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目前，除了單級壓縮制冷系統(tǒng)，最常用制取較低溫度的制冷方式有雙級（多級）壓縮制冷循環(huán)、兩級復(fù)疊式制冷循環(huán)、三級復(fù)疊式制冷循環(huán)等。本文我們就來介紹雙級壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。

（此圖僅供參考，不對應(yīng)文中任何具體產(chǎn)品）

1、雙級壓縮制冷原理

1.1 雙級壓縮制冷原理

所謂雙級壓縮制冷循環(huán)，一般是使用兩臺(tái)壓縮機(jī)，分別為低壓級壓縮機(jī)和高壓級壓縮機(jī)。雙級壓縮制冷循環(huán)的工作原理如圖 1 所示。

制冷劑氣體從蒸發(fā)壓力提高到冷凝壓力的過程分 2 個(gè)階段：

第一階段：先經(jīng)低壓級壓縮機(jī)壓縮到中間壓力：

第二階段：中間壓力下的氣體經(jīng)過中間冷卻后再到高壓級壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮到冷凝壓力，往復(fù)循環(huán)完成一個(gè)制冷過程。

在制取低溫時(shí)，雙級壓縮制冷循環(huán)的中間冷卻器降低了高壓級壓縮機(jī)制冷劑的入口溫度，同時(shí)也降低了同一壓縮機(jī)的排氣溫度。

由于雙級壓縮制冷循環(huán)將整個(gè)制冷過程分成2個(gè)階段，所以會(huì)導(dǎo)致每個(gè)階段的壓縮比相對于單級壓縮降低不少，對設(shè)備強(qiáng)度的要求降低，使制冷循環(huán)的效率大大提高。兩級壓縮制冷循環(huán)按照中間冷卻方式的不同分為中間完全冷卻循環(huán)和中間不完全冷卻循環(huán)；若按照節(jié)流方式又可以分為一級節(jié)流循環(huán)和二級節(jié)流循環(huán)。

1.2 雙級壓縮制冷劑種類

雙級壓縮制冷系統(tǒng)大多選擇中低溫制冷劑，實(shí)驗(yàn)研究表明，R448A、R455a在能效方面是 R404A 的良好替代品。與氫氟烴替代品相比，CO2 作為環(huán)境友好型工質(zhì)，是氫氟烴制冷劑的潛在替代品，具有良好的環(huán)境特性。

但是用 CO2替代 R134a 會(huì)使系統(tǒng)性能惡化，特別是在較高的環(huán)境溫度下，CO2系統(tǒng)的壓力相當(dāng)高，需要對關(guān)鍵部件進(jìn)行特殊處理，特別是壓縮機(jī)。

1.3 雙級壓縮制冷的優(yōu)化研究

目前，對雙級壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化研究成果主要如下：

（1）增加中間冷卻器的管排數(shù)的同時(shí)，減少空氣冷卻器中的管排數(shù)，可以在增大中間冷卻器的換熱面積的同時(shí)減少由于空氣冷卻器中管排數(shù)較多導(dǎo)致空氣回到其入口，通過以上改進(jìn)可以降低2℃左右的中間冷卻器進(jìn)口溫度，同時(shí)還能保證空氣冷卻器的冷卻效果。

（2）保持低壓級壓縮機(jī)的頻率恒定，改變高壓級壓縮機(jī)的頻率，從而改變高壓級壓縮機(jī)的氣體輸氣量之比，蒸發(fā)溫度恒定為﹣20℃時(shí)，COP最大值為 3.374，最大COP對應(yīng)的輸氣量比為 1.819。

（3）通過對比幾種常見的 CO2 跨臨界雙級壓縮制冷系統(tǒng)，得出結(jié)論：由于氣體冷卻器的出口溫度和低壓級壓縮機(jī)的效率在給定壓力時(shí)對循環(huán)的影響大，所以如果想提高系統(tǒng)效率，就要降低氣體冷卻器出口溫度和選擇運(yùn)行效率高的低壓級壓縮機(jī)。

2、復(fù)疊制冷循環(huán)

2.1 兩級復(fù)疊制冷原理

兩級復(fù)疊制冷循環(huán)的工作原理如圖 2 所示：

冷凝蒸發(fā)器作為高溫級制冷循環(huán)的蒸發(fā)器同時(shí)也負(fù)擔(dān)著低溫級制冷循環(huán)的冷凝器的作用。復(fù)疊制冷系統(tǒng)采用了幾個(gè)單獨(dú)的制冷系統(tǒng)，它們使用不同的制冷劑，通過冷凝蒸發(fā)器換熱，以實(shí)現(xiàn)較低的工作溫度和合理的冷凝壓力。但是如果考慮到經(jīng)濟(jì)性，使用復(fù)疊制冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性是較差的，因?yàn)椴煌闹评湎到y(tǒng)必須同時(shí)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)或多臺(tái)壓縮機(jī)的功率很高。所以只有在使用復(fù)疊制冷系統(tǒng)制取較低蒸發(fā)溫度時(shí)比較有效。

