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第3章
双级蒸气压缩式和复叠式制冷循环

为了满足生产工艺的要求，往往需要制冷循环能获得较低的蒸发温度。单级蒸气压缩式制冷循环所能达到的最低蒸发温度因压缩机的工作原理和制冷剂的种类不同而有所差异。常用的单级活塞式制冷压缩机，在使用氨制冷剂时，所能达到的最低蒸发温度一般不超过-30℃。在前面我们也曾分析，随着蒸发温度的降低，制冷循环的效率将快速地下降。为了获得更低的蒸发温度，同时保证制冷循环的效率不至于下降，就需要采用双级或多级蒸气压缩式制冷循环。
: I" k% ]2 l# u. E. P  O1 L* S- F3.1
# H9 K* Z( X9 ?3 Q采用多级蒸气压缩式制冷循环的原因
3.1.1
- H( u* y  @/ v单级蒸气压缩式制冷循环的局限性
单级活塞式制冷循环在应用中温制冷剂时，根据冷凝温度和所用制冷剂的不同，蒸发温度只能达到-20～-40℃的低温。如果需要获得更低的温度，则冷凝温度与蒸发温度将相差很大，冷凝压力与蒸发压力之比pk/p0就会升高。这时，若仍然采用单级压缩，将会产生下列一些问题：
: C' ~  f# m1 w7 G1）循环的压力比增大，压缩机的输气系数减小，实际吸气容积减少，制冷量降低，而压缩机消耗功率增加，制冷系数降低。压力比越大，其影响也就越大。
! e  g$ y. J. H! d2）排气温度升高，润滑油变稀甚至炭化，使压缩机不能正常运行。
3）实际压缩过程偏离等熵压缩程度更大，制冷效率降低。
; {6 J- H" u  b: c" g/ g- z因此，对于单级压缩制冷循环，其压力比不宜过大，对于氨压缩机，压力比应≤8；氟利昂压缩机，压力比应≤10。为了达到更低的蒸发温度，或者提高制冷系统的工作效率，就需要采用多级压缩制冷循环或复叠式制冷循环。
( W: b% [0 _! N3 F$ z3.1.2
( U- B. B( i* W% e6 o采用多级蒸气压缩制冷循环的必要性
为了获得更低的蒸发温度（-40～-70℃），同时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围内，就要采用多级压缩循环。采用多级压缩可以从根本上改善制冷循环的性能指标。多级压缩制冷循环的基本特点是分级压缩并进行中间冷却。采用多级压缩后，每一级的压力比减小，提高了压缩机的输气系数和指示效率，同时由于排气温度降低，润滑情况有了很大改善，保障了压缩机的运行安全。
从理论上讲，级数越多，节省的功也越多，制冷系数也就越大。如果是无穷级数，则整个压缩过程越接近等温压缩。然而，实际上并不采用过多的级数，因为每增加一级都需要增添设备，提高成本，也提高了技术复杂性。另外，由于压缩机不能保持很低的蒸发压力，在应用中温制冷剂时，三级压缩循环的蒸发温度范围与两级压缩循环相差不大，所以制冷循环中采用三级压缩循环很少，一般采用双级压缩循环。

