CN103900312A - 一种利用超声波调节制冷系统循环组分浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用超声波调节制冷系统循环组分浓度的方法，该制冷系统包括带有润滑油分离装置的压缩机单元、冷却器单元、回热器单元、节流单元、蒸发器单元、控制单元A以及变循环浓度装置单元B，其中变循环浓度装置单元B由耐压容器、波纹挡板、超声波换能器以及电磁阀V1、电磁阀V2组成；利用超声波雾化的手段改变装置内的液位高度来调节装置出口的工质干度，从而实现根据制冷工况的需要对混合工质制冷系统中的循环组分浓度进行调节的目标。

Description

一种利用超声波调节制冷系统循环组分浓度的方法

技术领域

本发明涉及低温制冷技术，尤其涉及一种利用超声波调节制冷系统循环组分浓度的方法。

背景技术

当前，在普冷温区（制冷温度大于零下120℃的温区）一般以复叠制冷系统和单级混合制冷系统为主，与复叠制冷系统相比，采用单级混合制冷系统可以使得制冷机结构得到很大的简化，同时令制冷机的运行可靠性得到明显的提高，而由于单级混合制冷系统可以采用普通的制冷设备，制冷机的制造成本可以大幅度降低。随着医药、生物工程、能源等行业对于低温制冷的需求越来越多，单级混合制冷系统这一技术的发展有着重要的现实意义。

然而与纯工质制冷系统不同，多元非共沸混合工质存在温度滑移及浓度滑移这两大特性，这使得混合工质制冷系统在运行控制方面存在许多困难。混合工质制冷系统在启动时，系统中的制冷工质主要以气相状态存在，这会使得开机高压压力很高，而压缩机的排气温度也处于较高值，然后随着制冷温度的下降，制冷工质逐渐液化，使得制冷系统高压压力逐渐下降，压缩机排气温度也随之下降。另外，需要达到某一目标低温的混合制冷系统，当制冷机硬件设备确定时，目前需要通过大量实验才能确定多元非共沸混合工质合理的充灌比例，实验的成本巨大，而且难以得到最佳比例。同时为了制冷系统能够降低到目标低温，低沸点组分比例不能低于一定比例，这会降低制冷系统在高温工况时的制冷效率。

目前国内针对混合工质制冷系统变循环组分浓度控制方法的公开报道较少。然而中科院理化技术研究所的发明专利（CN1501040A）报道了一种对深冷混合工质节流制冷系统变工况运行的控制方法，该控制方法针对不同的运行工况，根据预先设定值与输入参数的比较，通过控制节流元件的开闭或通量，实现对制冷机在不同工况之间的稳定、高效的运行。但是，该专利的方法需要对混合制冷系统加装多个控制阀，其控制方法较为复杂，不利于推广使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种利用超声波调节制冷系统循环组分浓度的方法，利用超声波雾化对混合工质制冷系统中的工质循环组分浓度进行调节，从而提高的混合工质制冷系统在不同运行工况时的效率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种利用超声波调节制冷系统循环组分浓度的方法，

该制冷系统包括带有润滑油分离装置的压缩机单元1、冷却器单元2、回热器单元3、节流单元4、蒸发器单元5、控制单元A以及变循环浓度装置单元B，其中变循环浓度装置单元B由耐压容器6、波纹挡板7、超声波换能器8以及电磁阀V1、电磁阀V2组成；

所述压缩机单元1、冷却器单元2、变循环浓度装置单元B、回热器单元3、节流单元4以及蒸发器单元5依次连接；

该方法包括如下步骤：

一、启动工况步骤：

变循环浓度装置单元B中的电磁阀V1开启，电磁阀V2关闭，超声波换能器8输入功率为0，此时超声波换能器8不工作；然后控制单元A根据节流单元4进出口温度差值是否达到设定值，判断制冷系统是否已经转向受控降温工况过程；

二、受控降温工况步骤：

1）控制单元A根据蒸发器单元5输入的出口温度参数与设定值的差值对制冷系统所处工况进行判断，如果制冷系统处于受控降温过程中的高温工况，则按照以下方法进行调节：

变循环浓度装置单元B中的电磁阀V1及电磁阀V2都开启，同时根据回热器单元3进口端温差以及节流单元4进出口温差对超声波换能器8功率进行调节，具体方法如下：

a）当回热器单元3进口端温差大于设定温差范围上限值时，减小超声波换能器8功率；当回热器单元3进口端温差小于设定温差范围下限值时，增大超声波换能器8功率；通过反馈调节，使得回热器单元3进口端温差稳定在设定温差范围内；

b）当节流单元4进出口温差小于设定温差范围下限时，减小超声波换能器8功率；当节流单元4进出口温差大于设定温差范围上限时，增大超声波换能器8功率；通过反馈调节，使得节流单元4进出口温差稳定在设定温差范围内；

c）当在对回热器单元3进口端温差及节流单元4进出口温差进行调节的过程，出现输出对超声波换能器8功率相反调节指令时，优先按照节流单元4的调节指令对超声波换能器8功率进行调节；

