復疊式制冷系統(tǒng)分析

1 引言

制冷機，或者說制冷系統(tǒng)，最重要的目的就是產(chǎn)生制冷作用，達到制冷效果?，F(xiàn)如今各行業(yè)各領域?qū)χ评錅囟鹊囊蟛煌c此同時涉及的制冷循環(huán)方式也就相應不同。單級壓縮制冷可達到溫度在-35℃至-40℃，雙級壓縮制冷可達到溫度-40℃至-80℃。如果還需要進一步達到更低溫，對制冷循環(huán)方式就需要更深的強化，改進和組配。

科研和生產(chǎn)對低溫的要求越來越高，如需要-70℃至-120℃的低溫箱、低溫冷庫等，要想得到最低點的蒸發(fā)溫度，目前一般采用中溫制冷劑的雙級壓縮制冷裝置，但這套系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力過低，給系統(tǒng)設計帶來了一系列的限制問題。如果需要低于-70℃的蒸發(fā)溫度，勢必要使用低溫制冷劑。低溫制冷劑在常壓下的蒸發(fā)溫度較低，從而使低溫下的蒸發(fā)壓力得到提高。但低溫制冷劑要求較低的冷凝溫度，用一般的空氣冷卻或水冷是無法將低溫制冷劑凝結(jié)成液體的，必須用另一種制冷劑來冷凝低溫制冷劑，雙制冷劑的制冷系統(tǒng)應運而生。

2 復疊式制冷簡介及其工作原理

2.1 復疊式制冷簡介

要獲得有效的蒸汽壓縮式制冷，就要求制冷劑在其臨界點以下和標準沸點附近的溫度范圍內(nèi)循環(huán)，而所有可做制冷劑的流體中，這個溫度范圍是有限的。低沸點制冷劑的臨界點溫度較低，高沸點制冷劑的臨界點溫度較高。沒有哪一種制冷劑可以既有很高的臨界溫度，又有很低的沸點溫度。每一種制冷劑的熱力性質(zhì)決定了它適宜的工作循環(huán)的溫度區(qū)間。不同的制冷劑，其相宜的工作循環(huán)溫區(qū)是不同的。

解決上述問題的辦法是將總的制冷循環(huán)拆分成兩個或多個區(qū)間，每個循環(huán)區(qū)間選取相適宜的制冷劑，即沸點高的制冷劑承擔高溫制冷的區(qū)間，沸點低的制冷劑承擔低溫制冷的區(qū)間。因“劑”適宜地將它們疊加起來，達到最終需求的制冷溫度，這就是復疊式制冷。

2.2 復疊式制冷工作原理

復疊式制冷循環(huán)通常由兩個或三個獨立的子系統(tǒng)制冷循環(huán)組成，分別稱為高溫部分和低溫部分。其中每個子系統(tǒng)可以是單級壓縮循環(huán)，也可以是雙級壓縮循環(huán)。子系統(tǒng)按工作溫度由高到低依次排列。相鄰子系統(tǒng)通過熱交換器聯(lián)系，將上一級的蒸發(fā)器與下一級的冷凝器疊加在一起，取做“蒸發(fā)/冷凝器”。子系統(tǒng)1使用較高沸點的制冷劑進行循環(huán)，制冷劑在常溫下冷凝，在溫度t1下蒸發(fā)；子系統(tǒng)2用沸點較低的制冷劑進行循環(huán)，制冷劑在子系統(tǒng)1提供的低溫t1下冷凝，在溫度t2下蒸發(fā)，以此類推，逐步實現(xiàn)獲得整套系統(tǒng)所要求的制冷溫度。

當需要獲取-60℃以下的低溫時，采用中溫制冷劑與低溫制冷劑復疊的制冷循環(huán)。兩級復疊式制取-60℃至-80℃的低溫，三級復疊式制取-80℃至-120℃的低溫，如圖1所示。用作高溫級的中溫制冷劑有：R717、R22、R502、R134a、R407c、R410a等；用于低溫級的低溫制冷劑有：R13、R14、R23、C2H6、C2H4等。

3 復疊式制冷的優(yōu)點

從低溫部分壓縮機的氣缸容積上看，復疊式要比雙級壓縮式小很多。這對減少整機的尺寸和重量都十分有利。例如：當需要-60℃的蒸發(fā)溫度時，假設采用R12的雙級壓縮制冷機氣缸容積為a，能耗為b，那么采購R12和R13組成的復疊式制冷機的氣缸容積僅為a的35%，能耗也不到b的90%，而且整個復疊式制冷系統(tǒng)始終保持正壓力，使系統(tǒng)不易漏入空氣，從而保證運行的安全性和穩(wěn)定性。

