制冷剂-载冷剂PPT课件

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3制冷剂、载冷剂与贮冷剂制冷剂是制冷系统中传递能量、实现循环的工作介质，简称工质。除热电制冷器外，其余各种制冷机都需要使用制冷剂。在本章的讨论中，以蒸气压缩式制冷机所使用的制冷剂为主。3.1制冷剂概述3.2制冷剂对环境的影响3.3制冷剂的热物理性质3.4制冷剂的化学性质与实用性质3.5混合制冷剂3.6常用制冷剂3.7载冷剂3.8贮冷剂3.9与制冷剂相配合的润滑油简介1.

13.1制冷剂概述3.1.1制冷剂的选用原则3.1.2制冷剂代号与种类3.1.3制冷剂基本性质3.1.4按标准沸点分类2.

23.1.1制冷剂的选用原则在蒸气压缩式制冷机中，对制冷剂共性要求主要有以下几点。1)应是环境可接受物质，即应对环境无破坏作用或破坏作用轻微。2)临界温度要高　　由于临界温度是制冷剂可以加压液化的最高温度，临界温度低的制冷剂在常温或普通低温下有可能不会液化，此时将需要温度很低的冷却介质；且由于当制冷剂在节流前的温度接近临界温度时，制冷剂的气化潜热很小，节流损失就会很大，循环的经济性将很差；因此希望制冷剂的临界温度比环境温度高的多。3)有合适的饱和蒸气压　　希望在使用条件下蒸发压力最好不低于大气压，以避免空气漏入制冷系统内部；还希望冷凝压力不太高，通常应低于2.5MPa，以免压缩机和冷凝器等设备过于庞大；同时冷凝压力与蒸发压力之比不过大，以免压缩终温过高，压缩机的输气系数过低；冷凝压力与蒸发压力之差也希望尽可能的小，以降低对压缩机强度的要求。4)化学稳定性和热稳定性好　　不燃烧、不爆炸、无毒；不腐蚀常用工程材料、与润滑油不起化学反应；在使用温度下不分解、不变性。3.

35)凝固温度要低　　以免制冷剂在蒸发温度下凝固。6)粘度和密度要小　　目的是减小制冷剂的流动阻力。7)导热系数要高　　这样可提高换热器的传热系数，减小传热面积，降低材料消耗。8)绝热指数要小　　可使压缩过程耗功减少，降低压缩终温。9)液体比热要小　　这样在节流时液体降温放出的热量少，节流产生的闪发蒸气量小，节流损失较小。10)气化潜热要大　　可获得较大的单位制冷量，同时节流后的干度较小。11)价廉易得。4.

4除了以上共同要求以外，不同型式的制冷系统和制冷压缩机对制冷剂还有一些特定要求。1)离心式压缩机要求制冷剂的分子量要大，以提高级压比，减少级数。2)制冷量在200W以下的制冷机要求制冷剂的单位容积制冷量要小，以免压缩机的尺寸过小，加工困难；制冷量于1000W的制冷机要求制冷剂的单位容积制冷量要大，以减小压缩机的尺寸和制冷剂容积流量。3)小型制冷系统要求制冷剂与润滑油能相互溶解，以便利用回气夹带回油，简化系统。4)全封闭和半封闭式制冷压缩机要求制冷剂电绝缘性能好。完全满足上述各种要求的制冷剂并不存在，各种制冷剂都是某些方面较优，而另一些方面不足。应根据工程实际要求，在满足特定要求的前提下，权衡取舍，找出最佳方案。5.

53.1.2制冷剂代号与种类工业中可用的每种制冷剂均有唯一的、国际统一的代号，代号与种类是相关的。制冷剂的代号和编号规则通用美国采暖制冷空调工程师协会标准ASHRAEStandard34─67的规定，此规定已被国际标准ISO817─1974和中国国家标准GB7778─87所采用。这些标准规定了单一制冷剂和混合制冷剂的国际通用代号。6.

63.1.3制冷剂基本性质制冷剂基本性质有：分子式、分子量、标准沸点ts(℃)、凝固温度tb(℃)、临界温度tc(℃)、临界压力pc(MPa)、临界比体积vc(m3/kg)、绝热指数k(101.1kPa)如为混合制冷剂，其基本性质还有：组成、质量成分、温度滑移(℃)7.

73.1.4按标准沸点分类在工程习惯上，对制冷剂常按标准沸点分成高温用、中温用和低温用三类。标准沸点在0℃以上的称为高温制冷剂，标准沸点在-46℃以上的称为中温制冷剂，标准沸点在-46℃以下的称为低温制冷剂。8.

83.2制冷剂对环境的影响自1974年，莫林纳(M.J.Molina)和罗兰(F.S.Rowland)提出此问题以来，大量的研究和大气实测数据表明，臭氧问题已经非常严重。目前臭氧问题与温室效应、雨并列为全球性三大环境问题。3.2.1消耗臭氧物质对环境的破坏作用3.2.2对臭氧作用的评价指标3.2.3根据环保观点的命名9.

93.2.1消耗臭氧物质对环境的破坏作用大部分卤代烃类制冷剂都含有氯或溴。这类制冷剂热力性能良好、毒性低或无毒、有数十年应用经验、技术成熟；但由于其中含氯或溴，会给大气环境造成很大破坏。这类物质称为消耗臭氧物质。大气中的O3主要分布在平流层的中部，距地面25～40km处，浓度约10-5。在自然平衡的条件下，大气中O3的生成速率与分解速率是平衡的，O3的浓度主要与太阳活动及季节有关。每年秋季开始下降，冬末春初浓度最低；每年春季开始上升，夏末秋初浓度较高。太阳辐射中的包含的波长为0.20～0.28μm的α紫外线和波长为0.28～0.32μm的β紫外线对地球生物有强烈的杀伤作用，而平流层中O3吸收的吸收带恰在这二个波段，从而阻止这二个波段的紫外线到达地面。10.

10含有氯或溴的消耗臭氧物质一经排放到大气层，会逐步上升到平流层。在那里，紫外线的辐射会将其中的氯和溴分解出来，形成氯离子或溴离子。以氯为例，氯离子与O3作用后，会将O3中的一个氧夺走，使臭氧成为氧，即：Cl＋O3→ClO＋O2从而丧失了对α、β紫外线的吸收能力。而生成的氧化氯极不稳定，又能与大气中的游离氧相互作用，重新生成氯离子和氧分子：ClO＋O→Cl＋O2这样的循环链式反应使得Cl不断地与O3起作用，一个Cl可以破坏近105个O3分子，导致O3的分解速率远大于合成速率，致使大气中的O3不断减少。由于O3浓度的下降，到达地面的紫外线，特别是β紫外线将显著增加。至1995年，高纬度地区上空O3浓度已下降了50％以上。除消耗臭氧以外，消耗臭氧物质还会造成温室效应。11.

113.2.2对臭氧作用的评价指标为了评价各种物质对大气中臭氧的作用，主要应用以下指标。1)相对臭氧耗损潜能ODP：ODP是OzoneDepletionPotential的缩写，为一相对值，以R11的ODP=1。ODP表述了物质对O3的破坏能力，从环保角度看ODP越小越好。2)温室效应潜能GWP：GWP是GlobalWarmingPotential的缩写，也为一相对值，以R11的GWP=1。GWP表述了物质对温室效应的影响能力，从环保角度看GWP越小越好。3)大气寿命：指在大气中稳定存在的时间。大气寿命越短，对环保越有利。12.

123.2.3根据环保观点的命名根据对臭氧层的作用，美国杜邦公司首先提出了卤代烃类物质新的命名方法，并已为全世界所接受。1)CFCCFC表示全卤化氯(溴)氟化烃类物质。这类物质不含氢原子，对臭氧的破坏作用和温室作用均很强、化学性质稳定、大气寿命长。目前排放到大气中的消耗臭氧物质多为此类，常用的制冷剂也多属此类。已经排放到大气层中的CFC对环境造成的破坏，可能要数百年才能消除，也可能是不可逆损害。这类物质作为制冷剂使用已经被禁止了。2)HCFCHCFC表示含氢的氯氟化烃类物质。这类物质对臭氧的破坏作用和温室作用均较CFC类物质弱，由于含氢，化学性质不如CFC类物质稳定，因此大气寿命也缩短了。这类物质虽然对环境的破坏较CFC类小，但如长期大量向大气中排放，也将产生严重后果。这类物质目前可以作为短期过渡制冷剂使用。3)HFCHFC表示含氢无氯的氟化烃类物质。这类物质由于不含氯和溴，对臭氧不产生破坏作用，温室作用也较弱。且由于含氢，大气寿命较短。这类物质虽然对环境的破坏较小，但因其不是自然界中存在的物质，如长期大量向大气中排放，也许会产生意想不到的后果。这类物质可以作为长期过渡制冷剂使用。13.

133.3制冷剂的热物理性质制冷剂的热物理性质是制冷剂最重要的性质，是进行制冷循环和换热计算时必不可少的基本参数。3.3.1制冷剂常用热力学性质表与图3.3.2基本热力性质3.3.3热物性参数的计算3.3.4其他热物理性质14.

143.3.1制冷剂常用热力学性质表与图制冷剂的热力学性质可以通过热力学参数之间的关系去描述。这些关系通常表示成两种形式。第一种是基于实验的热力性质表与图；第二种是以少数实验点为基础的参数关系式。用参数关系式计算出数值后，也可列成表或作图，目前绝大部分图表均是这样得出的。制冷剂最常用的热力性质表是饱和液体及蒸气表、过热蒸气表，最常用的热力性质图是lgp-h图。由于制冷剂的焓和熵是相对数值，在使用热力性质表和图时，应注意焓和熵的基准问题，不同单位制的图表有不同的基准，不是同一套的图表也可能用不同的基准。不同的图表在同一压力和温度下的焓和熵值不同，但任意两个状态焓和熵的差值相同。在制冷计算中，各计算值实际上均以焓和熵的差值表示，并不要求绝对数值。因此，在工程设计中，应尽可能的使用同一套图表，如需多套图表联合使用，应注意修正基准值。15.

15在国际单位制图表中，以0℃的饱和液体为基准点，基准点的焓和熵值为基准值，其数值为：hl0=200.00kJ/kgsl0=1.000kJ/(kgK)在工程单位制的图表中，仍以0℃的饱和液体为基准点，而焓和熵的基准值成为：hl0=100.00kcal/kgsl0=1.000kcal/(kgK)在英制图表中，以-40℃的饱和液体为基准点，焓和熵的基准值为：hl0=0.00BTU/lbsl0=0.00BTU/(lbF)16.

163.3.2基本热力性质制冷剂的热力性质包括标准沸点、临界温度、压缩性系数、特鲁顿数等。标准沸点Ts指在标准大气压(101325Pa)下的蒸发温度，通常称为沸点。标准沸点与工质分子组成情况有关。临界温度Tcr是指物质不可能加压液化的最低温度。当温度在临界温度以上，无论压力为多少，也不可能使气体物质液化。物质的临界温度与标准沸点有一定联系，对于大多数物质有：Ts/Tcr≈0.617.

