Для рассмотрения возможности достижения и поддержания заданных температурных режимов приняты, в основном, парокомпрессионные холодильные машины, включающие в себя поршневые, ротационные, винтовые, мембранные, а в сравнительно недавнее время, и спиральные компрессоры.

Усовершенствование конструкции компрессоров и аппаратов позволяет достичь высоких энергетических характеристик в холодильных циклах. Однако, с понижением температуры ниже —70 °С появляется ряд серьезных проблем, не обеспечивающих эффективное использование холодильной техники.

Известно, что понижение температуры кипения t₀ в холодильных системах, при сохранении постоянной температуры конденсации, приводит к росту степени сжатия π (пи) и к увеличению температуры конца сжатия, которая может достигнуть значений не совместимых с безопасной эксплуатацией установок. Возрастают и объемные потери в компрессоре: уменьшается коэффициент подачи цикла, его удельная холодопроизводительность. С понижением t_o и Р_o увеличивается удельный объем пара и, соответственно, массогабаритные характеристики компрессоров, увеличивается удельный расход мощности на производство холода, вследствие роста мощности трения уменьшается объемная холодопроизводительность цикла, а в системе создается вакуум - источник инфильтрации воздуха, который ухудшает условия теплообмена и приводит к росту давления конденсации. Кроме того, при t_o ниже —80 °С, эксплуатация холодильной машины с маслом марки ФМ5,6 АП (по паспорту температура замерзания составляет —100 °С) становится проблематичной. В процессе дросселирования в регулирующем вентиле (РВ) нижней ветви каскадной системы масло застывает, вследствие чего, нарушается рабочий цикл. Авторами предложена схема каскадной холодильной установки, которая при t_o = —80 °С и ниже обеспечивает нормальную работу при использовании усовершенствований, разработанных в лаборатории ОГАХ.

Практической эксплуатацией установлено, что понижение температуры кипения t_o ниже —80 °С в каскадной цикле энергетически невыгодно и небезопасно при эксплуатации вследствие резкого увеличения объемных расходов пара и образования вакуума. Поэтому, дальнейшее понижение температуры предлагается осуществлять в двухкаскадном цикле с использованием трех одноступенчатых машин на трех различных хладагентах.

В научно-исследовательской лаборатории ОГАХ была создана (А. С. № 157984) двухкаскадная холодильная установка, которая длительное время функционировала и обеспечивала стабильный температурный режим в интервале температур кипения от —30 до —140 °С. Два каскада холодильной установки включали в себя три ветви, работающие на экологически безопасных холодильных агентах R 22, R 13 (R23) и R 14.

Сущность технического решения, позволившего эксплуатировать каскадные машины в интервале температур от —80 до —140 °С заключается в следующем: выше отмечалось, что в реальных условиях эксплуатации применяемые низкотемпературные масла для температурного уровня ниже t_o = —80 °С приводят к нарушению нормального режима работы установки, поэтому было принято альтернативное решение, заключающееся в применении другого масла, которое застывает при —15 °С. Для этого был разработан и изготовлен аппарат форконденсатор-вымораживатель со змеевиком, внутри которого кипел фреон R 13 или R 23 при температуре —70 °С. Масло, содержащееся в парах, нагнетаемых компрессором фреона R 14, полностью вымораживалось на поверхности змеевика. В установке работало два форконденсатора-вымораживателя с использованием регенерации с целью обеспечения непрерывного рабочего цикла.

Благодаря реализованному техническому решению, работа нижней ветви каскада значительно улучшилась, но не только вследствие нормальной работы РВ, но и из-за отсутствия термического сопротивления слоя масла, т.к. в нижней ветви каскада осуществлялась циркуляция чистого R 14, обеспечивая высокую эффективность теплопередачи.

Следует отметить, что одним из недостатков каскадных машин является необходимость оснащения нижней ветви каскада расширительной емкостью, предназначенной для поглощения паров низкотемпературного агента во время стоянки. Расширительная емкость ухудшает массогабаритные характеристики машины, повышает металлоемкость установки. В модернизированной каскадной и двух каскадной машинах, расширительная емкость отсутствует. Необходимость в расширительной емкости отпала, вследствие использования системы с малоёмкими приборами охлаждения (Патенты Украины №№ 17579 и 28868). Упомянутые приборы охлаждения уменьшают емкость системы, по сравнению с традиционными, на 50...60 %. Пары испарившейся жидкости занимают паровые пространства герметичных компрессоров, конденсаторов-испарителей с ресивером, магистралей и внутренние пространства труб несущих конструкций установки (использованных вместо уголков, швеллеров и двутавров).

Следует также отметить неоспоримые преимущества каскадных машин по сравнению с двухступенчатыми в режимах с температурами кипения t_o = —70 °С и ниже, а также - двухкаскадных машин по сравнению с каскадными в режимах с температурами кипения от —80 до —140 °С. Для сравнения энергетических затрат в холодильных циклах двухступенчатых и каскадных циклах проведены сравнительные расчеты двухступенчатой холодильной машины, работающей на фреоне R 22 и каскадной холодильной машины на R 22 и R 13 (R 23) и двух каскадной холодильной машины работающей на фреонах R 22, R 13 и R 14.

Результаты сравнительных расчетов показали, что при одинаковых Q_o, t_о и t_к объемная производительность двухступенчатых холодильных машин в три раза превышает такой же параметр для каскадной. Отсюда снижение основных характеристик цикла: удельной и объемной холодопроизводительности, коэффициента подачи, холодильного коэффициента (q_o, q_v, λ, ε, к_е ).

В низкотемпературных холодильных установках как двухступенчатых, так и каскадных, понижение температуры кипения сопровождается резким возрастанием объемных характеристик компрессора нижних ступеней или ветвей каскада, работающих в условиях вакуума.

Вследствие этого компрессоры нижней ступени двухступенчатых машин и нижней ветви каскадных и двухкаскадных машин имеют сверхнормативные характеристики. Кроме того, доминирующую роль в общей потребляемой мощности занимает балластная мощность трения. Например, при одинаковых холодопроизводительностях и режимных параметрах мощность трения двух ступенчатой установке составляет 38% от общей эффективной. В то же время, в каскадных машинах эта величина составляет всего 16%.