Általában a kaszkád rendszereket a kereskedelmi és az ipari hűtés területén alkalmazzuk. Alacsony elpárolgási hőmérséklet létesítésére szolgálnak. A kaszád rendszerek a kétfokozatú kompresszoros a 7.30. ábrán látható ammóniás rendszerhez hasonlítanak, de az alsó és a felső fokozatban más-más hűtőközeget és a közbenső edény helyett felületi hőcserélőt alkalmazunk. Az alsó és a felső hűtőkörfolyamat külön-külön, egy fokozatú kompresszoros berendezést képeznek, a felületi hőcserélő, az alsó fokozat kondenzátoraként, és a felső fokozat elpárologtatójaként játszik szerepet. Az alsó fokozatban alkalmazott hűtőközeg kiválasztása úgy történik, hogy a kívánt alacsony elpárolgási hőmérséklet létesítéséhez tartozó nyomás a légköri nyomásnál magasabb legyen, ezzel a vákuum elkerülhető a berendezésben (7.7. táblázat). Erre a feladatra a CO2 hűtőközeg alkalmazható.

7.7. táblázat.  Nyomásértékek különböző hűtőközegeknél

A kaszkádkapcsolást általában HFC (R134a)/CO2 (kereskedelmi) és R717 /CO2 (ipari) hűtőközeg párokkal alkalmazzák, használata tisztán Freon hűtőközegű hűtőrendszernél nem jellemző.

Amennyiben vannak a normál hűtőkörben hűtési pozíciók, akkor az alsó fokozat kondenzációs nyomását a felső fokozat hűtési pozícióinak elpárolgási hőmérsékletigénye határozza meg. Ha nincs, akkor szabadon megválasztható, de alulról a romló hatásfok felülről a megengedett üzemi nyomások korlátoznak.

Ahhoz, hogy az alsó fokozat bármely kompresszora el tudjon indulni, létfontosságú, hogy a felső fokozatban már üzemeljen kompresszor.

Az alsó fokozatú kompresszorok után beépíthető egy desuperheater hőcserélő, amely hőt adhat le a környezetbe, ezáltal javítva a hatásfokot, vagy akár hasznosítható is például HMV előmelegítésére.

CO2 hűtőközeg esetében szívógáz/folyadék hőcserélő használata javasolt, egyrészt a hatásfok növelése céljából, másrészt a CO2 azon tulajdonsága miatt, hogy nyomáseséskor csökken a túlhevítés mértéke.

R134a / CO2 kaszkád hűtőrendszer

A 7.34. ábrán egy R134a/CO2 kaszkád hűtőberendezés látható. A felső fokozatban R134a, az alsó fokozatban CO2 hűtőközeget alkalmazunk. A két fokozat között a kaszkád hőcserélő (10) az R134a hűtőkörben elpárologtatóként, CO2 hűtőkörben kondenzátorként játszik szerepet.

A kaszkád hőcserélőből (10) és a normális hőmérsékletű (a felső három) elpárologtatókból a R134a hűtőközeg gőzt (1) MT kompresszorok szállítják a léghűtésű kondenzátorba (2). A kondenzátor után az R134a hűtőközeg folyadék a folyadékgyűjtőbe (5) kerül, ahonnan a felső három elpárologtató és a kaszkád hőcserélő folyadék ellátását szabályozottan kapja.

Az alacsony elpárolgási hőmérsékletű (alsó 2) elpárologtatóból a CO2 hűtőközeggőzt a LT kompresszorok (6) szállítják a kaszkád hőcserélőbe, ahol cseppfolyósítjuk és az edénybe (12) kerül. A 2 db. elpárologtató CO2 hűtőközeg ellátása a folyadékgyűjtőtartályból (2) történik, de a belső hőcserélőben (11) utóhűtése biztosítható az elpárologtatóból visszatérő gőz által.

7.34. ábra. CO2/R134a kaszkád rendszer

1. MT kompresszor; 2. léghűtésű kondenzátor; 3. elpárologtató; 4. elektronikus expanziós szelep; 5. MT folyadéktartály; 6. LT kompresszor; 7. hőfokszabályzó (túlhevítés szabályzó); 8. túlhevítés szabályzó; 9. elektronikus expanziós szelep; 10. kaszkád hőcserélő; 11. szívógáz hőcserélő; 12. LT folyadéktartály

Ammónia/Szén-dioxid kaszkád hűtőberendezés

A 7.35. ábrán NH3/CO2 kaszkád hűtőberendezés látható. A felső fokozatban NH3, az alsó fokozatban CO2 hűtőközeget alkalmazunk. A két fokozat között a kaszkád hőcserélő (11) az NH3 hűtőkörben elpárologtatóként, CO2 hűtőkörben kondenzátorként játszik szerepet.

