Одноступенчатый цикл эффективно работает при умеренных температурах кипения: для R404A граница — около −25…−30 °C, для R22 — около −25 °C. При более низких температурах степень сжатия (отношение давления нагнетания к давлению всасывания) становится критически большой.

Пример: R404A, испарение −35 °C (Pвс = 0,73 бар абс.), конденсация +40 °C (Pнагн = 15,5 бар абс.). Степень сжатия = 15,5 / 0,73 = 21,2.

При такой степени сжатия в одноступенчатом компрессоре происходит следующее:

температура нагнетания превышает 140–160 °C — масло разлагается, клапаны горят
объёмный КПД компрессора падает до 40–50% — большая часть мощности тратится впустую
перегрев газа в цилиндре настолько велик, что реальная производительность вдвое ниже расчётной

Двухступенчатое сжатие делит весь перепад давлений на две ступени с промежуточным охлаждением газа. Степень сжатия каждой ступени снижается примерно до √21 ≈ 4,6 — рабочий диапазон любого исправного компрессора. Температура нагнетания падает до 80–100 °C, объёмный КПД восстанавливается.

Frostsystems выполняет монтаж и пусконаладку холодильного оборудования в Москве и МО под ключ — прокладка медных трубопроводов, обвязка гидравлического контура, подключение автоматики Dixell, Carel, Danfoss, опрессовка азотом, вакуумирование и заправка хладагентом R134a, R513A, R404A по массе с оформлением исполнительной документации.

Принцип работы и промежуточное охлаждение

В двухступенчатой системе сжатие хладагента выполняется в два последовательных этапа:
Ступень низкого давления (СНД, low stage): компрессор всасывает пар из испарителя при низком давлении и сжимает его до промежуточного давления. Газ после СНД горячий — температура нагнетания первой ступени 60–90 °C.
Промежуточное охлаждение: перегретый газ из СНД охлаждается перед входом во вторую ступень. Это ключевой элемент схемы — без охлаждения между ступенями термодинамический выигрыш был бы минимальным.

Ступень высокого давления (СВД, high stage): компрессор всасывает охлаждённый газ при промежуточном давлении и сжимает его до давления конденсации. Температура нагнетания второй ступени — нормальная рабочая, 80–110 °C.
Термодинамический эффект: работа изотермического сжатия меньше, чем адиабатического. Промежуточное охлаждение приближает процесс к изотермическому. Экономия электроэнергии по сравнению с одноступенчатым циклом при −35 °C составляет 15–25%.

Оптимальное промежуточное давление

Теоретически оптимальное промежуточное давление выравнивает степени сжатия обеих ступеней:
Pпром = √(Pвс × Pнагн)
Для R404A при −35 °C / +40 °C: Pпром = √(0,73 × 15,5) = √11,3 = 3,36 бар абс. — соответствует температуре насыщения около −13 °C.

На практике оптимальное промежуточное давление немного отличается от теоретического: компрессор СНД имеет бо́льший рабочий объём (так как газ при низком давлении менее плотный), и производители двухступенчатых компрессоров подбирают соотношение объёмов цилиндров под стандартные рабочие условия.

Для аппаратных схем с двумя отдельными компрессорами промежуточное давление выставляется регулятором давления (РД) на всасывании СВД или уровнем жидкости в промежуточном сосуде.

Полное и неполное промежуточное охлаждение

Полное промежуточное охлаждение — газ после СНД охлаждается до температуры насыщения при промежуточном давлении. Достигается в промежуточном сосуде, где газ барботирует через жидкий хладагент. Это наиболее эффективная схема — газ на входе в СВД насыщен, степень перегрева минимальна. Применяется в аммиачных установках и крупных промышленных системах на HFC.

Неполное промежуточное охлаждение — газ охлаждается частично впрыском жидкого хладагента через специальный клапан (CIC — Cooler Injection Cold в терминологии Bitzer). Газ остаётся перегретым, но температура нагнетания второй ступени снижается до допустимых значений. Применяется в двухступенчатых поршневых компрессорах Bitzer 2FES/4FES/6FES/8FES. Схема проще в монтаже — не требует промежуточного сосуда, но термодинамически менее эффективна, чем полное охлаждение.