17压缩性系数Z又称压缩因子。对于制冷剂过热蒸气，如引入压缩性系数，则状态方程可表示为：pv=ZRT于是压缩性系数为：式中：p─压力(kPa)；v─实际比容(m3/kg)；R─气体常数(kJ/kgK)；T─温度(K)；vid─理想气体比容(m3/kg)。实际气体分子之间存在着范德瓦尔斯力，包括永久偶极矩之间的作用力静电力(Keesombforce)，在永久偶极矩与被诱导偶极矩之间的相互作用的诱导力(Debyeforce)，被诱导偶极矩之间的相互作用的色散力(Londonforce)，使得实际气体的比容较理想气体要小。在工程设计中，压缩因子可用查图法得出，也可用近似计算的方法得出。18.

18估算气体的压缩因子，可用Redlich─Kwong方法通过迭代求出：a'=0.4278Tcr2.5/(pcrT2.5)b'=0.0867Tcr/(pcrT)h=b'p/Z大多数物质在低沸点下气化时，其摩尔熵增的数值大约相等，即：ΔSm=Mrs/Ts≈76～88≈const这个数值称为特鲁顿数，此规律适用于沸点在170K以上，分子无缔合作用的物质19.

193.3.3热物性参数的计算在计算制冷循环时，需首先知道制冷剂的热力参数。采用计算机计算制冷剂的热力参数，可缩短循环和系统热力计算的时间，并可实现制冷系统的计算机模拟和优化。欲计算某种制冷剂的热力参数，需先知道临界点参数和至少一个实验点的参数，并需要四个基本方程，即比热容方程、液体密度方程、饱和蒸气压方程和状态方程。如在饱和态下已知t，在过热态下已知p、t的情况下，则v、r、h、s等参数均可计算得出。应用计算方法得出制冷剂的热物性参数，在目前已经越来越多的被采用。在这里，我们主要介绍方法和思路，所介绍的方法为国际制冷学会(IIR)和美国采暖、制冷、空调工程师协会(ASHRAE)在计算传统的卤代烃制冷剂时所推荐的方法。20.

20比热容方程由于计算制冷剂热力参数时只需知道理想气体的比热容CP0，所以计算式型式较简单，可按下式计算：CP0=CP1＋CP2T＋CP3T2＋CP4T3＋CP5T-121.

21状态方程(1)计算制冷剂时，最常用的状态方程为马丁─候(MH)方程、索阿夫─瑞里奇─邝(SRK)方程和BWR方程。MH方程有三种形式、MH-55、MH-59和MH-81其中MH-59被IIR选为卤代烃制冷剂热力性质计算用的方程。22.

22状态方程(2)MH-59为：式中：Tr─对比温度，Tr=T/Tcr；R─气体常数。其他各个常数随制冷剂的不同而不同，由该制冷剂的三个临界参数Tcr、pcr、vcr以及一对饱和蒸气参数Ts、ps的实测值计算确定。23.

23状态方程(3)在计算轻烃、非极性分子、轻极性分子制冷剂时，具有8个系数的Benedict--Webb-Rubin(BWR)方程有较高的准确度。当ρ＜1.80ρcr时，计算这些气体压力的平均偏差为0.35％，最大偏差为1.75％。BWR方程适用的制冷剂有N2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C4H8、n-C4H10和i-C4H10等，其形式为：24.

24饱和液体密度方程和饱和蒸气压方程饱和液体密度可按下式计算：ρl=Al＋Bl(1-Tr)1/3＋Cl(1-Tr)2/3＋Dl(1-Tr)＋El(1-Tr)4/3(kg/m3)制冷剂的饱和蒸气压可按以下方程计算：lnps=Av＋Bv/T＋CvT＋DvT2＋Ev(Fv-T)ln(Fv-T)/T25.

25潜热的计算由工程热力学知，潜热可表示为：r=T(vv-vl)dp/dT对饱和蒸气压方程求dp/dl有：于是：式中的vv为饱和蒸气比容，由饱和蒸气压方程与状态方程求出，此时最好将状态方程改写成v=f(p、T)的显形式。vl为饱和液体的比容，由饱和液体密度方程求出。26.

26焓由工程热力学知，由于：作变换：vdp=d(pv)-pdv于是：上式中的最后一项与状态方程有关，不同的状态方程有不同的表达式。27.

27当状态方程为MH方程时，焓值为：28.

28熵由工程热力学知：所以：当状态方程为MH方程时，熵值为：29.

29绝热指数求出焓值后，定压比热可由定义式求出：定容比热为：Cv=CP-R于是，绝热指数为：k=Cp/Cv=Cp/CP-R30.

303.3.4其他热物理性质在制冷换热器计算时，还需要知道制冷剂的其他一些热物理性质，这些热物理参数主要有粘度、导热系数、导温系数和普朗特数等。粘度是相邻两层流体之间存在相对运动时，内部摩擦力的度量。粘度的大小与流体的种类(分子间力)、温度与压力有关。粘度有动力粘度μ(PaS)和运动粘度ν(m2/s)两种表示方法，两者的关系为：μ=νρ粘度的数值一般由实验测定。在研究新工质时，也可以应用由实验整理出的方程式。大气压下制冷剂蒸气的粘度可表示为：lnμt=lnμtcr＋Dμφ(Tr)式中：lnμtcr=-21.53＋ln[pcr2/3/(R1/2Tcr1/6)]Dμ=1.1(R717)或0.9(卤代烃类)φ(Tr)=-lnTr＋[(Tr-1)/Tr]2[(Tr-1)/(Tr-lnTr){1-[(Tr-1)/Tr]4/10}/2饱和线上的粘度可用如下关系式表示：lnμl=lnμcr＋pμlφ(Tr)＋qμl[φ(Tr)]1/3lnμg=lnμcr＋pμgφ(Tr)＋qμg[φ(Tr)]1/3且有：lnμl＋lnμg=lnμcr＋Cμφ(Tr)31.

31制冷剂蒸气的导热系数较小，随温度升高而增大。制冷剂液体的导热系数比蒸气通常要大一个数量级，随温度升高而降低，且压力的影响很小。制冷剂导热系数的计算方法适用于缺乏实验数据的场合。制冷剂蒸气导热系数的计算式为：lnλt=lnλtcr＋Dλφ(Tr)式中：lnλtcr=-14.03＋ln[pcr2/3/(R1/2Tcr1/6)]＋0.91[lnCv0/R)]crDμ─系数，见表3-11。饱和线上的导热系数可用如下关系式表示：lnλl=lnλcr＋pλlφ(Tr)＋qλl[φ(Tr)]1/3lnλg=lnλcr＋pλgφ(Tr)＋qλg[φ(Tr)]1/332.

32表面张力是作用于液体表面使液体表面收缩的力，其来源是液体表面分子与空气或其自身蒸气的作用力小于液体内部分子的作用力。表面张力用σ表示，单位为N/m。表面张力的大小主要取决于液体的种类和温度，而与液体上方气体种类的关系甚小。在缺乏实验数据时，制冷剂的表面张力可按下式计算：σ={[P](ρl-ρg)/M}4式中：[P]─等张比容，当Tr=0.9～0.95时，[P]=Σδi。δi与制冷剂中所含的元素有关，对于制冷剂中所含的H、F、Cl、Br，δi的数值分别为：δH=15.7δF=24.8δCl=53.0δBr=67.0在三相点至Tr＜0.85的范围内，表面张力也可表示为：σ=(aσ-bσt)/1000导温系数：α=λ/(Cpρ)普朗特数：Pr=ν/α33.

333.4制冷剂的化学性质与实用性质在选择制冷剂时必须考虑制冷剂的化学性质和实用性质，有时这些因素会是选择制冷剂的主要依据。3.4.1制冷剂的相对安全性3.4.2制冷剂的热稳定性3.4.3制冷剂的化学稳定性3.4.4制冷剂的电绝缘性质3.4.5溶解作用3.4.6制冷剂的泄漏判断34.

343.4.1制冷剂的相对安全性制冷剂的安全性能对使用者和公共安全至关重要，制冷剂的毒性、燃烧性和爆炸性是评价制冷剂安全程度的主要指标。大部分工业化国家和地区，如欧、北美等均规定了最低安全程度的标准。35.

35毒性美国国家标准ANSI/ASHRAE34-1997将制冷剂的毒性根据其允许暴露量划分为两个等级。A类为根据确定时间加权平均阈限值(TLV-TWA)或类似指标所用的数据，在容积浓度小于或等于400ppm时，未发现该制冷剂有毒性。B类为根据确定时间加权平均阈限值(TLV-TWA)或类似指标所用的数据，在容积浓度小于或等于400ppm时，发现该制冷剂有毒性。时间加权平均阈限值(TLV-TWA)指根据8小时工作日和40小时工作周的时间加权平均浓度，几乎全部工人可以重复地日复一日地暴露在这种状态下而无不良反应。美国保险商实验室(UL)根据豚鼠在制冷剂作用下造成损害的时间来划分毒性等级，将毒性划分为六个基本等级，从1～6毒性递减；相邻两个等级之间还用a、b、c作了细分，参见表3-12。ANSI/ASHRAE34─1997对制冷剂毒性划分A、B两个基本等级。36.

36燃烧性和爆炸性美国国家标准ANSI/ASHRAE34-1997将制冷剂的燃烧性分成三类。1类为在101kPa和18℃的空气中试验时，该制冷剂未显示火焰蔓廷。2类制冷剂的燃烧性下限在101kPa和21℃时高于0.10kg/m3且燃烧热小于19kJ/kg。3类制冷剂的特点是燃烧性好，在101kPa和21℃时，燃烧性下限小于或等于0.10kg/m3或燃烧热大于或等于19kJ/kg。制冷剂的燃烧性和爆炸性以如下几个指标来评价。a)燃点　　指制冷剂蒸气与空气混合后能产生闪火并继续燃烧的最低温度。b)爆炸极限　　有两种表示方法，一种是指制冷剂蒸气在空气中能产生爆炸的容积浓度范围，另一种是指制冷剂蒸气在空气中能产生爆炸的质量含量范围。c)最大爆炸压力　　指制冷剂蒸气与空气的混合物，当爆炸前压力为1bar，爆炸后可产生的最大压力。d)达到最大压力所需时间　　指从爆炸开始到最大压力所经历的时间。37.

3738.

383.4.2制冷剂的热稳定性制冷剂热稳定性最重要的性能指标是热分解温度与最高使用温度。热分解温度是制冷剂的在热作用下开始产生分解的温度，部分制冷剂的热分解温度见下表最高使用温度是制冷剂在与润滑油共存的环境中，在有金属存在的条件下，能够长期稳定工作的温度。最高使用温度限制了压缩机的排气温度。部分制冷剂的最高使用温度tamax见下表代号所处条件分解温度分解产物R12与铁、铜等金属接触410～430H2、F、光气R22与铁接触550H2、F、光气R717250N2、H2代号tamax代号tamax代号tamax代号tamaxR11105R22150R502150R12130R113105R134a130R13150R114120R71715039.

