两级复叠机组的配置和应用

两级复叠机组最为常用，适用于整个低温制冷范围。它是由两个独立的单级制冷循环叠加而成，高温级的蒸发器成为低温级的冷凝器，两级复叠机组的高温级采用R22、R404A或R717等制冷剂，低温级采用R23、R508B、R14、R744等制冷剂。

图9-53是采用R404A和R23制冷剂的两级复叠机组流程图。它由两个单级压缩循环系统组成，高温级制冷循环采用R404A，低温级用R23，最低蒸发温度-85℃。图9-53中高温级制冷剂的蒸发和低温级制冷剂的冷凝通过蒸发冷凝器连接，蒸发冷凝器的设计传热温差为5℃。为了防止停机后低温级制冷系统因环境温度升高而使得R23汽化并且压力过高，造成机组设计压力过高而导致不必要的材料浪费，图9-53中在低温级压缩机吸气管路中连接了一个膨胀容器。机组高温级制冷系统和工业制冷机组相同。图9-53所示低温级制冷系统在压缩机排气口和冷凝器之间采用二级油分离器，使得油分离器出口的含油量低于1×10^-6，低温级的蒸发器可根据不同的冷却介质而采用肋片式空气冷却器、盘管式换热器、套管式换热器或低温用板式换热器。图9-53所示载冷剂是酒精，故选用低温用板式换热器作为蒸发器。图9-54是采用图9-53流程的两级复叠机组的结构图。

图9-53 R404A和R23制冷剂的两级复叠机组流程图

图9-54 两级复叠机组的结构图

表9-36给出了采用图9-53制冷循环的SRPCST系列机组的主要技术参数。SRPCST复叠式低温机组整体装配在同一机架上，采用高效板式换热器，机组配有高压、低压、油压、电动机过载等各种安全保护装置。为了确保机组高低温级能平稳起动，SRPCST-9N高温级制冷系统采用抽空循环以防止液击，低温级制冷系统采用延时压力控制制冷循环，即只有高温级已经运行并且低温级平衡压力低于设定值时，低温级制冷系统才投入运行，以防止低温级起动时高压过高而造成故障停机。为了防止低温级制冷系统在停机状态下局部压力过高，正常状态下低温级制冷系统中没有制冷剂关断装置，制冷剂可以在管路间任意流动。

表9-36 SRPCST系列机组的主要技术参数

注：表中标注的制冷量和冷却水流量，是指冷却水进水温度30℃，蒸发温度-80℃工况下的参数。

两级复叠机组运行时，尤其要注意低温级压缩机润滑油的回油问题。矿物润滑油在低温下容易从制冷剂中分离并且凝结脱蜡，堵塞制冷机节流机构并积存于蒸发器中影响换热，脂类润滑油虽然不存在凝结脱蜡的问题，但润滑油存于蒸发器中同样影响换热，因此在低温级制冷系统中需要设置高效油分离器，必要时还应该向低温级制冷系统中添加类似的脱水戊烷等物质，以防止润滑油脱蜡。

表9-37列出了两级复叠机组采用不同低温制冷剂的理论特性，需要注意的是，低温级的制冷剂不同时，两级复叠机组的最低蒸发温度、低温级的润滑油特性和低温级排气温度也不同，在机组设计和应用中需要注意。(www.xing528.com)

表9-37 两级复叠机组采用不同低温制冷剂的理论特性

注：运行条件：蒸发温度-84.4℃，冷凝温度-35℃，过冷度5.6℃，吸气温度-17.8℃，4%的余隙容积，等熵压缩指数0.7。

为了获取-100℃及以下温区，可采用三种或多种制冷剂的多级压缩复叠机组，例如R404A、R23和R14，分别构成一个独立的单级压缩制冷循环，蒸发温度为-100～-140℃。

近年来，针对臭氧层破坏和全球变暖问题，新型氨/乙烯、氨/乙烷复叠式低温机组得以发展开发，并应用于大型的深冷系统中，图9-55是氨/乙烯复叠式低温机组的制冷系统流程图。氨/乙烯螺杆复叠式低温机组的技术性能参数见表9-38。

螺杆复叠式超低温机组设计时应注意在制冷负载较大时宜采用满液式蒸发器，它能提高传热效率，便于达到所需的-90℃的低温，不宜采用直接热力膨胀的供液制冷方式；宜采用液位传感器输出为4～20mA的连续信号来进行精确控制满液式蒸发器的液位，液位偏差很小；宜采用气动或电动机驱动的节流控制阀，使供液能够根据液位的高低进行流量连续平稳精确调节；应对换热器进行传热和结构的优化设计，以确保换热效果；壳管式冷凝器和蒸发器宜采用焊接加胀接的制造工艺，对乙烯制冷剂不宜采用铜管为换热管，以避免胀接工艺日后可能会引起的乙烯泄漏危险；低温部分应选择适用其设计温度的材料，避免低温脆裂，确保安全；对低温部分宜加装吸气流量调节阀便于机组的起动和负荷的调节；对控制具有较高的要求，合理的控制逻辑设计和可靠的控制元件相结合

图9-55 氨/乙烯复叠式低温机组的制冷系统流程图

才能保证高温部分与低温部分的匹配，保证系统的正常运行；需选适用低温乙烯制冷剂的冷冻机油，保证在低温下，其冷冻机油黏度不低于7×10^-6m²/s；对低温段的油分离器的分离效率有很高的要求，要采用多级和高效分离，尽可能减少冷冻油进入低温系统中；采用乙烯为制冷剂的制冷系统，所有电气设备和元件均需按防爆要求设计。

表9-38 氨/乙烯螺杆复叠式低温机组的技术性能参数