《复叠式制冷循环ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复叠式制冷循环ppt课件.ppt（54页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、,报告人：盛 伟 （博士，副教授） 15039118299， 机械与动力工程学院,复叠式制冷循环,2022年11月9日,根据制冷剂常温下在冷凝器中冷凝时饱和压力Pk和正常蒸发温度T0的高低，一般分为三大类：.低压高温制冷剂冷凝压力PkKg/cm2（绝对），T0 如11（CFCl3），其T023.7。这类制冷剂适用于空调系统的离心式制冷压缩机中。通常时，Pk3.06Kg/cm2 。,引课:制冷剂的一般分类,*,2,weisean,.中压中温制冷剂冷凝压力Pk-60。如717、12、22等，这类制冷剂一般用于普通单级压缩和双级压缩的活塞式制冷压缩机中。.高压低温制冷剂冷凝压力Pk20Kg/cm2（
2、绝对），T070。如13（CF3Cl）、14（CF4）、二氧化碳、乙烷、乙烯等，这类制冷剂适用于复迭式制冷装置的低温部分或-以下的低温装置中。,引课:制冷剂的一般分类,为获得更低的蒸发温度,单级压缩转向多级压缩限制?,采用一种制冷剂循环将出现的问题：(1)任何制冷剂，当蒸发温度降低时，其蒸发器压力也必然降低。(2)任何制冷剂，当蒸发温度降低时，其比容就很大。 (3). 任何制冷剂，当蒸发温度降低时，其冷凝压力就很高。,*,4,weisean,为了获取更低温度，采用单一制冷剂的多级压缩循环仍将受到蒸发压力过低、甚至使制冷剂凝固的限制。 例： 当蒸发温度为80时，若采用氨作为制冷剂，它在-77.7
3、时就已凝固，使循环遭到完全破坏。如果采用R22作为制冷剂，此时它虽未凝固，但蒸发压力已低达10Kpa，一方面增加了空气漏入系统的可能性，另一方面导致压缩机吸气比容增大（此时蒸气比容为1.76m3/kg）和输气系数的降低，从而使压缩机的气缸尺寸增大，运行经济性下降。,对于往复式制冷压缩机而言，气阀是依靠阀片两侧气体的压力差自动启、闭来完成压缩机的吸气、压缩、排气和膨胀过程的，当吸气压力低于15Kpa时，吸气阀片因压差过低而往往无法开启，压缩机无法正常工作，增加压缩机级数也是无济于事的。,*,6,weisean,如果采用低温制冷剂，虽然低温下它们的蒸发压力一般均高于15Kpa。例如乙烷，当蒸发温度
4、为-100时，其相应的蒸发压力为52Kpa；但其冷凝压力太高，当 tk=25 时，其冷凝压力就高达4.18Mpa，使机器显得十分笨重；而且当冷凝温度 35 时就已超过了它的临界温度（）,使乙烷蒸气无法液化，循环的经济性大大恶化。 到目前为止，还难以找到一种制冷剂，它既满足冷凝压力不太高、又满足蒸发压力不太低的要求。,*,7,weisean,制冷剂蒸发温度过低：1、易导致压缩机和系统低压部分在高真空下运行，增加空气渗入的可能性。2、将导致压缩机吸气比容增大，输气系数减小，需要采用更大尺寸的压缩机。 如 R13 的凝固温度为 -181 ，且在低温条件下，饱和蒸汽压力仍然较高。但临界温度低，为 28
5、.8 ，不能用环境介质（水、空气）来完成冷凝过程,*,8,weisean,1.双级压缩制冷的局限性： 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。 双级压缩制冷受蒸发压力过低的限制。 双级压缩受循环压力比的限制。,*,9,weisean,2. 解决方法 ：采用低温制冷剂。 注意:低温制冷剂常常在常温下无法冷凝成液体! 采用低温制冷剂的制冷装置，虽然能够制取很低的温度，但不能单独工作，需要有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。,*,10,weisean,1)凝固点2)压力比3)蒸发压力过低到目前为止，还难以找到一种制冷剂，它
