低温工况下3大制冷系统（单级、双级、三级）对比

目前，除了单级压缩制冷系统，最常用制取较低温度的制冷方式有双级（多级）压缩制冷循环、两级复叠式制冷循环、三级复叠式制冷循环等。本文我们就来介绍双级压缩制冷系统和复叠式制冷系统。

（此图仅供参考，不对应文中任何具体产品）

1、双级压缩制冷原理

1.1 双级压缩制冷原理

所谓双级压缩制冷循环，一般是使用两台压缩机，分别为低压级压缩机和高压级压缩机。双级压缩制冷循环的工作原理如图 1 所示。

制冷剂气体从蒸发压力提高到冷凝压力的过程分 2 个阶段：

第一阶段：先经低压级压缩机压缩到中间压力：

第二阶段：中间压力下的气体经过中间冷却后再到高压级压缩机进一步压缩到冷凝压力，往复循环完成一个制冷过程。

在制取低温时，双级压缩制冷循环的中间冷却器降低了高压级压缩机制冷剂的入口温度，同时也降低了同一压缩机的排气温度。

由于双级压缩制冷循环将整个制冷过程分成 2 个阶段，所以会导致每个阶段的压缩比相对于单级压缩降低不少，对设备强度的要求降低，使制冷循环的效率大大提高。两级压缩制冷循环按照中间冷却方式的不同分为中间完全冷却循环和中间不完全冷却循环；若按照节流方式又可以分为一级节流循环和二级节流循环。

1.2 双级压缩制冷剂种类

双级压缩制冷系统大多选择中低温制冷剂，实验研究表明， R448A 、 R455a 在能效方面是 R404A 的良好替代品。与氢氟烃替代品相比， CO2 作为环境友好型工质，是氢氟烃制冷剂的潜在替代品，具有良好的环境特性。

但是用 CO2 替代 R134a 会使系统性能恶化，特别是在较高的环境温度下， CO2 系统的压力相当高，需要对关键部件进行特殊处理，特别是压缩机。

1.3 双级压缩制冷的优化研究

目前，对双级压缩制冷循环系统的优化研究成果主要如下：

（ 1 ）增加中间冷却器的管排数的同时，减少空气冷却器中的管排数，可以在增大中间冷却器的换热面积的同时减少由于空气冷却器中管排数较多导致空气回到其入口，通过以上改进可以降低 2 ℃左右的中间冷却器进口温度，同时还能保证空气冷却器的冷却效果。

（ 2 ）保持低压级压缩机的频率恒定，改变高压级压缩机的频率，从而改变高压级压缩机的气体输气量之比，蒸发温度恒定为﹣ 20 ℃时， COP 最大值为 3.374 ，最大 COP 对应的输气量比为 1.819 。

（ 3 ）通过对比几种常见的 CO2 跨临界双级压缩制冷系统，得出结论：由于气体冷却器的出口温度和低压级压缩机的效率在给定压力时对循环的影响大，所以如果想提高系统效率，就要降低气体冷却器出口温度和选择运行效率高的低压级压缩机。

2、复叠制冷循环

2.1 两级复叠制冷原理

两级复叠制冷循环的工作原理如图 2 所示：

冷凝蒸发器作为高温级制冷循环的蒸发器同时也负担着低温级制冷循环的冷凝器的作用。复叠制冷系统采用了几个单独的制冷系统，它们使用不同的制冷剂，通过冷凝蒸发器换热，以实现较低的工作温度和合理的冷凝压力。但是如果考虑到经济性，使用复叠制冷系统经济性是较差的，因为不同的制冷系统必须同时运行，驱动两台或多台压缩机的功率很高。所以只有在使用复叠制冷系统制取较低蒸发温度时比较有效。

2.2 三级复叠制冷原理

三级复叠制冷循环的工作原理如图 3 所示：

它由 3 个单级制冷压缩循环叠加组成，其中第一级冷凝蒸发器作为高温级制冷循环蒸发器的同时也负担着中温级制冷循环中冷凝器的作用，第二级冷凝蒸发器作为中温级制冷循环蒸发器的同时也负担着低温级制冷循环中冷凝器的作用。

