多级压缩与复叠式制冷系统

一、复叠式制冷

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。一般用于-120℃∽-60℃的低温设施，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。

常见的复叠式制冷装置，系统结构上分为高温级部分和低温级部分。其中高温部分用的是中温制冷剂，低温部分用的是低温制冷剂。高温部分的制冷剂蒸发使低温部分的制冷剂冷凝，两个部分用一个冷凝蒸发器连接起来形成一个整体。冷凝蒸发器既是高温部分的蒸发器，也是低温部分的冷凝器。示例图如下：

1、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。

2、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。

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：

当复叠式制冷装置停止运行后，系统各部分的温度会逐渐上升，低温制冷剂会汽化成为蒸汽，压力不断上升。由于制冷装置中的其他部件和管路有一定的极限承压能力，为防止压力上升超出极限值，故在低温部分安装膨胀容器，当压力达到一定数值时，压力控制阀自动开启，使一部分制冷剂进入膨胀容器，限制系统内的压力不会过高。

二、多级压缩制冷

制冷循环根据节流次数可分为单级压缩循环，多级压缩循环。

所谓多级压缩，即根据所需的压力，将压缩机的气缸分为若干级，逐级提高压力。并在每级压缩之后，设立级间冷却器，冷却每级压缩后的高温气体。这样就能降低每一级的排气温度。

用单级压缩机将气体压到很高的压力，其压缩比必然增大，压缩后气体的温度也会升得很高。当压力比超过一定数值时，气体压缩后的终结温度就会超过一般压缩机润滑油的闪点（200℃～240℃），润滑油会被烧成碳渣，造成润滑困难。此外，压力比越大，残留在余隙容积内的气体压力越大，膨胀后，占去的气缸空间越大，大大影响了气缸的工作效率。

另外，单级制冷压缩机所能达到的最低蒸发温度是有限制的，要想获得更低的温度，就需要采用多级压缩。采用多级压缩可以从根本上改善制冷循环的性能指标。经过大量的实验可知，只有当氨制冷系统压缩比≥8时，氟利昂制冷系统压缩比≥10时，采用双级压缩较单级压缩更为经济合理。

多级压缩制冷循环过程：

在蒸发器中产生的低压低温制冷剂蒸气，被低压压缩机吸入并压缩成中间压力的过热蒸气，然后进入同一压力的中间冷却器，在中间冷器内被冷却成干饱和蒸气。

中压干饱和蒸气又被高压压缩机吸入并压缩到冷凝压力的过热蒸气，随后进入冷凝器被冷凝成制冷剂液体。然后分成两路，一路经膨胀阀Ｆ节流降压后进入中间冷却器，大部分液体从另一路进入中间冷却器的盘管内过冷。但由于存在传热温差，故其在盘管内不可能被冷却到中间温度，而是比中间温度一般高△ｔ＝３－５℃。过冷后的液体再经过主膨胀阀节流降压成低温低压的过冷液，最后进入蒸发器吸热蒸发，产生冷效应。