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双级和复叠式蒸气压缩制冷

4.1双级蒸气压缩制冷 一、 单级蒸气压缩局限性： / u3 T; E7 @' Q3 _# {# \! C1. * b6 m, P! ^* H6 L冷凝压力 ↔ tk ↔ 环境温度、冷却介质温度 : |& {( O* I" e; G2 D! M% X; i　　蒸发压力 ↔ t0 ↔ 用户要求（制冷系统的用途） " p$ e/ x' E6 z( }3 ~& ~; `5 L2. 用户要求蒸发温度↘ →蒸发压力↘ →压缩比（pk/p0）↗ 3. pk/p0增大→导致 1. 压缩机输气系数下降； 2. 压缩机排气温度升高，润滑条件变坏； # Z# Q2 }1 S: V( @3. 压缩机耗功增加，制冷量下降，制冷系数降低。 二、单级蒸气压缩条件： 　　氨制冷系统：pk/p0≤8；最低蒸发温度＝-25℃； & C+ y4 r7 e4 k0 \　　氟利昂制冷系统：pk/p0≤10；最低蒸发温度＝-37℃； ! |$ f% W7 b; x* n  \三、双级蒸气压缩工作原理：压缩过程分两阶段进行 低压级压缩 高压级压缩 蒸发压力——————→ 中间压力 ——————→ 冷凝压力 a.来自蒸发器的低温制冷剂蒸气（压力为Po）先进入低压级压缩机，在其中压缩到中间压力Pm； b.经过中间冷却器冷却（分为两种情况－－中间完全冷却为饱和蒸气和中间不完全冷却为过热蒸气）； c.再进入高压级压缩机，将其压缩为冷凝压力Pk，排入冷凝器中。 四、双级蒸气压缩类型： 单机双级：一台压缩机，气缸一部分为高压级，一部分为低压级。 双机双级：两台压缩机，分别为高压级和低压级。 一级节流：供液的制冷剂液体直接由冷凝压力节流至蒸发压力； 二级节流：经一个阀节流至中间压力，再经另一个节流至蒸发压力。 中间完全冷却：将低压级的排气，冷却到中间压力下的饱和蒸气。 / W( `% ?: J& I) ?中间不完全冷却：未将排气冷却到中间压力下的饱和蒸气。 　　1. 一级节流中间完全冷却 2. 一级节流中间不完全冷却                                                                                                                                                          一级节流中间完全冷却的双级压缩工作原理（点击放大） + M( q( @' `0 H3 F" `                                                                                                                                                          一级节流 中间不完全冷却的双级压缩工作原理（点击放大） 　　3.二级节流中间完全冷却 4. 4 S4 ?% ^& j7 {0 o+ d二级节流中间不完全冷却                                                                                                                                                          二级节流中间完全冷却的双级压缩工作原理（点击放大）                                                                                                                                                          二级节流中间不完全冷却的双级压缩工作原理（点击放大） 　　5. 二级节流，带中温蒸发器的中间完全冷却                                                                                                                                                          二级节流，带中温蒸发器的中间完全冷却的双级压缩工作原理（点击放大）

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五、双级蒸气压缩热力学计算：
3 J4 w  _! p/ q　 1.
一级节流中间完全冷却——氨系统

一级节流中间完全冷却原理（点击放大） ; R& k0 A/ C, p7 ~	一级节流中间完全冷却p-h图（点击放大）

　 1）单位质量制冷量： q0＝h1－h8
" O  l+ j6 X: M6 G% ?kJ/kg
4 |0 _! S! I, f( m5 \' S! F　 2）单位容积制冷量： qv＝q0 / v1
kJ/ m3
& x  ]) v$ Y( {* u1 I+ w　 3）单位冷凝热负荷： qk＝h4－h5
kJ/kg
/ \: l3 B0 Y/ P! J! N$ q　 4）低压级单位理论压缩功： w0d＝h2－h1
( S  W' k( Z/ a3 r8 o; S6 L  P- bkJ/kg
0 ?- @- j2 S6 v0 [8 G# R1 Y2 @　 5）高压级单位理论压缩功： w0g＝h4－h3
kJ/kg
　 6）低压级制冷剂的质量流量： MRd＝Q0 / q0
kg/s
6 x  ]" Y3 K  k& o8 S　 7）高压级制冷剂的质量流量：
　 8）制冷系数：
. P0 t7 f9 V6 Y$ `, g2.
# n. Q4 `$ {  l1 f6 ^一级节流中间不完全冷却——氟利昂系统

