[科普中國(guó)]-多級(jí)壓縮制冷

簡(jiǎn)介

多級(jí)壓縮制冷，是指來(lái)自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣要經(jīng)過(guò)低壓與高壓壓縮機(jī)多次壓縮后，才進(jìn)入冷凝器?？梢栽诙啻螇嚎s中間設(shè)置中間冷卻器。多級(jí)壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)可以是由多臺(tái)壓縮機(jī)組成的多機(jī)（低壓級(jí)壓縮機(jī)和高壓級(jí)壓縮機(jī)）多級(jí)系統(tǒng)，也可以是由一臺(tái)壓縮機(jī)組成的單機(jī)多級(jí)系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)汽缸作為高壓缸，其余幾個(gè)汽缸作為低壓缸。1

采用多級(jí)壓縮制冷的原因制冷系統(tǒng)的冷凝溫度（或冷凝壓力）決定于冷卻劑（或環(huán)境）的溫度，而蒸發(fā)溫度（或蒸發(fā)壓力）取決于制冷要求。由于生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)制冷溫度的要求越來(lái)越低，因此，在很多制冷實(shí)際應(yīng)用中，壓縮機(jī)要在高壓端壓力（冷凝壓力）對(duì)低壓端壓力（蒸發(fā)壓力)的比值（即壓縮比）很高的條件下進(jìn)行工作。由理想氣體的狀態(tài)方程 Pv/T≡C可知，此時(shí)若采用單級(jí)壓縮制冷循環(huán)，則壓縮終了過(guò)熱蒸氣的溫度必然會(huì)很高(V一定，P↑→T↑），于是就會(huì)產(chǎn)生以下許多問(wèn)題。

1.壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)λ大大降低，且當(dāng)壓縮比≥20時(shí)，λ=0 。

2.壓縮機(jī)的單位制冷量和單位容積制冷量都大為降低。

3. 壓縮機(jī)的功耗增加，制冷系數(shù)下降。

4. 必須采用高著火點(diǎn)的潤(rùn)滑油，因?yàn)闈?rùn)滑油的粘度隨溫度升高而降低。

5. 被高溫過(guò)熱蒸氣帶出的潤(rùn)滑油增多，增加了分油器的負(fù)荷，且降低了冷凝器的傳熱性能。

綜上所述，當(dāng)壓縮比過(guò)高時(shí)，采用單級(jí)壓縮循環(huán)，不僅是不經(jīng)濟(jì)的，而且甚至是不可能的。為了解決上述問(wèn)題，滿足生產(chǎn)要求，實(shí)際中常采用帶有中間冷卻器的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)。但是，雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)所需的設(shè)備投資較單級(jí)壓縮大的多，且操作也較復(fù)雜。因此，采用雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)并非在任何情況下都是有利的，一般當(dāng)壓縮比≥8時(shí)，采用雙級(jí)壓縮較為經(jīng)濟(jì)合理。

以上分析可以看成是單級(jí)壓縮的局限性，另一原因就是采用多級(jí)壓縮的必要性和其特性決定。

雙級(jí)壓縮制冷定義兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)，是指來(lái)自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣要經(jīng)過(guò)低壓與高壓壓縮機(jī)兩次壓縮后，才進(jìn)入冷凝器。可以在兩次壓縮中間設(shè)置中間冷卻器。兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)可以是由兩臺(tái)壓縮機(jī)組成的雙機(jī)（其中一臺(tái)為低壓級(jí)壓縮機(jī)，另一臺(tái)為高壓級(jí)壓縮機(jī)）兩級(jí)系統(tǒng)，也可以是由一臺(tái)壓縮機(jī)組成的單機(jī)兩級(jí)系統(tǒng)，其中一個(gè)或兩個(gè)汽缸作為高壓缸，其余幾個(gè)汽缸作為低壓缸，其高、低壓汽缸數(shù)量比一般為1:3或1:2 。

基本類型雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)由于節(jié)流方式和中間冷卻程度不同而有不同的循環(huán)方式，通常分為：