2）控制单元A根据蒸发器单元5输入的出口温度参数与设定值的差值对制冷系统所处工况进行判断，如果系统处于受控降温过程中的低温工况，则按照以下方法进行调节：

变循环浓度装置单元B中的电磁阀V2开启，电磁阀V1关闭，同时根据回热器单元3进口端温差以及节流单元4进出口温差对超声波换能器8功率进行调节，具体方法如下：

a）当回热器单元3进口端温差大于设定温差范围上限值时，减小超声波换能器8功率；当回热器单元3进口端温差小于设定温差范围下限值时，增大超声波换能器8功率；通过反馈调节，使得回热器单元3进口端温差稳定在设定温差范围内；

b）当节流单元4进出口温差小于设定温差范围下限时，减小超声波换能器8功率；当节流单元4进出口温差大于设定温差范围上限时，增大超声波换能器8功率；通过反馈调节，使得节流单元4进出口温差稳定在设定温差范围内；

c）当在对回热器单元3进口端温差及节流单元4进出口温差进行调节的过程，出现输出对超声波换能器8功率相反调节指令时，优先按照节流单元4的调节指令对超声波换能器8功率进行调节；

所述变循环浓度装置B是采用超声波振荡，改变变循环浓度装置B中的液体工质状态，使液体工质变成密集液体微粒，被气相工质带出变循环浓度装置B；

所述冷却器单元2与变循环浓度装置单元B通过铜管连接，通过直接水平插入耐压容器6中，铜管末端与波纹挡板7相邻；

所述波纹挡板7用于对冷却后的工质进行气液分离，通过气体与液体的惯性不同，当工质以水平方向撞击到波纹挡板7，工质中的液相将被停留在波纹挡板7表面，然后向下流到耐压容器6底部，而工质中的气相则会离开波纹挡板7；

在所述耐压容器6内部安装有两根铜管，与电磁阀V1相连的铜管位于工质的入口侧，该铜管在耐压容器6中的部分与耐压容器6底部处于同一水平位置，而与电磁阀V2相连的铜管则位于波纹挡板7的另一侧，该铜管在耐压容器6中的部分要高于耐压容器6底部，铜管管口与耐压容器6底部的距离跟波纹挡板7与耐压容器6底部的距离相同；

所述超声波换能器8放置在与电磁阀V2相连的铜管一侧，通过产生高频振荡在液体表面产生雾状液滴，该雾状液滴会分散到耐压容器6中的气相工质中，并且随着气相工质的流动而流动，从而改变耐压容器6中液相工质的量；最终通过改变超声波换能器8的功率，改变其雾化液相工质的量，从而对耐压容器8中的液相工质的量进行调节。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明根据制冷系统（采用混合工质）循环组分浓度的控制，是根据制冷系统的运行工况及向控制单元A输入的压缩机单元1吸排气压力、回热器单元2进出口温度、节流单元3出口温度以及蒸发器单元4出口温度参数与预定设定参数值进行对比，然后控制单元A向变循环浓度装置单元B输出控制指令，通过开启和关闭电磁阀V1、电磁阀V2以及调整超声波换能器功率实现对输入参数的反馈调节，从而实现制冷系统在不同工况下高效、稳定以及可靠运行。

本发明技术手段简便易行，便于推广应用。

附图说明

图1是本发明控制示意图；

其中：压缩机吸气压力传感器901，压缩机排气压力传感器902，冷凝进口温度传感器903，冷凝出口温度传感器904，节流后温度传感器905，蒸发器单元5出口温度传感器906、回热器单元3蒸发出口温度传感器907。

图2是变循环组分浓度装置示意图。

图3是某单级三元非共沸混合工质制冷系统，在不同制冷温区下高效运行冷凝出口干度。

图4是某单级三元非共沸混合工质制冷系统，在不同制冷温区下高效运行组分浓度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1至4所示。本发明公开了一种利用超声波调节制冷系统循环组分浓度的方法，