6、既满足冷凝压力不太高、又满足蒸发压力不太低的要求。,1、原因:,*,11,weisean,复叠式蒸气压缩制冷循环是由两个或两个以上的单级（也可以是多级）制冷循环组成，而且在两个制冷系统中充加不同性质的制冷剂。它既能满足在较低蒸发温度时有合适的蒸发压力，又能满足在环境温度条件下冷凝时具有适中的冷凝压力。,定义:,2、工作原理,*,12,weisean,图1示出由两个单级压缩系统组成的最简单的复叠式制冷循环系统原理图。循环工作过程可从图中清楚地看出。图2示出了这一循环的压焓图。图中123451为低温部分循环。6789106为高温部分循环。冷凝蒸发器中的传热温差一般取510。,D冷凝蒸发器,*,14
7、,weisean,实际复叠机,压力控制阀电磁阀: 1. 作用：自动接通或切断制冷系统的供液管路，广泛用于如冷藏箱、空调器等所匹配的氟利昂制冷机中。 2. 位置：冷凝器与蒸发器间的管路上装有，可控制液体管路的启闭。,*,16,weisean,*,17,weisean,压缩机冷凝蒸发器回热器节流阀蒸发器膨胀容器,低温系统,制冷剂,R13/R23,常温下低温制冷剂 的饱和压力非常高，所以机组一停，需要提供一个额外膨胀空间，让低温制冷剂 有地方排泄，但当机组一运行，这部分制冷剂必须参与循环，这就设计了一个膨胀容器和电磁阀来进行控制,复叠式制冷机的启动问题 一般先启动高温部分，后启动低温部分复叠式与多级
8、循环的比较 体积小紧凑，工作压力范围适中，运行稳定，复杂,3、特点,组成,*,18,weisean,复叠式制冷机通常由两个单独的制冷系统组成，分别称为高温级及低温级部分。高温部分使用中温制冷剂，低温部分使用低温制冷剂。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷凝，用一个冷凝蒸发器将两部分联系起来，它既是高温部分的蒸发器，又是低温部分的冷凝器。低温部分的制冷剂在蒸发器内向被冷却对象吸取热量（即制取冷量），并将此热量传给高温部分制冷剂，然后再由高温部分制冷剂将热量传给冷却介质（水或空气）。高温部分的制冷量基本等于低温部分的冷凝热负荷。,4、热力计算,*,19,weisean,复叠式制
9、冷循环中中间温度的确定应根据制冷系数最大或各个压缩机压力比大致相等的原则。前者对能量利用最经济，后者对压缩机气缸工作容积的利用率较高（即输气系数较大）。由于中间温度在一定范围内变动时对制泠系数影响并不大，故按各级压力比大致相等的原则来确定中间温度更为合理。,*,20,weisean,冷凝蒸发器传热温差的大小不仅影响到传热面积和冷量损耗，一般 510而且也影响到整个制冷机的容量和经济性，温差选得大，冷凝蒸发器的面积可小些，但却使压力比增加，循环经济性降低。制冷剂的温度越低，传热温差引起的不可逆损失越大，故蒸发器的传热温差因蒸发温度很低而应取较小值，最好不大于5。,*,21,weisean,当需要
10、获取-60以下的低温时，采用中温制冷剂与低温制冷剂复叠的制冷循环。两级复叠制取-60-80的低温，三级复叠制取-80-120的低温。 用作高温级的中温制冷剂有：R717、R22、R502、R134a、R407c、R410A等；用于低温级的低温制冷剂有：R13、R14、R23、C2H6、C2H4等。,*,22,weisean,三个单级压缩循环组成的复叠式制冷机,循环,中温,高温,低温,中温 R23,高温 R22或R507,低温 R50、R1150或R170,制冷剂,最低蒸发温度可达120140,*,23,weisean,5、复叠式制冷循环应用中的一些问题,1)停机后低温制冷剂的处理 当复叠式制冷
11、机在停止运转后，系统内部温度会逐渐升高到接近环境温度，低温部分的制冷剂就会全部汽化成过热蒸气，这时低温部分的压力将会超出制冷系统允许的最高工作压力这一非常危险的情况。当环境温度为40时，低温部分允许的最高绝对压力为1.079MPa。为解决这一问题，大型系统采用高温系统定时开机，以维持低温系统较低压力，但这种方法耗功大；或者将低温制冷剂抽出装入高压钢瓶中。对于小型复叠式制冷装置，通常在低温部分的系统中连接一个膨胀容器，当停机后低温部分的制冷剂蒸气可进入膨胀容器，如系统中不设膨胀容器，则应考虑加大蒸发冷凝器的容积，使其起到膨胀容器的作用，以免系统压力过高。,*,25,weisean,2). 系统的
