2.2　復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷

2.2.1　多級(jí)壓縮的局限

（1）雙級(jí)壓縮制冷的局限性

為了獲取更低溫度，采用單一制冷劑的多級(jí)壓縮循環(huán)仍將受到蒸發(fā)壓力過(guò)低、甚至使制冷劑凝固的限制。

①雙級(jí)壓縮制冷的制冷溫度受制冷劑凝固點(diǎn)的限制不能太低。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-80℃時(shí)，若采用氨作為制冷劑，它在-77.7℃時(shí)就已凝固，使循環(huán)遭到完全破壞。

②雙級(jí)壓縮制冷受蒸發(fā)壓力過(guò)低的限制。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-80℃時(shí)，如果采用R22作為制冷劑，此時(shí)它雖未凝固，但蒸發(fā)壓力已低達(dá)10kPa，一方面增加了空氣漏入系統(tǒng)的可能性，另一方面導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣比容增大（此時(shí)蒸氣比容為1.76m³/kg）和輸氣系數(shù)的降低，從而使壓縮機(jī)的氣缸尺寸增大，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降。對(duì)于往復(fù)式制冷壓縮機(jī)而言，氣閥是依靠閥片兩側(cè)氣體的壓力差自動(dòng)啟、閉來(lái)完成壓縮機(jī)的吸氣、壓縮、排氣和膨脹過(guò)程的，當(dāng)吸氣壓力低于15kPa時(shí)，吸氣閥片因壓差過(guò)低而往往無(wú)法開(kāi)啟，壓縮機(jī)無(wú)法正常工作，增加壓縮機(jī)級(jí)數(shù)也是無(wú)濟(jì)于事的。

③雙級(jí)壓縮受循環(huán)壓力比的限制。當(dāng)需要的蒸發(fā)壓力過(guò)低時(shí)，即便采用雙級(jí)壓縮也將使每一級(jí)的壓力比超過(guò)規(guī)定值，使制冷循環(huán)的效率大大降低。如果采用多級(jí)壓縮，循環(huán)壓力比能夠得到保證，但制冷系統(tǒng)將很復(fù)雜，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)不高。

因此，為獲得-70℃以下的低溫，需采用低溫制冷劑（凝固點(diǎn)低，沸點(diǎn)也很低），如R13、R14 等 （R13的凝固點(diǎn)為-181℃，沸點(diǎn)為-81.4℃；R14的凝固點(diǎn)為-184.9℃，沸點(diǎn)為-127.9℃）。但這類(lèi)制冷劑的臨界溫度很低，采用一般冷卻水，存在以下局限：由于水溫接近其臨界溫度，使氣態(tài)制冷劑難以冷凝；即使冷凝，由于接近臨界點(diǎn)，不但冷凝壓力高，而且比潛熱小，因而制冷效率也很低。

（2）解決方法

為降低冷凝溫度，需采用另一臺(tái)制冷裝置與之聯(lián)合運(yùn)行，為低溫制冷劑循環(huán)的冷凝過(guò)程提供冷源，降低冷凝溫度和壓力，即為復(fù)疊式制冷。

2.2.2　復(fù)疊式制冷的工作原理

復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)通常由兩個(gè)單級(jí)壓縮制冷循環(huán)組成，之間用蒸發(fā)冷凝器聯(lián)系起來(lái)。高溫部分采用中溫制冷劑，蒸發(fā)器為低溫部分冷凝器中的制冷劑冷凝服務(wù)；低溫部分采用低溫制冷劑，蒸發(fā)器為用戶制冷。兩臺(tái)制冷機(jī)聯(lián)合運(yùn)行，高溫級(jí)制冷機(jī)的蒸發(fā)器為低溫級(jí)制冷機(jī)的冷凝器提供冷源；為確保低溫級(jí)的所需冷凝溫度，高溫級(jí)制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度低于低溫級(jí)冷凝溫度3～5℃；復(fù)疊式制冷循

環(huán)既保留了中、低溫制冷劑各自的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們不足，使制取很低的溫度成為可能。

如圖2-9所示為由兩個(gè)單級(jí)壓縮系統(tǒng)組成的最簡(jiǎn)單的復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖。D也可以稱(chēng)為冷凝蒸發(fā)器，循環(huán)工作過(guò)程可從圖中清楚地看出。如圖2-10所示為這一循環(huán)的壓焓圖，圖中1—2—3—4—5—1為低溫部分循環(huán)；6—7—8—9—10—6為高溫部分循環(huán)。

圖2-11為R22和R13復(fù)疊式制冷循環(huán)的低溫箱制冷系統(tǒng)，由圖可知，該系統(tǒng)中除裝有常規(guī)的設(shè)備外，在R13制冷劑的低溫系統(tǒng)中，還裝有單向閥、毛細(xì)管和膨脹容器等設(shè)備。裝設(shè)這些設(shè)備的目的是為了運(yùn)行和停機(jī)時(shí)的安全。因?yàn)镽13屬于高壓制冷劑，它的臨界溫度極低（28.8℃），當(dāng)停機(jī)后，若環(huán)境溫度超過(guò)28.8℃時(shí)，制冷系統(tǒng)內(nèi)的R13制冷劑全部氣化為過(guò)熱蒸氣，壓力也達(dá)到臨界度（3.88MPa）。這時(shí)產(chǎn)生低溫部分的壓力將會(huì)超出制冷系統(tǒng)允許的最高工作壓力這一非常危險(xiǎn)的情況。為解決這一問(wèn)題，大型系統(tǒng)采用高溫系統(tǒng)定時(shí)開(kāi)機(jī)，以維持低溫系統(tǒng)較低壓力，但這種方法耗功大；或者將低溫制冷劑抽出裝入高壓鋼瓶中。對(duì)于小型復(fù)

疊式制冷裝置，通常在低溫部分的系統(tǒng)中連接一個(gè)膨脹容器，當(dāng)停機(jī)后低溫部分的制冷劑蒸氣可進(jìn)入膨脹容器，如系統(tǒng)中不設(shè)膨脹容器，則應(yīng)考慮加大蒸發(fā)冷凝器的容積，使其起到膨脹容器的作用，以免系統(tǒng)壓力過(guò)高。在壓縮機(jī)啟動(dòng)后，膨脹容器中的制冷劑通過(guò)毛細(xì)管降壓，并由壓縮機(jī)吸入，仍進(jìn)入制冷循環(huán)。如果高溫級(jí)在壓縮機(jī)啟動(dòng)后，未能提供足夠的冷量來(lái)冷凝R13制冷劑，則排氣壓力將升高，當(dāng)超過(guò)規(guī)定限值時(shí)，單向閥會(huì)打開(kāi)，高壓蒸氣進(jìn)入膨脹容器，以避免產(chǎn)生事故。

表2-5為各種蒸氣壓縮式制冷方式的比較。

制取的溫度越低，設(shè)備也就越復(fù)雜和龐大，投資和運(yùn)行費(fèi)用也加大許多。當(dāng)制取的溫度低于-120℃時(shí)，可以考慮用其他制冷方法代替蒸氣壓縮式制冷。