復疊式制冷系統(tǒng)不但可以組合不同的制冷方式，而且還可以使用不同的制冷劑組合。例如：高溫部分使用吸收式制冷機，低溫部分可用離心式制冷機。如果想使系統(tǒng)簡化，可采用鹽水冷源，用低溫鹽水來冷卻低溫部分的冷凝器，這樣高溫部分就不用再設置制冷機。

4 復疊式制冷系統(tǒng)設計與使用中需注意的問題

通過以上內(nèi)容可知，制冷溫度要求在超低溫（-80℃以下）的情況下，可以采用復疊式制冷系統(tǒng)實現(xiàn)制冷效果，達到所需目的。但是，系統(tǒng)的利弊是同時存在的，復疊式制冷系統(tǒng)在設計使用過程中也需要注意一些問題。

由于此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復雜，由多套子系統(tǒng)組成，且使用多種制冷劑，尤其低溫制冷劑的成本是比較昂貴的，所以選取制冷劑時，要充分考慮其制冷溫度、制冷量大小和制冷劑的價格。

另外，在運行過程中，上一級子系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度要低于下一級子系統(tǒng)的冷凝溫度，這樣就存在傳熱溫差，稱為“復疊溫差”。存在復疊溫差，也就相當于造成了不可逆的損失，設計選擇時要考慮復疊溫差的取值，一般為5至10℃，盡量減小不可逆損失。

同時，為了保證循環(huán)的正常運行，需要靈活地選用一些輔助熱交換器，如回熱器、水冷卻器，對壓縮機的吸氣和排氣做出合理的處理，以保證合理的熱交換，減少無用功耗，提高性能系數(shù)COP。

最后，要注意系統(tǒng)啟動和停機時的壓力問題。應先啟動高溫子系統(tǒng)，待其蒸發(fā)溫度降低到足以保證下一級子系統(tǒng)的冷凝壓力不超過限制值時，方可啟動下一級子系統(tǒng)。停機有短期停機和長期停機兩種情況。其中短期停機可通過自動控制的方法讓高溫子系統(tǒng)間歇運行，以保持高溫子系統(tǒng)對低溫子系統(tǒng)高壓側(cè)的冷卻作用；長期停機時，應將低溫子系統(tǒng)中的制冷劑抽出，用高壓鋼瓶來保存，目的是防止低溫子系統(tǒng)超壓，避免危險發(fā)生。

5 自復疊式的簡介及工作原理

5.1 自行復疊式制冷的產(chǎn)生

近幾十年來，無論是在普冷領域還是在低溫領域，多元混合工質(zhì)技術已成為國際制冷界研究的熱點課題。復疊式制冷系統(tǒng)中有一種特殊形式，被稱為“自行復疊制冷系統(tǒng)”，簡稱ACR系統(tǒng)，它實質(zhì)上是混合制冷劑的多級分凝循環(huán)。系統(tǒng)中充灌了兩種制冷劑，例如R23和R22，它們在相同的冷凝壓力和蒸發(fā)壓力下工作，因而在系統(tǒng)中只需要一臺壓縮機。相同壓力下，R23的冷凝溫度遠低于R22的冷凝溫度，自行復疊式制冷系統(tǒng)正是利用了這一特性。自行復疊式制冷系統(tǒng)采用“一級壓縮，多級復疊，自動分離”的原理，使混合制冷劑經(jīng)過一次壓縮后，在多級復疊管路中的多個冷凝蒸發(fā)器中逐級分離，使進入蒸發(fā)器的制冷劑沸點最低，從而獲得預定的低溫。

5.2 自行復疊式制冷的工作原理

以壓縮機為起點，壓縮機排出的R23和R22混合制冷劑氣體進入“分凝器”，分凝器用常溫冷卻水（或空氣）冷卻。常溫冷卻下，不足以使混合氣中的R23組分凝結(jié)，R23離開分凝器時仍然保持氣態(tài)，之后進入冷凝蒸發(fā)器，在溫度相當?shù)偷睦淠舭l(fā)器中，R23凝結(jié)成了液態(tài)，再經(jīng)過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器產(chǎn)生制冷作用。另一方面，混合氣體中冷凝溫度較高的R22進入分凝器后，在常溫冷卻作用下凝結(jié)為液態(tài)，再經(jīng)節(jié)流閥進入冷凝蒸發(fā)器，液態(tài)R22在冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)，產(chǎn)生較低的溫度，使進入的R23組分凝結(jié)成液態(tài)。來自蒸發(fā)器的R23蒸氣與冷凝蒸發(fā)器中產(chǎn)生的R22蒸氣匯合后，返回壓縮機，一次循環(huán)結(jié)束。

6 總結(jié)

本文介紹了復疊式制冷系統(tǒng)循環(huán)，該系統(tǒng)相對復雜，但優(yōu)勢是可以達到更低的制冷溫度。

圖1 三級復疊式制冷系統(tǒng)

參考文獻

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