Сверхнизкие температуры получают, разбивая диапазон на отдельные области потребления холода. Каждый из них производится разным оборудованием. Температурные отметки до −45 градусов обеспечиваются одноступенчатыми приборами – аммиачными или фреоновыми. Если необходимо охлаждение в пределах −45…-70 градусов, применяют двухступенчатые холодильные установки.
Температура ниже −70 градусов достигается с помощью машин каскадного типа, оснащенных двумя холодильными контурами, независимыми друг от друга. Они являются отличной альтернативой многоступенчатым устройствам, так как лишены характерных им эксплуатационных проблем (разница между температурными условиями производства холода и окружающей среды в них не имеет существенного влияния на разницу соответствующих давлений).
Устройство холодильных установок −70
Каскадная холодильная установка – специализированная система, которая включает две или более машины-каскады. Эти устройства функционируют в различных температурных границах, используя хладагенты, отличающиеся по теплофизическим свойствам.
В каждой входящей в состав системы машине осуществляется свой, одно- или двухступенчатый, цикл холодообразования. Верхняя и нижняя ступени каскадов соединяются связующим элементом, который берет на себя функции теплообменника. Для одного каскада с более низкой температурой в холодильном контуре такой аппарат служит конденсатором, для другого – испарителем
Хладагенты с различной холодопроизводительностью создают необходимую температурную разницу между кипящими и конденсирующими парами верхней и нижней ступени установки. В нижней ветви каскада применяются рабочие вещества, которым свойственна низкая температура кипения:
- пропан;
- этилен;
- синтетический фреон R22/R14.
Для верхней ветви используют охлаждающие агенты, характерные одноступенчатым машинам:
- фреон R404А/R507;
- аммиак;
- углекислый газ.
Также в установках применяется специальное холодильное масло, форконденсатор.
Конструкция оборудования адаптирована под низкую температуру, которая влияет на рабочие процессы и характеристики материалов. Арматура, детали, трубопроводы и включенные в систему узлы состоят из сырья, сохраняющего прочность и другие свойства в критически холодной среде.
Каскады состоят из следующих компонентов:
- пластинчатый теплообменник;
- фильтр-осушитель;
- компрессоры;
- конденсатор;
- маслоотделители;
- расширительный сосуд;
- воздухоохладитель;
- линейный ресивер;
- соленоидные вентили.
Холодильные установки −70 оборудуются щитом управления, благодаря которому можно полноценно контролировать работу установки: поддерживать заданные температурные отметки, изменять температуру по установленному расписанию.
Если вам посчастливится увидеть ультранизкотемпературный холодильник «вживую», то вы будете удивлены тем, что он практически ничем не отличается от традиционного холодильника бытового назначения. Конечно, без дизайнерских особенностей, но общая тенденция сохранена. На самом деле, отличия есть, и их очень много, просто кроются они непосредственно внутри холодильника. Первое, в ультранизкотемпературных холодильниках может использоваться не один хладагент, а комбинация хладагентов, что позволяет замораживать быстро и без лишних энергозатрат. Далее, холодильники для криоконсервирования обязательно должны быть максимально теплоизолированы, что позволит полностью исключить контакт с внешней средой на двустороннем уровне. Это вопрос не только сохранения температуры, но и сохранения герметичности и стерильности, который очень важен для хранения биологических материалов.
Дополнительных особенностей у низкотемпературных холодильников также очень много. Во-первых, устройство должно быть защищено от перепадов напряжения, а в идеале должно иметь возможность продолжительной автономной работы или работы от электрогенератора. Во-вторых, ультранизкотемпературный холодильник должен снабжаться особыми уплотнителями, которые не потрескаются и не потеряют эластичность от резких температурных перепадов. В-третьих, медицинские холодильники должны оснащаться системой фильтров, которые не будут засоряться пылью, что может привести к выходу из строя системы заморозки. Если речь идет о работе с опасными вирусами, низкотемпературные холодильники должны защищаться как от постороннего проникновения, так и от несанкционированной перенастройки рабочих параметров.
Холодильный цикл с несколькими ступенями сжатия можно осуществлять с помощью общих теплообменных аппаратов. Для одной машины такой аппарат может служить испарителем, а для другой – конденсатором.
Каскадной х. машиной называется система, объединяющая две или три машны.
КХМ - состоит из двух одноступенчатых парокомпрессионных машин, которые называются соответственно нижней и верхней ступенями каскада.
В ступенях каскада можно использовать различные хладагенты: в нижней х.а. свойства которого наиболее благоприятны в низкотемпературном диапазоне работы, в верхней- х.а. со свойствами отвечающими среднетемпературному диапазону работы. В испарителе И нижней ступени каскада хладагент кипит t 
,отводя теплоту от охлаждаемого объекта. Пар в состоянии 1.1. засасывается компрессором КМ1, адиабатно сжимается в нём и в состоянии 2.1 направляется в водяной пром.холодильник ПХ 2.1’,а затем в испаритель-конденсатор И-К. Там охлаждается и конденсируется за счет отвода теплоты кипящим хладагентом верхней ступени каскада (2.1'-3.1). При этом температура конденсации хладагента нижней ступени каскада t 
должна быть выше температуры кипения хладагента верхней ступени t 
(на 5-6 
С). Жидкий хладагент в cocт 3.1 проходит ч/з ТРВ, где дросселируется до состояния 4.1. и снова поступает в испаритель.
В верхней ступени каскада осуществляется аналогичный цикл (1.2-2.2-3.2-4.2-1.2),но при более высоких температурах. 2.2-3.2. снятие перегрева, конденсация и небольшое переохлаждение жидкого х.а.
Если бы использовали один хладагент, то не было разности температур 
t=
t -t в И-К, то каскадная машина термодинамическм была бы эквивалентна 2-х ступенчатой машине с 2-х кратным дросселированнием. Однако необратимость процесса в реальном И-К, обусловленная конечной разностью температур, делает каскадную машину энергетически менее эффективной, чем с 2 х.а.
В нижнем каскаде циркулирует R13 с более низкой t 
, а в верхнем R-22.