復疊式制冷系統分析

1 引言

制冷機，或者說制冷系統，最重要的目的就是產生制冷作用，達到制冷效果?，F如今各行業各領域對制冷溫度的要求不同，與此同時涉及的制冷循環方式也就相應不同。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，對制冷循環方式就需要更深的強化，改進和組配。

科研和生產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，但這套系統的蒸發壓力過低，給系統設計帶來了一系列的限制問題。如果需要低于-70℃的蒸發溫度，勢必要使用低溫制冷劑。低溫制冷劑在常壓下的蒸發溫度較低，從而使低溫下的蒸發壓力得到提高。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循環，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決定了它適宜的工作循環的溫度區間。不同的制冷劑，其相宜的工作循環溫區是不同的。

解決上述問題的辦法是將總的制冷循環拆分成兩個或多個區間，每個循環區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間，沸點低的制冷劑承擔低溫制冷的區間。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

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

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。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始終保持正壓力，使系統不易漏入空氣，從而保證運行的安全性和穩定性。

復疊式制冷系統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 復疊式制冷系統設計與使用中需注意的問題

通過以上內容可知，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實現制冷效果，達到所需目的。但是，系統的利弊是同時存在的，復疊式制冷系統在設計使用過程中也需要注意一些問題。

由于此系統的結構比較復雜，由多套子系統組成，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，上一級子系統的蒸發溫度要低于下一級子系統的冷凝溫度，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COP。

最后，要注意系統啟動和停機時的壓力問題。應先啟動高溫子系統，待其蒸發溫度降低到足以保證下一級子系統的冷凝壓力不超過限制值時，方可啟動下一級子系統。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間歇運行，以保持高溫子系統對低溫子系統高壓側的冷卻作用；長期停機時，應將低溫子系統中的制冷劑抽出，用高壓鋼瓶來保存，目的是防止低溫子系統超壓，避免危險發生。

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，多元混合工質技術已成為國際制冷界研究的熱點課題。復疊式制冷系統中有一種特殊形式，被稱為“自行復疊制冷系統”，簡稱ACR系統，它實質上是混合制冷劑的多級分凝循環。系統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壓力下工作，因而在系統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正是利用了這一特性。自行復疊式制冷系統采用“一級壓縮，多級復疊，自動分離”的原理，使混合制冷劑經過一次壓縮后，在多級復疊管路中的多個冷凝蒸發器中逐級分離，使進入蒸發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，R23離開分凝器時仍然保持氣態，之后進入冷凝蒸發器，在溫度相當低的冷凝蒸發器中，R23凝結成了液態，再經過節流閥進入蒸發器產生制冷作用。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為液態，再經節流閥進入冷凝蒸發器，液態R22在冷凝蒸發器中蒸發，產生較低的溫度，使進入的R23組分凝結成液態。來自蒸發器的R23蒸氣與冷凝蒸發器中產生的R22蒸氣匯合后，返回壓縮機，一次循環結束。

6 總結

本文介紹了復疊式制冷系統循環，該系統相對復雜，但優勢是可以達到更低的制冷溫度。

圖1 三級復疊式制冷系統

參考文獻

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