兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，首先要確定中間壓力。正確而合理的選擇中間壓力，可使制冷循環(huán)具有較高的經(jīng)濟(jì)性。
在蒸發(fā)壓力Pe和冷凝壓力Pc已給定的情況下，兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)的中間壓力Pm（或中間溫度Tm）對(duì)循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性、壓縮機(jī)的容量和功率都具有一定的影響，因此合理地確定中間壓力Pm（中間溫度Tm）是壓縮機(jī)計(jì)算過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。反過來，在在蒸發(fā)壓力Pe和冷凝壓力Pc已給定的情況下，必然對(duì)應(yīng)有一個(gè)最佳的中間壓力Pm（中間溫度Tm），滿足使壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)處于最大制冷系數(shù)條件下工作的中間壓力Pm（中間溫度Tm）。這一點(diǎn)對(duì)于無級(jí)能量調(diào)節(jié)的螺桿壓縮機(jī)組，可以通過微調(diào)制冷壓縮機(jī)的能量調(diào)節(jié)來調(diào)整中間壓力Pm（中間溫度Tm），使其穩(wěn)定于最佳中間壓力Pm（中間溫度Tm）條件下工作。也就使制冷裝置經(jīng)常處于最大制冷系數(shù)的狀態(tài)下工作。
2.1 對(duì)于冷凝溫度保持恒定而蒸發(fā)溫度發(fā)生變化時(shí)。這種變工況不但出現(xiàn)在一些蒸發(fā)溫度可以調(diào)節(jié)的試驗(yàn)用低溫制冷裝置中，而且常出現(xiàn)在任何兩級(jí)壓縮制冷機(jī)的熱態(tài)啟動(dòng)過程中。在這樣的情況下，不但制機(jī)的制冷量、耗功和制冷系數(shù)要發(fā)生變化，中間壓力和高、低壓壓縮機(jī)的壓力比也要發(fā)生變化。
下圖為一臺(tái)活塞式兩級(jí)壓縮氨制冷機(jī)冷凝溫度不變時(shí)的工作壓力和壓力比隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系。
由圖可知，兩級(jí)壓縮制冷機(jī)的工況變動(dòng)時(shí)的一些特性：
① 隨著te的升高，壓力pc和pm都有不斷升高，但pm升高得快；
② 隨著te的升高，壓力比σH和σL都不斷下降，但σH下降快；
?、?隨著te的升高，壓力差（pc-pm）減小，（pm-pe）先逐漸增大而后逐漸減小。
上述分析和結(jié)論雖然是依據(jù)個(gè)別情況得出，但定性地說，它表達(dá)了雙級(jí)壓縮制冷機(jī)的共同特性。
2.2 由于季節(jié)性的影響蒸發(fā)溫度不變而冷凝溫度變化。這種情況用戶用冷溫度要求恒定，而冷凝溫度通常隨季節(jié)性的變化而發(fā)生變化。如某化工企業(yè)有一套單機(jī)配打中間完全冷卻雙級(jí)壓縮氨制冷裝置冬、夏運(yùn)行工況分別為：
夏季運(yùn)行工況為 -45/+45；
冬季運(yùn)行工況為 -45/+35。
經(jīng)計(jì)算，理論上分析冬季工況和夏季工況不同中間溫度對(duì)制冷系數(shù)的變化關(guān)系列表如下：
夏季工況?。?45/+45）
冬季工況（-45/+35）
中間溫度（℃）
制冷系數(shù)（ε）
中間溫度（℃）
制冷系數(shù)（ε）
+5
1.945424452
-4
2.12532871
+4
1.945548523
-5
2.125861099
+3
1.945652691
-6
2.126242245
+2
1.945681634
-7
2.126889182
+1
1.945689588
-8
2.12696567
0
1.947434317
-9
2.127067852
-1
