在製冷設備行業內，超低溫的製冷設備是比較多的，比如：超低溫冷凍箱(xiang)、超低溫保存箱(xiang)等。然而(er)隨著製冷溫度的降低，采用單純(chun)工質的一級(ji)節流製冷機的效率將(jiang)降低、壓縮機功耗增加，甚(shen)至會(hui)造成(cheng)係統內製冷劑和潤滑(hua)油分解，運(yun)轉(zhuan)條件惡化(hua)，危(wei)害壓縮機的正常工作，所以在普冷領域，當需要的溫度降到(dao)-40℃以下時，人(ren)們通常采用複疊式製冷係統來滿足要求，但(dan)是其複雜(za)性(xing)和係統的運(yun)行維護都比單級(ji)製冷係統要大得多。下麵(mian)介紹(shao)下複疊製冷係統：

下圖是雙機複疊係統原理圖：

自複疊原理：采用2種或多種非共沸混(hun)合製冷劑，混(hun)合蒸汽在同(tong)一個壓縮機中壓縮，排出後多次(ci)蒸發冷凝，並在*後一級(ji)蒸發器中製取所需溫度。關鍵部件包括壓縮機、水冷或風冷冷凝器、不同(tong)沸點的混(hun)合製冷劑及(ji)一係列換熱器。

下圖是單機自複疊原理圖：

1.中間溫度；2.製冷劑選擇；3.低溫級(ji)膨脹容器體積計算；4.節流閥件選擇；5.壓縮機及(ji)油分、回熱器等；6.各(ge)種換熱器選型(xing)。

中間溫度的確定

複疊式製冷循環中中間溫度的確定應根據製冷係數(shu)*大或各(ge)個壓縮機壓力比大致相等的原則。前者對能量利用*經濟，後者對壓縮機氣缸(gang)工作容積的利用率較高（即輸氣係數(shu)較大），由於中間溫度在一定範(fan)圍(wei)內變動時對製冷係數(shu)影(ying)響並不大，故按各(ge)級(ji)壓力比大致相等的原則來確定中間溫度似乎(hu)更為合理。

根據邁勒普拉薩特公式，低溫複疊機組(zu)的中間溫度（低溫段冷凝溫度）:

Tm=(Tc·Te)0.5-0.5AT+0.125ΔT²/(Tc·Te)0.5

式中：Tm為中間溫度（K）；Δ T為冷凝蒸發器傳(chuan)熱溫差（K)；Tc為冷凝溫度（K）；Te為蒸發溫度（K）。

這裏，取AT=5K,Te=273.15+40=313.15 K,Te=-85÷273.15=188.15 K。於是，計算 Tm=240.25K=-32.9℃.這裏，取Tm=-33℃。

傳(chuan)熱溫差的確定

冷凝蒸發器傳(chuan)熱溫差的大小(xiao)不僅影(ying)響到(dao)傳(chuan)熱麵(mian)積和冷量損(sun)耗，而(er)且也(ye)影(ying)響到(dao)整個製冷機的容量和經濟性(xing)，一般Δt＝5～10 ℃，溫差選得大，冷凝蒸發器的麵(mian)積可小(xiao)些，但(dan)卻使壓力比增加，循環經濟性(xing)降低。

製冷劑的溫度越低，傳(chuan)熱溫差引(yin)起的不可逆損(sun)失越大，故蒸發器的傳(chuan)熱溫差因(yin)蒸發溫度很低而(er)應取較小(xiao)值(zhi)，*好不大於5℃．

油分離器

低溫段，在低溫區域，潤滑(hua)油易從(cong)製冷劑中分離並凝結，會(hui)堵(du)塞膨脹閥、板式換熱器，也(ye)會(hui)影(ying)響蒸發器的換熱，所以應盡可能使油氣徹(che)底分離，在低溫段采用了二級(ji)高效油分離器。

