复叠系统壳管式回热器的设计研究

　　在工业制冷中，为制取低于-60℃的温度，通常采取复叠式制冷系统，复叠式制冷循环有2种类型：其一是由中温制冷剂和低温制冷剂2套独立制冷循环嵌套而成的双系统复叠式制冷循环(简称复叠式制冷循环)，另一类是采用非共沸混合制冷剂的单系统内复叠制冷循环。第一种也称为经典复叠循环系统，第二种也称为自然复叠循环系统。目前工业产品中多采用的是经典复叠循环系统。

　　经典复叠式制冷循环通常是由2个(或数个)采用不同制冷剂的单级(也可以是多级)制冷系统组合而成。通常在高温系统中使用沸点较高的制冷剂，在低温系统中使用沸点较低的制冷剂，各自成为一个使用单一制冷剂的制冷系统。高温系统中制冷剂的蒸发，是用来冷凝低温系统中的制冷剂。低温系统中的制冷剂，在蒸发时从被冷却对象吸热(制取冷量)，因而它既能满足在较低蒸发温度下具有合适的蒸发压力，又能满足在环境温度下适中的冷凝压力。复叠系统通过冷凝蒸发器将高低温级联系起来，在冷凝蒸发器中，高温级系统制冷剂蒸发将低温级系统的制冷剂冷凝成液体，高温级系统中制冷剂再将热量传给环境介质(空气或水)[1]。其原理如图1所示。

　　众多的研究结果[2-4]表明：在高于-60 ℃的情况下，两级压缩循环的性能系数高于复叠式循环系统，而在低于-60℃时，复叠式循环系统高于两级压缩循环系统。因而，复叠式循环系统应用于要求制取低于-60℃的工业制冷领域时，具有更大的优越性。

　　为了保证复叠式制冷循环的经济性和压缩机的正常工作状态，复叠式循环系统需要灵活地使用一些辅助热交换器。其中最重要的是回热器(包括气-液和气-气回热器)。

　　对于复叠式制冷系统所用的几乎各种低温制冷剂，即使是有用过热也将使容积制冷能力下降。由于蒸发器出口的制冷剂气体温度很低，与环境温度的差值很大，管道绝热不良及压缩机内部的热交换很容易产生无用过热，而压缩机被希望在常温下工作，吸气温度不宜低于-30℃，为此使用回热器使吸气过热成为有用过热。通常用气-液热交换器回热，如果气-液热交换器回热尚不足以使吸气达到希望高的温度，还可以进一步使用气-气热交换器，使来自蒸发器的低温制冷剂蒸气经气-液热交换器之后，再与压缩机的排气进行热交换，然后进入压缩机[5]。回热器对于低温系统是十分重要的换热器，采用回热循环可以达到以下目的：

　　1)蒸发器出口的制冷剂流速很高，即使有一定的过热度，也含有一定量的液滴，采用回热循环可以提高压缩机回气过热度，将液滴汽化，防止液击(液压缩);