Chłodzenie kaskadowe

Schemat ideowy dwuobiegowego kaskadowego procesu chłodzenia

Kaskadowy cykl chłodniczy jest wieloetapowym cyklem termodynamicznym . Przykładowy proces dwuetapowy pokazano po prawej stronie. (Na dole na urządzeniach mobilnych) Cykl kaskadowy jest często stosowany w urządzeniach takich jak zamrażarki ULT .

W kaskadowym układzie chłodniczym stosuje się dwa lub więcej cykli sprężania pary z różnymi czynnikami chłodniczymi. Temperatury parowania i skraplania w każdym cyklu są sekwencyjnie niższe z pewnym nakładaniem się, aby pokryć całkowity pożądany spadek temperatury, z czynnikami chłodniczymi dobranymi tak, aby działały wydajnie w zakresie temperatur, który obejmują. System niskotemperaturowy usuwa ciepło z chłodzonej przestrzeni za pomocą parownika i przekazuje je do wymiennika ciepła, który jest chłodzony przez odparowanie czynnika chłodniczego układu wysokotemperaturowego. Alternatywnie, zamiast tego można zastosować wymiennik ciepła typu ciecz-ciecz lub podobny. System wysokotemperaturowy przekazuje ciepło do konwencjonalnego skraplacza, który przenosi całą moc cieplną systemu i może być pasywny, wentylatorowy lub chłodzony wodą.

Automatyczny proces kaskadowy z dwoma różnymi czynnikami chłodniczymi. Czynnik chłodniczy o wysokiej temperaturze (czerwony) skrapla się w skraplaczu, a następnie jest oddzielany i odparowywany w celu schłodzenia wymiennika ciepła, który skrapla niskotemperaturowy czynnik chłodniczy (niebieski), fioletowy oznacza mieszaninę obu czynników chłodniczych.

Cykle kaskadowe można rozdzielić albo poprzez uszczelnienie w oddzielnych pętlach, albo w tak zwanej „autokaskadzie”, w której gazy są sprężane jako mieszanina, ale rozdzielane, gdy jeden czynnik chłodniczy skrapla się w ciecz, podczas gdy drugi pozostaje jako gaz przez resztę cyklu. Chociaż auto-kaskada wprowadza kilka ograniczeń dotyczących projektu i warunków pracy systemu, które mogą zmniejszyć wydajność, jest często stosowana w małych systemach ze względu na wymaganie tylko jednej sprężarki lub w systemach kriogenicznych, ponieważ zmniejsza zapotrzebowanie na ciepło o wysokiej wydajności wymienników, aby zapobiec wyciekom ciepła ze sprężarek do obiegów kriogenicznych. Oba typy mogą być używane w tym samym systemie, generalnie z oddzielnymi cyklami będącymi pierwszym stopniem (pierwszymi stopniami), a kaskada automatyczna jest ostatnim etapem.

Chłodnice Peltiera można również łączyć kaskadowo w system wielostopniowy, aby osiągnąć niższe temperatury. Tutaj gorąca strona pierwszej chłodnicy Peltiera jest chłodzona przez zimną stronę drugiej chłodnicy Peltiera, która jest większa, której gorąca strona jest z kolei chłodzona przez zimną stronę jeszcze większej chłodnicy Peltiera i tak dalej. kamerach termowizyjnych średniej klasy .