หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด: ระบบอุณหภูมิต่ำสองวงจรสำหรับอุณหภูมิต่ำกว่า -70°C

หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด: ระบบอุณหภูมิต่ำสองวงจรสำหรับอุณหภูมิต่ำกว่า -70°C

หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดประกอบด้วยสองวงจรทำความเย็นที่ทำงานแยกจากกัน ได้แก่ วงจรระดับสูงและระดับต่ำ โดยถ่ายเทความร้อนผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแคสเคด เพื่อให้เกิดการระบายความร้อนในอุณหภูมิต่ำกว่า -70°C หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดสามารถทำให้อุณหภูมิการระเหยต่ำถึง -120°C เมื่อใช้สารทำความเย็นที่เหมาะสม กำลังทำความเย็นโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 5 กิโลวัตต์ ถึง 120 กิโลวัตต์ สำหรับหน่วยมาตรฐานที่บรรจุในตัว หน่วยนี้สามารถทำงานอย่างต่อเนื่องและมีเสถียรภาพได้ในช่วงอุณหภูมิแวดล้อมระหว่าง 5°C ถึง 38°C กำลังไฟของเครื่องทำความร้อนในกระป๋องจะแตกต่างกันไปตามรุ่นของคอมเพรสเซอร์ในวงจรระดับสูงและระดับต่ำ วงจรการเปลี่ยนชิ้นส่วนที่สึกหรอของหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดขึ้นอยู่กับประเภทของคอมเพรสเซอร์ โดยการจัดวางแบบพิสโตนแบบแคสเคดจะมีระยะเวลาระบบซ่อมบำรุงที่ 5,500 ชั่วโมง การใช้งาน คอมเพรสเซอร์แบบไทรโพซิทอลสามารถใช้เป็นคอมเพรสเซอร์ระดับต่ำสำหรับหน่วยทำความเย็นแบบแคสเคด และใช้ร่วมกับคอมเพรสเซอร์สารทำความเย็นแบบสกรูที่ด้านระดับสูงเพื่อให้มีกำลังการผลิตสูงขึ้น เมื่อเทียบกับคอมเพรสเซอร์ทำความเย็นแบบสองขั้นตอนเดี่ยว หน่วยทำความเย็นแบบแคสเคดสามารถทำให้อุณหภูมิการระเหยต่ำลงได้มาก แต่ต้องมีค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานและงานบำรุงรักษาที่สูงขึ้นพื้นที่ใช้สอยของหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคดอยู่ที่ 2.8 ถึง 5.5 ตารางเมตร ขึ้นอยู่กับกำลังทำความเย็น ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าคอมเพรสเซอร์ระบบทำความเย็นสองขั้นตอนแบบเดี่ยวที่มีกำลังเทียบเท่าอย่างมาก การเลือกใช้น้ำมันหล่อลื่นแตกต่างกันไปในแต่ละวงจร โดยวงจรขั้นสูงใช้น้ำมัน ISO VG68 ส่วนวงจรอุณหภูมิต่ำ (cryogenic loop) จำเป็นต้องใช้น้ำมันหล่อลื่นสำหรับเครื่องทำความเย็นแบบคริโอเจนิก ISO VG100 หรือน้ำมันหล่อลื่นเฉพาะสำหรับระบบทำความเย็นระดับเยือกแข็ง กระแสเริ่มต้นขึ้นอยู่กับคอมเพรสเซอร์ที่ติดตั้งไว้ คอมเพรสเซอร์แบบสั่นสะเทือนระดับต่ำจะมีกระแสเข้าสู่เครื่องสูง ในขณะที่คอมเพรสเซอร์แบบสกรูระดับสูงจะมีกระแสเริ่มต้นต่ำ ปริมาตรของตัวรับของเหลวต้องคำนวณแยกกันสำหรับวงจรทำความเย็นระดับสูงและระดับต่ำของหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคด แต่ละวงจรมีการออกแบบการป้องกันของเหลวที่ต้องแยกกัน ต้องตรวจสอบตัวกรองดูดกลืนทุก 1,500 ชั่วโมงการทำงานสำหรับทั้งสองวงจร หากตัวกรองอุดตันเกิน 50% จะทำให้ประสิทธิภาพการทำความเย็นจริงของหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคดลดลงถึง 20% วิศวกรด้านการจัดซื้อจำนวนมากจึงเลือกใช้หน่วยทำความเย็นแบบคาสเคดสำหรับการทดลองทางห้องปฏิบัติการ ทดสอบวัสดุ และการแช่แข็งเชิงลึกด้วยสารเคมี เมื่อต้องการอุณหภูมิต่ำถึง -70°C หรือต่ำกว่านั้นคอมเพรสเซอร์ระบบทำความเย็นแบบสองขั้นตอนหน่วยเดียวไม่สามารถทำงานที่อุณหภูมิระเหยต่ำกว่า -70°C ได้ ซึ่งเป็นขีดจำกัดหลักในการใช้งานระหว่างโซลูชันอุณหภูมิต่ำสุดทั้งสองประเภท หน่วยทำความเย็นแบบคาสเคดสามารถทำงานต่อเนื่อง 24 ชั่วโมงต่อวันได้สำหรับการใช้งานในห้องปฏิบัติการและการแปรรูปสารเคมี โดยเวลาหยุดบำรุงรักษาต่อปีคิดเป็นประมาณ 4.0% ของเวลาการทำงานทั้งหมด คู่สารทำความเย็นที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ R404A/R507A ขั้นสูง และ R23 ขั้นต่ำ สารทำความเย็นทั้งสองชนิดต้องจัดเก็บและเติมแยกกัน ระดับเสียงที่วัดจากห่างหน่วยทำความเย็นแบบคาสเคด 1 เมตรอยู่ที่ 85 dB(A) การติดตั้งหุ้มเสียงจะช่วยลดระดับเสียงลงถึง 12 dB(A) เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดสภาพแวดล้อมภายในโรงงาน สภาวะการทำงานของคอมเพรสเซอร์ทำความเย็นเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดอายุการใช้งานทั้งหมดของอุปกรณ์ การทำงานนานเกินอุณหภูมิที่ออกแบบไว้จะทำให้อายุการใช้งานที่แท้จริงลดลงเกือบ 38% ในระยะเวลาสองปี วาล์วระบายความปลอดภัยต้องติดตั้งแยกกันสำหรับวงจรขั้นสูงและขั้นต่ำ การสอบเทียบประจำปีเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้มั่นใจว่าเวลาตอบสนองของวาล์วจะอยู่ภายใน 0.3 วินาทีในกรณีที่ความดันพุ่งสูงขึ้นอย่างฉับพลัน ความแตกต่างของอุณหภูมิของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคาสเคดคือพารามิเตอร์ควบคุมหลักช่วงที่เหมาะสมคือ 5,000–8,000 ซึ่งหากความแตกต่างมากเกินไปจะทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบทำความเย็นแบบแคสเคดลดลง ควรตรวจสอบช่องว่างของแหวนพิสโตนหรือโรเตอร์ระหว่างการบำรุงรักษาตามกำหนดเวลา ส่วนประกอบที่สึกหรอจะทำให้ประสิทธิภาพปริมาตรและกำลังทำความเย็นของระบบทำความเย็นแบบแคสเคดลดลง เมื่อใช้คอมเพรสเซอร์แบบไทรปอลิติดูโอเป็นขั้นต่ำ จะต้องใช้วาล์วดูดและวาล์วปล่อยที่เสริมแรง เพื่อให้เหมาะสมกับสภาพการทำงานในอุณหภูมิต่ำมาก การปรับปรุงกำลังขึ้นอยู่กับประเภทของคอมเพรสเซอร์ หากเป็นคอมเพรสเซอร์แบบไทรปอลิติดูโอสำหรับขั้นต่ำ จะใช้วิธีการปล่อยน้ำมันจากกระบอกสูบ ในขณะที่คอมเพรสเซอร์แบบสกรูสำหรับขั้นสูงจะใช้การควบคุมแบบไม่มีขั้นตอนด้วยวาล์วเลื่อน อุณหภูมิของแบริ่งจะถูกตั้งค่าระดับเตือนที่ 80°C ระบบควบคุมจะตัดไฟเมื่ออุณหภูมิเกิน 85°C เพื่อป้องกันความเสียหายทางกลถาวร มุมเอียงในการขนส่งของระบบทำความเย็นแบบแคสเคดไม่ควรเกิน 10 องศา การเอียงมากเกินไปจะทำให้น้ำมันเคลื่อนย้ายไปยังสองวงจรแยกกัน และเพิ่มความเสี่ยงจากการชนของของเหลวเมื่อเริ่มทำงาน จึงจำเป็นต้องใช้เครื่องแยกน้ำมันที่เหมาะสมทั้งในวงจรสูงและวงจรต่ำ เครื่องแยกน้ำมันสำหรับขั้นต่ำต้องมีประสิทธิภาพการแยกน้ำมัน ≥99.7% เพื่อป้องกันการปนเปื้อนของน้ำมันภายในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแคสเคดการรักษาอุณหภูมิสูงเกินที่ดูดซับอย่างมั่นคงระหว่าง 8K ถึง 12K บนขั้นต่ำจะป้องกันการไหลกลับของของเหลว และเพิ่มประสิทธิภาพในการทำความเย็นของระบบทำความเย็นแบบคาสเคเดตให้สูงสุด งานฐานรากสำหรับการติดตั้งต้องใช้คอนกรีตเกรด C30 หรือสูงกว่า การทรุดตัวของฐานรากที่เกิน 0.2 มม. ต่อปี จะทำให้เพลาไม่ตรงตำแหน่งและเกิดการสั่นสะเทือนผิดปกติ ค่าแฟคเตอร์กำลังของมอเตอร์ในโหลดเต็มแตกต่างกันไปในสองวงจร การติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้า