12、起动 由于低温制冷剂的临界温度一般较低，所以复叠式制冷机在起动时，必须先起动高温部分，当高温部分的蒸发温度降到足以保证低温部分的冷凝压力不超过允许的最高压力时，才可以起动低温部分。例如： 对于使用R22与R13的二元复叠式制冷循环，要先将R22的蒸发温度降至-15以下，这时低温系统中R13的最高冷凝温度大约为-l0，相应的饱和压力为1.5616 MPa（在允许值内）。对于小型复叠式制冷循环，高低温部分可同时起动，但在低温系统上必须装设压力控制阀，以保证系统的安全。,*,26,weisean,3)温度范围的调节 复叠式制冷循环的制冷温度是可以调节的，但有一定的温度范围。因压力比不能太大，所以吸气
13、压力不能调节得太低，这就决定了它的下限温度不能太低。同时，吸气压力也不能调得太高，因为随着吸气压力的升高，蒸发温度也升高，当蒸发温度高到一定程度时，就失去了复叠式循环的意义。而且随着吸气压力的升高，冷凝压力也升高，一般压缩机的耐压为2MPa。为使压缩机和制冷系统能正常工作，复叠式制冷循环的蒸发温度在调节时一般不高于-50，也不应低于-80。,*,27,weisean,6、低温箱复叠式系统的常见故障与排除,既有电气又有制冷机械出现故障，全面检查综合分析一般过程可以先“外”后“里”外部因素冷却水、供电等内部因素先检查电气系统，后查制冷系统,*,28,weisean,制冷剂量不足（漏）管路脏堵或冰堵
14、蒸发器供液电磁阀损坏膨胀阀流量过大、过小或损坏,查漏并补充制冷剂更坏被堵器件或干燥剂更换电磁阀调整或更换膨胀阀,制冷系统中有空气冷却水量不足或温度过高冷凝器水管积垢过厚,放空气增加供水量清洗冷凝器,制冷系统中制冷剂量不足膨胀阀冰堵或损坏过滤器堵塞,查漏并补充制冷剂对管路进行干燥或更换膨胀阀更换过滤器,6、低温箱复叠式系统的常见故障与排除,*,30,weisean,补充：自复叠,从低于环境温度的空间或物体中吸收热量，并将其转移给环境介质的过程称为制冷。制冷技术是为适应人们对低于环境温度条件的需要而产生和发展起来的。现代制冷技术始于18世纪中叶。1755年爱丁堡的化学教授库仑(William Cu
15、llen)利用乙醚蒸发使水结冰。他的学生布拉克(Black)从本质上解释了融化和汽化现象，导出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。,*,31,weisean,此后的200多年时间里，制冷技术得到了飞速的发展,其中利用工质节流后产生制冷效应的焦耳-汤姆逊效应(Joule-Thomson effect)是最古老的制冷方法之一。在普冷领域，蒸汽压缩式制冷系统就是利用工质的节流制冷效应进行工作的，目前这种制冷方法在普冷领域占据着主导地位；在低温领域，利用气体节流制冷效应的林德-汉普逊(Linde-Hampson)循环也获得了广泛的应用，是气体液化和低温制冷技术的主要方法之一。,*
16、,32,weisean,然而随着制冷温度的降低，采用单纯工质的一级节流制冷机的效率将降低、压缩机功耗增加，甚至会造成系统内制冷剂和润滑油分解，运转条件恶化，危害压缩机的正常工作，所以在普冷领域，当需要的温度降到230K以下时，人们通常采用两级压缩或复叠式制冷系统来满足要求，但是其复杂性和系统的运行维护都比单级制冷系统要大得多。,*,33,weisean,因此，近几十年来，人们将目光投向了多元混合工质的研究。目前，无论在普冷领域还是在低温领域，多元混合工质节流技术都成了国际制冷界研究的热点课题。在普冷领域，由于CFCs工质中氯原子对大气臭氧层的破坏，其面临的问题是工质替代，采用几种现有的或新的纯
17、工质所组成的多元混合工质则是一条在近期乃至中长期都最有发展前途的方案；在低温领域，由于采用了商用单级制冷压缩机驱动的混合物工质节流制冷机，使得混合物节流制冷机飞速发展，成为最有前途的低温制冷机之一。,*,34,weisean,近几年来，无论在普冷领域还是在低温领域，采用多元混合工质作为节流制冷剂的研究已经越来越引起人们的兴趣，单级压缩机驱动的混合工质节流制冷机大大增加了制冷机在低温方面的商业应用。在普冷领域，当温度降到230K以下时，人们通常采用多级压缩或复叠式制冷系统。由于非共沸混合工质具有变温冷凝/蒸发特性，且能通过部分冷凝获得成分不同的多种流体，自动复叠制冷系统近几年来在普冷领域也逐渐有
