复叠式制冷系统全面解析

为什么要采用复叠式系统

随着科研和生产对低温的要求越来越高，如需要 -70℃～-120℃的低温箱、低温冷库等。由于采用中温制冷剂的双级压缩制冷装置，所能得到的最低点蒸发温度，也受到蒸发压力过低带来一系列问题的限制，如R12、R22在-80℃时，蒸发压力巳低于0.01 MP，而氨在-77. 7℃时，已经凝固了。

蒸发压力过低会带来下列问题：

1)、蒸发器与外界的压差增大，空气渗入系统的可能性增加，影响系统的正常工作。

2）、吸气比容大，实际吸入气缸的气体减少，增加了气缸的尺寸。

3）、对于活塞式压缩机，因阀门自动启闭特性，当吸气压力低于0.01 MPa时，难于克服吸气阀弹簧力，影响压缩机的正常工作。

由于上述原因，当需要的蒸发温度低于-70℃时，就要采用低温制冷剂。

它在常压下有较低的蒸发温度；

如R13和R14在常压下的蒸发温度分别为-81.5 ℃和- 128℃；

因此使低温下的蒸发压力得到提高，R13在蒸发温度为-100℃时，蒸发压力接近0.04 MPa。

但是，低温制冷剂的冷凝温度要求较低，用一般的水冷和空气冷却无法凝结成液体，必须用一种人工冷源来冷凝低温制冷剂，这就出现了同时采用两种制冷剂的制冷系统，称复叠式制冷循环。

2复叠式系统原理

1、系统原理图以及压焓图：

2、系统组成：

1）高压系统：高压压缩机、冷凝器、节流阀、冷凝蒸发器；

2）低压系统：低压压缩机、冷凝蒸发器、节流阀、蒸发器；

3复叠式系统流程

我们以R134a／C02复叠式制冷系统为例子；

R134a／C02复叠式制冷系统是由两个单级的蒸气压缩式制冷系统组合而成，其低温级是单级C02蒸气压缩制冷循环系统，高温级是单级R134a蒸气压缩制冷循环系统，高、低温级制冷回路通过冷凝蒸发器复叠而成。

上图为R134a／C02复叠式制冷系统原理图

系统理论循环具体描述为：

高温级制冷剂R134a由高温级压缩机压缩(图中5—6过程)；

排出的高温高压蒸气在高温级冷凝器中冷却、冷凝(6—7过程)；

之后进入节流装置节流(7—8过程)降压后；

在冷凝蒸发器中与高温高压C02气体进行热交换(8—5过程)；

后进入高温级压缩机；

气态C02制冷剂经冷凝蒸发器放热(2—3过程)；

经节流阀节流(3—4过程)；

并在C02蒸发器蒸发(4—1过程)后；

进入低温级压缩机压缩(1—2过程)完成系统循环。

4实际运用

下图是采用复叠式制冷的低温箱系统图：

分别由两台单级压缩机构成高温和低温制冷循环，高温部分采用R22制冷剂，低温部分采用R13制冷剂。

1、高温系统：

在高温循环中，进入蒸发—冷凝器的R22液体，吸收了低温循环中压缩机排出的R13蒸气的热量而汽化，汽化后被压缩机吸入并压缩，再排入油分离器分离润滑油，再进入水冷式冷凝器冷凝成R22液体。

从冷凝器出来的R22液体，经过干燥过滤器、热交换器、电磁阀、热力膨胀阀后重新进入蒸发一冷凝器汽化，如此不断循环。

2、低温系统：

在低温循环中，R13液体在低温蒸发器内吸收了被冷却对象的热量后汽化，汽化后的R13被压缩机吸入并压缩，然后进油分离器，分离后的R13蒸气进入蒸发一冷凝器，放热后冷凝成R13液体，出来后再经过过滤器、换热器、电磁阀、热力膨胀阀重新进入蒸发器汽化制冷，然后继续循环。

注意：

在低温部分的压缩机排气管道上装了一只水冷却器，这是为了降低R13蒸气的过热度，以减少蒸发一冷凝器的热负荷。

在制冷系统停机后，为了防止低温部分系统中的R13液体汽化而导致系统压力过高，专门设置了一个膨胀容器。

这是因为停机后，低沸点制冷剂R13的温度要逐步升高至环境温度，并全部汽化为过热蒸气，压力会增加到大于安全值，这是不允许的，系统内有了膨胀容器后，过热蒸气有了额外的贮存容积，压力上升不致过高，保证了安全。

另外，在系统重新启动时，膨胀容器可起到平衡低温部分压缩机的排出压力，避免R13的冷凝压力过高。

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