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。
（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
两个单级系统组成的复叠式制冷机
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。
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。
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。 |
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！
