CN104180553A

CN104180553A - 一种喷淋式节能速冷柜及其控制方法

Info

Publication number: CN104180553A
Application number: CN201410455996.5A
Authority: CN
Inventors: 徐荣吉; 王瑞祥; 许淑惠; 解国珍; 彭浩; 高峰
Original assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2014-12-03

Abstract

本发明提供一种喷淋式节能冷柜及其控制方法，节能冷柜包括制冷循环系统、液体循环系统、控制系统和箱体，其中：所述制冷循环循环包括压缩机、四通换向阀、冷凝器、毛细管和蒸发器；所述液体循环系统包括液体泵、过滤器、喷嘴、储液罐和调节阀；所述控制系统包括温控器、温度传感器、压差传感器和位置开关；还包括切换开关,所述切换开关通过控制电源与所述四通换向阀相连接。通过喷淋换热技术不仅提高了能量利用效率，而且大幅度降低了压缩机的启停次数。

Description

一种喷淋式节能速冷柜及其控制方法

技术领域

本发明涉及制冷和传热技术，具体涉及一种喷淋式节能速冷柜及其控制方法。

背景技术

目前冷柜的冷量传递过程(热量传递过程与之相反)：蒸发器内的制冷剂蒸发吸热，所产生冷量通过“导热”的方式使紧贴蒸发器的冷柜内胆温度降低，低温的冷柜内胆通过自然对流、辐射(如果内部有强制对流装置的换热方式为强制对流)使冷柜内部封闭气体降温，低温气体通过自然对流(如果内部有强制对流装置的换热方式为强制对流)与储物进行换热，将储物的热量带走。冷柜内壁与储物也通过辐射换热的方式将储物的热量带走。

上述的冷量传递过程存在两个主要问题：一是冷柜内部是以空气为主要换热介质，由于空气的密度(1.164kg/m³，20℃)和导热系数(2.524×10^-2W/(m·℃))较低，造成传热系数低；二是自然对流和辐射换热(冷柜内壁面与储物温差范围内)两种换热方式本身换热系数较低，在10～100W/(m²·℃)范围内。

一方面，根据换热量＝换热系数×传热温差×换热面积的传热学基本公式，当冷柜储物较多时，需要较高的换热热量，冷柜一般通过降低蒸发温度(即增加传热温差)来实现，而根据热力学卡诺定理，冷柜蒸发温度越低，制冷性能系数(COP)越低，降温速度就越慢；

另一方面，目前冷柜温控器的感温包置于制冷系统的管路上(一般放置于蒸发器管路出口处)，通过蒸发器出口处的温度来判断冷藏室内空气温度是否降低到设定值，当冷柜内部的空气温度降低到设定温度下限时压缩机即停机，直至冷柜内部的空气温度上升到温控器设定的温度上限时压缩机才重新开机工作。由于空气温度与储物温度存在较大温差，所以当压缩机停机时，储物温度并没有降低到设定温度，因此储物热量很快把冷柜内部空气加热，温度升高到压缩机重新开机工作，直接导致压缩机的频繁启停。

降温速度慢使得冰柜的节能性亟待提高，而压缩机的启停频繁使得冰柜的工作可靠性下降，大大缩短压缩机的使用寿命。

此外，传统的冷柜只具有单冷作用，到冬季特别是北方地区，气温较低，尤其是对于用于超市或者百货店等场所的商用冷柜，制冷需求明显减少，冷柜的闲置率因此上升，因此单一的制冷功能会在一定程度上造成资源的浪费。目前超市或者商店会售卖采用直接电加热的方式加热热饮，能量利用效率低，这也给了本发明将单一的制冷功能延伸为兼具制冷、制热功能的启示。

目前利用水代替空气作为换热冷媒的水冷柜，通过水与储物的强制对流换热，传热系数范围在1000～10000W/(m²·℃)，这在一定程度上增加了冷柜的传热系数，但是水冷柜的内部须有大量水存在，水的液面高度决定了冷柜容积的利用程度，同时大量水的存在也增加了冷柜强度的要求。此外制冷系统的蒸发器放置于冷柜内部，占用了冷柜的有效容积。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种喷淋式节能冷柜及其控制方法，旨在降低节能柜的压缩机的启停次数，实现速冷、速热的功能。

本发明采用的技术方案具体为：

一种喷淋式节能冷柜，包括制冷循环系统、液体循环系统、控制系统和箱体，其中：

所述制冷循环循环包括压缩机、四通换向阀、冷凝器、毛细管和蒸发器；所述四通换向阀的公共入口和公共出口分别与所述压缩机的排气管和吸气管连接，所述四通换向阀的另外两通分别与所述冷凝器和所述蒸发器相连接，所述毛细管设于所述冷凝器和所述蒸发器之间；还包括切换开关,所述切换开关通过控制电源与所述四通换向阀相连接。

