หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด: ออกแบบวงจรสารทำความเย็นแบบคู่สำหรับกระบวนการแช่แข็งลึก

หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด: ออกแบบวงจรสารทำความเย็นแบบคู่สำหรับกระบวนการแช่แข็งลึก

หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดใช้สองวงจรสารทำความเย็นแยกกันที่เชื่อมต่อกันผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแคสเคด โดยออกแบบมาเพื่อการทำงานอย่างมั่นคงในอุณหภูมิระเหยต่ำกว่า -70°C เหมาะสำหรับการแช่แข็งยาและวัสดุ หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดสามารถรักษาประสิทธิภาพโดยรวมของระบบไว้ที่ 75% ที่อุณหภูมิระเหย -80°C ได้ วงจรขั้นสูงและขั้นต่ำใช้สารทำความเย็นสองชนิดที่แตกต่างกัน ซึ่งได้รับการปรับแต่งให้เหมาะสมกับช่วงอุณหภูมิเฉพาะของแต่ละชนิด หน่วยทั้งหมดสามารถทำงานได้อย่างเสถียรแม้อุณหภูมิแวดล้อมจะเปลี่ยนแปลงจาก 5°C ถึง 38°C คอมเพรสเซอร์แต่ละตัวติดตั้งเครื่องทำความร้อนในกระป๋องเครื่องยนต์แยกต่างหาก เพื่อป้องกันไม่ให้สารทำความเย็นเคลื่อนย้ายระหว่างการหยุดทำงาน วงจรการซ่อมแซมแผ่นวาล์วคอมเพรสเซอร์ของหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดคือ 5,500 ชั่วโมงการใช้งาน สารเจือปนในวงจรสารทำความเย็นใดๆ ที่เกิน 40 ppm จะทำให้อายุการใช้งานของระบบทั้งหมดลดลงมากกว่า 38% คอมเพรสเซอร์แบบไทรพอลล์ xiteliduo สามารถติดตั้งเป็นส่วนประกอบการบีบอัดขั้นต่ำหรือขั้นสูงภายในหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด ตามความต้องการด้านอุณหภูมิที่แตกต่างกันของวงจรคู่เมื่อเทียบกับคอมเพรสเซอร์ระบบทำความเย็นแบบสองขั้นตอนหน่วยเดียวที่อุณหภูมิเป้าหมาย -80°C ระบบทำความเย็นแบบแคสเคดจะมีต้นทุนเริ่มต้นสูงกว่า 12% และเป็นทางเลือกที่เชื่อถือได้เดียวในช่วงอุณหภูมิระเหยต่ำกว่า -70°C พื้นที่ใช้สอยรวมของระบบทำความเย็นแบบแคสเคดทั้งหมดคือ 2.4 ตารางเมตร ซึ่งใหญ่กว่าหน่วยคอมเพรสเซอร์ระบบทำความเย็นแบบสองขั้นตอนหน่วยเดียวที่ทำงานแยกต่างหากถึง 38% ระดับน้ำมันหล่อลื่นที่แนะนำแตกต่างกันระหว่างลูปทั้งสองของระบบทำความเย็นแบบแคสเคด โดยลูปขั้นต่ำใช้น้ำมัน ISO VG100 ส่วนลูปขั้นสูงใช้น้ำมัน ISO VG68 ทั้งสองลูปต้องรักษาความสะอาดตามมาตรฐาน NAS 7 กระแสเริ่มต้นของคอมเพรสเซอร์แต่ละตัวในระบบทำความเย็นแบบแคสเคดถูกควบคุมแยกกัน ตัวติดต่อแต่ละตัวควรขนาดเท่ากับ 1.25 เท่าของกระแสที่กำหนดของคอมเพรสเซอร์ที่เกี่ยวข้อง ปริมาตรตัวรับของเหลวสำหรับแต่ละวงจรสารทำความเย็นในระบบทำความเย็นแบบแคสเคดควรอยู่ที่ 1.8 เท่าของปริมาณสารทำความเย็นที่ใช้งานแต่ละชนิด การออกแบบนี้ช่วยลดความเสี่ยงของการเกิดการไหลของของเหลว (liquid slugging) ในทั้งสองขั้นตอนการอัด ต้องตรวจสอบตัวกรองดูดกลืนสำหรับทั้งสองวงจรทุกๆ 1,500 ชั่วโมงการทำงาน หากตัวกรองอุดตันมากกว่า 50% จะทำให้อุณหภูมิสูงเกินพ้น 15K และลดความสามารถในการทำความเย็นรวมของระบบทำความเย็นแบบแคสเคดลงถึง 22%วิศวกรด้านการจัดซื้อหลายคนมักสับสนระหว่างหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคเดตกับคอมเพรสเซอร์ทำความเย็นแบบสองขั้นตอนในหน่วยเดียว แบบสองขั้นตอนในหน่วยเดียวนี้ไม่สามารถทำงานอย่างมั่นคงได้ที่อุณหภูมิระเหยต่ำกว่า -70°C คอมเพรสเซอร์ทำความเย็นแบบสั่นสะเทือนมาตรฐาน ไม่ว่าจะเป็นขนาดเล็ก