冷水机科普小课堂丨复叠式VS自复叠式制冷系统详解
欢迎来到Chiller科普小课堂！通过上节课我们得知：要想制取-60℃以下的低温，只能采用复叠式制冷循环。根据系统所需制冷量及使用空间大小等条件的不同，复叠式循环又能细分为复叠式制冷和自复叠式制冷：本期小cool将对这两类系统进行具体介绍。如果你对文章内容有所疑问，或者想要了解更多的冷水机知识，欢迎在评论区留言~
01 复叠式制冷系统
一、工作原理：复叠式制冷循环指的是将所要求达到低温的总温差分割成两段或若干段，每段选用性质相宜的制冷剂循环（如R404A高温级+R23低温级）。高温级循环通过蒸发冷凝器为低温级提供冷源，低温级循环进一步降温，最终实现-60℃至-150℃的超低温环境。
低温级部分
01 原理
低温级采用低沸点制冷剂，在较低温度下蒸发吸热实现制冷。其蒸发温度可以达到-80℃甚至更低，满足深冷要求。
02 流程
低温级压缩机将低温低压的制冷剂蒸汽吸入并压缩为高温高压的过热蒸汽，之后进入与高温级蒸发器相连的冷凝蒸发器，被高温级制冷剂冷却冷凝成高压液体。高压液体经节流阀节流降压后变为低温低压的湿蒸汽，进入蒸发器，在蒸发器内吸热蒸发为低温低压的蒸汽，再被压缩机吸入，完成循环。
高温级部分
01 原理
高温级采用较高沸点的制冷剂，在相对较高温度下运行，主要负责将低温级传递的热量散出，确保低温级正常工作。
02 流程
高温级压缩机将从蒸发器出来的低温低压制冷剂蒸汽压缩成高温高热的过热蒸汽，然后排入冷凝器，在冷凝器中与冷却介质（如水和空气）进行热交换，被冷却冷凝成高压液体。高压液体经节流阀节流降压后变为低温低压的湿蒸汽进入蒸发器，在蒸发器内吸收低温级冷凝蒸发器放出的热量而蒸发为低温低压的蒸汽，再被高温级压缩机吸入，继续循环。
二、复叠系统优势：
①超宽温域：突破单级制冷极限，轻松应对低温需求；
②高稳定性：双系统独立运行，故障率低，适合连续作业；
③能效优化：分级制冷减少压缩比，降低能耗20%-30%。
三、复叠系统劣势：
①结构复杂：需要配置双压缩机、双膨胀阀，占地面积大；
②成本较高：设备初投资及维护费用高于常规机组；
③启动时间长：需逐级降温，不适合频繁启停场景。
四、应用范围：和自复叠式制冷系统相比，复叠式制冷系统适用于制冷量需求较大，且空间较为宽裕的场所。该系统适合应用于低温冷冻冷藏（比如储藏生物样本和特殊药品的超低温冷库）、航空航天、新能源等领域。
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02 自复叠式制冷系统
一、工作原理：自复叠式制冷指的是利用非共沸混合工质在相同压力下沸点不同的特性，用一台压缩机对两种或两种以上的制冷剂蒸汽进行压缩。具体步骤如下：
①压缩：压缩机将混合制冷剂蒸汽压缩，使其压力和温度升高。
②冷凝与分离：高温高压的混合制冷剂进入冷凝器，高沸点制冷剂在此冷凝为液态，低沸点制冷剂仍为气态，气液混合态随后进入气液分离器，实现高沸点液态工质和低沸点气态工质的分离。
③蒸发冷凝：高沸点液态工质经节流阀节流后进入冷凝蒸发器蒸发吸热，为低沸点气态工质提供冷量使其在冷凝蒸发器中冷凝成液态。
④低温制冷：低沸点液态制冷剂经节流阀节流后进入蒸发器，在蒸发器内蒸发吸热，实现与低温制冷，蒸发后的低沸点制冷剂蒸汽与未冷凝的高沸点制冷剂蒸汽混合后被压缩机吸入，进入下一个循环。
二、自复叠系统优势：
①结构紧凑：单机集成设计，能节省50%的安装空间；
②快速制冷：混合制冷剂协同作用，提升了降温速度；
③环保节能：天然制冷剂占比高，GWP值低，符合碳减排趋势。
三、自复叠系统劣势：
①温度下限受限：极端低温场景需要配合辅助制冷；
②混合比例敏感：制冷剂配比失衡会导致能效下降；
③维修专业性高：需要使用专用设备回收分馏制冷剂。
四、应用范围：在空间紧凑性要求高，制冷量需求小，对系统稳定性、维护性要求高和预算有限的情况下优先考虑自复叠式制冷系统。该系统适合应用于高精度测量仪器冷却、半导体及微电子研发和生物医学实验等领域。
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