2.2 三級復(fù)疊制冷原理

三級復(fù)疊制冷循環(huán)的工作原理如圖 3 所示：

它由 3個(gè)單級制冷壓縮循環(huán)疊加組成，其中第一級冷凝蒸發(fā)器作為高溫級制冷循環(huán)蒸發(fā)器的同時(shí)也負(fù)擔(dān)著中溫級制冷循環(huán)中冷凝器的作用，第二級冷凝蒸發(fā)器作為中溫級制冷循環(huán)蒸發(fā)器的同時(shí)也負(fù)擔(dān)著低溫級制冷循環(huán)中冷凝器的作用。

2.3 復(fù)疊制冷劑種類

在復(fù)疊制冷系統(tǒng)中，對于兩級復(fù)疊系統(tǒng)來說，高溫級使用的是中溫制冷工質(zhì)，低溫級使用的是低溫制冷工質(zhì)；對于三級復(fù)疊系統(tǒng)來說，高溫級使用的是高溫制冷工質(zhì)，中溫級使用的是中溫制冷工質(zhì)，低溫級使用的是低溫制冷工質(zhì)。

系統(tǒng)所使用的制冷工質(zhì)應(yīng)與制冷系統(tǒng)中的設(shè)備和管路等材質(zhì)兼容，不腐蝕、不氧化，有較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，且與潤滑油不互溶。R404A 既不破壞臭氧層，又有較高的單位容積制冷量，所以R404A可暫時(shí)作為替代R22和R502的中長期替代物。

低溫級的制冷循環(huán)中通常采用R23和R508B 作為制冷劑，但R23的GWP較高，是強(qiáng)溫室氣體；R23 在實(shí)際制冷系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，最大的缺點(diǎn)是損壞壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件，且會(huì)分解潤滑油，導(dǎo)致電機(jī)短路等危險(xiǎn)。雖然 R508B的GWP也較高，但其ODP為0，且在單位容積制冷量上有明顯優(yōu)勢，所以應(yīng)優(yōu)先考慮R508B作為復(fù)疊制冷系統(tǒng)低溫級制冷劑。

由于臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)的加劇，對自然環(huán)保型的制冷劑研究變得更加重要，尤其對以 R717/R744 為復(fù)疊制冷系統(tǒng)工質(zhì)的研究越來越多。從國內(nèi)外對于復(fù)疊制冷系統(tǒng)中制冷劑組的研究大趨勢上來看，自然環(huán)保型的制冷劑正在慢慢取代對環(huán)境造成破壞的制冷劑。

2.4 復(fù)疊制冷的優(yōu)化研究

近幾年對于復(fù)疊制冷系統(tǒng)的優(yōu)化研究體現(xiàn)在多方面。

（1）基于復(fù)疊制冷變溫系統(tǒng)能效分析的熱力學(xué)模型。通過增加蓄冷器和制冷劑回路，可提高能效，減小壓縮機(jī)的尺寸，使系統(tǒng)更加節(jié)能。

（2）在一種雙運(yùn)行復(fù)疊制冷系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)中間回?zé)崞?，可使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到﹣60 ℃的制冷溫度。根據(jù)計(jì)算，系統(tǒng)的COP也會(huì)隨著低溫級循環(huán)壓比增加而增至 1.1。

（3）研究發(fā)現(xiàn)可以在低溫級循環(huán)內(nèi)加入排氣冷卻器用于壓縮機(jī)排氣的冷卻來減少冷凝蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，從而提高能效比。

（4）通過對復(fù)疊制冷系統(tǒng)中潤滑油的選擇和分離，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該保證潤滑油擁有較低的傾點(diǎn)溫度（能夠保證流動(dòng)的最低溫度），在低溫級制冷循環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置一個(gè)高效的油分離器。同時(shí)，將膨脹容器添加到低溫階段循環(huán)中，可以防止由于低溫階段制冷循環(huán)的高氣化壓力而導(dǎo)致單元的高設(shè)計(jì)壓力。

（5）R1150 在低溫循環(huán)中能替代 R14；R41 和 R170 可在中溫循環(huán)中替代 R23；R170 被優(yōu)先推薦使用。

（6）通過對比R1150/R170/R717、R50/R170/R717、R14/ R170/R717三組制冷劑組研究發(fā)現(xiàn)，R1150/R170/R717的COP和熱力學(xué)完善度最大、?損失最小、?效率最大。

3、對比分析

（1）所需蒸發(fā)溫度在﹣30℃～﹣60℃時(shí)，通常采用中溫制冷劑的雙級壓縮制冷系統(tǒng)；

（2）在﹣60 ℃蒸發(fā)溫度以下時(shí)復(fù)疊式制冷與雙級壓縮制冷相比，吸氣壓力更高、壓縮機(jī)效率更高、蒸發(fā)溫度更低。因此復(fù)疊式制冷應(yīng)用在低溫區(qū)間效率更高，是很有應(yīng)用前景的低溫制冷系統(tǒng)。

（3）兩級復(fù)疊制冷循環(huán)所制取的蒸發(fā)溫度有限，在低于﹣80 ℃時(shí)，由于壓縮機(jī)的壓比限制，兩級復(fù)疊制冷系統(tǒng)顯然是不合適的。

（4）在低于﹣80 ℃時(shí)，三級復(fù)疊制冷系統(tǒng)更加合適，通過 3 個(gè)制冷循環(huán)的復(fù)疊來制取較低的溫度，三級復(fù)疊制冷系統(tǒng)可以制取到﹣120 ℃的低溫環(huán)境。

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