กลาง ใหญ่ 4 สลัก และขนาดใหญ่ 6 สลัก ล้วนไม่สามารถเข้าถึงอุณหภูมิต่ำมากจนถึงระดับต่ำกว่า -70°C ได้ คอมเพรสเซอร์ทำความเย็นแบบสกรูสามารถใช้เป็นคอมเพรสเซอร์ขั้นสูงในหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคเดตได้ แต่มักไม่ถูกนำมาใช้เป็นหน่วยขั้นต่ำ เนื่องจากประสิทธิภาพการปิดผนึกที่แย่ลงภายใต้อุณหภูมิต่ำสุด หน่วยทำความเย็นแบบคาสเคเดตสามารถทำงานต่อเนื่องได้ 18 ชั่วโมงต่อวันสำหรับการจัดเก็บความเย็นของคลินิกชีวภาพและยา การหยุดชะงักในการบำรุงรักษาประจำปีคิดเป็นประมาณ 4.5% ของเวลาการทำงานทั้งหมด สารทำความเย็นที่ใช้ทั่วไปสำหรับหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคเดตคือ R404A สำหรับวงจรขั้นสูง และ R23 สำหรับวงจรขั้นต่ำ การจับคู่สารทำความเย็นนี้ช่วยปรับสมดุลระหว่างระดับความดันและประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน ระดับเสียงที่วัดได้จากระยะห่าง 1 เมตร จากหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคเดตอยู่ที่ 84 dB(A) การติดตั้งห้องกันเสียงเต็มรูปแบบช่วยลดระดับเสียงลง 13 dB(A) เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านเสียงแวดล้อมที่เข้มงวดของโรงงานสภาพการทำงานของคอมเพรสเซอร์ระบบทำความเย็นส่งผลโดยตรงต่ออายุการใช้งานของอุปกรณ์ การทำงานที่เกินอุณหภูมิการปล่อยที่กำหนดไว้เป็นเวลานาน จะทำให้อายุการใช้งานทั้งหมดของคอมเพรสเซอร์ในหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดลดลงเกือบ 42% ภายในสองปี วาล์วระบายความปลอดภัยถูกติดตั้งทั้งในวงจรขั้นสูงและขั้นต่ำของหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด โดยแต่ละวาล์วจำเป็นต้องได้รับการสอบเทียบประจำปี เพื่อให้มั่นใจว่าเวลาตอบสนองจะอยู่ภายใน 0.3 วินาที ในช่วงที่ความดันพุ่งสูงขึ้น การเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแคสเคดมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด โดยทั่วไปแล้ว ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างการควบแน่นในขั้นสูงและการระเหยในขั้นต่ำจะถูกควบคุมไว้ที่ 5K ถึง 8K ช่องว่างของแหวนพิสโตนในคอมเพรสเซอร์แบบไทรโคลซ์ที่อยู่ภายในหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด จำเป็นต้องตรวจสอบระหว่างการซ่อมบำรุงครั้งใหญ่ เมื่อช่องว่างเกิน 0.12 มม. ประสิทธิภาพปริมาตรจะลดลงต่ำกว่า 70% คอมเพรสเซอร์แบบไทรโคลซ์ xiteliduo ที่ใช้ในหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด ใช้วาล์วดูดและปล่อยแบบสปริงเสริมแรง ซึ่งเวลาตอบสนองของการเปิดวาล์วถูกควบคุมไว้ที่ไม่เกิน 0.7 มิลลิวินาที เพื่อลดการสูญเสียจากการจำกัดการไหลภายใต้อัตราส่วนความดันที่สูงคอมเพรสเซอร์แต่ละตัวภายในหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด มีกลไกการปล่อยของเหลวในกระบอกสูบที่ทำงานแยกจากกัน ช่วยลดการเริ่มต้นและหยุดการทำงานของมอเตอร์บ่อยครั้ง และป้องกันไม่ให้ส่วนเกิดการอัดร้อนเกินไป อุณหภูมิที่กำหนดเป็นเกณฑ์ตื่นตัวของตลับลูกปืนเพลาข้อเหวี่ยงสำหรับคอมเพรสเซอร์ในหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดคือ 80°C หากอุณหภูมิเกิน 85°C ระบบควบคุมจะส่งสัญญาณตัดไฟทันที มุมเอียงในการขนส่งของหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดไม่ควรเกิน 12 องศา มุมเอียงที่มากกว่า