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隨著科研和生產(chǎn)對(duì)低溫的要求越來(lái)越高，如需要 -70℃～-120℃的低溫箱、低溫冷庫(kù)等。由于采用中溫制冷劑的雙級(jí)壓縮制冷裝置，所能得到的最低點(diǎn)蒸發(fā)溫度，也受到蒸發(fā)壓力過低帶來(lái)一系列問題的限制，如R12、R22在-80℃時(shí)，蒸發(fā)壓力巳低于0.01 MP，而氨在-77. 7℃時(shí)，已經(jīng)凝固了。
蒸發(fā)壓力過低會(huì)帶來(lái)下列問題：
1)、蒸發(fā)器與外界的壓差增大，空氣滲入系統(tǒng)的可能性增加，影響系統(tǒng)的正常工作。
2）、吸氣比容大，實(shí)際吸入氣缸的氣體減少，增加了氣缸的尺寸。
3）、對(duì)于活塞式壓縮機(jī)，因閥門自動(dòng)啟閉特性，當(dāng)吸氣壓力低于0.01 MPa時(shí)，難于克服吸氣閥彈簧力，影響壓縮機(jī)的正常工作。
由于上述原因，當(dāng)需要的蒸發(fā)溫度低于-70℃時(shí)，就要采用低溫制冷劑。
它在常壓下有較低的蒸發(fā)溫度；
如R13和R14在常壓下的蒸發(fā)溫度分別為-81.5 ℃和- 128℃；
因此使低溫下的蒸發(fā)壓力得到提高，R13在蒸發(fā)溫度為-100℃時(shí)，蒸發(fā)壓力接近0.04 MPa。
但是，低溫制冷劑的冷凝溫度要求較低，用一般的水冷和空氣冷卻無(wú)法凝結(jié)成液體，必須用一種人工冷源來(lái)冷凝低溫制冷劑，這就出現(xiàn)了同時(shí)采用兩種制冷劑的制冷系統(tǒng)，稱復(fù)疊式制冷循環(huán)。
1、系統(tǒng)原理圖以及壓焓圖：
2、系統(tǒng)組成：
1）高壓系統(tǒng)：高壓壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、冷凝蒸發(fā)器；
2）低壓系統(tǒng)：低壓壓縮機(jī)、冷凝蒸發(fā)器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器；
我們以R134a／C02復(fù)疊式制冷系統(tǒng)為例子；
R134a／C02復(fù)疊式制冷系統(tǒng)是由兩個(gè)單級(jí)的蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)組合而成，其低溫級(jí)是單級(jí)C02蒸氣壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)，高溫級(jí)是單級(jí)R134a蒸氣壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)，高、低溫級(jí)制冷回路通過冷凝蒸發(fā)器復(fù)疊而成。
上圖為R134a／C02復(fù)疊式制冷系統(tǒng)原理圖
系統(tǒng)理論循環(huán)具體描述為：
高溫級(jí)制冷劑R134a由高溫級(jí)壓縮機(jī)壓縮(圖中5—6過程)；
排出的高溫高壓蒸氣在高溫級(jí)冷凝器中冷卻、冷凝(6—7過程)；
之后進(jìn)入節(jié)流裝置節(jié)流(7—8過程)降壓后；
在冷凝蒸發(fā)器中與高溫高壓C02氣體進(jìn)行熱交換(8—5過程)；
后進(jìn)入高溫級(jí)壓縮機(jī)；
氣態(tài)C02制冷劑經(jīng)冷凝蒸發(fā)器放熱(2—3過程)；
經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流(3—4過程)；
并在C02蒸發(fā)器蒸發(fā)(4—1過程)后；
進(jìn)入低溫級(jí)壓縮機(jī)壓縮(1—2過程)完成系統(tǒng)循環(huán)。
下圖是采用復(fù)疊式制冷的低溫箱系統(tǒng)圖：
分別由兩臺(tái)單級(jí)壓縮機(jī)構(gòu)成高溫和低溫制冷循環(huán)，高溫部分采用R22制冷劑，低溫部分采用R13制冷劑。
1、高溫系統(tǒng)：
在高溫循環(huán)中，進(jìn)入蒸發(fā)—冷凝器的R22液體，吸收了低溫循環(huán)中壓縮機(jī)排出的R13蒸氣的熱量而汽化，汽化后被壓縮機(jī)吸入并壓縮，再排入油分離器分離潤(rùn)滑油，再進(jìn)入水冷式冷凝器冷凝成R22液體。
從冷凝器出來(lái)的R22液體，經(jīng)過干燥過濾器、熱交換器、電磁閥、熱力膨脹閥后重新進(jìn)入蒸發(fā)一冷凝器汽化，如此不斷循環(huán)。
2、低溫系統(tǒng)：
在低溫循環(huán)中，R13液體在低溫蒸發(fā)器內(nèi)吸收了被冷卻對(duì)象的熱量后汽化，汽化后的R13被壓縮機(jī)吸入并壓縮，然后進(jìn)油分離器，分離后的R13蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)一冷凝器，放熱后冷凝成R13液體，出來(lái)后再經(jīng)過過濾器、換熱器、電磁閥、熱力膨脹閥重新進(jìn)入蒸發(fā)器汽化制冷，然后繼續(xù)循環(huán)。
注意：
在低溫部分的壓縮機(jī)排氣管道上裝了一只水冷卻器，這是為了降低R13蒸氣的過熱度，以減少蒸發(fā)一冷凝器的熱負(fù)荷。
在制冷系統(tǒng)停機(jī)后，為了防止低溫部分系統(tǒng)中的R13液體汽化而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力過高，專門設(shè)置了一個(gè)膨脹容器。
這是因?yàn)橥C(jī)后，低沸點(diǎn)制冷劑R13的溫度要逐步升高至環(huán)境溫度，并全部汽化為過熱蒸氣，壓力會(huì)增加到大于安全值，這是不允許的，系統(tǒng)內(nèi)有了膨脹容器后，過熱蒸氣有了額外的貯存容積，壓力上升不致過高，保證了安全。
另外，在系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)，膨脹容器可起到平衡低溫部分壓縮機(jī)的排出壓力，避免R13的冷凝壓力過高。
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