หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด: ระบบทำความเย็นระดับลึกแบบสองวงจรสำหรับอุณหภูมิต่ำกว่า -70°C

หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด: ระบบทำความเย็นระดับลึกแบบสองวงจรสำหรับอุณหภูมิต่ำกว่า -70°C

หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดประกอบด้วยสองวงจรทำความเย็นที่ทำงานแยกจากกัน ได้แก่ วงจรขั้นสูงและวงจรขั้นต่ำ ซึ่งเชื่อมต่อกันผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแคสเคด เพื่อให้สามารถทำความเย็นระดับลึกถึงอุณหภูมิต่ำกว่า -70°C ได้ หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดสามารถทำให้อุณหภูมิการระเหยต่ำถึง -120°C ขึ้นอยู่กับการเลือกสารทำความเย็นและการกำหนดโครงสร้างของระบบ โดยมักใช้ในงานวิจัยทางห้องปฏิบัติการเพื่อการเก็บสารเย็น และการแช่แข็งวัสดุพิเศษ วงจรขั้นสูงมักใช้สารทำความเย็นมาตรฐาน เช่น R404A หรือ R507 ส่วนวงจรขั้นต่ำจะใช้สารทำความเย็นอุณหภูมิต่ำ เช่น R23 เพื่อทำความเย็นระดับลึก ความแตกต่างของอุณหภูมิในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแคสเคดจะถูกควบคุมไว้ระหว่าง 5K ถึง 8K ความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากขึ้นจะลดประสิทธิภาพการทำงาน (COP) ของระบบ และเพิ่มการใช้พลังงานโดยรวมของหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด การเลือกคอมเพรสเซอร์สำหรับหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดมีความยืดหยุ่น ด้านขั้นสูงสามารถใช้คอมเพรสเซอร์แบบสกรู หรือคอมเพรสเซอร์แบบไทรปอลสตรีมเดี่ยวได้ ส่วนด้านขั้นต่ำมักใช้คอมเพรสเซอร์ทำความเย็นแบบสองขั้นเดียว ระบบทำความเย็นแบบแคสเคดต้องมีข้อกำหนดเรื่องความบริสุทธิ์ของสารในระบบที่เข้มงวดกว่าสิ่งเจือปนในวงจรที่มากกว่า 30 ppm จะเร่งการสึกหรอของคอมเพรสเซอร์ขั้นต่ำ และทำให้อายุการใช้งานของระบบโดยรวมสั้นลงมากกว่า 40% คอมเพรสเซอร์แบบหัวลูกกลิ้ง xiteliduo สามารถกำหนดค่าเป็นคอมเพรสเซอร์พิสโตนขั้นต่ำสำหรับระบบทำความเย็นแบบคาสเคด ซึ่งให้การอัดที่เชื่อถือได้สำหรับสารทำความเย็นอุณหภูมิต่ำในวงจรด้านเย็น เมื่อเทียบกับคอมเพรสเซอร์ทำความเย็นสองขั้นตอนแบบเดี่ยว ระบบทำความเย็นแบบคาสเคดจะให้อุณหภูมิการระเหยต่ำกว่ามาก แต่จำเป็นต้องมีระบบเติมสารทำความเย็น ระบบควบคุม และระบบป้องกันความปลอดภัยสองชุด พื้นที่ใช้สอยรวมของระบบทำความเย็นแบบคาสเคดจะใหญ่กว่าคอมเพรสเซอร์ทำความเย็นสองขั้นตอนแบบเดี่ยวอย่างมาก และต้นทุนเริ่มต้นสูงกว่า 2.2 ถึง 3 เท่าเมื่อมีกำลังทำความเย็นเท่ากัน การเลือกเกรดน้ำมันต้องแตกต่างกันระหว่างวงจรขั้นสูงและขั้นต่ำ โดยวงจรขั้นสูงใช้น้ำมันทำความเย็น ISO VG68 ส่วนวงจรขั้นต่ำต้องใช้น้ำมันทำความเย็นอุณหภูมิต่ำ ISO VG100 การตรวจสอบตัวกรองดูดซับสำหรับระบบทำความเย็นแบบคาสเคดควรดำเนินการทุก 1,200 ชั่วโมงการทำงาน หากตัวกรองอุดตันเกิน 45% จะทำให้กำลังทำความเย็นโดยรวมของระบบทำความเย็นแบบคาสเคดลดลงถึง 22%หน่วยทำความเย็นแบบคาสเคดทั้งหมดมีกลุ่มวาล์วระบายความดันปลอดภัยสองชุดที่ทำงานแยกจากกันสำหรับวงจรความดันสูงและต่ำ การสอบเทียบวาล์วความปลอดภัยทั้งหมดทุกปีเป็นสิ่งจำเป็น หน่วยทำความเย็นแบบคาสเคดสามารถทำงานต่อเนื่องได้ 