复叠式制冷，是指用两种或两种以上的制冷剂，由两个或两个以上的单级（或双级）压缩制冷循环系统组成的制冷装置。一般用于-120℃∽-60℃的低温设施，比如超低温的冷库，快速冻结工艺设施，需要超低温工艺的生物及化学工业领域、低温箱等。
复叠式制冷系统与循环原理图
两个单级系统组成的复叠式制冷机
三个单级压缩循环组成的复叠式制冷机
常见的复叠式制冷装置，系统结构上分为高温级部分和低温级部分。其中高温部分用的是中温制冷剂，低温部分用的是低温制冷剂。高温部分的制冷剂蒸发使低温部分的制冷剂冷凝，两个部分用一个冷凝蒸发器连接起来形成一个整体。冷凝蒸发器既是高温部分的蒸发器，也是低温部分的冷凝器。示例图如下：
一、低温级部分：来自蒸发器的低温制冷剂气体，经过低温级回热器后，再经过低温级压缩机压缩后进入油分，低温制冷剂中的润滑油在油分中大部分被分离出来，润滑油返回压缩机，含油量很少的制冷剂气体进入预冷器中被预冷，然后进入冷凝蒸发器中。在冷凝蒸发器中，低温制冷剂放出的热量被高温制冷剂吸收，高温制冷剂蒸发的同时，低温制冷剂冷凝，冷凝后的低温制冷剂经过干燥过滤器、低温级回热器，再经过节流阀进入蒸发器中，完成一个制冷循环。
二、高温级部分：在冷凝蒸发器中吸热后蒸发的高温制冷剂气体，被高温级压缩机吸入压缩后进入风冷冷凝器中冷凝，放出热量给冷却介质，冷凝后的高温制冷剂液体进入储液器，然后经过干燥过滤器、节流阀进入冷凝蒸发器中，完成一个制冷循环。
不同于普通的单级压缩制冷装置，复叠式制冷装置有两个特殊的组件，冷凝蒸发器和膨胀容器。其中：
一、冷凝蒸发器：一般是采用套管式换热器或板式板式换热器。用套管式换热器做冷凝蒸发器时，通常为管内蒸发，管间冷凝。即高温部分的制冷剂在管内蒸发，低温部分的制冷剂在管间冷凝。用板式换热器做冷凝蒸发器时，一般在高温级的制冷剂入口装有制冷剂液体分配器，使液体制冷剂均匀流入各通道。
二、膨胀容器：当复叠式制冷装置停止运行后，系统各部分的温度会逐渐上升，低温制冷剂会汽化成为蒸汽，压力不断上升。由于制冷装置中的其他部件和管路有一定的极限承压能力，为防止压力上升超出极限值，故在低温部分安装膨胀容器，当压力达到一定数值时，压力控制阀自动开启，使一部分制冷剂进入膨胀容器，限制系统内的压力不会过高。
启动复叠式制冷装置时，一般是先启动高温部分，再启动低温部分。操作时应严格按照厂家的要求进行操作。
复叠式制冷VS两级压缩
| 项目 | 复叠式制冷 | 两级压缩式制冷 |
| 系统特性 | 复杂，要两套子系统，两种制冷剂； 低温制冷剂比中温制冷剂要贵的许多 | 简单， 只要一种中温制冷剂。单机双级压缩机只需一台；双机双级情况下需处理好两台压缩机中润滑油的分配问题 |
| 运行特性 | 1.存在复叠温差，造成不可逆损失。 2.由于低温制冷剂的容积制冷能力大，使低温压缩机尺寸小，机械效高。 3.每台压缩机的压力适中，容积效率和压缩过程的指示效率可以提高。 4.系统正压或轻度负压，外气渗入系统的危险性小，运行稳定性好。 5.温度调节范围小。 | 1.不存在不可逆损失。 2.低压级压缩机尺寸大，机械效率低。 3.低压级压缩机的容积效率和指示效率低。 4.低压机负压程度较高，外气渗入系统的危险性大。 5.温度调节范围大。 |
| 主要应用 | 工业生产用的低温装置，大型试验装置。 |
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