393.4.3制冷剂的化学稳定性在正常的使用条件下，制冷剂一般是化学稳定的。但如存在特定催化剂，制冷剂会产生水解或分解。在使用条件下，制冷剂也会与某些金属或非金属相互作用。40.

40制冷剂与金属材料的相互作用烃类与一般金属无相互作用。纯氨对钢无腐蚀作用。纯氨对铝、铜及铜合金有不强的腐蚀作用，但已超出材料的许用范围。在含水的情况下，氨对铜以及除磷青铜外的铜合金有强烈的腐蚀作用。大部分卤代烃对镁及含镁超过2％的铝镁合金有腐蚀作用。当含有水时，卤代烃会水解成酸性物质，对金属有腐蚀作用，且此时与油的混合物能溶解铜。卤代烃与某些材料接触时会分解，依催化作用由强至弱排列依次为：银、锌、青铜、铝、铜、镍铬不锈钢、镍铁合金、铬。R30(二氯甲烷)与铝接触会分解生成易燃气体并会发生剧烈爆炸，故而R30系统中严禁使用铝。41.

41制冷剂与非金属材料的作用卤代烃对天然橡胶和树脂有很强的溶解作用，对绝大部分塑料、合成橡胶和树脂有极强的膨润作用，即使塑料、合成橡胶和树脂变软、膨胀、最后起泡破坏。因此，与卤代烃接触的密封和绝缘材料应采用耐氟材料，如氯丁橡胶、丁腈橡胶、尼龙、聚四氟乙烯、改性缩醛绝缘漆等。大部分烃类制冷剂对非金属材料的作用与卤代烃相似，但远弱的多，有时可以不予考虑。42.

423.4.4制冷剂的电绝缘性质在全封闭与半封闭压缩机中，因制冷剂与电机线圈相接触，故要求制冷剂有良好的电绝缘性能。电绝缘性能通常用以下两个衡量指标。电击穿强度表示物质抗电击穿的能力。在实验时是把彼此有一定距离(通常是1cm)的两个电极置于气态或液态制冷剂中，并在电极上加一电压并逐步升高，当极间刚刚开始击穿放电时，极间电压值除以极间距离值即为电击穿强度，常用单位为kV/cm。部分制冷剂气体在100kPa、0℃条件下以及部分制冷剂液体的电击穿强度见表3-16。电阻率为边长为制冷剂在1cm的立方体相向面间的电阻，电导率为其倒数，常用单位为1/(Ωcm)。需注意的是，微量杂质(如灰尘、金属屑粉)的存在、含水、或在真空条件下，均会使制冷剂电击穿强度显著下降,电导率显著上升。43.

433.4.5溶解作用与制冷剂有关的溶解性能指溶水性与溶油性。在大多数压缩机中，制冷剂与润滑油的相互接触是不可避免的，压缩机的排气中也不可避免的会夹带有润滑油。为了使带入系统的润滑油返回压缩机，制冷系统必须考虑回油问题。制冷剂与润滑油相互溶解的程度不同，系统采用的回油方式也应不同。如制冷剂与润滑油相互溶解，则在冷凝器或贮液器中，润滑油与制冷剂不能分离。在这种情况下，可采用夹带回油，即采用较高的回气流速将润滑油从蒸发器夹带回压缩机。如制冷剂与润滑油相互不溶解，进入冷凝器或贮液器中的润滑油必须分离出来。否则，如润滑油进入节流机构，有可能凝固在节流机构中，形成“油堵”。在这种情况下，系统中必须设有油分离器，采用分离回油。制冷剂的溶油性对换热器的性能有相当影响。当制冷剂在蒸发器中含有润滑油且与润滑油相互溶解，通常会增强换热作用。当制冷剂与润滑油相互不溶解，润滑油会在换热器中形成油膜，增大换热热阻。44.

44制冷剂与润滑油相互溶解，会使润滑油稀释，改变润滑特性。因此，如制冷剂与润滑油能相互溶解，则需使用粘度较大的润滑油，使其稀释后的粘度符合润滑要求。　　制冷剂的溶油性也将影响压缩机的启动控制方式，如制冷剂与润滑油能相互溶解，且压缩机壳体内为制冷剂低压气体，则启动时应先加热润滑油，释放出制冷剂。以避免在启动时，由于压力的降低溶解度减小，大量的油形成泡沫，充满壳体，一方面使在压缩机壳体下部起润滑作用的润滑油量不足，另一方面会使液体进入压缩腔造成液击。如制冷剂与润滑油相互不溶解，或压缩机壳体内为制冷剂高压气体，则无此问题。制冷剂与润滑油溶解度主要取决于制冷剂的种类和润滑油的种类，与矿物润滑油及烷基苯润滑油几乎不互溶的制冷剂有：R717、R744、R13、R134a、R404a、R507等；与矿物润滑油及烷基苯润滑油部分互溶的制冷剂有：R22、R114、R152、R502等；与矿物润滑油及烷基苯润滑油完全互溶的制冷剂有：R11、R12、R21、R113、R500等。与脂类润滑油互溶的制冷剂有：R134a、R404a、R507等。45.

45制冷剂与润滑油溶解度随温度变化而变，对大部分卤代烃制冷剂和矿物润滑油来说，存在一转变温度。在此温度之上时为完全互溶；当温度低于转变温度时为部分互溶，且溶解度随温度的降低而减小。图3-1为SUNISO3GS润滑油与R22的溶解曲线。不含Cl的卤代烃难溶于矿物润滑油或烷基苯润滑油，这类制冷剂与脂基润滑油、氨基润滑油和聚烯醇类润滑油相互溶解。这类制冷剂与脂基润滑油的溶解度常有两个转变温度，当温度高于较高的转变温度或低于较低的转变温度时为部分互溶，如介于两个转变温度之间则为完全互溶，如图3-2所示。压力对制冷剂与润滑油溶解度的影响较之温度要小的多。图3-1SUNISO3GS润滑油与R22的溶解曲线46.

46图3-2脂类润滑油与R134a的溶解度制冷剂中或多或少会含有水，而水在制冷系统所产生的作用是有害的。不同的制冷剂与水的溶解度不同。与水难于溶解的制冷剂含水时，在节流时温度降低，含水率会大于溶解度，将在节流机构中冻结凝固，形成冰堵。制冷剂含水时会发生水解，生成物具有腐蚀性，腐蚀机件并降低电绝缘性能(如含Cl的卤代烃水解后生成盐酸)。R717与低醇易溶于水，卤代烃、烷烃和烯烃等难溶于水。制冷系统中不允许有游离的水存在，因此，在系统中制冷剂最大含水量有一定限制。47.

473.4.6制冷剂的泄漏判断封闭于制冷系统中的制冷剂向系统外的泄漏越少越好，因此，对整个制冷系统需进行检漏。氨有强烈的刺激性气味，可依靠嗅觉来判断是否有泄漏。此外，还可用酚酞试纸或石蕊试纸来检漏，如有泄漏，酚酞试纸变为玫瑰红色；石蕊试纸由红色变为蓝色。卤代烃可用电子卤素检漏仪或氦质谱仪检漏。电子卤素检漏仪可检出以20℃为基准时3×10-13m3/s的泄漏量(相当于年泄漏量0.3g的R12)，高灵敏度的电子卤素检漏仪可检出10-18m3/s的泄漏量。需要注意的是，含Cl与不含Cl的卤代烃，所用电子卤素检漏仪的检测元件与内部线路不同。氦质谱仪检漏的检测更为准确，且在检测过程中卤代烃的泄漏可大为降低。48.

483.5混合制冷剂由于单一制冷剂在品种和性质上的局限性，使得制冷剂选择的范围较小，混合制冷剂会使得制冷剂选择有较大的余地。按定压下聚集态改变时热力学特性的不同，混合制冷剂有共沸和非共沸两种。3.5.1共沸混合制冷剂3.5.2非共沸混合制冷剂49.

493.5.1共沸混合制冷剂共沸混合制冷剂一般是具有最低沸点的共沸溶液，即其沸点低于其任一组分，或言在相同温度下其饱和蒸气压高于其任一组分。这意味着共沸混合制冷剂的单位容积制冷量大于其任一组分。配制共沸混合制冷剂的主要目的是调配制冷剂性质。共沸混合制冷剂的性质取决于其组分的性质。不可燃组分对溶液性质的影响是抑制了可燃性；稳定性好的组分对溶液性质的影响是增强了稳定性；溶油性好的组分对溶液性质的影响是提高了与润滑油的溶解度；分子量大的组分对溶液性质的影响是降低了压缩终温。50.

50图3-3共沸混合溶液的T─x图51.

513.5.2非共沸混合制冷剂非共沸混合制冷剂是作为制冷剂使用的非共沸溶液。非共沸溶液的T-x图如图3-4所示，其等压饱和液线与等压饱和气线构成典型的鱼形曲线。在等压下聚集态改变过程中，温度将随着聚集态的改变而发生变化。等浓度线与等压饱和液线的交点所对应的温度为溶液的泡点，等浓度线与等压饱和气线的交点所对应的温度为溶液的露点，露点与泡点之差称为溶液的沸程。而且气相浓度与液相浓度不相同，气相中易挥发组分的浓度较高，液相中难挥发组分的浓度较高。当在一高沸点组分中加入部分低沸点组分，组成的非共沸混合制冷剂可获得较之高沸点组分大的单位容积制冷量；当在一低沸点组分中加入部分高沸点组分，组成的非共沸混合制冷剂可获得较之低沸点组分高的性能系数。各组分的性质对非共沸混合制冷剂的影响与共沸混合制冷剂相同。有一些非共沸混合制冷剂的露点与泡点非常接近，称为近共沸制冷剂。由于近共沸混合制冷剂与共沸混合制冷剂的特性接近，通常用近共沸混合制冷剂作为共沸混合制冷剂的替代物使用。52.

52图3-4非共沸混合溶液的T-x图53.

533.6常用制冷剂3.6.1氨(NH3R717)3.6.2卤代烃3.6.3烷烃3.6.4常用混合制冷剂54.

