压级排气温度（过热蒸汽）被冷却降低了温度，來达到固中间压
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釆用。
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；从冷凝器出來的液体分为两路，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，使中间冷却器中來自低压级的排气2充分冷却，6与2混合后的气体3为中间压力回下的饱和温度回，3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Bo
从图（b）可看到，循环3—4一5—6—3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5—7）和低压级过热蒸汽的完全冷却（过程2—3）之用。
另一个循环1一2—3
一4一5—7—8—1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为冷凝压力阿段，也称高压段；8-1为蒸发压力回段，也称低压段；6-3为中间压力画段，它既是低压级的排气压力，乂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。
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）单位质量制冷剂的制冷量因：
%=妬-饱的kg）
（2）低压级单位质量制冷剂的压缩功叫:
（3）低压级的制冷量为时,低压级制冷剂质量循环量区
（4）低压级压缩机的理论功率囤:
（kW）
p$讹（如_妇）_3600Q。
（如-妇）_Qo@2-妇）d3600妇-如•3600心讥
（5）低压级压缩机的轴功率I
式中：
0—一低压级压缩机的总效率，通常为：
0.6500.72c
0一一低压级压缩机的指示效率，实际压缩制冷剂气体的效率。
0一一低压级压缩机的摩擦效率，通常为：
0.800.9o
（6）低压级压缩机的排气量临:
式中：
0—一低压级压缩机吸入蒸气比体积，間/炖
0—一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瓦：
中间冷却器的热量平衡与质量平衡关系式为:
齐2（鸟-鸟）=9讪（他-知）
因为也二M,E3,所以有：
（8）
务忍如-饥）=%祖@2-心）高压级压缩机的排气量阪:
式中：
囤一一高压级压缩机吸入蒸气比体积，於伽
0—一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）高圧级单位质量制冷剂的压缩功
叫—4一伦何加）
（10）
@4-伦）3600Qo（為-九
-■•■
3600hj-hQ（h3-h
（11）高压级压缩机的轴功率%:
式中：
囤一一高压级压缩机的总效率
（12）两级压缩制冷系数目的确定:
*理论
QoQo
"”9讹+“胖?
"3600Q。
9讹（九2-如）
血心）h+仙h3）•a,x
hl"如@3-人6）
1
3600
（他-耳）（h4-h3）（h2-h8y
十
（仇]-（hj-如）（妇-h6）
（俎-如
3600
仙-龟）@2-馄）
（hb
1几2十.x
（人3-h6）
（13）冷凝器热负荷固:
Qk=
^mg^A~人5）
~~3600
{kW）
（14）中间压力囲和中间温度可的确定:
Pm=J以°卩0
理想的中间温度可可按下式运算:
切=・5
tm=O.6to+OAtk+3（°C）
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釆用。
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;从冷凝器出來的液体分为两路，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來自低压级的排气2充分冷却，6与2混合后的气体3为中间压力固下的饱和温度回，3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3—4一5—6—3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5—7）和低压级过热蒸汽的不完全冷却（过程2—3）之用。
循环1一2—3—4一5—7—8—1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为冷凝压力回段，也称高压段；8-1为蒸发压力回段，也称低压段；6-3z-3-2为中间压力固段，它既是低压级的排气压力，乂是高压级的吸气压力。
如果要确定中I可压力［卩叫,~■般取P'H—Jpk•po
从上式得到的画，使高低压级的压缩相等，此情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°Co
（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°C时对应的饱和压力为0.041MPa,冷凝温度40°C时对应的饱和压力为1.559MPa,则仏=7^59•0.041=0・25MPa
举例：
R22,蒸发温度-70°C时对应的饱和压力为0.0205MPa,冷凝温度40°C时对应的饱和压力为1.5331MPa,则|%='°°2°5・1・5331=0.177航
中间压力有点低了。
需采用复叠式制冷系统。
I釆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C）
冷凝温度
30
35
40
45
50
R22系统
-37.2
-34.2
-2&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，单级圧缩就难以实现了。
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，带來以下的问题：
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，共至使润滑油裂解，给压缩机的运转带來困难；
3）压缩比增大，会使实际压缩过程与理想的绝热等爛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°C）,并使压缩比控制在合理的围，就需要采用两级压缩制冷循环。
I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來联接。
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。
氟利昂制冷系统一一吸气温度比蒸发温度高5°C左右。
在有气液过热器时保持15°C的吸气过热度是合适的。
氨制冷系统一一吸气温度比蒸发温度高5西£左右。
吸气过热度过小一一易液击冲缸。
吸气过热度过大一一制冷量I,排气温度t,功耗f,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4&,中间温度在-51〜+5忆之间。