该制冷系统包括带有润滑油分离装置的压缩机单元1、冷却器单元2、回热器单元3、节流单元4、蒸发器单元5、控制单元A以及变循环浓度装置单元B，其中变循环浓度装置单元B由耐压容器6、波纹挡板7、超声波换能器8以及电磁阀V1、电磁阀V2组成；

所述压缩机单元1、冷却器单元2、变循环浓度装置单元B、回热器单元3、节流单元4以及蒸发器单元5依次连接；

该方法包括如下步骤：

一、启动工况步骤：

变循环浓度装置单元B中的电磁阀V1开启，电磁阀V2关闭，超声波换能器8输入功率为0，此时超声波换能器8不工作；然后控制单元A根据节流单元4进出口温度差值是否达到设定值，判断制冷系统是否已经转向受控降温工况过程；

二、受控降温工况步骤：

1）控制单元A根据蒸发器单元5输入的出口温度参数与设定值的差值对制冷系统所处工况进行判断，如果制冷系统处于受控降温过程中的高温工况，则按照以下方法进行调节：

变循环浓度装置单元B中的电磁阀V1及电磁阀V2都开启，同时根据回热器单元3进口端温差以及节流单元4进出口温差对超声波换能器8功率进行调节，具体方法如下：

a）当回热器单元3进口端温差大于设定温差范围上限值时，减小超声波换能器8功率；当回热器单元3进口端温差小于设定温差范围下限值时，增大超声波换能器8功率；通过反馈调节，使得回热器单元3进口端温差稳定在设定温差范围内；

b）当节流单元4进出口温差小于设定温差范围下限时，减小超声波换能器8功率；当节流单元4进出口温差大于设定温差范围上限时，增大超声波换能器8功率；通过反馈调节，使得节流单元4进出口温差稳定在设定温差范围内；

c）当在对回热器单元3进口端温差及节流单元4进出口温差进行调节的过程，出现输出对超声波换能器8功率相反调节指令时，优先按照节流单元4的调节指令对超声波换能器8功率进行调节；

2）控制单元A根据蒸发器单元5输入的出口温度参数与设定值的差值对制冷系统所处工况进行判断，如果系统处于受控降温过程中的低温工况，则按照以下方法进行调节：

变循环浓度装置单元B中的电磁阀V2开启，电磁阀V1关闭，同时根据回热器单元3进口端温差以及节流单元4进出口温差对超声波换能器8功率进行调节，具体方法如下：

a）当回热器单元3进口端温差大于设定温差范围上限值时，减小超声波换能器8功率；当回热器单元3进口端温差小于设定温差范围下限值时，增大超声波换能器8功率；通过反馈调节，使得回热器单元3进口端温差稳定在设定温差范围内；

b）当节流单元4进出口温差小于设定温差范围下限时，减小超声波换能器8功率；当节流单元4进出口温差大于设定温差范围上限时，增大超声波换能器8功率；通过反馈调节，使得节流单元4进出口温差稳定在设定温差范围内；

c）当在对回热器单元3进口端温差及节流单元4进出口温差进行调节的过程，出现输出对超声波换能器8功率相反调节指令时，优先按照节流单元4的调节指令对超声波换能器8功率进行调节；

所述变循环浓度装置B是采用超声波振荡，改变变循环浓度装置B中的液体工质状态，使液体工质变成密集液体微粒，被气相工质带出变循环浓度装置B；从而实现对混合工质制冷系统循环组分浓度的调节。

所述冷却器单元2与变循环浓度装置单元B通过铜管连接，通过直接水平插入耐压容器6中，铜管末端与波纹挡板7相邻；

所述波纹挡板7用于对冷却后的工质进行气液分离，通过气体与液体的惯性不同，当工质以水平方向撞击到波纹挡板7，工质中的液相将被停留在波纹挡板7表面，然后向下流到耐压容器6底部，而工质中的气相则会离开波纹挡板7；

在所述耐压容器6内部安装有两根铜管，与电磁阀V1相连的铜管位于工质的入口侧，该铜管在耐压容器6中的部分与耐压容器6底部处于同一水平位置，而与电磁阀V2相连的铜管则位于波纹挡板7的另一侧，该铜管在耐压容器6中的部分要高于耐压容器6底部，铜管管口与耐压容器6底部的距离跟波纹挡板7与耐压容器6底部的距离相同；

