这,就是复叠式制冷系统!
糕糕泡芙
2023年03月22日 13:32:28
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         本期,我们来介绍一下,啥是复叠式制冷系统,以及复叠式制冷系统的原理、特点、应用。 (本图仅为示意图,不对应文中任何产品信息)

    

    本期,我们来介绍一下,啥是复叠式制冷系统,以及复叠式制冷系统的原理、特点、应用。



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(本图仅为示意图,不对应文中任何产品信息)


1、啥是复叠式制冷系统


1.1 复叠式制冷系统的定义和概念  


复叠式制冷,是指用两种或两种以上的制冷剂,由两个或两个以上的单级(或双级)压缩制冷循环系统组成的制冷装置。


它使用混合工质并通过单台压缩机实现了多级复叠,具有比较大的工作温区,可以实现从低于80 K的液氮温区到230 K的传统蒸气压缩制冷循环制冷温区,可以获得-60℃以下的低温。所以无论是在普冷领域还是在低温电子、低温医学、冷冻干燥、气体液化等低温领域,都有比较大的实用价值。



1.2 为什么要开发复叠式制冷系统  


随着科研和生产对低温的要求越来越高,比如超低温的冷库,快速冻结工艺设施,需要超低温工艺的生物及化学工业领域、低温箱等,温度就需要达到 -70℃~-120℃。


但如果我们还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、复叠式制冷系统原理和组成



2 . 1  复叠式制冷系统的原理图 

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两个单级系统组成的复叠式制冷机


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三个单级压缩循环组成的复叠式制冷机



2 . 2  复叠式制冷系统的构成  


简单来讲,由两部分组成:

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;


高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷凝,而只有低温部分系统的制冷剂在蒸发时才制取冷量。高温部分和低温部分用一个冷凝蒸发器联系起来,它既是高温部分的蒸发器,又是低温部分的冷凝器。


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低温级部分:


来自蒸发器的低温制冷剂气体,经过低温级回热器后,再经过低温级压缩机压缩后进入油分,低温制冷剂中的润滑油在油分中大部分被分离出来,润滑油返回压缩机,含油量很少的制冷剂气体进入预冷器中被预冷,然后进入冷凝蒸发器中。在冷凝蒸发器中,低温制冷剂放出的热量被高温制冷剂吸收,高温制冷剂蒸发的同时,低温制冷剂冷凝,冷凝后的低温制冷剂经过干燥过滤器、低温级回热器,再经过节流阀进入蒸发器中,完成一个制冷循环。


高温级部分:


在冷凝蒸发器中吸热后蒸发的高温制冷剂气体,被高温级压缩机吸入压缩后进入风冷冷凝器中冷凝,放出热量给冷却介质,冷凝后的高温制冷剂液体进入储液器,然后经过干燥过滤器、节流阀进入冷凝蒸发器中,完成一个制冷循环。


不同于普通的单级压缩制冷装置,复叠式制冷装置有两个特殊的组件,冷凝蒸发器和膨胀容器。其中:


冷凝蒸发器:


一般是采用套管式换热器或板式板式换热器。用套管式换热器做冷凝蒸发器时,通常为管内蒸发,管间冷凝。即高温部分的制冷剂在管内蒸发,低温部分的制冷剂在管间冷凝。用板式换热器做冷凝蒸发器时,一般在高温级的制冷剂入口装有制冷剂液体分配器,使液体制冷剂均匀流入各通道。


膨胀容器:


复叠机组停止运转时,由于系统内的温度升高到了环境温度,低温制冷剂全部气化成过热蒸汽,并且将高于规定的最大工作压力,这种情况是不允许的。因此要在系统中接入一个膨胀容器,以便在停机后大部分的制冷剂蒸汽进入膨胀容器中,膨胀容器可以接到吸气管上,也可以接到排气管上,接到吸气管上时,膨胀容器所需要的容积较小,因而比较合理 。


  膨胀容器的容积可按如下方法计算:


  V p = ( Gd*vp - V d)*vd/(vd – vp)


式中: V d 为不计膨胀容器容积时,低温部分的制冷系统总容积(m3) ; vp 为设计温度、设计压力下低温系统制冷剂过热气体比容(m3/ kg) ; v d 为设计温度、吸气压力下低温系统制冷剂过热气体比容(m3/ kg) ; Gd 为不计膨胀容器容积时,低温系统制冷剂充注量(kg) 。


制冷剂:


低温复叠制冷机组大都以R22/ R23 为制冷剂。为满足环保要求,高温侧制冷剂也可以考虑NH3、R404A、R507等。低温冷藏与速冻也可以用CO2做低温侧制冷剂。


要注意的是:

启动复叠式制冷装置时,一般是先启动高温部分,再启动低温部分。操作时应严格按照厂家的要求进行操作。




3、复叠式制冷系统的流程



我们以R23/ R134a/C02复叠式制冷系统为例子;


R23/ 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。


采用R23/ R134a的自复叠制冷系统流程图,流程如下:

从压缩机排出的高温高压R23/R134a混合工质蒸气进入冷凝器,在其中放热冷凝。由于二元组分的沸点不同,在冷凝器中大部分高沸点的R134a和少量低沸点的R23先冷凝成液体。而大部分R23仍保持气态。

混合工质进入气液分离器分离为两路一路是富含R134a的液态混合工质,经膨胀阀节流后进入冷凝蒸发器中吸热蒸发;另一路是富含R23的气态混合工质,在冷凝蒸发器中冷凝成液体后经膨胀阀进入蒸发器。在其中吸收被冷却物的热量,实现制冷。最后,富含R23的蒸气与富含R134a的蒸气混合后被压缩机吸入、压缩,从而完成整个循环。


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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、复叠式制冷 VS 两级压缩式制冷



项目

复叠式制冷

两级压缩式制冷

系统特性

复杂,要两套子系统,两种制冷剂;

低温制冷剂比中温制冷剂要贵的许多

简单, 只要一种中温制冷剂。单机双级压缩机只需一台;双机双级情况下需处理好两台压缩机中润滑油的分配问题

运行特性

1.存在复叠温差,造成不可逆损失。
2.由于低温制冷剂的容积制冷能力大,使低温压缩机尺寸小,机械效高。 
3.每台压缩机的压力适中,容积效率和压缩过程的指示效率可以提高。
4.系统正压或轻度负压,外气渗入系统的危险性小,运行稳定性好。
5.温度调节范围小。

1.不存在不可逆损失。

2.低压级压缩机尺寸大,机械效率低。

3.低压级压缩机的容积效率和指示效率低。

4.低压机负压程度较高,外气渗入系统的危险性大。

5.温度调节范围大。

主要应用

工业生产用的低温装置,大型试验装置。

小型试验装置,尤其是需要宽范围温度调节的应用装置。


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知识点:这,就是复叠式制冷系统!

复叠式制冷系统原理和组成


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