超低温热泵：双级压缩制冷热力计算与系统设计

一、基本概念

双级压缩制冷循环是将系统制冷工质的压缩过程分两个阶段来进行，从而降低系统排气温度与压缩比，经节流阀节流进入蒸发器中的低温低压制冷剂蒸发吸热后进入低压压缩机，压缩至中间压力排出与来自中间冷却器的制冷剂混合降温后，进入高压级压缩机压缩，最后排入冷凝器被降温冷凝成液体。

根据双级压缩的阶段性，双级压缩制冷系统可布置两台压缩机，一台为低压级压缩机，一台为高压级压缩机；也可只布置一台压缩机，一部分气缸作为高压缸，另一部分气缸作为低压缸，这类的双级压缩系统成为 单机双级压缩 制冷循环。

双级压缩制冷系统按系统冷却方式与节流次数的不同，主要分为四种类型即：

一次节流中间完全冷却

一次节流中间不完全冷却系统；

二次节流中间完全冷却

二次节流中间不完全冷却系统。

压焓图见下表

节能减排，对制冷系统可以从下几个方面进行考虑：

1、 回热器性能对制冷系统节能以及运行稳定性的影响：为提高制冷系统运行效率以及能源利用率，常采用回热循环，因此回热器效率在一定程度上影响制冷系统性能

2、 制冷设备换热效率的提高以及结构的改进：制冷系统运行时为带走系统冷凝热以及消除系统热负荷，系统换热设备需要较大的换热面积导致系统换热设备体积较大，占用空间大，给后期的维护带来一定的不便，因此在提高系统换热设备换热效率，改进换热器结构，减小换热设备体积等方面进行进一步的研究。

3、 可再生能源的应用：

二、双级压缩系统的仿真计算

双级压缩制冷循环P-h图图2-3所示。根据质量守恒与能量守恒定律建立双级压缩制冷系统热力学模型，主要计算公式如下：

采用EES软件对升级压缩系统热力学模型编写计算机程序对R404A单机双级压缩制冷系统进行计算，计算流程框图2-4所示，并与实验结果对比验证其可靠性。

采用Excel进行双级热力计算也是可以的：

三、蒸发温度对压缩机性能的影响

当冷凝温度为28℃，蒸发温度从-40℃降低到-60℃时，蒸发温度对系统性能的影响见图2-5～图2-7，从仿真与实验结果中可以看出压缩机的排气温度随着蒸发温度的降低呈增大趋势，且随着蒸发温度的降低两者之间的差值从2℃逐渐增大至15℃，其原因在于：

1、压缩机的排气温度主要受压缩比的影响，在保持冷凝温度不变的前提下，随着蒸发温度的降低，压缩机低压级压缩比与高压级压缩比逐渐增大如图2-6所示，压缩机运行工况变得恶劣，导致压缩机的排气温度随着蒸发温度的降低逐渐上升。2、在对双级压缩制冷系统进行模拟时，为使模拟计算简化而没有考虑系统的不可逆损失，在压缩机进行实际运行工作时这种不可逆的损失必将转化为热量导致排气温度的上升，以及由于蒸发温度的降低导致制冷剂流量的降低，使得系统运动部件不能够及时得到更好的冷却，从而导致差值逐渐增大，从两者的结果来看模拟计算值与实验结果基本吻合，其偏差在工程允许的波动范围之内。

模拟计算过程中采用比例法来确定中间温度使得高低压压缩比相等，在实际运行过程中由于实验台采用的手动调节阀，且无相应的控制算法与控制程序进行调节，控制精度相对较差，导致模拟计算高低压压缩比与实际运行结果有一定的误差如图2-6所示。

从仿真结果与实验结果可以看出单位压缩机轴功率随着蒸发温度的增大呈现上升后逐渐降低的趋势，当蒸发温度分别为-60℃与-40℃时，压缩机功率达到最小值与最大值。

压缩机单位压缩轴功率主要受系统压缩比的因素影响；当蒸发温度降低时双级压缩制冷系统高压级与低压级压缩比逐渐增大，高压级压缩机与低压级压缩机单位压缩轴功率逐渐增大。而制冷系统在运动部件之间的摩擦等因素导致仿真计算结果与实验结果存在一定偏差。

