Каскадные системы
Каскадная система — холодильная машина из двух контуров с разными хладагентами, связанных каскадным конденсатором-испарителем: он конденсирует хладагент нижнего контура и одновременно служит испарителем верхнего. Так получают температуры −50…−90 °C, недоступные одноступенчатым машинам; в нижней ветви работают R23, R508B или CO2, в верхней — R404A, R507, аммиак.
Каскадная система, показанная на рисунке 3, решает некоторые проблемы, которые существуют для систем с одним хладагентом. Система состоит из двух отдельных контуров, каждый из которых использует хладагент, соответствующий его диапазону температур. Эти два контура термически связаны каскадным конденсатором, который является конденсатором низкотемпературного контура и испарителем высокотемпературного контура.
Хладагенты, которые обычно выбирают для высокотемпературного контура, — это R-22, аммиак, R-507, R-404A и т. д. Для низкотемпературного контура выбирают хладагент высокого давления, обладающий высокой плотностью пара (даже при низких температурах). Много лет R-503, азеотропная смесь R-13 и R-23, была популярным выбором, но R-503 больше не доступен, потому что R-13 является хлорфторуглеродом (CFC), истощающим озоновый слой. R-23 мог бы использоваться и один, но R-508b, азеотропная смесь R-23 и R-116, имеет лучшие свойства. R-508b обсуждается далее в разделе о хладагентах для низкотемпературного контура.
Преимущества перед двухступенчатой системой
Каскадная система обладает некоторыми тепловыми преимуществами перед двухступенчатыми системами с одним хладагентом, в которых образующийся при кипении пар мгновенно удаляется из контура, а также позволяет каждому компрессору брать часть от общего значения степени сжатия между низкотемпературным испарителем и конденсатором. Каскадная система имеет температурный недостаток в необходимости обеспечения дополнительной температурной разности в каскадном конденсаторе, потому что температура конденсации низкотемпературного хладагента выше, чем температура кипения высокотемпературного хладагента. Есть оптимальная рабочая температура каскадного конденсатора для минимальной полной производительности, также, как есть оптимальное промежуточное давление в двухступенчатой системе с одним хладагентом.
Расширительный сосуд низкотемпературного контура
На рисунке 3 показан расширительный сосуд, который ограничивает давление низкотемпературного контура, когда система выключается. При комнатной температуре, давление R-23 или R-508b в системе превысило бы 4000 кПа (40 бар), если бы присутствовал жидкий хладагент. Вся низкотемпературная система должна быть способна вмещать это давление. Процесс, происходящий в расширительном сосуде при постоянном объеме, показан на диаграмме энтальпия-давление на рисунке 4. Когда система работает при низкой температуре, хладагент в системе находится в виде смеси жидкости и пара, обозначенной точкой A. Когда система выключается, хладагент нагревается по линии постоянного объема, с давлением, увеличивающимся согласно кривой насыщения. Когда линия насыщенного пара достигнет точки B, дальнейшее повышение температуры дает небольшой прирост в давлении, потому что хладагент переходит в состояние перегретого пара.
Область применения данного сосуда — большие каскадные системы, но в компактных системах он также используется. На рисунке 5 показана двухступенчатая система со вспомогательным оборудованием. На рисунке 6 показана каскадная система с тремя ступенями.
Контуры каскада
| Контур | Хладагенты |
|---|---|
| Верхний | R404A, R449A, R290, NH₃ |
| Нижний | R23, R508B, CO₂ |
Смежная тема — в статье каскадные холодильные машины.
Как работает каскадная холодильная система: пример расчёта
Каскадная холодильная система работает как две последовательные машины: нижний контур отводит тепло от объекта и отдаёт его в каскадный теплообменник, а верхний контур забирает это тепло вместе с работой нижнего компрессора и сбрасывает на улицу. Поэтому верхний контур всегда мощнее нижнего на величину мощности нижнего компрессора.
| Контур | Хладагент | Кипение / конденсация |
|---|---|---|
| Нижний | R23 | −80 °C / −30 °C |
| Каскадный теплообменник | — | напор 3–5 K |
| Верхний | R404A | −35 °C / +40 °C |
Пример: в камере нужно снять 3 кВт при −70 °C, потребляемая мощность нижнего компрессора — около 2 кВт. Каскадный теплообменник должен передать 3 + 2 = 5 кВт, и на эту нагрузку подбирают верхний контур при кипении −35 °C. Нижний хладагент при остановке нагревается до комнатной температуры, поэтому в контуре ставят расширительный сосуд. Готовые решения — низкотемпературные камеры до −75 °C с каскадной установкой, пример выполненного объекта — каскадная холодильная установка КХУ-2500.
Частые вопросы
Что такое каскадная система?
Холодильная установка из двух (иногда трёх) последовательных контуров с разными хладагентами, где теплота от низкотемпературного контура передаётся высокотемпературному через каскадный теплообменник.
Где применяют каскадные холодильные системы?
В низкотемпературных морозильных камерах, климатических испытательных камерах, медицинских морозильниках, сублимационных сушилках и установках CO2/аммиак на холодильных складах.
Какой хладагент в нижнем контуре каскада?
R23, R508B или CO₂. CO₂ подходит до кипения около −50 °C из-за тройной точки −56,6 °C, а для −70…−90 °C выбирают R23 или R508B.
Почему верхний контур каскада мощнее нижнего?
Верхний контур отводит не только тепло объекта, но и работу компрессора нижнего контура, превращённую в теплоту. При 3 кВт холода и 2 кВт на нижнем компрессоре каскадный теплообменник передаёт около 5 кВт.
Читайте также