一级节流中间不完全冷却原理（点击放大）	一级节流中间不完全冷却p-h图（点击放大）

　　 1）单位质量制冷量： q0＝h1－h8
# ]6 W: [" l+ Q. [1 T- {4 zkJ/kg
　　 2）单位容积制冷量： qv＝q0 / v1
! |+ o! m* c9 Q2 i& PkJ/ m3
　　 3）单位冷凝热负荷： qk＝h4－h5
* a$ m" M1 t$ \* W" W' j/ LkJ/kg
( ^& i% z- x1 Z$ ^) ?　　 4）低压级单位理论压缩功： w0d＝h2－h1
kJ/kg
　　 5）高压级单位理论压缩功： w0g＝h4－h3
kJ/kg
! S/ Q$ |* p' {4 I% H5 v　　 6）低压级制冷剂的质量流量： MRd＝Q0 / q0
' ~" l- k2 {) p* Mkg/s
! h6 Y9 P& ?, F1 n3 G　　 7）高压级制冷剂的质量流量：
　　 8）制冷系数：
3.
一级节流中间完全冷却与一级节流中间不完全冷却的区别：
2 u0 p- n+ z- ]# j  N. E1 ~5 v　　 ①一级节流中间完全冷却的压缩过程：从蒸发器来的制冷剂在低压级压缩机中压缩至中间压力pm，排入到中间冷却器中，被其中的液体制冷剂冷却成中间压力pm下的饱和蒸气，再进入高压级压缩机中被压缩到冷凝压力pk。
　　 ②一级节流中间不完全冷却的压缩过程：低压级压缩机的排气不是直接进入中间冷却器冷却，而是和中间冷却器出来的中温制冷剂蒸汽在管道中混合被冷却，然后进入高级压缩机压缩。
& L' E- }; o# Q6 t1 R　　 ③一级节流中间不完全冷却的制冷系统中一般设有回热器，保证低压级压缩机的过热度。因此供液的制冷剂液体两次过冷。
六、中间压力的确定：适宜的中间压力可获得最佳的运行经济性。

R717：φ＝0.95～1 R22：φ＝0.9~0.95

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4.2复叠式蒸气压缩制冷
* h4 n5 |* g% K, U! i一、复叠式压缩原因：
8 A$ z4 U( [, x　　 1. 双级压缩制冷的局限性：
8 `; G  c, i" f0 Q　　 　①双级压缩制冷的制冷温度受制冷剂凝固点的限制不能太低。
4 Z; z9 }% ?$ |, T/ h/ C3 m　　 　②双级压缩制冷受蒸发压力过低的限制。
" R; d+ D% _" C% S+ F: Z0 _0 t$ w" t- _　　 　③双级压缩受循环压力比的限制。
  N) M3 B8 k6 y+ \% T　　 2. 解决方法：采用低温制冷剂。
# u2 q4 h' \! b% s$ v　 　低温制冷剂在常温下无法冷凝成液体，因此采用另一台制冷装置与之联合运行，为低温制冷剂循环的冷凝过程提供冷源，降低冷凝温度和压力。即为复叠式制冷。
二、
# E* x6 c# z' F$ M, A复叠式压缩工作原理：
　　复叠式压缩制冷系统通常由两个单级压缩循环组成，之间用蒸发冷凝器联系起来：

高温部分：采用中温制冷剂，制冷剂的蒸发用来使低温部分系统中的制冷剂冷凝，其蒸发器是低温部分的冷凝器。 低温部分：采用低温制冷剂，蒸发时从被冷却对象吸热制冷。

复叠式压缩工作（点击放大）	复叠式压缩计算p-h图（点击放大）

　三、
' ^- r- ?, S: {8 R( l复叠式压缩机实例：

1. 两个单级复叠系统组成的制冷机原理：		2. 三个单级复叠系统组成的制冷机原理：
两个单级复叠系统（点击放大）		三个单级复叠系统（点击放大）
3. 生产干冰的复叠式制冷机原理：		四、  复叠式压缩制冷装置：
干冰复叠式制冷（点击放大）		复叠式制冷装置（点击放大）

五、
& E7 D" V) `6 t9 P2 _: b; O/ V& i- n各种蒸气压缩式制冷方式的比较：   

制冷循环	使用原因 - @  l4 W7 q! r	应用温度范围 ' J, g9 i$ N& [0 M/ I2 \% K; d	制冷剂
单级压缩	一般制冷	5℃～－30℃	一种
双级压缩 / r" w9 j' a+ U6 j	压缩比过大	－60℃～－80℃ ( ?9 S: g; E; Q	一种
复叠式压缩	制低温	<-80℃ 7 W+ A! T4 W8 i1 n- |$ A5 m7 N	两种或两种以上 & ?. D% z, l7 k5 J! W+ Q

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