2.2　复叠式蒸气压缩制冷

2.2.1　多级压缩的局限

（1）双级压缩制冷的局限性

为了获取更低温度，采用单一制冷剂的多级压缩循环仍将受到蒸发压力过低、甚至使制冷剂凝固的限制。

①双级压缩制冷的制冷温度受制冷剂凝固点的限制不能太低。当蒸发温度为-80℃时，若采用氨作为制冷剂，它在-77.7℃时就已凝固，使循环遭到完全破坏。

②双级压缩制冷受蒸发压力过低的限制。当蒸发温度为-80℃时，如果采用R22作为制冷剂，此时它虽未凝固，但蒸发压力已低达10kPa，一方面增加了空气漏入系统的可能性，另一方面导致压缩机吸气比容增大（此时蒸气比容为1.76m³/kg）和输气系数的降低，从而使压缩机的气缸尺寸增大，运行经济性下降。对于往复式制冷压缩机而言，气阀是依靠阀片两侧气体的压力差自动启、闭来完成压缩机的吸气、压缩、排气和膨胀过程的，当吸气压力低于15kPa时，吸气阀片因压差过低而往往无法开启，压缩机无法正常工作，增加压缩机级数也是无济于事的。

③双级压缩受循环压力比的限制。当需要的蒸发压力过低时，即便采用双级压缩也将使每一级的压力比超过规定值，使制冷循环的效率大大降低。如果采用多级压缩，循环压力比能够得到保证，但制冷系统将很复杂，技术经济性指标不高。

因此，为获得-70℃以下的低温，需采用低温制冷剂（凝固点低，沸点也很低），如R13、R14 等 （R13的凝固点为-181℃，沸点为-81.4℃；R14的凝固点为-184.9℃，沸点为-127.9℃）。但这类制冷剂的临界温度很低，采用一般冷却水，存在以下局限：由于水温接近其临界温度，使气态制冷剂难以冷凝；即使冷凝，由于接近临界点，不但冷凝压力高，而且比潜热小，因而制冷效率也很低。

（2）解决方法

为降低冷凝温度，需采用另一台制冷装置与之联合运行，为低温制冷剂循环的冷凝过程提供冷源，降低冷凝温度和压力，即为复叠式制冷。

2.2.2　复叠式制冷的工作原理

复叠式压缩制冷系统通常由两个单级压缩制冷循环组成，之间用蒸发冷凝器联系起来。高温部分采用中温制冷剂，蒸发器为低温部分冷凝器中的制冷剂冷凝服务；低温部分采用低温制冷剂，蒸发器为用户制冷。两台制冷机联合运行，高温级制冷机的蒸发器为低温级制冷机的冷凝器提供冷源；为确保低温级的所需冷凝温度，高温级制冷机的蒸发温度低于低温级冷凝温度3～5℃；复叠式制冷循

环既保留了中、低温制冷剂各自的优点，又克服了它们不足，使制取很低的温度成为可能。

如图2-9所示为由两个单级压缩系统组成的最简单的复叠式制冷循环系统原理图。D也可以称为冷凝蒸发器，循环工作过程可从图中清楚地看出。如图2-10所示为这一循环的压焓图，图中1—2—3—4—5—1为低温部分循环；6—7—8—9—10—6为高温部分循环。

图2-11为R22和R13复叠式制冷循环的低温箱制冷系统，由图可知，该系统中除装有常规的设备外，在R13制冷剂的低温系统中，还装有单向阀、毛细管和膨胀容器等设备。装设这些设备的目的是为了运行和停机时的安全。因为R13属于高压制冷剂，它的临界温度极低（28.8℃），当停机后，若环境温度超过28.8℃时，制冷系统内的R13制冷剂全部气化为过热蒸气，压力也达到临界度（3.88MPa）。这时产生低温部分的压力将会超出制冷系统允许的最高工作压力这一非常危险的情况。为解决这一问题，大型系统采用高温系统定时开机，以维持低温系统较低压力，但这种方法耗功大；或者将低温制冷剂抽出装入高压钢瓶中。对于小型复

叠式制冷装置，通常在低温部分的系统中连接一个膨胀容器，当停机后低温部分的制冷剂蒸气可进入膨胀容器，如系统中不设膨胀容器，则应考虑加大蒸发冷凝器的容积，使其起到膨胀容器的作用，以免系统压力过高。在压缩机启动后，膨胀容器中的制冷剂通过毛细管降压，并由压缩机吸入，仍进入制冷循环。如果高温级在压缩机启动后，未能提供足够的冷量来冷凝R13制冷剂，则排气压力将升高，当超过规定限值时，单向阀会打开，高压蒸气进入膨胀容器，以避免产生事故。

表2-5为各种蒸气压缩式制冷方式的比较。

制取的温度越低，设备也就越复杂和庞大，投资和运行费用也加大许多。当制取的温度低于-120℃时，可以考虑用其他制冷方法代替蒸气压缩式制冷。