回熱器

對於采用活塞壓縮機的係統*好配備氣液(ye)分離器，以免負荷變化(hua)和啟動時出現帶液(ye)現象。本係統有(you)回熱器，故可省去氣液(ye)分離器。

複疊機組(zu)的能量調(diao)節問題

製冷機在運(yun)行時，受(shou)使用條件的變化(hua)以及(ji)工況變化(hua)影(ying)響，需要的輸氣量隨之變化(hua)。通常，采用輸氣量調(diao)節的方(fang)法進行能量卸載。主要原理是將(jiang)吸(xi)排氣腔連(lian)通，壓縮機排氣直接(jie)返回吸(xi)氣腔，此時，吸(xi)氣壓力與排氣壓力幾乎(hu)相同(tong)，壓縮機隻需克服吸(xi)排氣閥彈(dan)簧(huang)預(yu)緊力，就可將(jiang)吸(xi)氣變為排氣。主要有(you)內部旁(pang)通和外(wai)部旁(pang)通兩種方(fang)式。

本設計采用外(wai)部旁(pang)通閥調(diao)節能量，旁(pang)通能量調(diao)節閥實質上是一種閥後恒壓閥。當製冷裝置熱負荷減小(xiao)，壓縮機吸(xi)氣壓力下降至預(yu)先調(diao)定值(zhi)時，旁(pang)通調(diao)節閥開(kai)啟，吸(xi)氣壓力越低，閥的開(kai)度越大，製冷劑從(cong)排氣側旁(pang)通量也(ye)越多，使吸(xi)氣壓力下降速度減慢。

係統中高溫段采用熱氣旁(pang)通到(dao)膨脹閥與蒸發器之間的調(diao)節閥，旁(pang)通的熱氣通過一個氣液(ye)混(hun)合器混(hun)合後進入蒸發器，相當於熱氣為蒸發器提供了一個“虛負荷”，達(da)到(dao)減載的目的，同(tong)時盡管實際負荷較低，熱力膨脹閥仍(reng)能控製向蒸發器的供液(ye)量充(chong)足，以保證蒸發器中有(you)足夠的製冷劑流速，不會(hui)出現回油困(kun)難(nan)。低溫段由於調(diao)節閥體材料使用溫度的限(xian)製，采用了熱氣旁(pang)通到(dao)吸(xi)氣管的能量調(diao)節閥來改變壓縮機的有(you)效排氣量的方(fang)法，采用這種能量調(diao)節閥，會(hui)導致吸(xi)氣過熱，需要對壓縮機采用噴(pen)液(ye)冷卻係統。

膨脹容器

複疊機組(zu)停止運(yun)轉(zhuan)時，由於係統內的溫度升高到(dao)了環境(jing)溫度，低溫製冷劑全(quan)部氣化(hua)成(cheng)過熱蒸汽，並且將(jiang)高於規(gui)定的*大工作壓力，這種情況是不允許的。因(yin)此要在係統中接(jie)入一個膨脹容器，以便在停機後大部分的製冷劑蒸汽進入膨脹容器中，膨脹容器可以接(jie)到(dao)吸(xi)氣管上，也(ye)可以接(jie)到(dao)排氣管上，接(jie)到(dao)吸(xi)氣管上時，膨脹容器所需要的容積較小(xiao)，因(yin)而(er)比較合理。

膨脹容器的容積可按如下方(fang)法計算：

式中：  Vd為不計膨脹容器容積時，低溫部分的製冷係統總容積(m3)；Vp為設計溫度、設計壓力下低溫係統製冷劑過熱氣體比容 (m3/kg)； Vd為設計溫度、吸(xi)氣壓力下低溫係統製冷劑過熱氣體比容(m3/kg)；Gd 為不計膨脹容器容積時，低溫係統製冷劑充(chong)注(zhu)量（kg）。本設計取設計溫度38 ℃，設計壓力1.5 MPa。

結論

在當前和今後的製冷係統設計中，要盡可能考(kao)慮(lv)到(dao)環保問題，盡量選用環保的製冷劑，即使犧(xi)牲部分性(xing)能也(ye)是值(zhi)得的。複疊機組(zu)因(yin)其蒸發溫度很低，設計中要全(quan)麵(mian)考(kao)慮(lv)到(dao)回油問題、冷量調(diao)節問題、膨脹容器的設計、製造材料的選用。

低溫三(san)級(ji)係統：推薦使用R14，*低蒸發溫度可到(dao)-120℃。