2.3 复叠制冷剂种类

在复叠制冷系统中，对于两级复叠系统来说，高温级使用的是中温制冷工质，低温级使用的是低温制冷工质；对于三级复叠系统来说，高温级使用的是高温制冷工质，中温级使用的是中温制冷工质，低温级使用的是低温制冷工质。

系统所使用的制冷工质应与制冷系统中的设备和管路等材质兼容，不腐蚀、不氧化，有较稳定的化学性质，且与润滑油不互溶。 R404A 既不破坏臭氧层，又有较高的单位容积制冷量，所以 R404A 可暂时作为替代 R22 和 R502 的中长期替代物。

低温级的制冷循环中通常采用 R23 和 R508B 作为制冷剂，但 R23 的 GWP 较高，是强温室气体； R23 在实际制冷系统应用时，最大的缺点是损坏压缩机运动部件，且会分解润滑油，导致电机短路等危险。虽然 R508B 的 GWP 也较高，但其 ODP 为 0 ，且在单位容积制冷量上有明显优势，所以应优先考虑 R508B 作为复叠制冷系统低温级制冷剂。

由于臭氧层的破坏和温室效应的加剧，对自然环保型的制冷剂研究变得更加重要，尤其对以 R717/R744 为复叠制冷系统工质的研究越来越多。从国内外对于复叠制冷系统中制冷剂组的研究大趋势上来看，自然环保型的制冷剂正在慢慢取代对环境造成破坏的制冷剂。

2.4 复叠制冷的优化研究

近几年对于复叠制冷系统的优化研究体现在多方面。

（ 1 ）基于复叠制冷变温系统能效分析的热力学模型。通过增加蓄冷器和制冷剂回路，可提高能效，减小压缩机的尺寸，使系统更加节能。

（ 2 ）在一种双运行复叠制冷系统中设置一个中间回热器，可使系统运行稳定，达到﹣ 60 ℃的制冷温度。根据计算，系统的 COP 也会随着低温级循环压比增加而增至 1.1 。

（ 3 ）研究发现可以在低温级循环内加入排气冷却器用于压缩机排气的冷却来减少冷凝蒸发器的热负荷，从而提高能效比。

（ 4 ）通过对复叠制冷系统中润滑油的选择和分离，发现应该保证润滑油拥有较低的倾点温度（能够保证流动的最低温度），在低温级制冷循环系统中应设置一个高效的油分离器。同时，将膨胀容器添加到低温阶段循环中，可以防止由于低温阶段制冷循环的高气化压力而导致单元的高设计压力。

（ 5 ） R1150 在低温循环中能替代 R14 ； R41 和 R170 可在中温循环中替代 R23 ； R170 被优先推荐使用。

（ 6 ）通过对比 R1150/R170/R717 、 R50/R170/R717 、 R14/ R170/R717 三组制冷剂组研究发现， R1150/R170/R717 的 COP 和热力学完善度最大、?损失最小、?效率最大。

3、对比分析

（ 1 ）所需蒸发温度在﹣ 30 ℃～﹣ 60 ℃时，通常采用中温制冷剂的双级压缩制冷系统；

（ 2 ）在﹣ 60 ℃蒸发温度以下时复叠式制冷与双级压缩制冷相比，吸气压力更高、压缩机效率更高、蒸发温度更低。因此复叠式制冷应用在低温区间效率更高，是很有应用前景的低温制冷系统。

（ 3 ）两级复叠制冷循环所制取的蒸发温度有限，在低于﹣ 80 ℃时，由于压缩机的压比限制，两级复叠制冷系统显然是不合适的。

（ 4 ）在低于﹣ 80 ℃时，三级复叠制冷系统更加合适，通过 3 个制冷循环的复叠来制取较低的温度，三级复叠制冷系统可以制取到﹣ 120 ℃的低温环境。