制冷系統(tǒng)中雙級壓縮制冷循環(huán)解析

　　一、采用兩級壓縮的原因

　　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(fā)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(tài)方程 Pv/T≡C可知，此時若采用單級壓縮制冷循環(huán)，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(chǎn)生以下許多問題。

　　1. 壓縮機的輸氣系數(shù)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(shù)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(huán)，不僅是不經(jīng)濟的，而且甚至是不可能的。為了解決上述問題，滿足生產(chǎn)要求，實際中常采用帶有中間冷卻器的雙級壓縮制冷循環(huán)。但是，雙級壓縮制冷循環(huán)所需的設(shè)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(huán)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(jīng)濟合理。

　　二、雙級壓縮制冷循環(huán)的組成及常見形式

　　兩級壓縮制冷循環(huán)，是指來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣要經(jīng)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(shè)置中間冷卻器。兩級壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)，也可以是由一臺壓縮機組成的單機兩級系統(tǒng)，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(shù)量比一般為1:3或1:2 。

　　兩級壓縮制冷循環(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：兩次節(jié)流中間完全冷卻、兩次節(jié)流中間不完全冷卻、一次節(jié)流中間完全冷卻和一次節(jié)流中間不完全冷卻四種兩級壓縮制冷循環(huán)方式。其中，兩次節(jié)流是指制冷劑從冷凝器出來要先后經(jīng)過兩個膨脹閥再進入蒸發(fā)器，即先由冷凝壓力節(jié)流到中間壓力，再由中間壓力節(jié)流到蒸發(fā)壓力，而一次節(jié)流只經(jīng)過一個膨脹閥，大部分制冷劑從冷凝壓力直接節(jié)流到蒸發(fā)壓力，相比之下，一次節(jié)流系統(tǒng)比較簡單，且可以利用其較大的壓力差實現(xiàn)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(jié)流兩級壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)。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(tǒng)采用中間完全冷卻，而兩級壓縮氟利昂制冷系統(tǒng)，則常采用中間不完全冷卻。

　　1. 一次節(jié)流中間完全冷卻的雙級循環(huán)

　　這個系統(tǒng)的特點是采用盤管式中間冷卻器。它既有兩級節(jié)流的減少節(jié)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(fā)器中產(chǎn)生的低壓低溫制冷劑蒸氣(狀態(tài)1)，被低壓壓縮機吸入并壓縮成中間壓力的過熱蒸氣(狀態(tài)2)，然后進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吸入并壓縮到冷凝壓力的過熱蒸氣(狀態(tài)4)，隨后進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F節(jié)流降壓后(狀態(tài)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(nèi)過冷(狀態(tài)6)，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℃。過冷后的液體再經(jīng)過主膨脹閥節(jié)流降壓成低溫低壓的過冷液(狀態(tài)7)，z*后進入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生冷效應。

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

　　2. 一次節(jié)流中間不完全冷卻的雙級循環(huán)

　　一次節(jié)流中間不完全冷卻的雙級循環(huán)，主要適用于氟利昂制冷裝置，采用回熱循環(huán)。這種循環(huán)系統(tǒng)的特點是：制冷劑主流先經(jīng)盤管式中間冷卻器過冷，再經(jīng)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(tài)。

　　其工作過程為：從蒸發(fā)器出來的蒸汽經(jīng)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(jīng)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(fā)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，z*后經(jīng)膨脹閥進入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)。

　　這種循環(huán)系統(tǒng)，只適用于R12或R22的雙級制冷循環(huán)系統(tǒng)中，而決不能用于氨的制冷系統(tǒng)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(shù)K值比氨要小，故壓縮機的排氣溫度不高。

　　3. 兩次節(jié)流中間完全冷卻的雙級循環(huán)

　　這個系統(tǒng)的特點是選用了閃發(fā)式中間冷卻器。它起兩個作用，其一是相當于兩次節(jié)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(fā)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(huán)系統(tǒng)，只適用于R717或R22 的雙級壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)中。為了防止從中間冷卻器出來的飽和液體在管路中閃發(fā)成蒸汽，通常要求中間冷卻器與蒸發(fā)器之間的距離要近。

　　綜上分析可知，采用雙級壓縮制冷循環(huán)，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(shù)大大提高。此外，采用雙級壓縮循環(huán)的功耗也比單級壓縮循環(huán)的功耗降低。