1.一次節(jié)流、中間完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)

2.一次節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)

3.一次節(jié)流、中間完全不冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)

4.兩次節(jié)流、中間不完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)

5.兩次節(jié)流、中間完全冷卻兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)

具體介紹（1）一次節(jié)流是指向蒸發(fā)器供液的制冷劑液體直接由冷凝壓力節(jié)流至蒸發(fā)壓力的節(jié)流過(guò)程。

（2）二次節(jié)流是指向蒸發(fā)器供液的制冷劑液體先由中間冷卻器前的節(jié)流器從冷凝壓力節(jié)流至中間壓力，再由蒸發(fā)器前的節(jié)流器將中間壓力下的制冷劑液體節(jié)流至蒸發(fā)壓力的過(guò)程。

（3）中間完全冷卻:是指在中間冷卻過(guò)程中，將低壓級(jí)排出的過(guò)熱蒸氣等壓冷卻到中間壓力下干飽和蒸氣的冷卻過(guò)程。

（4）中間不完全冷卻:是指在中間冷卻過(guò)程中，將低壓級(jí)排出的過(guò)熱蒸氣等壓冷卻降低溫度而未達(dá)到干飽和狀態(tài)的冷卻過(guò)程。

（5）中間完全不冷卻：是指在兩級(jí)壓縮循環(huán)中不采用中間冷卻的方式。

相比之下，一次節(jié)流系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，且可以利用其較大的壓力差實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離或高層冷庫(kù)的供液。因此實(shí)踐中采用的基本上都是一次節(jié)流兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)。除此，節(jié)流方式的確定于制冷壓縮機(jī)的種類及制冷系統(tǒng)冷負(fù)荷的穩(wěn)定性有關(guān)。

一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻這個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用盤管式中間冷卻器。它既有兩級(jí)節(jié)流的減少節(jié)流損失效果，又起到對(duì)低壓級(jí)排氣完全冷卻的作用。

其工作過(guò)程是：

在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的低壓低溫制冷劑蒸氣（狀態(tài)1），被低壓壓縮機(jī)吸入并壓縮成中間壓力的過(guò)熱蒸氣（狀態(tài)2），然后進(jìn)入同一壓力的中間冷卻器，在中冷器內(nèi)被冷卻成干飽和蒸氣（狀態(tài)3）。中壓干飽和蒸氣又被高壓壓縮機(jī)吸入并壓縮到冷凝壓力的過(guò)熱蒸氣（狀態(tài)4），隨后進(jìn)入冷凝器被冷凝成制冷劑液體（狀態(tài)5）。然后分成兩路，一路經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓后（狀態(tài)6）進(jìn)入中間冷卻器，大部分液體從另一路進(jìn)入中間冷卻器的盤管內(nèi)過(guò)冷（狀態(tài)7），但由于存在傳熱溫差，故其在盤管內(nèi)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(guò)冷后的液體再經(jīng)過(guò)主膨脹閥節(jié)流降壓成低溫低壓的過(guò)冷液（狀態(tài)8），最后進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生冷效應(yīng)。

這種循環(huán)系統(tǒng)只適用于R717與R22的雙級(jí)制冷循環(huán)系統(tǒng)中。

一次節(jié)流中間不完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷一次節(jié)流中間不完全冷卻的雙級(jí)循環(huán)，主要適用于氟利昂制冷裝置，采用回?zé)嵫h(huán)。這種循環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：制冷劑主流先經(jīng)盤管式中間冷卻器過(guò)冷，再經(jīng)回?zé)崞鬟M(jìn)一步冷卻；且低壓壓縮機(jī)的吸氣有較大的過(guò)熱度；此外，低壓級(jí)的排氣沒(méi)有完全冷卻到飽和狀態(tài)。

