这，就是复叠式制冷系统！

    

    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／C0 2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。 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。