复叠式低温冷冻机组制冷循环原理

复叠式低温冷冻机组制冷循环原理
   复叠式低温冷冻机组制冷由两个或三个独立的制冷循环组成，分别称为高温部分和低温部分，复叠式低温冷冻机组每一个循环都是完整的单级或两级压缩制冷系统。复叠式低温冷冻机组高温部分使用中温制冷剂，复叠式低温冷冻机组低温部分使用低温制冷剂，两部分用一只蒸发一冷凝器联系起来，高温部分制冷剂的蒸发用来使低温部分制冷剂冷凝，两部分之间靠蒸发一冷凝器来实现传热。复叠式低温冷冻机组高温部分的制冷剂再通过自己系统的冷凝器释放给环境介质一一水或空气，复叠式低温冷冻机组低温部分通过自己系统的蒸发器来吸收被冷却对象的热量。
   图2-37是由两个单级压缩制冷循环组成的复叠式制冷循环原理图。它的高温部分使用R12制冷剂，低温部分使用R13制冷剂，蒸发温度可达-80～-90C。从图上可以清楚地看到两个循环过程和热量的流向。图2-38为该循环的lgp-i图，其中1--2--3--4--1为高温部分循环，1'-2'-3' -4'-1为低温部分循环，低温部分的冷凝温度必须高于高温部分的蒸发温度，这个温差就是蒸发---冷凝器的传热温差。
  图2-39是采用复叠式低温冷冻机组的低温箱系统图，分别由两台单级压缩机构成高温和低温制冷循环，高温部分采用R22制冷剂，低温部分采用R13制冷剂。在高温循环中，进入蒸发--冷凝器的R22液体，吸收了低温循环中压缩机排出的R13蒸气的热量而汽化，汽化后被压缩机吸入并压缩，再排入油分离器分离润滑油，再进入水冷式冷凝器冷凝成R22液体。从冷凝器出来的R22液体，经过干燥过滤器、热交换器、电磁阀、热力膨胀阀后重新进入蒸发一冷凝器汽化，如此不断循环。在低温循环中，R13液体在低温蒸发器内吸收了被冷却对象的热量后汽化，汽化后的R13被压缩机吸入并压缩，然后进油分离器，分离后的R13蒸气进入蒸发一冷凝器，放热后冷凝成R13液体，出来后再经过过滤器、换热器、电磁阀、热力膨胀阀重新进入蒸发器汽化制冷，然后继续循环。

   在低温部分的压缩机排气管道上装了一只水冷却器，这是为了降低R13蒸气的过热度，以减少蒸发一冷凝器的热负荷。在制冷系统停机后，为了防止低温部分系统中的R13液体汽化而导致系统压力过高，专门设置了一个膨胀容器。这是因为停机后，低沸点制冷剂R13的温度要逐步升高至环境温度，并全部汽化为过热蒸气，压力会增加到大于安全值，这是不允许的，系统内有了膨胀容器后，过热蒸气有了额外的贮存容积，压力上升不致过高，保证了安全。另外，在系统重新启动时，膨胀容器可起到平衡低温部分压缩机的排出压力，避免R13的冷凝压力过高。

   复叠式低温冷冻机组应用领域
   随着科研和生产对低温的要求越来越高，如需要-70～-120C的低温箱，低温冷库等。由于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0.01～0.ois 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 C和- 128C，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。
复叠式低温冷冻机组有如下特点：
   (1) 复叠式低温冷冻机组低温部分压缩机的气缸容积比双级压缩低温部分压缩机气缸容积小得多。这对减少整机的重量、尺寸有利。例如蒸发温度为- 60C时，Rl2和R13组成的覆叠式制冷机与R12的双级压缩制冷机比较，总的气缸容积可减少65%，而且可减少能耗10%以上。
   (2)系统内保持正压力，空气不易漏入系统，使运行稳定而安全。

   (3) 复叠式低温冷冻机组不仅可以用不同的制冷荆组合，而且可用不同的制冷方式加以组合。例如，低温部分用离心式制冷机，高温部分用吸收式制冷机。如果有盐水冷源时，高温部分不再设制冷机，而用低温盐水来冷却低温部分的冷凝器，使系统简化。