兩級壓縮制冷循環是將一臺低壓級壓縮機和一臺高壓級壓縮機串接起來，使制冷劑得以在其中依次進行兩次壓縮，這樣可以做到，每級壓縮的壓力比不致過大而總的壓力比卻大大地提高。圖2-14是這種制冷循環的流程原理圖。從高壓級壓縮機排出的高壓(等于冷凝壓力pk）制冷劑蒸汽進入冷凝器，被冷凝為常溫高壓液體，它從冷凝器流出后分為兩路:主要的是流經中間冷卻器中盤管，并受到在中間冷卻器中的制冷劑蒸發冷卻成為過冷液體，然后經膨脹閥進入蒸發器中制取冷量。另一路是經膨脹閥節流降壓至中間壓力Pz后進入中間冷卻器，并在其中蒸發、冷卻盤管中的前一路高壓制冷劑液體。從蒸發器流出的低壓蒸汽被低壓級壓縮機吸入壓縮至中間壓力Pz，排出后與中間冷卻器流出的中壓蒸汽相混合，再被高壓級壓縮機吸入并排入冷凝器，這樣，就完成了兩級壓縮制冷系統的一次循環。
再以前面所舉的一40℃和一60℃低溫箱為例來對比采用單級和兩級壓縮制冷方案所取得的不同結果。設高壓級和低壓級壓縮機具有相同的壓力比，也就是說:
根據這些關系，可得下列計算結果。
從計算結果來看，兩級壓縮循環的高低壓級壓力比遠小于單級壓縮循環的單級壓力比。因而采用兩級壓縮來實現一40~—60℃的低溫是切實可行的。
兩級壓縮制冷循環的高壓級和低壓級壓縮機的制冷劑重量流量(每小時輸出的制冷劑重量)是不等的。高壓級壓縮機不僅吸入來自低壓級壓縮機的全部流量，而且還要吸入來自中間冷卻器的中壓蒸汽。因此，高壓級壓縮機的重量流量顯然要大于低壓級壓縮機的重量流量。但是，從壓縮機的容積流量(每小時輸出的制冷劑容積按吸汽狀態計算)來看情況就有所不同。高壓級和低壓級壓縮機的吸汽狀態是不一樣的，與高壓級相比較，低壓級所吸入的每公斤制冷劑，由于其壓力較低，p0<pz所以，其容積亦較大，也就是說，低壓級壓縮機的容積流量要大于高壓級的。正是由于這個緣故，實際兩級壓縮制冷機中，高壓級和低壓級壓縮機的理論排量之比一般為1:3或1:2。