543.6.1氨(NH3R717)氨是很早就开始使用的中温制冷剂，由于其饱和蒸气压适中、效率较高、价格低廉，曾经是应用最多的制冷剂。但自二十世纪五十至八十年代，氨一度几乎仅在中国使用。到了九十年代，随着环境问题的凸显，又重新开始应用氨。氨是自然界中存在的物质。氨无色，具有强烈的刺激性气味，极低浓度的氨蒸气强烈刺激人的眼睛和呼吸器官。当氨蒸气在空气中的容积浓度为0.5～0.6％时，人在其中停留30分钟即会中毒。氨液或高浓度的氨蒸气进入眼睛或接触皮肤会引起严重灼伤，人处于氨蒸气容积浓度4％以上的空气中会引起粘膜灼伤；因此，当人处于高浓度氨气氛时，五官与各泄殖口需防护；如身体的任何部位直接接触了氨液或高浓度的氨蒸气，需立即用大量清水冲洗。氨能与水以任意比例互溶，形成氨水溶液，在-50℃以上水不会柝出冻结，所以氨制冷系统不必设置干燥过滤器。但存在水时会加剧对金属的腐蚀，同时会使制冷量减小，所以氨中的含水量不得超过0.2％。氨与矿物润滑油的溶解度很小，进入换热器的润滑油会在传热表面成为油膜形成附加热阻，在系统中润滑油会积存在容器和换热器底部，需定期排出。在空气中氨的容积浓度达到11％以上时可以点燃，容积浓度为16～25％时可爆。如果系统中氨所分离的游离氢积累到一定浓度，遇空气会引起强烈爆炸。55.

55应用氨为制冷剂时，车间内氨蒸气的浓度不允许超过0.02g/l。在居民区、商业区用氨为制冷剂的制冷机，单机充注量应小于50kg，并应加设防护设施。常用的防护措施有：1)机房事故风机　　当有泄漏时，机房事故风机自动开启，将氨蒸气排出机房之外，不过机房事故风机控制装置的所有电触点均应在机房外部与氨蒸气不接触的地方；2)氨浓度探测　　当空气中氨浓度达到一定限度时发出讯号；3)防护罩　　将制冷机封入防护罩中，泄漏时集中引出；4)燃烧器　　遇泄漏时，引入燃烧器燃烧。56.

563.6.2卤代烃R22R22已经使用相当长时间了，属HCFC类，可使用至2020年。R22主要用于空调器、冷水机组等需要较大单位容积制冷量，但压缩比不高的场合。R22无色、无味、无毒、不燃不爆、使用安全。当遇明火时，R22将分解并产生剧毒的光气。R22溶水性很小，0℃时水在R22中的质量溶解度仅0.06％，系统中含水较多时将引起冰堵和镀铜现象，因此在向系统充注前R22中的质量含水量应小于2.5x10-5，如蒸发温度低于0℃，系统中应设置干燥过滤器。R22与矿物润滑油有限互溶，质量含油量15％时，转变温度约为10℃。在制冷系统的高压侧，R22与润滑油完全互溶，在低压侧，R22与润滑油有分层现象，下层为R22，上层为润滑油，应仔细考虑回油问题。R22的饱和蒸气压、单位容积制冷量也与氨接近。压缩终温比氨低，但仍属于高压缩终温的制冷剂，故用于高压比场合时，压缩机需强制冷却。R22对除镁及含镁量大于2％的铝镁合金之外的金属无腐蚀作用。对有机材料的膨润作用极强。系统中密封材料应使用氯乙醇橡胶、CH.1-30橡胶、聚四氟乙烯等，绝缘漆应采用QF改性缩醛漆、QZY聚脂亚胺漆等。57.

57R134aR134a的分子式为CH2F-CF3，气体常数R=81.4881629x10-3kJ/(kgK)。R134a属CFC类，替代R12等制冷剂用于电冰箱、汽车空调等高压缩比场合。R134a无色、无味、基本无毒、不燃不爆、使用安全。当遇明火时，R134a与R22相同将分解并产生剧毒的光气，因此有R134a的场合也严禁时火。R134a溶水性比R22小的多，因此在向系统充注前R134a中的质量含水量应小于1.5x10-5，如蒸发温度低于0℃，系统中应设置干燥过滤器。R134a与矿物润滑油不互溶，与脂基润滑油、氨基润滑油和聚烯醇润滑油互溶。在制冷系统的低压侧，R134a与润滑油完全互溶，在高压侧，R22与润滑油有分层，出现“白浊”现象，但不影响节流和回油。蒸发器通常使用干式蒸发器，制冷剂在蒸发器管内和回气管内的流速应大于最小回油流速。R134a的性质与R12接近，其饱和蒸气压比R22低，单位容积制冷量比R22小。压缩终温比R22低。属于低压缩终温的制冷剂，用于高压比场合时，压缩机不一定需强制冷却。R134a对金属和非金属的作用与R22相似，系统中密封材料应使用氯乙醇橡胶、氢化丁晴橡胶、聚四氟乙烯等。58.

583.6.3烷烃共同点烷烃类的共同点是：基本不溶于水、且与水不发生化学作用，不腐蚀金属，价廉易得，易燃易爆，与矿物润滑油互溶、使润滑油的粘度降低，能溶于醇、醚等有机溶剂中。烷烃对高分子有机材料有溶解和膨润作用，但远比卤代烃弱。这类制冷剂常作为石油化工行业制冷装置的制冷剂，既是工艺原料和产品，又是制冷剂。在使用中，应保持系统压力高于大气压，经防空气渗入引起爆炸。R170R170应用在蒸发温度-60～-90℃的场合，常用于LNG中的分凝式系统，并可作为复叠式制冷机的低温级的制冷剂。由于其分子量小，适用于容积型压缩机。59.

59R290R290应用在蒸发温度-25～-50℃的制冷系统，与R22相似。由于其分子量小，适用于容积型压缩机。R290的绝热指数较小，压缩终温较低。R290有微毒，在有氧条件下分解开始温度为460℃。R290为轻烃，易燃易爆，常用在LNG中的分凝式系统、双级和多级压缩系统、复叠式系统的高温级。系统设计应注意密封，应尽可能减少充注量。R600aR600a可用于蒸发温度-5～-25℃的制冷系统，与R12的应用范围相同。常用在单级压缩制冷系统，如电冰箱等。由于其绝热指数较小，单级压比可较大。R600a也为轻烃，易燃易爆。且由于饱和蒸气压低，蒸发压力常低于大气压力，更应注意系统的密封。既要防止空气进入系统，也要防止R600a泄漏出来。如用于家用制冷器具，充注量须不大于120g。60.

603.6.4常用混合制冷剂R404aR404a是一种近共沸混合制冷剂其组成成分为R125/R143a/R134a，质量配比为44/52/4。R404a分子量为97.6，临界温度72.1℃，临界压力3.73MPa，标准泡点为-46.5℃，可用于-60～-25℃的制冷温度范围，如低温冷库、速冻机等装置的制冷系统。R404a的冷凝压力较R22要高，约为其1.2倍。但由于绝热指数较小，压缩终温较R22低。R404a用于替代R502时，其COP约比R502低8％。R404a与酯类润滑油互溶，在60℃以下与矿物润滑油不互溶，在60℃以上与矿物润滑油部分互溶。R410aR410a是近共沸混合制冷剂，由R32与R125组成，质量配比为50/50。R410a不燃烧、不爆炸，可用于-55～＋10℃的制冷温度范围的家用制冷器具，如空调器、去湿机等。R410a的单位容积制冷量大约是R22的1.4倍，相同温度下的饱和蒸气压大约是R22的1.6倍。R410a的COP计算值较低，但由于在相同制冷量下，其容积循环量约为R22的70％，流动阻力较小，在相同的制冷系统中，应用R410a较用R22时COP反而有所提高。61.

613.7载冷剂3.7.1概述3.7.2常用载冷剂62.

623.7.1概述在制冷装置中，蒸发器向载冷剂输出冷量，载冷剂向末端设备输出冷量。使用载冷剂的优缺点在制冷装置中使用载冷剂的优点在于：可以将制冷系统集中于一处，从而简化制冷系统，便于生产和安装；使制冷系统的密封和检修较易进行，便于运行管理；减少制冷剂充注量；可减少制冷剂的泄漏；便于控制和分配制冷量。在制冷装置中使用载冷剂的缺点在于：增加了蒸发器与载冷剂、载冷剂与末端设备之间的两个传热温差；增加了载冷剂系统，使装置更复杂，造价提高。载冷剂的种类载冷剂的种类很多，凡是凝固温度低于蒸发温度、沸腾温度高于常温的物质均可作为载冷剂，常用的有以下几类。1)水和空气。2)盐水　　指各种盐类的水溶液。3)有机化合物　　通常是有机化合物的水溶液。63.

63载冷剂的选择要求选择载冷剂时应考虑以下因素。1)不污染环境　　应是环境可接受物质，最好是天然物质。2)有合适的凝固温度和沸腾温度　　凝固温度应低于蒸发温度，沸腾温度应高于可能达到的最高温度，即在使用温度范围内应保持液态。3)比热容大　　在传递一定冷量的条件下，比热容大的物质流量就小，因而可减小循环泵的功率以及管路材料消耗，提高系统的运行经济性。另一方面，当冷量和流量一定时，比热容大则温差小。4)密度小　　密度小的流体可使循环泵的功率减小。5)粘度小　　粘度小则流动阻力小。6)化学稳定性好　　载冷剂应在使用温度范围内不分解、不发生物理和化学性质的改变，不与氧起化学反应。7)不腐蚀设备和管道。8)不燃烧、不爆炸、无毒、对人体无害。9)价格低廉、易于获得。64.

643.7.2常用载冷剂水水是最常用的载冷剂，其价格低廉、传热性能好、热容量大。常用于蒸发温度高于0℃的场合，如集中空调、食品工业等。如制冷系统上加有防冻结保护机构，也可用于蒸发温度高于2℃的场合。盐水常用的为氯化钠(NaCl)、氯化钙(CaCl2)和氯化镁(MgCl2)的水溶液，其共晶温度和最低使用温度见表3-20。65.

65当盐水中盐的浓度低于共晶浓度时，随着盐水浓度的增大，起始凝结温度不断下降；当浓度高于共晶浓度时，随着盐水浓度的增大，起始凝结温度反而不断上升。盐水的比热容随浓度的增大而减小，密度随浓度的增大而增大，导热系数随浓度的增大而减小，运动粘度随浓度的增大而增大。由于以上原因，使用盐水作为载冷剂时，浓度一定要小于共晶浓度。NaCl-H2O、CaCl2-H2O和MgCl2-H2O对金属材料有腐蚀作用，在使用时溶液的PH值应调节至8.0～8.5。酸碱调节剂常用氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾KOH和HCl。在NaCl-H2O、CaCl2-H2O中添加的缓蚀剂通常是用(带有二个结晶水的)重铬酸钠(Na2Cr2O22H2O)，添加量为每m3浓度为23％的NaCl-H2O中添加3.2kg的重铬酸钠，每m3浓度为32％的CaCl2-H2O中添加2kg的重铬酸钠。如添加前盐水为中性(PH=7)，则应先调节PH值。添加缓蚀剂时，每加入1kg的重铬酸钠应加入0.27kg的氢氧化钠。配制时须注意，重铬酸钠不得接触人体。66.