所述液体循环系统包括液体泵、过滤器、喷嘴、储液罐和调节阀；所述液体泵经所述蒸发器与所述喷嘴相连接，所述喷嘴伸入所述箱体的内腔，所述液体泵依次经所述过滤器、所述调节阀与所述储液罐相连接，所述储液罐连接至所述箱体的内腔；

所述控制系统包括温控器、温度传感器、压差传感器和位置开关；所述温度传感器设于所述储液罐和所述箱体底部的集液口之间，所述温控器与所述温度传感器、所述液体泵、所述压缩机分别相连接，所述压差传感器设于所述液体泵的进、出口之间，所述压差传感器连接至所述压缩机，所述位置开关设于所述箱体的柜门处，用于判断所述柜门是否打开。

在上述喷淋式节能冷柜中，所述喷嘴的喷淋液滴的中位数粒径为0.5-5.5mm。

在上述喷淋式节能冷柜中，所述切换开关为手动切换开关，所述蒸发器和所述冷凝器通过所述手动切换开关切换四通换向阀改变制冷剂的流向，实现所述蒸发器和所述冷凝器的功能互换。

在上述喷淋式节能冷柜中，所述液体循环系统的液体为为水、乙二醇、丙三醇中的一种或者几种或者酚的乙醇水溶液或者碱金属和碱土金属的可溶性盐的水溶液。

一种喷淋式节能冷柜的控制方法，制冷循环系统通过蒸发器或者冷凝器与液体循环系统换热，所述液体循环系统通过喷淋方式与箱体内腔的储物换热，控制系统同时控制所述制冷循环系统和所述液体循环系统；所述液体循环系统进一步控制所述制冷循环系统。

上述喷淋式节能冷柜的控制方法具体包括如下步骤：

S1：冷柜通电后，所述控制系统的位置开关判断柜门是否打开，若打开，则液体循环系统和制冷循环系统不启动；若没有打开，则转入S2；

S2：所述控制系统的温控器比较温度传感器传回的温度与设定值，若传回的温度高于设定值，则启动液体循环系统的液体泵；若传回的温度低于设定值，所述液体泵的进出口之间的压差传感器有压差，则启动制冷循环系统，整个节能柜进入工作状态；

S3：当所述温度传感器传回的温度达到设定值，所述温控器发出停机信号，所述制冷系统先和所述液体循环系统相继被切断，停止工作。

上述喷淋式节能冷柜的控制方法，还包括如下步骤：

若在节能柜工作过程中打开柜门，所述液体循环系统和所述制冷循环系统同时被切断，停止工作。

在上述喷淋式节能冷柜的控制方法中，通过手动切换开关切换四通换向阀来改变制冷剂的流向，实现制冷循环系统的蒸发器和冷凝器的功能互换，将速冷控制切换为速热控制。

在上述喷淋式节能冷柜的控制方法中，所述喷嘴的喷淋方式根据除雾储物从雾状喷淋到液柱喷淋过渡可调。

在上述喷淋式节能冷柜中，所述液体循环系统的液体为水、乙二醇、丙三醇、酚的乙醇水溶液中的一种或者几种或者碱金属和碱土金属的可溶性盐的水溶液。

本发明产生的有益效果是：

通过喷淋换热技术的引入，提高了冷柜的性能系数，提高了能量利用效率；并通过换向四通阀的切换，可以使冷柜在如冬季可作为“热饮”加热器与售卖机，在如夏季可作为传统功能的冷柜，实现了速冷/速热的多功能，成为全季节电器，降低了成本；同时也使得压缩机的启停次数明显减少，延长了节能柜的使用寿命。

通过本发明的喷淋式节能冷柜及其控制方法的运用，实现了制冷循环系统的蒸发温度与温控器的感温包温度之间的温差≤5℃，蒸发温度与冰柜箱体内储物的目标温度温差≤10℃。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种喷淋式节能冷柜的制冷控制示意图(如运用于夏季)；

图2为本发明一种喷淋式节能冷柜的制热控制示意图(如运用于冬季)。

图中：压缩机1、四通换向阀2、冷凝器3、毛细管4、蒸发器5、液体泵6、过滤器10、喷嘴7、储液罐8、调节阀9、温控器11、温度传感器12、压差传感器13、位置开关14、箱体15。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

如图1所示的一种喷淋式节能冷柜，主要包括压缩机1、四通换向阀2、冷凝器3、毛细管4、蒸发器5、液体泵6、喷嘴7、储液罐8、调节阀9、过滤器10、温控器11、温度传感器12、压差传感器13、位置开关14以及箱体15。其中，压缩机1、四通换向阀2、冷凝器3、毛细管4和蒸发器5组成制冷循环系统；液体泵6、过滤器10、喷嘴7、储液罐8和调节阀9组成液体循环系统；温控器11、温度传感器12、压差传感器13和位置开关14组成控制系统。