18、所应用。,*,35,weisean,非共沸制冷剂,1. 相变过程中气、液相中组分的浓度不同，其在任何浓度比下都不发生共沸现象的混合物称为非共沸制冷剂。 与纯制冷剂和共沸制冷剂相比，非共沸制冷剂有自己的特点： 在定压下蒸发或凝结时，气相和液相的成分不同，温度也在不断变化。定压蒸发时温度从泡点温度变化到露点温度，定压凝结则相反。泡点温度和露点温度的温差称之为温度滑移(Temperature glide)。2. 等压相变过程中温度是变化的，这就有可能较好地适应变温热源的情况，减少蒸发和冷凝过程中的传热温差，以达到节能的目的。,*,36,weisean,3. 在实用上，使用非共沸制冷剂出现的问题： 当
19、制冷装置中发生制冷剂泄漏时，剩余在系统内的混合物的浓度就会改变。解决方式： 需要向系统中补充制冷剂使其达到原来的数量和浓度，并需通过计算来确定两种制冷剂的充灌量。,*,37,weisean,“近共沸制冷剂(Near azeotropic mixture refrigerant)”这一术语，是指泡点温度与露点温度很接近的非共沸制冷剂，但到底接近到什么程度为近共沸和非共沸的分界点，并没有一个明确的规定，通常认为泡露点的温度差小于3的混合制冷剂称为近共沸混合制冷剂。,非共沸混合制冷剂用于制冷主要有两方面的意义： 1、在较宽的温度范围内制冷时节能或增大制冷量。 2、在单级压缩适中的压力下获得较低的蒸发
20、温度。,*,38,weisean,混合物按其定压下相变时的热力学特征有非共沸混合物与共沸混合物之分。用T-x相图反映这两类混合物之不同。,在复叠式制冷系统中尚有一种特殊的形式，称为自动复叠制冷(Auto-cascade Refrigeration)系统。举例: 系统中充灌了两种制冷剂，如R23和R22，它们在相同的冷凝压力和蒸发压力下工作，因而在系统中只需要一台压缩机。ACR系统利用了R23的冷凝温度远低于R22的冷凝温度这一特性。（12个大气压下R23饱和温度-22, R22饱和温度35）自动复叠制冷系统采用一个普通低温压缩机制取很低的温度，其奥妙在于“一级压缩，多级复叠，自动分离”，即混合
21、工质一次压缩后，在多级复叠管路中的多个冷凝蒸发器中逐级分离，使沸点最低的制冷剂进入蒸发器，制取预定的低温。,*,40,weisean,*,41,weisean,A压缩机 B冷凝器 C、D节流阀 E冷凝蒸发器 F蒸发器最简单的自动复叠制冷循环系统图,通常的冷却水温度(或空气温度)不足以使R23冷凝，故R23仍保持气体状态。气态的R23进入冷凝蒸发器中，该处的温度低至可使R23冷凝成液体，再经过节流阀进入蒸发器蒸发实现低温制冷。对于R22,由于其冷凝温度较高，在冷凝器内被冷却水(或空气)冷凝成液体，冷凝液体经节流阀后进入冷凝蒸发器，产生较低的温度使R23冷凝成液体。制冷剂R22吸收了R23冷凝时放
22、出的热量变成蒸气，与来自蒸发器的R23蒸气相汇合，进入压缩机中。严格地讲，在R23的回路中混有少量的R22，在R22的回路中也混有少量的R23。,一级压缩，多级复叠，自动分离,A压缩机 B冷凝器 C、F储液器 D、I节流阀 E冷凝蒸发器 G回热器 H蒸发器单级压缩一次分凝制冷机系统图,在压缩机A中压缩后的蒸气排到冷凝器B，在这里大量中温组分R22及少量低温组分R23组成的冷凝液体经储液器C和节流阀D到达冷凝蒸发器蒸发；而大量低温组分R23及少量R22组成的未冷凝蒸气，由冷凝器上部引入冷凝蒸发器E，在这里被管内蒸发的液体冷凝。冷凝液流入储液器F，然后由下部引出经节流阀I去蒸发器H蒸发制冷。为了减