1.945200995
-10
2.127195498
-2
1.944867827
-11
2.127048566
-3
1.944291352
-12
2.126926035
-4
1.9440211
-13
2.126827671
-5
1.943451447
-14
2.126753248
-6
1.942746809
-15
2.126401621
由上表可知該套雙級(jí)壓縮制冷機(jī)的夏季運(yùn)行工況最佳中間溫度約為0℃，而冬季運(yùn)行工況最佳中間溫度約為-10℃。
3、兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)中間壓力的選擇
在選擇中間壓力之前，先確定循環(huán)的型式和采用的制冷劑。通常在兩級(jí)壓縮中采用的制冷劑為R717，R22，R12，R502等。當(dāng)確定了循環(huán)型式、制冷劑種類、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度以及制冷量之后，再確定循環(huán)的中間壓力并計(jì)算循環(huán)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
中間壓力的選擇有以下三種情況
?。?1 在設(shè)計(jì)任務(wù)中已經(jīng)規(guī)定了中間溫度
這種情況下中間壓力已經(jīng)確定，無其它選擇余地。如在有中間壓力蒸發(fā)器的兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)中，如下圖制冷循環(huán)裝置：
A－低壓級(jí)蒸發(fā)器 B－低壓壓縮機(jī) C－中間冷卻器 D－高壓壓縮機(jī) E－冷凝器 F－中間壓力蒸發(fā)器 G－節(jié)流閥
3.2 具有中間壓力蒸發(fā)器的兩級(jí)壓縮制冷機(jī)
已知一個(gè)蒸發(fā)溫度和一個(gè)冷凝溫度，要求出最佳中間壓力，并根據(jù)這一中間壓力確定高壓級(jí)和低壓級(jí)壓縮機(jī)的理論輸氣量。
這種情況對(duì)于生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)制造單機(jī)配打兩級(jí)壓縮制冷機(jī)中具有現(xiàn)實(shí)的意義。此時(shí)循環(huán)的中間壓力按制冷系數(shù)最大這一原則確定。由于循環(huán)的型式不同，制冷系數(shù)的表達(dá)式也不同，同時(shí)制冷系數(shù)都是以焓值表示的，而制冷劑的焓值與壓力、溫度之間又有相當(dāng)復(fù)雜的關(guān)系，因此用試湊法或圖解法求中間溫度較為方便。具體步驟是先選取幾個(gè)不同的中間溫度ｔｍ1，ｔｍ2，ｔｍ3，…，算出相應(yīng)的制冷系數(shù)ε1，ε2，ε2，…，（采用Eｘｃｅｌ電子表格可以方便計(jì)算）然后畫在以ε和ｔｍ為坐標(biāo)的圖上。連接這些點(diǎn)，形成一條光滑曲線，找出對(duì)應(yīng)于εｍａｘ的最佳中間溫度ｔｍ，查制冷劑的熱力性質(zhì)表即可得最佳中間壓力。此方法也可先選取幾個(gè)不同的中間壓力Pm，畫出Pm與ε的曲線。對(duì)應(yīng)于εｍａｘ的即為最佳中間壓力Pｍ，查制冷劑的熱力性質(zhì)表即可得最佳中間溫度。
在文獻(xiàn)資料中，許多作者提出了確定最佳中間壓力的經(jīng)驗(yàn)公式和圖線。按照這些經(jīng)驗(yàn)公式和圖線求得的中間壓力與最佳中間壓力很接近，在實(shí)用上是頗有價(jià)值的。在設(shè)計(jì)單機(jī)配打兩級(jí)壓縮制冷機(jī)時(shí)，可以作為選取中間溫度（中間壓力）的參考值，從而避免設(shè)計(jì)計(jì)算過程中的盲目性。下面列舉幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式和圖線：
?。?）按修正比例中項(xiàng)確定中間壓力
（ｂａｒ）