A berendezés a normális hőmérsékletű (A) és az alacsony hőmérsékletű (B) termek hűtését CO2 hűtőközegű, alsó fokozatú hűtőkörrel látja el. Az (A) teremben elárasztott, a (B) teremben száraz rendszerű elpárologtatású. Az (A) teremhez a folyadékfázisú hűtőközeget a folyadékleválasztóból (8) szivattyú (4) szállítja elektronikus expanziós szelepen (10) keresztül az elpárologtatóhoz (5). Több elpárologtató kiszolgálásakor az adagolás a mágnesszelepekkel és szabályzó szelepekkel állítható be a kívánt tömegáram eléréséhez, mivel a csővezetékek hossza és így a nyomásesések különbözőek elpárologtatónként. A CO2 közegnél a recirkulációs számot kisebbre, 2-höz közeli értékre kell választani. A hőfelvétel során a nedvesgőz állapotba került hűtőközeget a visszatérővezeték vezeti a folyadékleválasztóba.

A B teremhez a folyadékfázisú hűtőközeg a folyadékleválasztóból (8) az elektronikus adagolón (10) keresztül jut el – nyomását csökkentve – az elpárologtatóhoz (9).  A hőfelvétel során keletkezett enyhe túlhevített gőzt a szívóvezetéken át szívja el a (2) kompresszor. A komprimált hűtőközeg gőzáram a nyomóvezetéken át a folyadékleválasztóból (8) jövő hűtőközeg gőzárammal együtt a  kaszkád hőcserélőbe (11) kerül. A hőcserélőben a CO2 gőz kondenzálódik; folyadék állapotba kerül és onnan a leválasztó edény (8) gyűjti össze, ahonnan a folyadékfázisú hűtőközeg gravitációs módon az elpárologtatókba kerül.

A kaszkád hőcserélő másik oldalán az NH3 hűtőközeg folyadék, a CO2 kondenzációja során leadott hő hatására, elpárolog. A keletkezett NH3 hűtőközeg gőzt a kompresszor (1) a léghűtésű kondenzátorhoz (3) szállítja, ahol cseppfolyós állapotba kerül, majd onnan a folyadékgyűjtőbe (14). A kaszkád hőcserélő NH3 hűtőközeg folyadék ellátását az edényből (14) szabályozottan az elektronikus expanziós szelep (10) biztosítja.

Amennyiben bármely szén-dioxidos körön hűtési igény jelentkezik és a biztonsági körök is engedélyezik, először az ammóniás kompresszorok indulnak el és így a kaszkád hőcserélők NH3 hűtőközeg ellátása is elindul, majd ezt követően indul el az alsó fokozatú CO2 hűtőkörökben a hűtés. A kompresszorok teljesítményszabályozása a szívóhőmérsékletre történik, mindaddig, amíg fennállnak az üzemi feltételek.

Ha a szívó hőmérséklet értéke vagy a tartály nyomása a megengedett minimum alá csökken, a felső fokozati kompresszorok leállnak.

A termekben és a gépházban gázérzékelőket kell elhelyezni, hogy a tömítetlenségek miatti szivárgások hamar észlelhetők legyenek. A gépházban az ammónia érzékelőt (12) a berendezések fölé kell helyezni, a szén-dioxid érzékelőket (13) a termekben és a gépházban a talajhoz közel. A gázérzékelő vészjeleknek a vezérlést megkerülve le kell állítaniuk a berendezéseket és a hibát haladéktalanul jelezniük kell az üzemeltetés felé.

A berendezés megfelelő lefúvató szelepekkel van ellátva a CO2 és NH3 hűtőközegek oldalán, melyek a kapcsolási vázlaton láthatóak.

Ezzel a megoldással az NH3 hűtőközegtöltet csökkenthető; az NH3 a gépházban és a kondenzátor oldalon található.

7.35. ábra. Ammónia/szén-dioxid kaszkád hűtőberendezés

1-felső fokozati kompresszor, 2-alsó fokozati kompresszor, 3-kondenzátor, 4-hűtőközeg szivattyú, 5-elárasztott elpárologtató, 6-fojtószelep, 7-mágnesszelep, 8-folyadékleválasztó, 9-száraz rendszerű elpárologtató, 10-elektronikus expanziós szelep, 11-kaszkád hőcserélő, 12-ammónia gázérzékelő, 13-szén-dioxid gázérzékelő