Каскадный цикл охлаждения — это многоступенчатый термодинамический цикл . Пример двухступенчатого процесса показан справа. (Внизу на мобильном) Каскадный цикл часто используется для таких устройств, как морозильники ULT . [1]
В каскадной холодильной системе используются два или более парокомпрессионных цикла с различными хладагентами. Температуры испарения-конденсации каждого цикла последовательно снижаются с некоторым перекрытием для покрытия желаемого общего падения температуры, при этом хладагенты выбираются для эффективной работы в охватываемом ими диапазоне температур. Низкотемпературная система отводит тепло из охлаждаемого пространства с помощью испарителя и передает его в теплообменник, который охлаждается за счет испарения хладагента высокотемпературной системы. В качестве альтернативы вместо этого может использоваться теплообменник жидкость-жидкость или аналогичный теплообменник. Высокотемпературная система передает тепло в обычный конденсатор, который несет всю тепловую мощность системы и может быть пассивным, вентиляторным или охлаждаемым водой.
Каскадные циклы могут быть разделены либо путем герметизации в отдельных контурах, либо в том, что называется «автокаскадом», где газы сжимаются как смесь, но разделяются, поскольку один хладагент конденсируется в жидкость, в то время как другой продолжает оставаться газом в течение оставшейся части цикла. [2] [3] [4] [5] Хотя автокаскад вносит несколько ограничений в конструкцию и условия эксплуатации системы, которые могут снизить эффективность, он часто используется в небольших системах из-за того, что требует только одного компрессора, или в криогенных системах, поскольку он снижает потребность в высокоэффективных теплообменниках для предотвращения утечки тепла из компрессоров в криогенные циклы. Оба типа могут использоваться в одной и той же системе, как правило, при этом отдельные циклы являются первой стадией(ями), а автокаскад — последней стадией.
Охладители Пельтье также могут быть каскадированы в многоступенчатую систему для достижения более низких температур. Здесь горячая сторона первого охладителя Пельтье охлаждается холодной стороной второго охладителя Пельтье, который больше по размеру, горячая сторона которого, в свою очередь, охлаждается холодной стороной еще большего охладителя Пельтье и так далее. [6] [7] [8] Эффективность падает очень быстро по мере добавления большего количества ступеней, но для очень малых тепловых нагрузок вплоть до почти криогенных температур это часто может быть эффективным решением из-за компактности и низкой стоимости, например, в термографических камерах среднего диапазона . Двухступенчатый охладитель Пельтье может достигать около -30 °C, -75 °C с тремя ступенями, -85 °C с четырьмя ступенями, -100 °C с шестью ступенями и -123 °C с семью ступенями. Мощность охлаждения и эффективность низкие, но охладители Пельтье могут быть небольшими для небольших нагрузок охлаждения, что приводит к общему низкому энергопотреблению для охладителя Пельтье с тремя ступенями. [9] [10] [11] Для охладителя Пельтье с семью ступенями потребляемая мощность может составлять 65 Вт при холодопроизводительности 80 мВт. [12]