66有机载冷剂常用的有机载冷剂为醇类及其水溶液。甲醇(CH3OH)的分子量M=32.042、凝固温度tb=-97.65℃、标准沸点ts=64.65℃、临界温度tcr=512.6℃。甲醇有很强的毒性，较高浓度的蒸气也会使人失明。乙醇(C2H5OH)的分子量M=46.069、凝固温度tb=-114.05℃、标准沸点ts=78.355℃、临界温度tcr=516.2℃。乙醇无毒，可食用。甲醇与乙醇均易燃爆，其比热均较小，这两种醇可完全互溶，也均可与水完全互溶。甲醇用于-90℃以上的工业及实验等用途的制冷装置，乙醇用于食品、酿酒工业的制冷装置。乙二醇(OHCH2CH2OH)的分子量M=62.07、凝固温度tb=-13℃、标准沸点ts=78.35℃。作为载冷剂使用时，乙二醇的纯度应高于99.5％。当质量浓度为46.4％时，乙二醇水溶液的凝固温度最低，凝固温度为-33℃、比热Cp=3.203kJ/kg℃。乙二醇水溶液不可以与食品直接接触，常用于低温空调、工艺冷却等场合。丙三醇(CH2OHCH2OHCH2OH)即甘油，分子量M=92.09、tb=-18.2℃、标准沸点ts=290℃。当质量浓度为70％时，丙三醇水溶液的凝固温度最低，凝固温度为-37.8℃、比热Cp=2.051kJ/kg℃。丙三醇水溶液无毒、是化妆品及药品的原料，可以与食品直接接触，常用于食品工业等场合。67.

673.8贮冷剂在间接冷却的制冷装置中，被冷却物体或被冷却空间的热量是通过中间介质传递给制冷剂的，此中间介质被称为载冷剂。3.8.1使用贮冷剂的目的3.8.2常用贮冷剂68.

683.8.1使用贮冷剂的目的贮冷剂的作用是：当制冷机工作时，制冷剂蒸发吸热使贮冷剂冻结；制冷机停止工作时，贮冷剂融化吸热，以维持被冷却物体或被冷却空间的低温。对于空调等用电设备来说，用冷高峰恰是用电高峰，用冷低谷恰是用电低谷。在空调系统中应用贮冷剂储存冷量，可使得冷源设备在用电低谷开机，获得的冷量储存起来，待用电高峰时即可将冷源设备关闭，得用储存的冷量来冷却空气。这样的蓄冷式空调系统可提高电力设备的利用率，从整体上看提高了电力系统的效率，即起到移峰节电的作用。在冰箱、冷柜、小型冷库等小型冷藏装置中使用贮冷剂，在停电时可维持食品的冻结状态，避免融化，以保持食品的品质。在正常运行时，可减小开停温差，减小温度波动，延长食品贮存寿命。也可用来延长压缩机的开停周期，来达到节电的目的。在短时间冷负荷突然增大时，还可用来弥补制冷系统制冷量的不足。在冷藏汽车、铁路机械保温车、冷藏集装箱等冷藏运输装置中，使用贮冷剂可使得车、船、箱等在行驶中不必使用制冷机制冷，避免频繁停驶，并可简化设备，缩短运输时间。也可使用贮冷剂代替加冰保温，用于保温汽车、铁路加冰保温车等冷藏运输装置中。69.

693.8.2常用贮冷剂常用的贮冷剂是冰和共晶冰。冰作为贮冷剂使用时，只能用于被冷却空间在0℃以上的食品冷却、冷却物冷藏及空调等场合，但其融熔潜热在各种贮冷剂中最大，为335kJ/kg。在空调系统中使用时，可以在蒸发盘管上连续结冰、筒状蒸发器外剥离片冰，也可制成浆状冰晶样的冰水混合物。共晶冰指共晶溶液凝固所形成的固溶体，共晶冰的最低凝固温度称为共晶温度，此时的浓度即共晶浓度。常用的共晶冰的共晶温度及融熔潜热见表3-21，表中的浓度指溶质的质量浓度，溶剂均为水。常用共晶冰的凝固温度在0℃以下，用于空调蓄冷时，会造成储冷时蒸发温度过低，降低了系统效率。研究开发共晶温度在0℃以上的共晶冰是贮冷剂的一个研究方向。在使用时共晶冰需放置于容器中，如容器为球形，该容器称为蓄冷球；如为板状，则称为共晶板，还可以是槽形蓄冷器。共晶板中还可有蒸发管，形成共晶板蒸发器。70.

7071.

713.9与制冷剂相配合的润滑油简介应用HCFC和氨等制冷剂时，所用润滑油为矿物油类的冷冻机油。国内的冷冻机油见表3-22，国外性能较好的几种润滑油见表3-23。72.

72应用HFC类制冷剂时，所用润滑油为PAG油或POE油，其中POE类性能较好。选择润滑油时应考虑润滑油的低温性能、在40℃时的粘度、与可互溶的制冷剂混合后粘度的降低、压缩机的型式、运行工况等因素。73.

734多级压缩及复叠式蒸气压缩制冷循环4.1采用多级压缩及复叠式制冷的原因4.2两级压缩制冷循环4.3两级压缩循环中间压力的确定4.4两级压缩制冷机的变工况特性4.5两级压缩制冷循环的变形4.6多级压缩制冷循环4.7复叠式制冷74.

744.1采用多级压缩及复叠式制冷的原因多级压缩与复叠式制冷是单级压缩制冷的扩展，为了获得较低的制冷温度，而发展出了多级压缩及复叠式制冷。单级压缩制冷机所能达到的最低蒸发温度主要取决于制冷剂的临界温度、冷凝压力、蒸发压力，压缩机所能达到的压缩比、排气温度等因素。4.1.1采用多级压缩制冷的原因4.1.2采用复叠式制冷的原因75.

754.1.1采用多级压缩制冷的原因要突破单级压缩制冷不可能获得较低制冷温度的限制，首先要克服的技术障碍是压缩机的压缩比不可能很大以及压缩终温过高的问题。制冷剂的冷凝温度由环境介质温度决定，冷凝温度一定时，冷凝压力就是一定的。如欲使蒸发温度降低，则蒸发压力就降低。此时压缩比π=pk/p0就增大，导致输气系统变小，压缩机效率下降，排气温度升高。由于容积式压缩机都有一定的余隙容积，当压缩比增大到一定数值以后，余隙容积中残留的气体在膨胀时会一直膨胀到压缩腔最大容积，使压缩机不能吸气。同时，在冷凝温度不变的条件下，蒸发温度的降低将使排气温度上升，有可能超过允许的排气温度。76.

76一般的开启式活塞压缩机，单级压缩比为8～13。当制冷剂为R717时，因其绝热指数较大，因此压缩比应较小，通常π≤8。对于大多数卤代烃，其绝热指数较小，故π≤10。小型半封闭和全封闭压缩机的压缩比可更大一些，可使用到π≈13。在通常的环境温度下，使用中温制冷剂、单级压缩制冷可获得＋10～-40℃的低温。为了在通常的冷凝压力下获得较低的蒸发温度，可将多台压缩机串联起来，以克服压缩比不足的困难，提高压缩机的效率。同时采用中间冷却，以消除压缩终温的限制。这样，循环成为多级压缩制冷循环。多级压缩制冷所能获得的蒸发温度为-30～-70℃，压缩的级数主要取决于每一级压缩的排气温度。如再想降低制冷温度，就要受到制冷剂的临界温度、冷凝压力、蒸发压力等因素的制约，多级压缩制冷无法解决这些问题。综上所述，当一种制冷剂可以满足冷凝压力不过高、蒸发压力不过低的要求，而压缩机的压缩比不能满足要求以及压缩终温过高时，应采用多级压缩制冷。77.

774.1.2采用复叠式制冷的原因当一种制冷剂不能满足冷凝压力不过高、蒸发压力不过低，且临界温度高于环境温度的要求时，为获得更低的制冷温度，就须采用两种或两种以上的制冷剂。当蒸发温度很低时会遇到下面的问题。如果采用饱和蒸气压力较高的制冷剂，即采用低温制冷剂，可以满足蒸发压力不过低的要求，但此时冷凝压力过高，压缩机及冷凝器非常笨重庞大；而且还有可能产生冷凝温度高于制冷剂的临界温度，使得制冷剂不能冷凝。如采用饱和压力适中的制冷剂，即采用中温制冷剂，可以满足冷凝压力不过高的要求，但此时蒸发压力过低，一方面空气渗入系统的机会增多；另一方面过低的蒸发压力会使吸入比容的过大，使压缩机的制冷量过小；当压力低于某一限度后，蒸发压力与压缩腔内压力之差将不足以打开吸气阀。例如：需冷凝温度tk=50℃、t0=-80℃、如使用中温制冷剂R22，则蒸发压力应为p0=10.5kPa，此压力不足以打开压缩机吸气阀；如采用低温制冷剂R170，则临界温度tc=32.1℃，低于冷凝温度，不可能凝结。为了解决不能达到工程要求的问题，应将两台或多台使用不同制冷剂的制冷机串联起来，构成复叠式制冷机。78.

784.2两级压缩制冷循环两级压缩制冷是将来自蒸发器的低压制冷剂蒸气先经低压级压缩机压缩到中间压力pm，然后再由高压级压缩机压缩到冷凝压力。这样既获得了较低的蒸发温度，又将每一级压缩机的压缩比控制在合理的范围内。4.2.1两级压缩制冷循环的形式4.2.2两级压缩、一级节流、中间完全冷却循环4.2.3两级压缩、一级节流、中间不完全冷却循环4.2.4两级压缩、两级节流、中间完全冷却循环4.2.5两级压缩、两级节流、中间不完全冷却循环79.

794.2.1两级压缩制冷循环的形式两级压缩制冷循环按其节流和中间冷却方式的不同可分为以下五类：A.两级压缩一级节流a.中间完全冷却循环b.中间不完全冷却循环c.中间不冷却循环B.两级压缩两级节流e.中间完全冷却循环d.中间不完全冷却循环80.

80一级节流是指进入蒸发器的制冷剂是由冷凝压力直接节流降压到蒸发压力。其优点为节流前过冷度较大、可以利用其较大的压力差实现远距离或高位差供液、使于调节。目前大多数两级压缩制冷循环的节流方式是一级节流。两级节流是指进入蒸发器的制冷剂先由冷凝压力节流降压到中间压力，再由中间压力节流降压到蒸发压力。由于高压制冷剂液体先由冷凝压力节流降压到中间压力，产生的湿蒸气在中间冷却器分成两部分，少部分饱和液体提供中间冷却所需冷量成为蒸气，与节流闪发蒸气混合；大部分中间压力下的饱和液体再一次节流，由中间压力节流降压到蒸发压力；进入蒸发器。这样，节流进入蒸发器的制冷剂干度较小，减小了节流过程的不可逆损失。81.

