《制冷设备专业资料》1.3制冷循环

2017年4月4日18:01:19 评论 17,046 3000字阅读10分0秒

1.3制冷循环

1.3.1 蒸气压缩式制冷循环

蒸气压缩式制冷循环,根据实际应用有单级、多级、复叠式制冷循环之分。

1.3.1.1 单级蒸气压缩式制冷循环

在各种蒸气压缩式制冷机中,单级压缩制冷机应用最广泛,且是构成其它蒸气压缩式制冷机的基础,根据不完全统计,全世界单级蒸气压缩式制冷机的数量占制冷机总数的75%以上。

单级蒸气压缩式制冷循环,是指制冷剂在一次循环中只经过一次压缩,最低蒸发温度可达-40℃ ~ -30℃。单级蒸气压缩式制冷循环系统如图1-3所示,主要由四大部件构成,即压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器,用不同直径的管道把它们串接成一个封闭的循环回路,在系统回路中装入制冷剂,就形成一个能使制冷剂循环流动的封闭系统。

 

 

在实际的制冷装置中,为提高设备运行的经济性和安全可靠性,除了四个基本部件外,还增加了许多辅助设备,如气液分离器、油分离器、储液器、级油器、空气分离器、中间冷却器等,还有压力表、温度计、截止阀、安全阀、液位计和自动控制仪器、仪表等。这些设备和仪器、仪表的有机组合,就构成了完整的实际的制冷系统。

 

综合考虑各种因素的影响,可得到单级蒸气压缩实际制冷循环的压焓图,如图1-4所示。图中,4’-1表示制冷剂在蒸发器气化和压降过程;1-1’表示制冷剂蒸气的过热(有益或有害)和压降过程;1’-2’s表示制冷剂蒸气在制冷压缩机内实际的非等熵压缩过程;2’s-2s表示制冷压缩机压缩后的制冷剂蒸气经过排气阀的压降过程;2s-3表示制冷剂蒸气经过排气管进入冷凝器的冷却、冷凝和压降过程;3-3’表示制冷剂液体的过程和压降过程;3’-4’表示制冷剂液体的非绝热节流过程。图中1-2-3-4-1为单级蒸气压缩理论制冷循环过程。

1.3.1.2 双级蒸气压缩与复叠式制冷循环

对于单级压缩制冷循环,其压力比不易过大,对于氨压缩机,压力比≤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。

(1) 双级蒸气压缩式制冷循环基本类型

双级蒸气压缩制冷循环是将从蒸发器来的压力为p0的制冷剂蒸气先用低压压缩机(或压缩机的低压级)压缩到中间压力p m,再用高压压缩机(或压缩机的高压级)压缩到冷凝压力pk。双级压缩间大多采用中间冷却,冷却的程度有完全冷却和不完全冷却两种。所谓完全冷却,是指将低压压缩机的排气冷却到干饱和蒸气状态;不完全冷却指没有冷却到干饱和蒸气状态,只是一定程度的降低了低压压缩机排气的过热度。而节流过程有一级节流和二级节流两种,双级蒸气压缩制冷循环的不同流程图及特点见表1-11。

双级蒸气压缩可以有两台压缩机完成,组成的系统称为两机双级系统(又称配主式双级系统),其中一台为低压级压缩机,另一台为高压级压缩机;也可以有一台压缩机完成,组成的系统为单机双级系统,其中部分气缸作为高压缸,其余气缸作为低压缸。

(2) 复叠式制冷循环

当需要-70℃、-80℃以下的蒸发温度时,往往采用中温制冷剂的双级或多级蒸气压缩式制冷循环也不能满足要求。这时就需采用复叠式制冷循环。

复叠式制冷循环是由两种或两种以上不同的制冷剂,采用两个或两个以上的单级(也可以是双级)制冷系统组合而成,如图1-5所示。

在这两个制冷系统中使用两种热力性质不同的制冷剂,即在高温系统中通常使用中温制冷剂如R22等,在低温系统中一般使用低温制冷剂如R13、R14等。高温部分和低温部分都是一个完整的使用单一制冷剂的单级或双级蒸气压缩式制冷循环,高温系统的蒸发器就是低温系统的冷凝器,高温系统和低温系统就是通过它联系起来的,一般称它为冷凝蒸发器。只有低温系统的蒸发器才制取冷量,即吸收被冷却物质的热量,高温系统中的制冷剂再将热量传给环境介质(空气或水)。