所述超声波换能器8放置在与电磁阀V2相连的铜管一侧，通过产生高频振荡在液体表面产生大量直径在数微米到数百微米的雾状液滴，该雾状液滴会分散到耐压容器6中的气相工质中，并且随着气相工质的流动而流动，从而改变耐压容器6中液相工质的量；最终通过改变超声波换能器8的功率，改变其雾化液相工质的量，从而对耐压容器8中的液相工质的量进行调节。

上述压缩机单元（1）采用单级油润滑商用涡旋压缩机。

上述冷却器单元（2）采用风冷冷凝器。

上述所提到的高、低温工况与所用混合工质及其能在2bar压力下所达到的最低制冷温度有关，例如R600a/R23二元混合制冷剂，其在2bar压力下所能达到最低制冷温度为-60℃左右，则高、低温工况划分的温度为-20℃；若是R600a/R32/R14，其在2bar压力下所能达到最低制冷温度在-105℃左右，则高低温工况划分的温度为-50℃。一般的混合工质制冷系统制冷温度一般在-60℃～-120℃温区内，针对这一制冷温区，高、低温工况的划分温度在-20℃～-50℃之间，具体划分温度需根据具体的混合工质制冷系统来确定。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用超声波调节制冷系统循环组分浓度的方法，其特征在于：

该制冷系统包括带有润滑油分离装置的压缩机单元（1）、冷却器单元（2）、回热器单元（3）、节流单元（4）、蒸发器单元（5）、控制单元（A）以及变循环浓度装置单元（B），其中变循环浓度装置单元（B）由耐压容器（6）、波纹挡板（7）、超声波换能器（8）以及电磁阀V1、电磁阀V2组成；

所述压缩机单元（1）、冷却器单元（2）、变循环浓度装置单元（B）、回热器单元（3）、节流单元（4）以及蒸发器单元（5）依次连接；

该方法包括如下步骤：

一、启动工况步骤：

变循环浓度装置单元（B）中的电磁阀V1开启，电磁阀V2关闭，超声波换能器（8）输入功率为0，此时超声波换能器（8）不工作；然后控制单元（A）根据节流单元（4）进出口温度差值是否达到设定值，判断制冷系统是否已经转向受控降温工况过程；

二、受控降温工况步骤：

1）控制单元（A）根据蒸发器单元（5）输入的出口温度参数与设定值的差值对制冷系统所处工况进行判断，如果制冷系统处于受控降温过程中的高温工况，则按照以下方法进行调节：

变循环浓度装置单元（B）中的电磁阀V1及电磁阀V2都开启，同时根据回热器单元（3）进口端温差以及节流单元（4）进出口温差对超声波换能器（8）功率进行调节，具体方法如下：

a）当回热器单元（3）进口端温差大于设定温差范围上限值时，减小超声波换能器（8）功率；当回热器单元（3）进口端温差小于设定温差范围下限值时，增大超声波换能器（8）功率；通过反馈调节，使得回热器单元（3）进口端温差稳定在设定温差范围内；

b）当节流单元（4）进出口温差小于设定温差范围下限时，减小超声波换能器（8）功率；当节流单元（4）进出口温差大于设定温差范围上限时，增大超声波换能器（8）功率；通过反馈调节，使得节流单元（4）进出口温差稳定在设定温差范围内；

c）当在对回热器单元（3）进口端温差及节流单元（4）进出口温差进行调节的过程，出现输出对超声波换能器（8）功率相反调节指令时，优先按照节流单元（4）的调节指令对超声波换能器（8）功率进行调节；

2）控制单元（A）根据蒸发器单元（5）输入的出口温度参数与设定值的差值对制冷系统所处工况进行判断，如果系统处于受控降温过程中的低温工况，则按照以下方法进行调节：

变循环浓度装置单元（B）中的电磁阀V2开启，电磁阀V1关闭，同时根据回热器单元（3）进口端温差以及节流单元（4）进出口温差对超声波换能器（8）功率进行调节，具体方法如下：

a）当回热器单元（3）进口端温差大于设定温差范围上限值时，减小超声波换能器（8）功率；当回热器单元（3）进口端温差小于设定温差范围下限值时，增大超声波换能器（8）功率；通过反馈调节，使得回热器单元（3）进口端温差稳定在设定温差范围内；

b）当节流单元（4）进出口温差小于设定温差范围下限时，减小超声波换能器（8）功率；当节流单元（4）进出口温差大于设定温差范围上限时，增大超声波换能器（8）功率；通过反馈调节，使得节流单元（4）进出口温差稳定在设定温差范围内；

c）当在对回热器单元（3）进口端温差及节流单元（4）进出口温差进行调节的过程，出现输出对超声波换能器（8）功率相反调节指令时，优先按照节流单元（4）的调节指令对超声波换能器（8）功率进行调节；