23、少损失，在系统中还装设了一个回热器G。,ACR虽按单级压缩循环工作，但由于引入了低温制冷剂R23及采用了分凝过程，从而可以达到比较低的蒸发温度，其温度范围低于采用纯工质的两级压缩循环。同时因为蒸发器中R23的液体（含少量R22）蒸发，其蒸发压力较一般的中温制冷剂高，改善了压缩机的工作条件。上述优点在应用纯工质的常规制冷系统中是无法实现的。,*,44,weisean,各种蒸气压缩式制冷方式的比较,*,45,weisean,干冰基础知识 干冰是二氧化碳的固态，由于干冰的温度非常低，温度为摄氏负78.5度，因此经常用于保持物体维持冷冻或低温状态。干冰能够急速的冷冻物体和降低温度，并且已经被广泛的使用
24、。干冰在溶解时不是由固态转化为液态，而是由固态直接升华为气态，因此其融化并不会产生任何水或液体，也由此我们称它做“干冰”。物理特性干冰是固态二氧化碳 温度为零下79(-79) ； 汽化时， 温度仍在零下20（-20）左右 ； 空气中的水气被它冷却成小水滴(雾滴)， 而形成白色烟雾状 ；固态二氧化碳。为白色分子晶体；熔点-566（101325Pa），-78477升华（101325Pa），密度156g/cm3（-79）；具有面心立方晶格。,干冰的使用范围广泛，在食品、卫生、工业、餐饮中有大量应用。主要有：,干冰的使用范围,1.餐厅业菜肴装饰、气份营造、影视效果、舞台、会场烟雾制造; 2.冷冻食品储
25、藏与运输；3.家禽肉品冷冻保存；4.空运、航运需长时间冷冻需求者；5.低温冷冻医疗用途；6.热处理、低温收缩金属组件；7.生鲜超商业停电时食品冷冻保存，应急制冷；8.无水制冷、消防灭火；9.工业清洗、去除积垢，是目前及未来干冰最大的用途之一。10、人工降雨11、温室大棚施肥,钢厂铸造等等,干冰是将二氧化碳用人工制冷方法使之冻结而成的固体。工业用干冰为白色，相对密度在1315之问，随制造方法而变。干冰在三相点压力以下时，可直接升华为气体，故用作冷却剂时有良好的卫生条件。干冰在大气压力下升华温度为-79，而在真空条件下升华时可得到-l00的低温工业上生产干冰可以用多种方法，其流程也有高压、中压与低
26、压之分。,*,48,weisean,干冰是将气体二氧化碳用人工制冷的方法加以冷却和冻结而制取的，在工业上生产干冰通常是将气体二氧化碳冷却并凝结成液体，然后再令液体二氧化碳节流降压后变成干冰。,生产干冰的制冷机是以开式循环运转的，即二氧化碳既是原料气又是制冷剂，当用自然界冷却水冷却，冷凝温度为30时，就需要将气体二氧化碳压缩到7100kpa，显然，这样高的压力需要用三级压缩才能达到。,干冰的制取,*,49,weisean,在制取干冰的制冷装置和多级离心式制冷系统中，也有使用三级蒸气压缩式制冷循坏。三级压缩制冷循环的工作原理与两级压缩制冷循环相似，但由于三级制冷循环中冷凝压力pk与蒸发压力p0的压
27、力比（循环总压力比）较大，若来用一次节流，循环的节流损失将大大高于两级压缩制冷循环，尤其是采用饱和液体线（X0线）比较平坦的制冷剂时，这种损失更为严重，因此在实际中为了提高循环的经济性，需采用多次节流的方式。但采用多次节流循环时，会使各个中间冷却器的制冷剂液面正常控制难度增大，使润滑油迸入蒸发器的机会大，另外在工程中坯应采取相应的措施来保证中间冷却器正访工作，防止制冷压缩机湿冲程产生。,干冰的制取,*,50,weisean,生产干冰的高压流程是按三级压缩制冷循环工作的。其原系统图如图所示。在这循环中，CO2既是原料气，又是制冷剂、系统按开式循环工柞。当干冰的生产量力G（kg h ）时。每小时需
28、补充同样量二氧化碳原料气.,二氧化碳经过三级压缩，不仅冷凝压力较高,（例如当冷凝温度30时，需压缩到7190kPa）而且排气温度较高。使用了中间水冷却.高压二氧化碳液体也是采用分级节流，每次节流产生的二氧化碳蒸气，分途进入压缩机的各级气缸中被继续压缩，所不同的是，二氧化碳液体经未纸节流后，系进入干冰模中，变为气固两相混合物，固体集存起来，即是干冰。作为产品输出、补充的原料气系迸入压缩机低压级气缸中。 在干冰生产中为了降低二氧化碳冷凝压力以减少压缩机的级数，就用氨或氟利昂制冷机使二氧化碳冷凝。这就是生产干冰的复叠式循环,*,52,weisean,生产干冰的复叠式制冷机原理,本次课程结束,望主动学习！,