81中间完全冷却是指将低压级压缩机的排气，冷却成饱和蒸气，即高压级压缩机吸入中间压力下的饱和蒸气。中间不完全冷却循环是指将低压级压缩机的排气进行冷却，使其温度降低，但并未达到饱和蒸气状态，仍是过热蒸气，即高压级压缩机吸入中间压力下的过热蒸气。两级压缩制冷循环采用哪一种中间冷却方式，取决于制冷剂的种类。我们分析过，对于单级压缩循环，R12、R502等制冷剂采用回热循环有利，压缩机应吸入过热蒸气；而R717等制冷剂采用回热循环不利，压缩机应吸入饱和蒸气。根据此道理，对于两级压缩循环可以得出如下结论：对于R12、R502等制冷剂应采用中间不完全冷却循环；而R717等制冷剂应采用中间完全冷却循环；而R22介于两者之间，可以采用中间不完全冷却循环，也可以采用中间完全冷却循环。在冷藏运输装置中，为了尽可能的简化系统与设备，在压缩终温不过高的条件下，可以采用中间不冷却循环。82.

82在两级压缩、一级节流循环中，如在中间冷却器中，对即将节流进入蒸发器的高压制冷剂流体再进行一次过冷，然后再节流进入蒸发器，称为流体再过冷。由于流体过冷对循环总是有利的，因此在两级压缩一级节流循环中，总是采用流体再过冷。在本章的讨论中，我们假定制冷剂在离开冷凝器时，已经有一定过冷度了。83.

834.2.2两级压缩、一级节流、中间完全冷却循环两级压缩、一级节流、中间完全冷却循环的系统原理图及循环在lgp-h图上的表示见图4-1。在这种循环中，状态点5的制冷剂过冷液体离开冷凝器后分成两部分，一部分经中间冷却器再过冷到状态点7，经膨胀阀A节流进入蒸发器，蒸发后被低压级压缩机吸入，状态点为点1，质量流量为ml；另一部分制冷剂质量流量为mh-ml，经节流阀B节流进入中间冷却器，成为状态点6的湿蒸气；中间冷却器中的制冷剂液体与来自低压级压缩机状态点2的过热蒸气混合，将过热蒸气冷却成饱和蒸气，同时吸收液体再过冷的热量，液体也蒸发成饱和蒸气，状态点为点3，一起被高压级压缩机吸入，此时质量流量为mh。84.

84图4-1两级压缩、一级节流、中间完全冷却循环85.

85因3点为饱和蒸气，由中间冷却器的热平衡关系式：可得高压级压缩机与低压级压缩机质量流量的关系：这种循环的性能指标为：1)单位制冷量q0=h1-h7(kJ/kg)2)低压级压缩机单位理论功w0l=h2-h1(kJ/kg)3)低压级压缩机质量流量ml=Q0/(h1-h7)(kg/s)4)以蒸发器的制冷剂质量流量为基准，高压级压缩机单位理论功w0h=(h4-h3)(h2-h7)/(h3-h5)(kJ/kg)5)低压级压缩机理论功率N0l=Q0(h2-h1)/(h1-h7)(kW)86.

866)高压级压缩机理论功率：(kW)7)制冷系数：点7的状态由中间冷却器中再冷却盘管冷端传热温差t7-t6来确定，一般可取t7-t6=3～5℃。87.

874.2.3两级压缩、一级节流、中间不完全冷却循环两级压缩、一级节流、中间不完全冷却循环的系统原理图及循环在lgp-h图上的表示见图4-2。在这种循环中，状态点5的制冷剂过冷液体离开冷凝器后分成两部分，一部分经中间冷却器再过冷到状态点7，经膨胀阀A节流进入蒸发器，蒸发后被低压级压缩机吸入，状态点为点1，质量流量为ml；另一部分制冷剂质量流量为mh-ml，经节流阀B节流进入中间冷却器，成为状态点6的湿蒸气；中间冷却器中的制冷剂液体吸收液体再过冷的热量，蒸发成饱和蒸气，状态点为点6'，流出中间冷却器；由中间冷却器来的制冷剂饱和蒸气与来自低压级压缩机的过热蒸气混合后，一起被高压级压缩机吸入，此时质量流量为mh。88.

88图4-2两级压缩、一级节流、中间不完全冷却循环89.

89由中间冷却器的热平衡关系式：可得高压级压缩机与低压级压缩机质量流量的关系：(kg/s)点7的焓值仍按中间冷却器中再冷却盘管冷端传热温差t7-t6=3～5℃来确定。点3的焓值由混合过程的热平衡关系：由上两式可得出：90.

90这种循环的性能指标计算与两级压缩、一级节流、中间完全冷却循环的计算相似：1)单位制冷量q0=h0-h7(kJ/kg)2)低压级压缩机单位理论功w0l=h2-hl(kJ/kg)3)低压级压缩机质量流量ml=Q0/(h0-h7)(kg/s)4)以蒸发器的制冷剂质量流量为基准，高压级压缩机单位理论功w0h=(h4-h3)(h6'-h7)/(h6'-h5)(kJ/kg)5)低压级压缩机理论功率N0l=Q0(h2-h1)/h0-h7)(kW)91.

914.2.4两级压缩、两级节流、中间完全冷却循环两级压缩、两级节流、中间完全冷却循环的系统原理图及循环在lgp-h图上的表示见图4-3。在这种循环中，状态点5的制冷剂过冷液体离开冷凝器后经节流阀B节流进入中间冷却器，成为中压中温的湿蒸气；在中间冷却器中制冷剂分成两部分，下部状态点6的制冷剂液体一部分经膨胀阀A节流进入蒸发器，蒸发后被低压级压缩机吸入，状态点为点1，质量流量为ml；另一部分制冷剂液体与闪发蒸气质量流量为mh-ml；其中制冷剂流体与来自低压级压缩机状态点2的过热蒸气混合，将过热蒸气冷却成饱和蒸气，同时吸收液体再过冷的热量，也蒸发成饱和蒸气；状态点为点3，一起被高压级压缩机吸入，此时质量流量为mh。92.

92图4-3两级压缩、两级节流、中间完全冷却循环93.

93因3点为饱和蒸气，由中间冷却器的热平衡关系式：mlh2＋mhh5=mhh3＋mlh6可得高压级压缩机与低压级压缩机质量流量的关系：mh=ml(h2-h6)/(h3-h5)(kg/s)这种循环的性能指标计算如下：1)单位制冷量q0=h1-h6(kJ/kg)2)低压级压缩机单位理论功w0l=h2-h1(kJ/kg)3)低压级压缩机质量流量ml=Q0/(h1-h6)(kg/s)4)以蒸发器的制冷剂质量流量为基准，高压级压缩机单位理论功w0h=(h4-h3)(h2-h6)/(h3-h5)(kJ/kg)5)低压级压缩机理论功率N0l=Q0(h2-h1)/(h1-h6)(kW)94.

946)高压级压缩机理论功率(kW)7)制冷系数95.

954.2.5两级压缩、两级节流、中间不完全冷却循环两级压缩、两级节流、中间不完全冷却循环的系统原理图及循环在lgp-h图上的表示见图4-4。这种循环与两级压缩、两级节流、中间完全冷却循环的区别是，中间冷却器中的制冷剂液体吸收液体再过冷的热量，蒸发成饱和蒸气，与节流闪发蒸气一起流出中间冷却器；由中间冷却器来的制冷剂饱和蒸气与来自低压级压缩机的过热蒸气混合后，一起被高压级压缩机吸入。96.

96图4-4两级压缩、两级节流、中间不完全冷却循环97.

97由中间冷却器的热平衡关系式：mhh5=(mh-ml)h7＋mlh6可得：mh=ml(h7-h6)/(h7-h5)(kg/s)(4-27)点3的焓值由上式和混合过程的热平衡关系：得出：(kJ/kg)这种循环的性能指标计算如下：1)单位制冷量q0=h1-h6(kJ/kg)2)低压级压缩机单位理论功w0l=h2-h1(kJ/kg)98.

983)低压级压缩机质量流量ml=Q0/(h1-h6)(kg/s)4)以蒸发器的制冷剂质量流量为基准，高压级压缩机单位理论功w0h=(h4-h3)(h7-h6)/(h7-h5)(kJ/kg)5)低压级压缩机理论功率N0l=Q0(h2-h1)/(h1-h6)(kW)6)高压级压缩机理论功率(kW)7)制冷系数99.

994.3两级压缩循环中间压力的确定进行两级压缩循环计算时，当循环的型式、制冷剂种类、蒸发温度。冷凝温度、制冷量确定以后，需要有各点的温度、压力、焓值等状态参数。为确定这些参数，需先确定中间压力。4.3.1最佳中间压力的确定4.3.2选配压缩机时中间压力的确定100.

1004.3.1最佳中间压力的确定两级压缩制冷循环的性能系数与中间压力有关，如所设计的制冷系统是天然气液化、石油化工等场合应用的大型制冷系统，要求有最高的效率，而系统造价等因素不是首要条件时，可以新设计压缩机。此时应以制冷系数最高来确定最佳中间压力。101.

101确定最佳中间压力的计算-作图法这种方法的步骤为：1)根据所需的冷凝温度Tk(K)和T0(K)，按温度的比例中项：先求出一个近似值，并求出所对应的制冷剂压力pm；2)在此近似值的附近按1～2℃的间隔选取5～7个中间温度值pmi；3)分别按这些中间压力构造双级压缩循环，并分别查出各点状态参数；4)分别对各个循环进行热力计算，求出相应的制冷系数εi；5)绘制ε-tm图，如图4-4所示，图中曲线极大值点即εmax，此时的中间温度即tmopt，与之对应的压力为pmopt。102.

102图4-5ε-tm图103.

103确定最佳中间压力的近似计算经过许多研究者多年的研究，提出了许多确定中间压力与中间温度的经验公式，其形式很简便，在一定范围内与精确计算很接近。1)按压力的比例中项确定中间压力：(kPa)此式推导的条件为气体压缩机、工质为理想气体、高压级与低压级流量相等且吸气温度相同，因此公式比较粗糙，只能用于估算。2)按温度的比例中项确定中间温度：(K)3)普拉萨特式：(bar)此式适用于R12。104.

104确定最佳中间压力的近似计算4)拉赛式：tm=0.4tk＋0.6t0(℃)此式的适用于制冷剂为R717或R12，蒸发温度t0≥-40℃，冷凝温度tk≤40℃的范围内。5)贝林格式:Tmopt=Tmp＋5(℃)式中Tmp为按式(4-36)所求中间压力对应的中间温度。该式在制冷剂为R717、蒸发温度t0=-35～-40℃，冷凝温度tk=20～35℃、过冷度Δtsc=5℃的范围内适用。105.

1054.3.2选配压缩机时中间压力的确定当中间压力为最佳中间压力时，所需的压缩机是按循环所需的输气量来设计的。在实际设计制冷系统时，常选配已定型生产的压缩机产品，而不是重新设计压缩机，此时有两种选配方式。高低压级压缩机理论输气量之比为1/3或1/2高低压级压缩机理论输气量之比在1/3和1/2之间106.

