在制冷系统设计过程中,考虑到压缩比和系统运行效率,单级蒸气压缩制冷循环一般用到蒸发温度-30℃以上的系统,如果压缩比继续升高,单级压缩制冷系统中压缩机的相对余隙容积增加,输气系数会急剧下降,造成系统能效比的显著降低。解决大压缩比工况下的制冷系统运行问题,研究人员给出了两套技术可行的方案,其一是采用双级压缩制冷系统,其二是采用复叠式制冷系统。上述两种方案均可有效解决大压缩比带来的效率下降问题。从目前的研究情况来看,双级压缩制冷系统仍存在其技术应用的缺点,其不能解决单机双级压缩制冷系统的容量问题和配组式双级压缩机的回油问题。复叠式制冷系统由两个单机压缩制冷系统组成,压缩机独立运行,有效解决了双级压缩制冷系统的两个问题。本文以冷库制冷系统用复叠式制冷系统为研究对象,开展级间匹配问题的相关研究。目前国内外制冷系统中,复叠系统大多采用的是定频压缩机,高低温级系统流量比固定,一般根据工况和制冷剂特性选择最佳流量比,在实际环境当中,工况随时处于变换中,蒸发温度根据不同需要也会发生改变,甚至在一些特殊情况下制冷剂也会更换,要保持系统最佳运行状态就需要改变系统流量比;此外,定频压缩制冷系统通常通过开停机来实现温度恒定,造成压缩机频繁启停,耗电量增加,也会降低制冷系统的寿命,另一方面启停式制冷也会造成冷库温度波动较大,会造成食品干耗严重。针对目前冷库储存问题上的不足,本课题提出一种变流量复叠式制冷系统,高低温级均采用转子式变频压缩机,在相同工况条件下,通过调节节流阀开度和压缩机频率,改变高低温级吸气压力,从而找到最佳冷凝蒸发器的压力,减小冷凝蒸发器的换热温差,减小冷库温度波动。最终达到制冷系统高效运行和降低食品干耗的作用。在理论方面,课题以复叠式制冷系统的优化为目标,理论分析R410A单工质复叠式制冷循环在最佳中间温度下高低温级流量比和制冷系数COP的关系。理论分析结果表明:当低温级流量比增大时中间温度增加,COP先增大后减小,存在一个使COP值最大的最佳流量比;工况温度对COP的影响会大于流量比变化的影响,当环境温度上升或需要降低库温时,需要减小低温级流量,当库温需要迅速降温时,则需要增大低温级流量,同时还要调节高温级流量以确保复叠式制冷系统处于最佳的高低温级流量比。在理论分析的基础上,设计和搭建了复叠式制冷实验系统,系统由直流变频转子式R410A压缩机、风冷式冷凝器、钎焊式板式换热器,电子膨胀阀组成,采用热平衡法测试复叠式制冷系统的制冷量。搭建了既能进行单机压缩制冷循环又能切换为复叠压缩制冷循环的变制冷剂流量制冷系统,以满足不同系统的运行测试。本文通过理论建模和实验验证,总结出系统随负荷及工况变化时,高、低温系统制冷剂流量值和冷凝蒸发器最佳温度关系以及不同工况对系统能效的影响。研究表明:蒸发温度越高,冷凝温度越低,复叠换热温差越小,压缩机吸气过热度越小,冷凝过冷度越大系统的COP越大。影响系统性能的主要因素是蒸发温度和低温级系统冷凝过冷度。在提供-30℃以下低温时,R410A复叠式制冷循环系统比R410A双级压缩系统在安全使用,环境保护和能源节约方面更加具有优势。通过实验测量的数据验证了蒸发温度与冷凝温度对复叠制冷系统的影响,R410A的蒸发过热度控制在4~6℃之间,有利于系统性能的提高。