Однократное и двукратное дросселирование

Однократное дросселирование: жидкость дросселируется от давления конденсации до давления испарения через один ТРВ. Простая схема; часть жидкости флэшируется в ТРВ, не совершая полезной работы.
Двукратное дросселирование: жидкость сначала дросселируется до промежуточного давления в первом ТРВ, затем — до давления испарения во втором ТРВ. Образующийся при первом дросселировании пар отводится в промежуточный сосуд и используется для охлаждения газа СНД. Это позволяет направить в испаритель только жидкий хладагент — энтальпия жидкости меньше, холодильный эффект на единицу массы выше. Применяется в системах с промежуточным сосудом.

Двухступенчатый поршневой компрессор

Двухступенчатый поршневой компрессор — единая машина с цилиндрами низкого (НД) и высокого давления (ВД), работающими последовательно в одном корпусе.

Bitzer серии 2FES, 4FES, 6FES, 8FES: наиболее распространённые двухступенчатые полугерметичные компрессоры на российском рынке. Цилиндры НД имеют бо́льший диаметр, чем цилиндры ВД — отношение объёмов ЦНД/ЦВД подбирается под оптимальную степень сжатия. Промежуточное охлаждение встроено через CIC-клапан — ТРВ с термобаллоном на нагнетании первой ступени.

Параметры Bitzer 4FES-3 на R404A:

температура кипения: −35 °C
температура конденсации: +40 °C
холодопроизводительность: ~10–12 кВт (в зависимости от модели)
рабочий диапазон: −20…−45 °C (испарение)

Copeland двухступенчатые — серии 4RH, 6RH для R404A и R22, аналогичный диапазон.
Dorin CD, CH серии — двухступенчатые компрессоры для R404A, R448A, R449A; Frascold SQ — аналогичный диапазон применений.

Для новых хладагентов R448A и R449A большинство производителей подтвердили совместимость своих двухступенчатых серий. Bitzer Software позволяет подобрать режим работы 2FES/4FES на R448A с учётом двухступенчатого цикла.

Двухкомпрессорные схемы

Альтернатива двухступенчатому компрессору — два отдельных одноступенчатых компрессора, соединённых последовательно:

Компрессор СНД — всасывает пар из испарителя при низком давлении; нагнетает в промежуточный сосуд или теплообменник
Компрессор СВД — всасывает газ из промежуточного сосуда; нагнетает в конденсатор

Преимущества двухкомпрессорной схемы:

Гибкость подбора — компрессоры СНД и СВД выбираются независимо по мощности, маркам и хладагентам
Резервирование — при отказе одного компрессора система частично сохраняет работоспособность
Параллельные централи — несколько компрессоров в каждой ступени с независимым управлением

Недостатки: большая занимаемая площадь, более сложная автоматика, два независимых контура масла.
Типичное применение двухкомпрессорных схем — крупные холодильные склады, шоковые заморозители мощностью выше 50–100 кВт, промышленные холодильные централи на R404A, R448A, R449A.

Промежуточный сосуд: устройство и функция

Промежуточный сосуд (ПС) — вертикальный цилиндрический аппарат, работающий при промежуточном давлении и выполняющий одновременно несколько функций:

Охлаждение газа СНД — горячий газ из нагнетания первой ступени поступает в ПС через барботажную трубу и охлаждается кипящей жидкостью; из ПС СВД засасывает насыщенный пар
Отделение жидкости — пар, выходящий в СВД, свободен от капель жидкости; риск влажного хода в СВД исключён
Переохлаждение жидкости — жидкость из конденсатора, проходя через змеевик внутри ПС, переохлаждается до промежуточной температуры; снижается количество флэш-пара в основном ТРВ

Уровень жидкости в ПС регулируется поплавковым клапаном или ТРВ, питаемым от жидкостной линии конденсатора. Оптимальный уровень — 1/3–1/2 объёма сосуда. При переполнении жидкость попадает в СВД — гидравлический удар.

Промежуточный теплообменник (вместо сосуда) — кожухотрубный или пластинчатый аппарат, через который газ СНД охлаждается жидкостью промежуточного давления. Проще и компактнее сосуда, но не обеспечивает полного охлаждения до насыщения.

Хладагенты и диапазоны применения

Для температур ниже −45…−50 °C двухступенчатого сжатия на одном хладагенте недостаточно — применяются каскадные системы (два независимых контура с разными хладагентами) или трёхступенчатое сжатие.

