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  • 制冷設備系統中雙級壓縮制冷循環解析

    一、采用兩級壓縮的原因

      制冷系統的冷凝溫度(或冷凝壓力)決定于冷卻劑(或環境)的溫度,而蒸發溫度(或蒸發壓力)取決于制冷要求。由于生產的發展,對制冷溫度的要求越來越低,因此,在很多制冷實際應用中,壓縮機要在高壓端壓力(冷凝壓力)對低壓端壓力(蒸發壓力)的比值(即壓縮比)很高的條件下進行工作。由理想氣體的狀態方程 Pv/T≡C可知,此時若采用單級壓縮制冷循環,則壓縮終了過熱蒸氣的溫度必然會很高(V一定,P↑→T↑),于是就會產生以下許多問題。

      1. 壓縮機的輸氣系數λ大大降低,且當壓縮比≥20時,λ=0 。

      2. 壓縮機的單位制冷量和單位容積制冷量都大為降低。

      3. 壓縮機的功耗增加,制冷系數下降。

      4. 必須采用高著火點的潤滑油,因為潤滑油的粘度隨溫度升高而降低。

      5. 被高溫過熱蒸氣帶出的潤滑油增多,增加了分油器的負荷,且降低了冷凝器的傳熱性能。

      綜上所述,當壓縮比過高時,采用單級壓縮循環,不僅是不經濟的,而且甚至是不可能的。為了解決上述問題,滿足生產要求,實際中常采用帶有中間冷卻器的雙級壓縮制冷循環。但是,雙級壓縮制冷循環所需的設備投資較單級壓縮大的多,且操作也較復雜。因此,采用雙級壓縮制冷循環并非在任何情況下都是有利的,一般當壓縮比≥8時,采用雙級壓縮較為經濟合理。

      二、雙級壓縮制冷循環的組成及常見形式

      兩級壓縮制冷循環,是指來自蒸發器的制冷劑蒸氣要經過低壓與高壓壓縮機兩次壓縮后,才進入冷凝器。并在兩次壓縮中間設置中間冷卻器。兩級壓縮制冷循環系統可以是由兩臺壓縮機組成的雙機(其中一臺為低壓級壓縮機,另一臺為高壓級壓縮機)兩級系統,也可以是由一臺壓縮機組成的單機兩級系統,其中一個或兩個汽缸作為高壓缸,其余幾個汽缸作為低壓缸,其高、低壓汽缸數量比一般為1:3或1:2 。

      兩級壓縮制冷循環由于節流方式和中間冷卻程度不同而有不同的循環方式,通常分為:兩次節流中間完全冷卻、兩次節流中間不完全冷卻、一次節流中間完全冷卻和一次節流中間不完全冷卻四種兩級壓縮制冷循環方式。其中,兩次節流是指制冷劑從冷凝器出來要先后經過兩個膨脹閥再進入蒸發器,即先由冷凝壓力節流到中間壓力,再由中間壓力節流到蒸發壓力,而一次節流只經過一個膨脹閥,大部分制冷劑從冷凝壓力直接節流到蒸發壓力,相比之下,一次節流系統比較簡單,且可以利用其較大的壓力差實現遠距離或高層冷庫的供液。因此實踐中采用的基本上都是一次節流兩級壓縮制冷循環系統。至于采用哪一種中間冷卻方式,由選用制冷劑的種類來決定。通常兩級壓縮氨制冷系統采用中間完全冷卻,而兩級壓縮氟利昂制冷系統,則常采用中間不完全冷卻。

      1. 一次節流中間完全冷卻的雙級循環

      這個系統的特點是采用盤管式中間冷卻器。它既有兩級節流的減少節流損失效果,又起到對低壓級排氣完全冷卻的作用。其工作過程是:

      在蒸發器中產生的低壓低溫制冷劑蒸氣(狀態1),被低壓壓縮機吸入并壓縮成中間壓力的過熱蒸氣(狀態2),然后進入同一壓力的中間冷卻器,在中冷器內被冷卻成干飽和蒸氣(狀態3)。中壓干飽和蒸氣又被高壓壓縮機吸入并壓縮到冷凝壓力的過熱蒸氣(狀態4),隨后進入冷凝器被冷凝成制冷劑液體(狀態5)。然后分成兩路,一路經膨脹閥F節流降壓后(狀態8)進入中間冷卻器,大部分液體從另一路進入中間冷卻器的盤管內過冷(狀態6),但由于存在傳熱溫差,故其在盤管內不可能被冷卻到中間溫度,而是比中間溫度一般高△t=3-5℃。過冷后的液體再經過主膨脹閥節流降壓成低溫低壓的過冷液(狀態7),最后進入蒸發器吸熱蒸發,產生冷效應。

      這種循環系統只適用于R717與R22的雙級制冷循環系統中。

      2. 一次節流中間不完全冷卻的雙級循環

      一次節流中間不完全冷卻的雙級循環,主要適用于氟利昂制冷裝置,采用回熱循環。這種循環系統的特點是:制冷劑主流先經盤管式中間冷卻器過冷,再經回熱器進一步冷卻;且低壓壓縮機的吸氣有較大的過熱度;此外,低壓級的排氣沒有完全冷卻到飽和狀態。

      其工作過程為:從蒸發器出來的蒸汽經回熱器后被低壓壓縮機吸入,壓縮到中間壓力并與中冷器出來的干飽和蒸汽在管路中進行混合,使從低壓機排出的過熱蒸汽被冷卻后再進入高壓壓縮機,經壓縮到冷凝壓力并進入冷凝器,冷凝后的高壓制冷劑液體進入了中冷器的蛇形盤管進行再冷卻,然后進入回熱器與從蒸發器出來的低溫低壓蒸汽進行熱交換,使從中冷器蛇形盤管中出來的過冷液體再一次得到冷卻,最后經膨脹閥進入蒸發器吸熱蒸發。

      這種循環系統,只適用于R12或R22的雙級制冷循環系統中,而決不能用于氨的制冷系統中。這是因為:雖然高、低壓級吸入蒸汽的過熱度都比較大,但是因為氟利昂的絕熱指數K值比氨要小,故壓縮機的排氣溫度不高。

      3. 兩次節流中間完全冷卻的雙級循環

      這個系統的特點是選用了閃發式中間冷卻器。它起兩個作用,其一是相當于兩次節流的中間液體分離器,其二是利用一小部分液體的吸熱蒸發作用,對低壓機的排氣進行完全中間冷卻。這種型式的制冷循環系統,只適用于R717或R22 的雙級壓縮制冷循環系統中。為了防止從中間冷卻器出來的飽和液體在管路中閃發成蒸汽,通常要求中間冷卻器與蒸發器之間的距離要近。

      綜上分析可知,采用雙級壓縮制冷循環,不但降低了高壓機的排氣溫度,改善了壓縮機潤滑條件,而且由于各級壓縮比都較小,壓縮機的輸汽系數大大提高。此外,采用雙級壓縮循環的功耗也比單級壓縮循環的功耗降低。


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