Pｍ－中間壓力；
Pe－蒸發(fā)壓力；
Pc－冷凝壓力；
Ψ－修正系數(shù)，與制冷劑的種類有關(guān)，R22，Ψ＝0.9～0.95；R717，Ψ＝0.95～1。
（2）按溫度的比例中項(xiàng)確定中間溫度，然后根據(jù)制冷劑的熱力學(xué)性質(zhì)圖、表確定最佳中間壓力
?。↘）
Tｍ－中間溫度；
Te－蒸發(fā)溫度；
Tc－冷凝溫度；
?。?）貝林格對(duì)氨制冷機(jī)在蒸發(fā)溫度te=-35~-10℃，tc=20~35℃的范圍內(nèi)，過冷5℃時(shí)的中間溫度提出下列經(jīng)驗(yàn)公式
Tm=Tp+5 （K）
Tｍ－中間溫度；
Tp－按壓力比例中項(xiàng)相對(duì)應(yīng)的中間溫度；
?。?）拉賽提出了蒸發(fā)溫度te=-40~+40℃范圍內(nèi)對(duì)R717和R12都適用的經(jīng)驗(yàn)公式
tm=0.4tc+0.6te+3 (℃)
tm－中間溫度；
tc－冷凝溫度；
te－蒸發(fā)溫度。
根據(jù)（4）公式分別取一系列的ｔc和ｔe值作出諾模圖，再根據(jù)的關(guān)系曲線?？芍苯釉谥Z模圖上查得中間溫度tm和中間壓力Pm。
3.3 已知循環(huán)中使用的高壓級(jí)和低壓級(jí)壓縮機(jī)的理論輸氣量以及蒸發(fā)溫度te和冷凝溫度tc，要求條符合這些輸氣量的中間壓力。
這一情況對(duì)制造廠是有現(xiàn)實(shí)意義的，目前我國制冷壓縮機(jī)大都已按系列化標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，壓縮機(jī)的缸徑、行程、轉(zhuǎn)速以及適用的制冷劑分成幾檔。因此一般在設(shè)計(jì)兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)時(shí)，均選用已生產(chǎn)的壓縮機(jī)產(chǎn)品，而不是重新設(shè)計(jì)和制造壓縮機(jī)。
當(dāng)選用兩臺(tái)現(xiàn)有制冷壓縮機(jī)時(shí)，其理論體積輸氣量VH和VL均已確定，因而此時(shí)的約束條件應(yīng)是：
（定值）。
ξ－理論體積輸氣量之比；
VH－高壓級(jí)體積輸氣量；
VL－低壓級(jí)體積輸氣量；
?。鞨－高壓級(jí)質(zhì)量流量；
?。鞮－低壓級(jí)質(zhì)量流量；
νH－高壓級(jí)吸氣比容；
νL－低壓級(jí)吸氣比容；
λH－高壓級(jí)輸氣系數(shù)；
λL－低壓級(jí)輸氣系數(shù)。
這一方法也可用試算法求解，即先預(yù)取一系列的中間壓力值 (可參見3.2中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值作為預(yù)取值參考) ，即Pm1，Pm2，Pm3，…，并計(jì)算出相應(yīng)的高壓級(jí)和低壓級(jí)的理論輸氣量之比，ξ1，ξ2，ξ3，…，繪制ξ和Pm的變化曲線，曲線同ξ=C定值的交點(diǎn)即給出所求的中間壓力Pm。此方法也可先預(yù)取一系列的中間溫度值繪出ξ和Tm的變化曲線，曲線同ξ=C定值的交點(diǎn)即給出所求的中間溫度Tm。由Tm可求出中間壓力Pm。
對(duì)于一個(gè)實(shí)際的設(shè)計(jì)任務(wù)，當(dāng)用此法確定中間壓力時(shí)，如果高壓級(jí)和低壓級(jí)的壓縮機(jī)選配不當(dāng)，會(huì)使制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性有所降低，此時(shí)就需要重新選擇，重新進(jìn)行計(jì)算。因此最好的辦法是先按3.2的步驟確定出最佳中間壓力及最佳中間壓力時(shí)的理論輸氣量比，再選配適宜的高、低壓級(jí)制冷壓縮機(jī)，使其理論輸氣量比盡可能接近最佳中間壓力時(shí)的理論輸氣量，然后再按3.3步驟根據(jù)已選擇的高、低壓級(jí)制冷壓縮機(jī)確定實(shí)際運(yùn)行的中間壓力及其它各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