106高低压级压缩机理论输气量之比为1/3或1/2这种情况是采用单机双级制冷压缩机，其中几个缸为高压级，另几个缸为低压级。适用于中小型制冷系统的设计。此时高低压级压缩机理论输气量之比：式中：Vhh─高压级压缩机的理论输气量(m3/s)；Vhl─低压级压缩机的理论输气量(m3/s)。且由于一台单机双级制冷压缩机如为四缸，则三个缸为低压缸，一个缸为高压缸；如为六缸，则四个缸为低压缸，二个缸为高压缸；如为八缸，则六个缸为低压缸，两个缸为高压缸。因此总有ξ=1/3或1/2。对于这种情况，由：107.

107式中：mh、ml─高、低压级压缩机的质量流量(kg/s)；vh、vl─高、低压级压缩机的吸入比容(m3/kg)；λh、λl─高、低压级压缩机的输气系数。当pm变化时，mh、ml、vh、vl、λh、λl均发生变化，可用图解法解出pm。求解ξ的具体方法为：1)先求出温度比例中项Tm，然后按0.5～1℃的间隔选取5～7个中间温度值Tmi。一般来说，当ξ=1/3时所选各Tmi应较Tm高；当ξ=1/2时，所选各Tmi应较Tm低。2)分别按这些中间压力构造两级压缩循环，并分别求出高低压级压缩机理论输气量之比ξi。3)根据计算结果绘制ξ=f(ti)曲线图，并在图上作出ξ等于所配压缩机理论输气量之比的水平线，与曲线的交点即实际的中间温度，见图4-6。108.

108图4-6ξ=f(ti)图109.

109高低压级压缩机理论输气量之比在1/3和1/2之间这种情况是是在现有的不同系列的压缩机中选配，使理论输气量之比接近最佳，其中间温度也接近最佳。适用于中型或较大制冷系统的设计。由于此时高、低压级压缩机理论输气量之比仍为定值，中间压力和中间温度的确定方法与单机双级制冷压缩机时完全相同。110.

1104.4两级压缩制冷机的变工况特性当两级压缩制冷机的冷凝温度、蒸发温度等工作条件发生变化时，制冷机为变工况工作。由于高、低压级压缩机理论输气量都是不变的，两级压缩制冷机的变工况特性较复杂。4.4.1变工况特性4.4.2与变工况特性有关的问题111.

1114.4.1变工况特性两级压缩制冷机变工况特性的分析与单级压缩制冷机变工况特性的分析类似，也对冷凝温度变化和蒸发温度变化两种情况分别进行讨论。112.

112冷凝温度不变、蒸发温度变化时两级压缩制冷机的特性两级压缩制冷机最常见的变工况工作情况是冷凝温度tk基本恒定，而蒸发温度t0发生变化。从制冷机整体性能来说，当蒸发温度从常温下降时，单位制冷量q0减小、制冷机总制冷量Q0减小、制冷系数ε降低。当pk/pm≈3时，高压级压缩机的轴功率Neh达到最大值；当pm/p0≈3时，低压级压缩机的轴功率Nel达到最大值。在ξ与tk均为定值的情况下，当t0下降时pm的变化与循环的形式和制冷剂种类有关。图4-7为按两级压缩、一级节流、中间完全冷却循环工作的氨制冷机，压缩机为S8-12.5、tk=35℃、tsc=30℃，高压级压缩机与低压级压缩机同时运行的条件下，当t0变化时，pm、p0的变化关系。对于其他类型的两级压缩制冷机也可作出类似的图。113.

113图4-7t0变化时，pm、p0的变化关系114.

114从图中可以看出以下变化关系：1)当t0从常温开始下降时，只要t0高于某一临界值t0b，中间压力并不随t0而降，而是维持在pm=pk压力上，低压级压缩机的压差pm-p0快速增大。此时高压级压缩机并不起压缩作用，仅起输送流制冷剂的作用。2)当t0低于临界值t0b以后，随t0的下降，pm才随之下降，但pm较p0下降的快。即高压级压缩机的压差pk-pm快速增大，而pm-p0缓慢减小。此时，高压级压缩机才起压缩制冷剂的作用3)低压级压缩机的最大轴功率出现在t0=t0b时，此时它所承受的压差最大且pm/p0≈3。4)高压级压缩机的最大轴功率出现在pk/pm≈3时，此时一定有t0＜t0b。即高压级压缩机的最大轴功率与低压级压缩机的最大轴功率并不出现在同一蒸发温度t0下。对于不同的tk和不同的ξ，可以作出一系例的t0-pm、p0曲线，这种成套的关系图称为运行图解。115.

115蒸发温度不变、冷凝温度变化时两级压缩制冷机的特性从制冷机整体性能来说，当蒸发温度不变而冷凝温度上升时，单位制冷量q0减小、制冷机总制冷量Q0减小、制冷系数ε降低。当t0＜t0b时，随着tk的上升，pm上升，pk-pm增大，pm-p0也增大，高压级压缩机的轴功率与低压级压缩机的轴功率均有所增大。但pk-pm增大较多，而pm-p0增大较少。116.

1164.4.2与变工况特性有关的问题由于两级压缩制冷机的变工况特性，产生了两个与此有关的问题。启动问题当制冷机启动时，由于t0＞t0b高压级压缩机不起压缩作用，高、低压级压缩机同时启动必将浪费电能，且启动时间也将延长。因此应先启动高压级压缩机，等t0＜t0b后(通常是pm下降到运行压力后)，再启动低压级压缩机。对于带有容量调节装置的单机双级压缩机，启动时应先调节至ξ=0；待pm下降到正常运行压力后，调至ξ=1/2；pm稳定后，再调至ξ=1/3。这样既避免了电机过载，又可使启动过程节能，同时加快了启动过程。电动机选配问题高压级压缩机应按最大轴功率工况选配电动机，低压级压缩机应按蒸发压力等于中间压力的工况、即启动工况选配电动机。单机双级压缩机应按高压缸最大轴功率与低压缸名义轴功率之和选配电动机。117.

1174.5两级压缩制冷循环的变形两级压缩制冷系统的中间冷却器可以有一些改进，于是两级压缩制冷循环也发生变化。4.5.1带有中间负荷的两级压缩循环4.5.2中间注液循环4.5.3中间注气循环118.

1184.5.1带有中间负荷的两级压缩循环如制冷装置需要t0和tm两个蒸发温度，可以将中间冷却器同时作低压循环贮液器用。此时中间冷却器既向高压级压缩机提供中间压力的制冷剂蒸气，又向蒸发温度为tm的蒸发器提供中间压力的制冷剂饱和液体。下面，以带有中间负荷的两级压缩、一级节流、中间完全冷却循环为例，对带有中间负荷的两级压缩循环进行分析。带有中间负荷的两级压缩、一级节流、中间完全冷却循环的系统原理图及循环在lgp-h图上的表示见图4-8。在这种循环中，状态点5的制冷剂过冷液体离开冷凝器后分成两部分，一部分经中间冷却器再过冷到状态点7，经膨胀阀A节流进入蒸发器，蒸发后被低压级压缩机吸入，状态点为点1，质量流量为ml；另一部分制冷剂质量流量为mh-ml，经节流阀B节流进入中间冷却器，成为状态点6的湿蒸气；中间冷却器中的制冷剂液体共有三个作用，一是与来自低压级压缩机状态点2的过热蒸气混合，将过热蒸气冷却成饱和蒸气；二是吸收液体再过冷的热量，液体也蒸发成饱和蒸气；三是向蒸发温度为tm的蒸发器提供中间压力下质量流量为mm的制冷剂饱和液体，吸收中间负荷产生的热量Qm，蒸发产生的饱和蒸气仍返回中间冷却器；饱和蒸气的状态点均为点3，一起被高压级压缩机吸入，此时质量流量为mh。119.

119图4-8带有中间负荷的两级压缩、一级节流、中间完全冷却循环120.

120由中间冷却器的热平衡关系式：可得高压级压缩机与低压级压缩机质量流量的关系：(kg/s)这种循环的性能指标为：1)单位制冷量q0=h1-h7(kJ/kg)(4-44)2)低压级压缩机单位理论功w0l=h2-h1(kJ/kg)3)低压级压缩机质量流量ml=Q0/(h1-h7)(kg/s)121.

1214)以蒸发器的制冷剂质量流量为基准，高压级压缩机单位理论功w0h=(h4-h3)[Qm+(h2-h7)]/(h3-h5)(kJ/kg)5)低压级压缩机理论功率N0l=Q0(h2-h1)/(h1-h7)(kW)6)高压级压缩机理论功率(kW)点7的状态仍由中间冷却器中再冷却盘管冷端传热温差t7-t6来确定。122.

1224.5.2中间注液循环这种循环的制冷系统由带有中间注液口的压缩机、冷凝器、两个节流装置、蒸发器以及气液分离器组成，其原理图及循环在lgp-h图上的表示见图4-9。在这种制冷系统中，冷凝器排出的高压制冷剂液体大部分流过节流装置Ⅰ，直接节流到蒸发压力，在蒸发器中蒸发制冷，质量流量为m；少部分经节流装置Ⅱ节流到中间压力，成为湿蒸气，经中间注流口喷射进入压缩腔，质量流量为y。压缩机吸入蒸发器中的低压制冷剂蒸气，经第一段压缩后达到中间压力，成为过热蒸气；过热蒸气与喷射进压缩腔的湿蒸气混合，其中的液体蒸发，过热蒸气被冷却，过热度减小，再进行第二段压缩。在lgp-h图中，1～2为压缩机吸入低压蒸气压缩至中间压力的第一段压缩过程，2～3与6～3为压缩机中的过热蒸气在中间压力下与喷射入的湿蒸气混合过程，3～4为混合后的蒸气继续压缩至冷凝压力的第二段压缩过程，5～6与5～7为高压制冷剂液体分别节流到中间压力和蒸发压力的两个节流过程。123.

123图4-9中间注液循环的系统原理图及循环在lgp-h图上的表示A-压缩机B-冷凝器C-蒸发器D-主节流机构E-注液节流机构124.

124在中间注液循环中，点3的过热度可大可小，但其状态必须是过热蒸气，即循环是中间不完全冷却循环。如点3为饱和蒸气，则在变工况工作时，有可能进入湿气区，造成液击。在压缩机中制冷剂混合后的状态点3由中间压力pm与压缩终温t4确定，其方法为：1)先确定中间压力pm，此压力与压缩机中间注液口的位置有关；2)由pm计算第一段压缩过程，以确定点2；3)再由冷凝压力pk和压缩终温t4找出点4；4)计算第二段压缩过程即可得出点3。点3确定后，根据混合过程的热平衡关系，可求出中间注液量：mh2＋yh5=(m＋y)h3(kg/s)125.