三、对于维持制冷工况步骤：

1）控制单元（A）根据蒸发器单元（5）输入的出口温度参数与设定值的差值对制冷系统所处工况进行判断，如果系统处于维持制冷过程中的高温工况，则按照以下方法进行调节：

变循环浓度装置单元（B）中的电磁阀V1及电磁阀V2都开启，同时根据回热器单元（3）进口端温差与蒸发器单元（5）对超声波换能器（8）功率进行调节，具体方法如下：

a）当回热器单元（3）进口端温差大于设定温差范围上限值时，减小超声波换能器（8）功率；当回热器单元（3）进口端温差小于设定温差范围下限值时，增大超声波换能器（8）功率；通过反馈调节，使得回热器单元（3）进口端温差稳定在设定温差范围内；

b）当蒸发器单元（5）进出口温差小于维持制冷工况对应的设定温差范围下限时，减小超声波换能器（8）功率；当蒸发器单元（5）进出口温差大于维持制冷工况对应的设定温差范围上限时，增大超声波换能器（8）功率；通过反馈调节，使得蒸发器单元（5）进出口温差稳定在设定温差范围内；

c）当在对回热器单元（3）进口端温差及蒸发器单元（5）进出口温差进行调节的过程，出现输出对超声波换能器（8）功率相反调节指令时，优先按照蒸发器单元（5）的调节指令对超声波换能器（8）功率进行调节；

2）控制单元（A）根据蒸发器单元（5）输入的出口温度参数与设定值的差值对制冷系统所处工况进行判断，如果制冷系统处于维持制冷过程中的低温工况，则按照以下方法进行调节：

变循环浓度装置单元（B）中的电磁阀V2开启，电磁阀V1关闭，同时根据回热器单元（3）进口端温差与蒸发器单元（5）对超声波换能器（8）功率进行调节，具体方法如下：

a）当回热器单元（3）进口端温差大于设定温差范围上限值时，减小超声波换能器（8）功率；当回热器单元（3）进口端温差小于设定温差范围下限值时，增大超声波换能器（8）功率；通过反馈调节，使得回热器单元（3）进口端温差稳定在设定温差范围内；

b）当蒸发器单元（5）进出口温差小于维持制冷工况对应的设定温差范围下限时，减小超声波换能器（8）功率；当蒸发器单元（5）进出口温差大于维持制冷工况对应的设定温差范围上限时，增大超声波换能器（8）功率；通过反馈调节，使得蒸发器单元（5）进出口温差稳定在设定温差范围内；

c）当在对回热器单元（3）进口端温差及蒸发器单元（5）进出口温差进行调节的过程，出现输出对超声波换能器（8）功率相反调节指令时，优先按照蒸发器单元（5）的调节指令对超声波换能器（8）功率进行调节。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述变循环浓度装置（B）是采用超声波振荡，改变变循环浓度装置（B）中的液体工质状态，使液体工质变成密集液体微粒，被气相工质带出变循环浓度装置（B）。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述冷却器单元（2）与变循环浓度装置单元（B）通过铜管连接，通过直接水平插入耐压容器（6）中，铜管末端与波纹挡板（7）相邻；

所述波纹挡板（7）用于对冷却后的工质进行气液分离，通过气体与液体的惯性不同，当工质以水平方向撞击到波纹挡板（7），工质中的液相将被停留在波纹挡板（7）表面，然后向下流到耐压容器（6）底部，而工质中的气相则会离开波纹挡板（7）；

在所述耐压容器（6）内部安装有两根铜管，与电磁阀V1相连的铜管位于工质的入口侧，该铜管在耐压容器（6）中的部分与耐压容器（6）底部处于同一水平位置，而与电磁阀V2相连的铜管则位于波纹挡板（7）的另一侧，该铜管在耐压容器（6）中的部分要高于耐压容器（6）底部，铜管管口与耐压容器（6）底部的距离跟波纹挡板（7）与耐压容器（6）底部的距离相同；

所述超声波换能器（8）放置在与电磁阀V2相连的铜管一侧，通过产生高频振荡在液体表面产生雾状液滴，该雾状液滴会分散到耐压容器（6）中的气相工质中，并且随着气相工质的流动而流动，从而改变耐压容器（6）中液相工质的量；最终通过改变超声波换能器（8）的功率，改变其雾化液相工质的量，从而对耐压容器（8）中的液相工质的量进行调节。

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