图4-6—次节流中间完全冷却的双级
•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焙图。
图中的双级压缩制冷循环如下：
（1）蒸发器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蒸气2,在中间冷却器被冷却，其热量传给中冷器的制冷剂液体，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）冷凝器将高压机排來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；另一路经中冷器的蛇形盘管被冷却到状态7,实现过冷（过冷度一般为3〜5°C）,蛇形盘管的热量传给中冷器的制冷剂液体，使之汽化被高压机吸走；
（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髙:
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VA:
V低=1「3或V时V伍=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。
如果需要确定中间压力，一般取
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焙图。
这种循环形式被大多数的两级压缩氟制冷系统所釆用。
图中的双级压缩制冷循环如下：
（1）
蒸发器的制冷剂吸热汽化为
IgP
（a）系统原理图
（b）运行工况图
图4-7—次节流中间不完全冷却的双级循坏
后的状态为3,然后被高压机吸走；
（4）高压机将蒸气3压缩为高压高温的蒸气4,并进入冷凝器；
（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击。
油分离器将压缩机排气中带出來的润滑油分离出來，并返回曲轴箱，防止油进入热交换器而影响传热效率，同时保证了圧缩机润滑的用油。
I中间冷m器I
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中间冷却器
中间冷却器是立式圆筒形设备，筒下部设有蛇形盘管，筒的上部有一进气管由上方直插筒下部，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，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。
高压液氨流经筒下部浸在氨液中的蛇形盘管被冷却后流往其他设备。
三、双级压缩制冷系统的操作
1.双机双级压缩制冷系统的操作
（1）准备工作
1）当单级压缩时其压力差或压缩比达到或超过规定值时，应改为双级压缩运行。
由单级压缩改为双级压缩，必须先停机再调整。
2）根据热负荷及冷凝条件的具体情况，高压机容积排气量与低压机容积排气量按1：
2至1：
3的比例进行配车。
•
3）关闭低压机的排向冷凝器的排气阀，打开低压机向中间冷却器排出的排气阀；关闭高压机的来自蒸发器低压系统的吸气阀，打开来自中冷器的吸气阀。
这些阀是指压缩机吸排气阀上面的管道吸、排气阀。
4）检查中间冷却器的进气阀、出气阀、浮球的气液平衡阀、蛇形盘管的进液阀及出液阀应全部打开。
检查中间冷却器的液面指示器，其液面应在浮球中心线的高度。
5）检查冷却水与压缩机、高压机与低压机的连锁装置应正常。
•6）单级压缩机的准备工作都适用于双级压缩机。
（2）起动压缩机
1）先起动冷却系统的水泵供水。
再按照开单级压缩机的先排气后吸气的顺序及注意事项，起动每一台压缩机。
2）起动双级压缩机时，必须先起动高压机（级），再起动低压机（级）；待中间冷却器压力表值降至0.1MPa以下，高压机排气温度达到601时，便可以开始向中间冷却器供液。
3）根据热负荷选择适当的供液量，调节好节流阀。
如果是氨泵供液，应先起动氨泵再开压缩机以及供液站的分配阀门。
4）做好开机的记录。
（3）运行的观察与调整
1）单级压缩的观察和调整，一般也适用于双级压缩。
2）中间冷却器的液面应不超过50%。
氟利昂双级压缩应调节好热力膨胀阀，使髙压机吸气控制在不产生湿冲程的范围内。
中间压力与養发压力、冷凝压力相适应，中间压力表压最高不超过0・4MPa0中间压力主要取决于高低压机的容积比，并随冷凝温度及蒸发温度的变化而有所增减。
（
3）低压机和高压机的排气温度应与蒸发温度、中间温度、冷凝温度相适应。
例如,
1）先养闭向低压系统的供液阀及向中冷器供液的阀门。
w2畫豎豐嘗序参照单级压缩机），让高压机继续吸走中间冷却器内的制冷剂蒸气,付中冷器压力降至0.1MPa以下时，再停高压机。
3）尊机产15〜20min后停止冷却供水系统，冬季应将容器内的水放干净。
4）做好停机记录。
2.单些双级压缩制冷系统的操作
（1）开机前的准备工作与配机双级压缩机的准备工作是相同的。
（2）打开高压缸和低压缸的排气阀。
（3）起动压缩机，慢慢地打开高压缸的吸气阀，注意不要岀现湿冲程和液击，直至全开。
（4）待中间压力降至0.1MPa以下时（低压缸的卸载装置在准备工作时已调至0位或最低位置），.再把卸载手柄置于最低位置（如2/6F10,则有两只低压缸投入工作状态）,缓慢开启低压直的吸气阀，同样注意不要岀现湿冲程和液击，直至全开，然后按需要每隔3~5min投入一级低压缸工作。
（5）向中间冷却器供液，中间压力表值不得超过0.4MPa。
（6）按热负荷需要向低压系统供液。
如果为氨泵供液，应先起动氨泵，再开压缩机和低压供液阀。
（7）停机时，首先关闭低压系统供液阀及中冷器供液阀。
再关闭低压缸吸气阀，并将能蚤调节手柄置0位，使曲轴箱内压力降至OMPa;当中间压力降至0.1MPa时关闭高压
机吸气阀。
（8）切断电源，在电动机停转时立即关闭低压缸及高压缸的排气阀。
（9）停机15-20min后停止冷却供水系统，冬季时将留在容器内的水放干净。
（10）做好停机记录。
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,冷凝压力恢=1・5"卩即蒸发压力po二0.01MP%库温设定为匚輕,蒸发温度M二一必。
c|,中间压力|p“严0・2〜0.4MPq|,排气温度|V145虫吸气温度5巨西，
中间温度b二5〜-5糾,环境温度：
见当天。
冷凝温度：
LZ_£jo
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45°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.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P”严°・2〜0・3MPq|。
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。
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