Автоматизация двухступенчатых систем

Управление двухступенчатой системой сложнее одноступенчатой: последовательность пуска и останова обеих ступеней критична.

Пуск:

Включается компрессор СВД — откачивает газ из промежуточного сосуда и создаёт промежуточное давление
После стабилизации давления (задержка 30–60 с) включается компрессор СНД
Открываются соленоидные вентили обеих ступеней

Останов:

Закрывается соленоид подачи хладагента в испаритель — СНД откачивает пар
Отключается компрессор СНД
СВД продолжает откачивать газ из промежуточного сосуда ещё 30–60 с
Отключается компрессор СВД

При нарушении последовательности (одновременный пуск или останов) промежуточное давление не успевает установиться — СВД запускается при слишком высоком давлении на всасывании, срабатывает РВД.

Контроллеры: Dixell XC460, Eliwell EWPC900, Carel μChiller поддерживают двухступенчатое управление с настраиваемыми задержками пуска/останова ступеней.

Защита по промежуточному давлению: реле РВД на нагнетании СНД (= всасывание СВД) с уставкой на 1–2 бар выше расчётного промежуточного давления. Это предотвращает перегрузку СВД при высоком промежуточном давлении.

Диагностическая таблица

СВД не запускается — РВД на промежуточном давлении срабатывает;Нарушена последовательность пуска — СНД запустился раньше СВД;Настроить задержку пуска СНД, первым должен запускаться СВД Высокая температура нагнетания СВД (>120 °C);CIC-клапан закрыт или засорён — промежуточное охлаждение не работает;Проверить открытие соленоида CIC, термобаллон ТРВ промежуточного охлаждения Давление всасывания СВД выше нормального;Промежуточный сосуд переполнен жидкостью — уровень выше нормы;Проверить поплавковый клапан или ТРВ питания промежуточного сосуда Производительность СНД низкая — давление в испарителе высокое;Износ клапанов СНД или недостаток хладагента в испарителе;Тест производительности СНД, поиск утечки хладагента СВД перегружается по току при запуске;Промежуточное давление слишком высокое при пуске — СНД работал без СВД;Исправить последовательность пуска, проверить реле промежуточного давления Обмерзание промежуточного сосуда снаружи;Уровень жидкости в ПС чрезмерно высок — кипение происходит на поверхности;Снизить уровень регулировкой поплавка, проверить поступление жидкости в ПС

Типичные ошибки

Запускают СНД одновременно с СВД или раньше него. Промежуточное давление в момент пуска слишком высокое для СВД — он запускается при перегрузке. Правильный порядок: сначала СВД, затем с задержкой 30–60 с — СНД. Контроллер должен обеспечивать эту последовательность аппаратно.
Подбирают объёмы цилиндров СНД и СВД одинаковыми. Газ при промежуточном давлении плотнее, чем при давлении всасывания СНД. Для одинакового массового расхода объём цилиндра СВД должен быть меньше — соотношение зависит от степеней сжатия. Одинаковые компрессоры в ступенях дают дисбаланс: либо СВД перегружен, либо СНД не полностью использован.
Не контролируют уровень жидкости в промежуточном сосуде. Поплавковый клапан засорился или потерял герметичность — уровень поднимается, жидкость попадает во всасывание СВД. Жидкий удар в СВД при двухступенчатой системе опаснее, чем в одноступенчатой: давление конденсации высокое, инерция процесса большая.
При ретрофите с R404A на R448A или R449A не корректируют уставки промежуточного давления. Давления R448A/R449A на 5–10% ниже R404A. Реле промежуточного давления, настроенное под R404A, будет срабатывать при неверных значениях. После ретрофита все уставки давлений пересчитываются по PT-диаграмме нового хладагента.

Frostsystems проектирует и монтирует двухступенчатые холодильные системы для шоковой заморозки и низкотемпературного хранения на компрессорах Bitzer 2FES/4FES и двухкомпрессорных схемах, выполняет пуско-наладочные работы в Москве и Московской области.

Не знаете с чего начать?

Оставьте ваши контактные данные и инженер разберется в вашей проблеме и предложит пути решения.

Двухступенчатое сжатие в холодильных установках: принцип работы, схемы и оборудование

Зачем нужно двухступенчатое сжатие