四、冷凝器温度对系统性能的影响

当蒸发温度为-55℃，冷凝温度从12℃上升到32℃时，冷凝温度对制冷系统性能的影响如图2-8～图2-10所示，可以看出压缩机的排气温度以及单位压缩轴功率均随着冷凝温度的增大呈上升的趋势，其主要原因在于：

冷凝温度的上升导致系统高低压压缩比的增大。当冷凝温度从12℃上升到32℃时，压缩机排气温度的仿真结果与实验结果偏差范围为4.5-15℃，系统单位高压级与低压级的压缩比的实验结果与仿真结果并不相等，表明制冷系统并没有按照比例法确定的中间温度下运行，这在一定程度上加大了两者之间的偏差。

五、制冷系数的对比分析

制冷性能系数是制冷系统能源利用效率一项重要技术经济指标。制冷性能系数越大，表示制冷系统运行经济越高。从图2-11与图2-12中可以看出当蒸发温度从-40℃降到-60℃时，制冷COP降低了31%，实验结果与仿真测试偏差绝对值为0.46-0.782；当冷凝温度从12℃上升到32℃时，COP下降了27.6%，实验结果与仿真测试偏差范围在0.3-0.36之内。制冷系统在运行过程中制冷剂在管道内流动时并不是一个理想过程而具有一定的压降，在进行模拟计算时忽略了这些问题，必然导致模拟值与实验值存在一定的偏差。

七、中间温度的影响

7.1 对排气温度的影响

压缩机排气温度变化趋势如图3-1所示，从模拟结果与实验结果来看中间温度对压缩机排气温度影响较小。

7.2对中间换热量的影响

中间冷却器有压缩机之肺之称，具有降低压缩机排气温度，提高蒸发器换热效率以及起到一定的油分离等功能。它的冷却效果与可靠性直接影响到压缩机的气动性能与整机效率，对双级压缩制冷的安全运行以及对制冷系统运行状态的优化极为重要。

中间温度对中间冷却器换热量的影响如图3-2所示，模拟结果与实验结果均呈现随着中间温度的上升，中间换热量逐渐减少的趋势，当中间温度从-26℃增至-10℃时，中间换热量减小了36%。中间换热量随中间温度的增加而降低的原因在于，在中间冷却器冷却面积一定的情况下，随着中间温度的增加，降低了制冷剂的传热温差，传热效果变差，从而导致中间换热量减小，由于在进行模拟计算时，忽略了制冷剂在中间冷却器中的沿程压力损失，导致了模拟结果与实验结果具有一定的偏差。

7.3 单位换热量的影响

双级压缩制冷系统中间温度对单位制冷量的影响：在低温工况下，双级压缩制冷循环单位制冷量随中间温度的增大而减小，实验值与模拟计算之间的偏差保持在10%左右。其原因在于：

随着中间温度的上升，中间冷却器中间换热量降低，制冷剂过冷后的温度增大，改变节流阀节流状态，制冷剂经膨胀阀节流后的焓值增加，导致制冷量的降低。由于系统采用搁架式蒸发器，蒸发盘管流程较长沿程损失较大，且制冷剂在盘管中蒸发吸热变成蒸汽后后占用一部分传热面积，抑制传热效果，导致模拟值与实验值之间的差异。

7.4 对压缩机功率的影响

随着制冷系统中间温度的增大，压缩机功率呈线性减小。一方面低压级单位压缩轴功率随着中间温度的增大而增大；另一方面高压级单位压缩轴功率会降低，同时由于系统高低压质量流量比的影响，高压级比功减小的比例大于低压级比功增加的比例，导致系统单位压缩轴功率会随着中间温度的增加而减小。

由于压缩机内部运动部件之间的摩擦，以及中间冷却器采用热力膨胀进行系统调节，当中间温度逐渐降低时，手动膨胀阀前后压差增大，导致高低压质量流量比同比增加率增大，导致两者之间的偏差逐渐增大。