125与无中间冷却的单级压缩制冷循环相比，中间注液循环的优点是在相同制冷量殘的条件下，冷凝负荷较大，同时压缩终温较低，压缩机的容积效率得以提高。中间注液循环的缺点为两个节流装置互相索制，且均为脉动工作，脉动频率与压缩机转速相同。在设计时，应流量须仔细计算并用实验加以验证。采用中间注液循环的制冷系统设备简单、体积小，并取消了带有自由液面的中间冷却器，在热泵型空调器和移动式制冷装置等场合得到了广泛的应用。这种循环的性能指标为：1)单位制冷量q0=h1-h7(kJ/kg)2)蒸发器中制冷剂的质量流量ml=Q0/(h1-h7)(kg/s)126.

1263)以蒸发器的制冷剂质量流量为基准，循环单位理论功(kJ/kg)4)冷凝器中制冷剂的质量流量为(m＋y)，冷凝热负荷(kW)5)制冷系数127.

1274.5.3中间注气循环这种循环的制冷系统由带有中间注气口的压缩机、冷凝器、两个节流装置、中间容器、蒸发器以及气液分离器组成，其原理图见图4-10。循环的工作原理及分析与两级压缩、两级节流、中间不完全冷却循环完全一样。128.

128图4-10中间注气循环的系统原理图129.

1294.6多级压缩制冷循环4.6.1三级压缩开式制冷循环4.6.2采用离心式压缩机的三级压缩循环130.

1304.7复叠式制冷复叠式制冷机是制冷机的串联，由两个或以上的部分组成，使用两种或以上的制冷剂。4.7.1概述4.7.2两元复叠系统与循环4.7.3复叠式制冷的几个问题131.

1314.7.1概述复叠式制冷机的每部分都是一台制冷机，称为一个元。每一个元有单独的冷凝温度和蒸发温度。每一台制冷机可以是单级压缩制冷机，也可以是单级压缩制冷机。使制冷机结合起来的联接部件是冷凝蒸发器。复叠式制冷机的每二个部分用一台冷凝蒸发器联接起来，它既是较高温度部分的蒸发器，又是较低温度部分的冷凝器。温度最高一级的冷凝器是复叠式制冷机的冷凝器，温度最低一级的蒸发器是复叠式制冷机的蒸发器。由此可知，复叠式制冷机是制冷机的串联。因此，它能满足最低温度级的制冷机在较低蒸发温度下有合适的蒸发压力，同时最高温度级的制冷机在环境温度下的合适的冷凝压力。根据所需制冷温度的不同，复叠式制冷系统的型式及循环也不同。所需制冷的温度：　　　复叠式制冷系统的型式：≥-80℃两个单级压缩制冷系统复叠-80℃～-110℃一个单级压缩制冷系统与一个两级压缩制冷系统复叠-100℃～-150℃三个单级压缩制冷系统或两个单级压缩制冷系统与一个两级压缩制冷系统组成三元复叠制冷系统132.

1324.7.2两元复叠系统与循环本节以典型的制冷系统与循环来介绍两元复叠式制冷系统与相应的循环。由于复叠式制冷系统有很多型式，其他型式的系统可用类似的方法分析。两个单级压缩制冷系统复叠一个单级压缩制冷系统与一个两级压缩制冷系统复叠两个两级压缩制冷系统复叠133.

133两个单级压缩制冷系统复叠图4-13为-80℃低温箱制冷系统的系统原理图以及循环在t-s图上的表示，图中循环在t-s图上的表示采用了将两个循环分别在两张t-s图上的表示后叠放在一起的表示方法。此复叠式制冷机可用于低温箱。其箱内温度为-80℃，蒸发温度为-90℃，高温级采用简单饱和循环，低温级采用回热循环。高温级可采用中温制冷剂R134a或R404a，低温级可采用低温制冷剂R23或R170。对两个单级压缩制冷系统复叠而成的复叠式制冷机进行分析时，应分别对两个单级压缩制冷系统进行分析，具体的分析与单级压缩制冷系统完全相同。134.

134图4-13-80℃复叠式制冷系统的系统原理图以及循环在t-s图上的表示135.

135此复叠式制冷机低温部分的计算如下：1)质量流量ml=Q0/(h10-h14)(kg/s)2)低温部分压缩机的输气量(kW)式中：λl─低温部分压缩机的输气系数。3)低温部分压缩机的轴功率(kW)式中：ηsl─低温部分压缩机的绝热效率。136.

1364)低温部分预冷器热负荷(kW)5)低温部分冷凝热负荷(kW)6)低温部分回热器热负荷(kW)点12'的温度由预冷器冷却介质的温度确定，一般可取低于冷却介质进口温度8～11℃。137.

137高温部分的计算如下：7)制冷量Q0h=Qkl＋δQ(kW)式中：δQ─冷凝蒸发器及其连接管路的冷损失。8)质量流量mh=Q0h/(h1-h5)(kg/s)9)高温部分压缩机的轴功率(kW)式中：ηsh─高温部分压缩机的绝热效率。138.

13810)高温部分压缩机的输气量(m3/s)式中：λh─高温部分压缩机的输气系数。11)高温部分冷凝热负荷(kW)如高、低温级采用其他形式的单级压缩制冷循环，分析的方法与以上分析完全相同。139.

139一个单级压缩制冷系统与一个两级压缩制冷系统复叠一个单级压缩制冷系统与一个两级压缩制冷系统组成的复叠式制冷机可以获得-80℃～-110℃的低温，相应的蒸发温度可达-90℃～-120℃图4-14为-100℃低温箱制冷系统的原理图。它的高温部分采用两级压缩、一级节流、中间不完全冷却循环，制冷剂为R22。低温部分采用回热循环，制冷剂为R14或R1150，设计工况参数为tkh=35℃、tkm=-35℃、t0h=-66℃、tkl=-59℃、t0l=-105℃。由于两级压缩系统的变工况性能不如单级压缩系统，所以一个单级压缩制冷系统与一个两级压缩制冷系统组成的复叠式制冷机时，两级压缩系统是作为高温部分，还是作为高温部分应对具体问题进行分析后决定。在分析计算由一个单级压缩制冷系统与一个两级压缩制冷系统组成的复叠式制冷机时，应对单级压缩制冷系统与两级压缩制冷系统分别进行分析，计算方法与由两个单级压缩制冷系统组成复叠式制冷机时相同。140.

140141.

141高温部分：1-低压级压缩机2-高压级压缩机3.4-油分离器5-冷凝器6-干燥过滤器7-中间冷却器8-回热器9-冷凝蒸发器低温部分：10-压缩机11-油分离器12-气气回热器13-气液回热器14-干燥过滤器15-蒸发器16-膨胀容器图4-14-100℃低温箱的制冷系统原理图142.

142生产干冰时，如采用三级压缩循环，则冷凝温度须低于30℃，且此时冷凝压力高达7.35MPa，设备庞大。为克服这两个缺点，可采用复叠式制冷。根据CO2冷凝压力的不同，生产干冰用的复叠式制冷系统分为低压方案和中压方案。低压方案为一个两级压缩氨制冷系统作为高温部分与一个单级压缩CO2制冷系统作为低温部分组成的复叠式制冷机。中压方案为一个单级压缩氨制冷系统作为高温部分与一个两级压缩CO2制冷系统作为低温部分组成的复叠式制冷机。图4-15为生产干冰用的中压方案复叠式制冷系统原理图及循环在t-s图上的表示。低温部分循环各级的流量关系为：143.

143图4-15中压方案复叠式制冷系统原理图及循环在t-s图上的表示144.

144145.

145两个两级压缩制冷系统复叠146.

1464.7.3复叠式制冷的几个问题因为复叠式制冷的蒸发温度较低，由此产生了一些特殊问题。循环的型式在选择复叠式制冷的循环型式时，需考虑的问题依次是：1)可达到的最低温度　　可达到的最低温度应比需要的制冷温度低10℃左右。2)效率　　由于复叠式制冷的蒸发温度很低，效率是一个突出的问题。因此，在满足可达到的最低温度的条件下，应合理的选择复叠元数。复叠元数越多，每个部分的效率就越高，但由冷凝蒸发器带来的传热温差也越多。各部分也应合理的选择冷凝温度和蒸发温度，一般来说，各元制冷系数相等时，系统有最高的制冷系数。3)可靠性和变工况特性　　一般来说，复叠元数越多，可靠性和变工况特性也越差。两级压缩系统比单级压缩系统的可靠性的变工况特性差。147.

147设计参数的选择冷凝蒸发器的传热温差对系统经济性影响很大，设计时的推荐值如下：冷凝蒸发器工作平均温度：-20～-35℃传热温差：6～8℃-35～-45℃5～7℃-50～-70℃4～6℃-70～-90℃3～4℃蒸发器的传热温差对系统经济性影响更大，设计时下可按下面的数值选定：蒸发器温度：-70～-90℃传热温差：3～4℃-90～-120℃2～3℃启动复叠式制冷机启动时应遵循严格的顺序进行。由于较低温度级所用的制冷剂的临界温度都较低，在常温下不可能冷凝；且因活塞式压缩机的最高工作压力通常不高于2.4MPa；所应行启动高温部分，待中间温度下降到中以保证较低温度部分的冷凝压力不超过1.6MPa时，再启动较低温度部分。如此一部分一部分的启动，直至最低温度部分启动为止。148.

148膨胀容器当复叠式制冷机停止运行后，系统各部分的温度会逐渐上升，当温度上升到温度较低各部分制冷剂临界温度时，低温制冷剂就会全部气化，而成为蒸气，此时压力为临界压力。随着温度的进一步上升，制冷剂成为过热蒸气，压力也随温度上升。由于制冷系统的设备和管路均有一定的极限承压值，压力的上升通常会高于此极限。为解决这一问题，可在低温部分接入一个膨胀容器，随着压力的上升，大部分制冷剂进入膨胀容器，经保持系统内压力不过高。膨胀容器的两端一般通过阀门接在压缩机吸气管和冷凝蒸发器的冷凝侧上，其容积为：(m3)式中：mx─低温系统不包括膨胀容器时的制冷剂充注量(kg)；Vxt─低温系统不包括膨胀容器时的系统内部容积(m3)；vp─环境温度与平衡压力时制冷剂的比容(m3/kg)；vx─环境温度与吸气压力时制冷剂的比容(m3/kg)。149.

149系统的气密性试验压力一般取2.4MPa，因此停机后的平衡压力通常取为1.6MPa。增加膨胀容器后制冷剂的充注量应调整为：mz=mx＋Vp/vx(kg)由上式可知，在mz一定后，当蒸发温度变化时，由于vx的变化，mx也随之改变。这就意味着，对于给定的mz，当蒸发温度升高时，mx变小，系统内流动的制冷剂量不足。因此，对于蒸发温度变化的场合，应根据t0的上限来确定mx和Vp。150.

150工程实例三个单级压缩系统组成的三元复叠151.