其工作過(guò)程為：從蒸發(fā)器出來(lái)的蒸汽被低壓壓縮機(jī)吸入，壓縮到中間壓力并與中冷器出來(lái)的干飽和蒸汽在管路中進(jìn)行混合，使從低壓機(jī)排出的過(guò)熱蒸汽被冷卻后再進(jìn)入高壓壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮到冷凝壓力并進(jìn)入冷凝器，冷凝后的高壓制冷劑液體進(jìn)入了中冷器的蛇形盤管進(jìn)行再冷卻，最后經(jīng)膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)。

這種循環(huán)系統(tǒng)，只適用于R12或R22的雙級(jí)制冷循環(huán)系統(tǒng)中，而決不能用于氨的制冷系統(tǒng)中。

一級(jí)節(jié)流中間完全不冷卻循環(huán)所謂中間完全不冷卻是指在兩級(jí)壓縮循環(huán)中不采用中間冷卻的方式。

二級(jí)節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)二級(jí)節(jié)流中間完全冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)的工作過(guò)程是：

來(lái)自蒸發(fā)器的制冷劑飽和蒸氣（狀態(tài)1點(diǎn)）被低壓級(jí)壓縮機(jī)吸入，并壓縮到中間壓力pm（狀態(tài)2點(diǎn)），排入中間冷卻器，被其中的制冷劑液體冷卻成為飽和蒸氣（狀態(tài)3點(diǎn)），同時(shí)中間冷卻器中的一部分液體制冷劑吸熱變?yōu)轱柡驼魵?，兩者一起進(jìn)入壓縮機(jī)高壓級(jí)，再次被壓縮到冷凝壓力pk（狀態(tài)4點(diǎn)），進(jìn)入冷凝器并冷凝成飽和液體（狀態(tài)5點(diǎn)），經(jīng)節(jié)流閥A降壓到中間壓力pm（狀態(tài)6點(diǎn)），并進(jìn)入中間冷卻器而分離成蒸氣和液體兩部分。在中間冷卻器中，液體制冷劑的一小部分用于冷卻低壓級(jí)的排氣變成蒸氣，并隨同低壓排氣、節(jié)流產(chǎn)生的蒸氣一同被高壓級(jí)吸回；液體制冷劑的大部分（狀態(tài)7點(diǎn)）則經(jīng)節(jié)流閥B節(jié)流到蒸發(fā)壓力p0（狀態(tài)8點(diǎn)），并進(jìn)入蒸發(fā)器制取冷量，循環(huán)如此周而復(fù)始地進(jìn)行。

二級(jí)節(jié)流中間完全冷卻的優(yōu)點(diǎn)是可以消除一級(jí)節(jié)流中間冷卻器盤管的傳熱溫差。因此，在其他參數(shù)相同時(shí)，循環(huán)的制冷系數(shù)比一級(jí)節(jié)流略高。它的缺點(diǎn)是當(dāng)壓縮機(jī)排氣中含油時(shí)，特別是對(duì)氨制冷機(jī)，會(huì)在中間冷卻器中積油，對(duì)活塞式、螺桿式制冷系統(tǒng)不太適宜，而較適宜于氨離心式制冷系統(tǒng)。

二級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻這一循環(huán)適宜于氟利昂離心式制冷機(jī)。二級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)的系統(tǒng)原理圖和壓-焓圖如上圖所示。進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑先由節(jié)流閥A節(jié)流到狀態(tài)6，再由節(jié)流閥B節(jié)流到狀態(tài)8。進(jìn)入壓縮機(jī)高壓級(jí)的制冷劑蒸氣系由中間冷卻器出來(lái)的狀態(tài)3'的飽和蒸氣和壓縮機(jī)低壓級(jí)排出的（狀態(tài)2）過(guò)熱蒸氣相混合，其狀態(tài)3為中間壓力下的過(guò)熱蒸氣。2

多級(jí)離心壓縮制冷循環(huán)如下圖為多級(jí)離心壓縮制冷循環(huán)的系統(tǒng)圖和循環(huán)圖，多級(jí)離心壓縮制冷是二級(jí)壓縮制冷的復(fù)雜版。