复叠式制冷系统分析

2018-05-16牛继开,白鑫源,潘晨光

家电科技 2018年5期

1 引言

制冷机，或者说制冷系统，最重要的目的就是产生制冷作用，达到制冷效果。现如今各行业各领域对制冷温度的要求不同，与此同时涉及的制冷循环方式也就相应不同。单级压缩制冷可达到温度在-35℃至-40℃，双级压缩制冷可达到温度-40℃至-80℃。如果还需要进一步达到更低温，对制冷循环方式就需要更深的强化，改进和组配。

科研和生产对低温的要求越来越高，如需要-70℃至-120℃的低温箱、低温冷库等，要想得到最低点的蒸发温度，目前一般采用中温制冷剂的双级压缩制冷装置，但这套系统的蒸发压力过低，给系统设计带来了一系列的限制问题。如果需要低于-70℃的蒸发温度，势必要使用低温制冷剂。低温制冷剂在常压下的蒸发温度较低，从而使低温下的蒸发压力得到提高。但低温制冷剂要求较低的冷凝温度，用一般的空气冷却或水冷是无法将低温制冷剂凝结成液体的，必须用另一种制冷剂来冷凝低温制冷剂，双制冷剂的制冷系统应运而生。

2 复叠式制冷简介及其工作原理

2.1 复叠式制冷简介

要获得有效的蒸汽压缩式制冷，就要求制冷剂在其临界点以下和标准沸点附近的温度范围内循环，而所有可做制冷剂的流体中，这个温度范围是有限的。低沸点制冷剂的临界点温度较低，高沸点制冷剂的临界点温度较高。没有哪一种制冷剂可以既有很高的临界温度，又有很低的沸点温度。每一种制冷剂的热力性质决定了它适宜的工作循环的温度区间。不同的制冷剂，其相宜的工作循环温区是不同的。

解决上述问题的办法是将总的制冷循环拆分成两个或多个区间，每个循环区间选取相适宜的制冷剂，即沸点高的制冷剂承担高温制冷的区间，沸点低的制冷剂承担低温制冷的区间。因“剂”适宜地将它们叠加起来，达到最终需求的制冷温度，这就是复叠式制冷。

2.2 复叠式制冷工作原理

复叠式制冷循环通常由两个或三个独立的子系统制冷循环组成，分别称为高温部分和低温部分。其中每个子系统可以是单级压缩循环，也可以是双级压缩循环。子系统按工作温度由高到低依次排列。相邻子系统通过热交换器联系，将上一级的蒸发器与下一级的冷凝器叠加在一起，取做“蒸发/冷凝器”。子系统1使用较高沸点的制冷剂进行循环，制冷剂在常温下冷凝，在温度t1下蒸发；子系统2用沸点较低的制冷剂进行循环，制冷剂在子系统1提供的低温t1下冷凝，在温度t2下蒸发，以此类推，逐步实现获得整套系统所要求的制冷温度。

当需要获取-60℃以下的低温时，采用中温制冷剂与低温制冷剂复叠的制冷循环。两级复叠式制取-60℃至-80℃的低温，三级复叠式制取-80℃至-120℃的低温，如图1所示。用作高温级的中温制冷剂有：R717、R22、R502、R134a、R407c、R410a等；用于低温级的低温制冷剂有：R13、R14、R23、C2H6、C2H4等。

3 复叠式制冷的优点

从低温部分压缩机的气缸容积上看，复叠式要比双级压缩式小很多。这对减少整机的尺寸和重量都十分有利。例如：当需要-60℃的蒸发温度时，假设采用R12的双级压缩制冷机气缸容积为a，能耗为b，那么采购R12和R13组成的复叠式制冷机的气缸容积仅为a的35%，能耗也不到b的90%，而且整个复叠式制冷系统始终保持正压力，使系统不易漏入空气，从而保证运行的安全性和稳定性。

复叠式制冷系统不但可以组合不同的制冷方式，而且还可以使用不同的制冷剂组合。例如：高温部分使用吸收式制冷机，低温部分可用离心式制冷机。如果想使系统简化，可采用盐水冷源，用低温盐水来冷却低温部分的冷凝器，这样高温部分就不用再设置制冷机。

4 复叠式制冷系统设计与使用中需注意的问题

通过以上内容可知，制冷温度要求在超低温（-80℃以下）的情况下，可以采用复叠式制冷系统实现制冷效果，达到所需目的。但是，系统的利弊是同时存在的，复叠式制冷系统在设计使用过程中也需要注意一些问题。

由于此系统的结构比较复杂，由多套子系统组成，且使用多种制冷剂，尤其低温制冷剂的成本是比较昂贵的，所以选取制冷剂时，要充分考虑其制冷温度、制冷量大小和制冷剂的价格。

另外，在运行过程中，上一级子系统的蒸发温度要低于下一级子系统的冷凝温度，这样就存在传热温差，称为“复叠温差”。存在复叠温差，也就相当于造成了不可逆的损失，设计选择时要考虑复叠温差的取值，一般为5至10℃，尽量减小不可逆损失。

同时，为了保证循环的正常运行，需要灵活地选用一些辅助热交换器，如回热器、水冷却器，对压缩机的吸气和排气做出合理的处理，以保证合理的热交换，减少无用功耗，提高性能系数COP。

最后，要注意系统启动和停机时的压力问题。应先启动高温子系统，待其蒸发温度降低到足以保证下一级子系统的冷凝压力不超过限制值时，方可启动下一级子系统。停机有短期停机和长期停机两种情况。其中短期停机可通过自动控制的方法让高温子系统间歇运行，以保持高温子系统对低温子系统高压侧的冷却作用；长期停机时，应将低温子系统中的制冷剂抽出，用高压钢瓶来保存，目的是防止低温子系统超压，避免危险发生。

5 自复叠式的简介及工作原理

5.1 自行复叠式制冷的产生

近几十年来，无论是在普冷领域还是在低温领域，多元混合工质技术已成为国际制冷界研究的热点课题。复叠式制冷系统中有一种特殊形式，被称为“自行复叠制冷系统”，简称ACR系统，它实质上是混合制冷剂的多级分凝循环。系统中充灌了两种制冷剂，例如R23和R22，它们在相同的冷凝压力和蒸发压力下工作，因而在系统中只需要一台压缩机。相同压力下，R23的冷凝温度远低于R22的冷凝温度，自行复叠式制冷系统正是利用了这一特性。自行复叠式制冷系统采用“一级压缩，多级复叠，自动分离”的原理，使混合制冷剂经过一次压缩后，在多级复叠管路中的多个冷凝蒸发器中逐级分离，使进入蒸发器的制冷剂沸点最低，从而获得预定的低温。

5.2 自行复叠式制冷的工作原理

以压缩机为起点，压缩机排出的R23和R22混合制冷剂气体进入“分凝器”，分凝器用常温冷却水（或空气）冷却。常温冷却下，不足以使混合气中的R23组分凝结，R23离开分凝器时仍然保持气态，之后进入冷凝蒸发器，在温度相当低的冷凝蒸发器中，R23凝结成了液态，再经过节流阀进入蒸发器产生制冷作用。另一方面，混合气体中冷凝温度较高的R22进入分凝器后，在常温冷却作用下凝结为液态，再经节流阀进入冷凝蒸发器，液态R22在冷凝蒸发器中蒸发，产生较低的温度，使进入的R23组分凝结成液态。来自蒸发器的R23蒸气与冷凝蒸发器中产生的R22蒸气汇合后，返回压缩机，一次循环结束。