复叠式制冷循环不仅可以采用不同的制冷剂,还可以采用不同的制冷方法,例如低温部分用蒸气压缩式制冷循环,而高温部分用吸收式制冷循环

1.3.2吸收式制冷循环

1.3.2.1吸收式制冷工作原理

吸收式制冷循环属于相变制冷范畴,与蒸气压缩式制冷循环一样均是依靠制冷剂相变吸热制冷,在吸收式制冷循环中仍有蒸发器、冷凝器和节流元件(膨胀阀)三大件,不同的是用一些能利用热能的设备替代了蒸气压缩式制冷循环中的制冷压缩机。即前者以消耗机械功为代价,后者以热能为动力。

类似于单级蒸气压缩式制冷循环系统,吸收式制冷也应该形成循环,被吸收剂吸收的制冷蒸气应该能被释放出来去冷凝、节流,然后蒸发,形成一个完整的制冷剂循环。而能让吸收剂释放出制冷剂的最简便的方法就是加热,热能即通过这种途径进入吸收式制冷循环,如图1-6所示。

图1-6中吸收器与蒸发器进行配合,吸收器内吸收剂浓溶液在低压下强烈吸收蒸发器内吸热蒸发的制冷剂蒸气,维持蒸发器内低压、低温,保持连续的制冷。发生器与冷凝器进行配合,发生器内吸收剂稀溶液在加热条件下释放出制冷剂蒸气。从单级蒸气压缩式制冷循环可知,液体饱和时,饱和压力与饱和温度一一对应,饱和压力高对应的饱和温度就高。因此,必须提高发生器内溶液的饱和压力,使发生器内加热释放出来的制冷剂蒸气能够达到较高的温度,能够在冷凝器内被环境冷却介质(空气、水)冷凝成制冷剂液体。在吸收式制冷循环中利用液泵加压提高进入发生器内吸收剂稀溶液的饱和压力。溶液泵在此即起到压缩机的第二作用——加压,同时又将吸收器内吸收完毕的二元溶液输送至发生器。

在制冷剂完成循环的同时,吸收剂也需要循环。把发生器中释放出制冷剂蒸气而发生完毕的吸收剂浓溶液降压后送往吸收器,即可完成吸收剂的循环。但在循环中有一些内部能量可以利用,离开发生器的浓溶液的温度较高,而离开吸收器的稀溶液的温度却相当低,浓溶液在未被冷却到与吸收器压力相对应的温度前不可吸收水蒸气,而稀溶液又必须加热到与发生器压力相对应的饱和温度才开始沸腾。因此通过一台溶液交换器,使浓溶液和稀溶液在各自进入吸收器和发生器之前彼此进行热量交换,使稀溶液温度升高,浓溶液温度下降,从而达到各自的目的。这将充分的利用系统内部的能量,提高系统效率,如图1-7所示。

1.3.2.2吸收式制冷循环

(1) 蒸发过程

低温低压的液体制冷剂从蒸发器以气化潜热方式吸收被冷却物热量后,变成低温低压的制冷剂蒸气。

(2) 吸收过程

为了维持一定的蒸发温度,制冷剂蒸气必须不断的从蒸发器引出,从蒸发器出来的制冷剂蒸气被溶质吸收,在此过程中,由于制冷剂由气态变为液态,将释放出大量的气化潜热,而溶液由于吸收了制冷剂,则溶液的质量分数降低,由浓溶液变为稀溶液。

(3) 发生过程

溶液由于受热源的加热升温,产生出制冷剂蒸气,同时将溶液浓缩。在发生器中稀溶液释放制冷剂蒸气而变成浓溶液的程度常用放气范围表示,即发生器出口溶液的溶质的质量分数与进入发生器溶液的溶质的质量分数之差。

(4) 冷凝过程

从发生器蒸发出的高温高压制冷剂蒸气,进入冷凝器后受到冷却物(如冷却水)的冷却而变为液体。放气范围越大,制冷机效率越高。但它受到蒸发压力、冷凝压力、溶液结晶等条件的限制。

(5) 节流过程

从冷凝器出来的制冷剂液体经过节流阀减压到蒸发压力。节流后的制冷剂温度也下降到蒸发温度,并产生部分制冷剂液体气化为闪发蒸气。节流后的气液混合物进入蒸发器中进行蒸发过程。

(6) 稀溶液升压过程

稀溶液通过溶液泵加压后送入发生器。

(7) 浓溶液减压过程

浓溶液通过节流阀减压后送入吸收器。

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