4、壓縮機(jī)的理論輸氣量與制冷量關(guān)系計(jì)算
不同類型的壓縮機(jī)理論輸氣量公式各異，下面各分別介紹常用的制冷壓縮機(jī)的理論輸氣量的計(jì)算公式。
實(shí)際輸氣量=理論輸氣量*輸氣系數(shù)
壓縮機(jī)制冷量=實(shí)際輸氣量*單位容積制冷量
4.1 活塞式制冷壓縮機(jī)
理論輸氣量Vh=
式中
D－氣缸直徑，ｍ；
ｓ－活塞行程，ｍ；
?。瓑嚎s機(jī)氣缸數(shù)，個(gè)；
?。睿瓑嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速，ｒ/ｍｉｎ。
壓縮機(jī)的制冷量：Ｑ０＝
λ＝輸氣系數(shù)，一般為0.50～0.82；
υ1－吸氣比容，ｍ３／ｋｇ；
q0－單位質(zhì)量制冷量，ｋＪ／ｋｇ。
壓縮機(jī)的軸功率：Ｎｅ＝
ω0－理論比功，ｋＪ／ｋｇ；
ηS－絕熱效率，一般為0.65～0.85。
4.2 螺桿式制冷壓縮機(jī)
理論輸氣量Vh=，?。?/ｈ
式中ｎｚ為任一黑心子齒數(shù)與轉(zhuǎn)速的乘積；
陽轉(zhuǎn)子端面型線圖上的齒間面積；
陰轉(zhuǎn)子端面型線圖上的齒間面積；
－為轉(zhuǎn)子長度。
上式還可以改寫成
Vh=60Cｎｎ1ｌD02，ｍ3/ｈ
式中ｎ1為陽轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（ｒ/ｍｉｎ），Cｎ稱為面積利用系數(shù)。當(dāng)采用單邊非對(duì)稱型線時(shí)Cｎ＝0.515。
在計(jì)算得Vｈ之后，可按與活塞式壓縮機(jī)相同的公式計(jì)算Q0及Nｅ。對(duì)于采用單邊不對(duì)稱型線的噴油螺桿制冷壓縮機(jī)，λ＝0.8～0.95；ηｓ＝0.82～0.85。
4.3 離心式制冷壓機(jī)
制冷劑的性質(zhì)對(duì)離心式壓縮機(jī)的構(gòu)造和性能影響很大。因此離心式壓縮機(jī)是針對(duì)特定工質(zhì)和給定的工況條件設(shè)計(jì)的，其特性曲線通常是表示在轉(zhuǎn)速和進(jìn)口條件不變情況下壓縮機(jī)的壓力比、功率、效率等隨其輸氣量的變化關(guān)系。離心式壓縮機(jī)的特性曲線可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來繪制，也可根據(jù)按另一種工質(zhì)的試驗(yàn)結(jié)果用相似理論來換算。目前離心式壓縮機(jī)尚沒形成系列化生產(chǎn)。產(chǎn)品樣本對(duì)特定工質(zhì)繪制出蒸發(fā)溫度ｔe不同值時(shí)，pc、Ne及ηｓ隨Q0的變化關(guān)系。由此，我們也可計(jì)算設(shè)計(jì)工況條件下的理論輸氣量大小。
在單機(jī)配打雙級(jí)壓縮制冷裝置設(shè)計(jì)這程中，高、低級(jí)采用何種壓縮機(jī)匹配方式應(yīng)視具體情況而定。綜合考慮初投資、運(yùn)行費(fèi)用、及運(yùn)行的可靠性等，同時(shí)征求客戶的意見選擇合理的匹配方式。有關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)通常壓縮機(jī)廠家的產(chǎn)品樣本給出了較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即使沒有詳細(xì)的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)過程中也可以咨詢生產(chǎn)廠家有關(guān)計(jì)算參數(shù)，以保障整個(gè)工程設(shè)計(jì)參數(shù)的合理及可靠性。 |
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