24 ชั่วโมงสำหรับการแช่แข็งอุตสาหกรรม โดยเวลาหยุดบำรุงรักษาต่อปีคิดเป็นประมาณ 4.5% ของเวลาการทำงานทั้งหมด ซึ่งสูงกว่าคอมเพรสเซอร์พิสโตนแบบขั้นเดียว ระดับเสียงที่วัดได้จากระยะห่าง 1 เมตร จากหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคดอยู่ที่ 84–87 dB(A) โดยรวมเสียงจากคอมเพรสเซอร์ทั้งขั้นสูงและขั้นต่ำ ห้องกันเสียงสามารถลดเสียงได้ถึง 12 dB(A) ความสะอาดของระบบทำความเย็นส่งผลโดยตรงต่ออายุการใช้งานของหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคด มลพิษในวงจรขั้นต่ำจะทำให้คอมเพรสเซอร์ขั้นต่ำเสื่อมสภาพเร็วขึ้น การตรวจสอบอุณหภูมิของไอเสียมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับคอมเพรสเซอร์ขั้นต่ำของหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคด โดยกำหนดเกณฑ์การแจ้งเตือนที่ 175°C และจะตัดไฟอัตโนมัติเมื่ออุณหภูมิเกิน 180°C การคำนวณขนาดของตัวรับของเหลวต้องคำนวณแยกกันสำหรับห่วงโซ่สารทำความเย็นทั้งขั้นสูงและขั้นต่ำ ปริมาตรของตัวรับของเหลวขั้นต่ำควรเป็น 2 เท่าของปริมาณสารทำความเย็นทั้งหมดที่ไหลเข้าสู่ขั้นต่ำ การขนส่งหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคดมีความซับซ้อนมากขึ้นโดยทั่วไปจะจัดส่งเป็นชุดแยกกันและติดตั้งที่สถานที่ ด้วยขีดจำกัดการเอียงที่เข้มงวดสำหรับโมดูลคอมเพรสเซอร์แต่ละตัวอยู่ที่ 15 องศา ตัวแยกน้ำมันที่ตรงกันสำหรับทั้งสองวงจรต้องมีประสิทธิภาพการแยก ≥99.6% การปนเปื้อนของน้ำมันจะทำให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคาสเคเดตปนเปื้อน และลดประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน การควบคุมอุณหภูมิสูงสุดในการดูดต่างกันไปตามลูป: วงจรระดับสูงจะรักษาระดับ 6K–10K ส่วนวงจรระดับต่ำจะรักษาระดับ 8K–12K เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำมันไหลเข้าสู่คอมเพรสเซอร์ระดับต่ำ ฐานการติดตั้งต้องใช้คอนกรีตเกรด C30 หรือสูงกว่า โมดูลคอมเพรสเซอร์สองตัวจำเป็นต้องใช้แผ่นกันสั่นสะเทือนแยกกัน เพื่อหลีกเลี่ยงการสั่นสะเทือนเชิงซ้อนระหว่างระดับสูงและระดับต่ำ ค่าแฟกเตอร์กำลังโหลดเต็มขึ้นอยู่กับประเภทของคอมเพรสเซอร์ หากระดับสูงใช้คอมเพรสเซอร์ทำความเย็นแบบสกรู ค่าแฟกเตอร์กำลังรวมอาจสูงถึง 0.86 ส่วนระดับสูงแบบพิสโตนจะได้ประมาณ 0.81 หน่วยทำความเย็นแบบคาสเคเดตที่บำรุงรักษาอย่างดีควรรักษาการรั่วไหลของสารทำความเย็นต่อปีไว้ต่ำกว่า 0.3% การรั่วไหลในวงจรระดับต่ำตรวจพบได้ยากกว่าและต้องทำการทดสอบความดันอย่างสม่ำเสมอ หากหยุดทำงานเป็นเวลานานเกิน 6 เดือน ทั้งสองวงจรจำเป็นต้องเปลี่ยนน้ำมัน ทำความสะอาดตัวกรอง และปิดผนึกด้วยไนโตรเจน ความเสี่ยงของการเกิดสนิมในวงจรระดับต่ำจะเพิ่มขึ้นถึง 60% หากไม่มีการบำรุงรักษาค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาประจำปีของหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคด คิดเป็นประมาณ 4.2% ของทุนการลงทุนรวมในอุปกรณ์ ซึ่งสูงกว่าคอมเพรสเซอร์ระบบทำความเย็นสองขั้นตอนแบบเดี่ยว ระดับฉนวนมอเตอร์สำหรับคอมเพรสเซอร์ภายในหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคดคือ ระดับ F ส่วนคอมเพรสเซอร์ขั้นต่ำมีการป้องกันการเกินโหลดที่เข้มงวดยิ่งขึ้น