制冷循环系统的结构具体为：四通换向阀2的公共入口和公共出口分别与压缩机1的排气管和吸气管连接，四通换向阀2的另外两通分别与冷凝器3和蒸发器5相连接，毛细管4设于冷凝器3和蒸发器5之间；还包括放置于箱体15的手动切换开关,切换开关通过控制电源与四通换向阀2相连接；

液体循环系统的结构具体为：液体泵6经蒸发器5与喷嘴7相连接，喷嘴7伸入箱体15的内腔，液体泵6依次经过滤器10、调节阀9与储液罐8相连接，储液罐8连接至箱体15的内腔；

控制系统的结构具体为：温度传感器12设于储液罐8和箱体15底部的集液口之间，温控器11与温度传感器12、液体泵6、压缩机1分别连接，压差传感器13设于液体泵6的进、出口之间，压差传感器13还连接至压缩机1，位置开关14设于箱体15的柜门处，用于判断所述柜门是否打开。

下面以超市常用的以出售冷藏软瓶饮料为主要用途的冷柜为例，说明本发明的控制方法。

冷柜的工作状态主要分为启动、运行、停机和柜门打开四种工况，饮料尽量以竖直角度的方式存放于冷柜内部，设定喷嘴7的喷淋液滴粒径到中等大小，中位数的喷淋液滴的粒径值为1-3mm，关闭柜门，温控器11设定温度值为10℃，接通电源，冷柜进入启动工况阶段。

制冷循环通过蒸发器与液体循环换热，液体循环通过喷淋方式与储物换热；控制系统同时控制制冷循环和液体循环；液体循环同时控制制冷循环，制冷循环的步骤具体为：

首先根据冷柜门的位置开关14判断柜门是否打开(此时已关闭)；然后温度传感器12传递给温控器11的温度信号为常温(因为饮料刚刚放入)，与设定温度值有偏差，温控器11随即控制液体泵6电源接通，液体循环系统开始工作，同时接通压缩机1电源；

但是压缩机1电源接通后，压缩机1是否启动还受压差传感器13的控制，通过压差传感器13判断液体泵6的进出口是否已成功建立压差，若已经成功建立压差，则液体循环系统正常工作，压缩机1启动，制冷循环系统开始工作。

冷量的传递过程为：制冷循环系统的蒸发器5内的制冷剂蒸发吸热产生冷量，液体循环系统(以水为例，喷淋液体为纯水、乙二醇、丙三醇中的一种或几种或者酚的乙醇水溶液或者碱金属和碱土金属的可溶性盐(如氯化钠、氯化钙)的水溶液，根据储物的冷藏、冷冻温度选择适用流体。)的水由液体泵6泵送至蒸发器5，吸收制冷剂的冷量变为冷水，冷水通过喷嘴7雾化为高速小液滴，小液滴直接喷射到饮料包装表面，与饮料换热，同时由于小液滴具有很高的流速，打到饮料上会使饮料震动，使冷量快速从饮料包装传递到饮料内部，同时减少饮料外围与内部的温差，使饮料充分冷却；经过与饮料换热后的液滴温度升高，并汇集于箱体15底部，靠重力从集液口排入液体循环系统的储液罐8，然后依次经调节阀9、过滤器10被液体泵6泵入到蒸发器5，进入下一轮循环。

水从冷柜排水口进入储液罐8时会流经温度传感器。将水的温度信号传递给温控器。由于冷量的不断传递，饮料的温度逐渐降低，回水的温度也逐渐降低。当温度达到设定的10℃时，温控器同时断开液体泵和压缩机的电源，液体循环和制冷循环同时停止工作，进入停机工况。由于外界热量的不断传入，使内部饮料温度逐渐上升，当达到温控器启动的上限值，冷柜启动。

冷柜在正常运行时，若中途打开柜门，为防止喷嘴7喷出的液体飞出箱体15，位置开关14控制液体泵6和压缩机1同时断电，液体循环系统和制冷循环系统同时被切断，冷柜停止工作。待柜门合上后，重新启动液体泵6和压缩机1。

分析发现，冷量与储物换热的在最薄弱环节就在冷柜内部，从而本发明将换热系数可达到100000W/(m²·℃)的喷淋换热技术引入到冷柜制冷领域，同时，根据流体力学、传热学的基本定律提出了喷淋方式可调且喷淋液滴粒径由冷柜内部储物种类确定，就制冷功能而言，本发明的冷柜除了出售冷藏软瓶饮料，还可以实现对水果或者包装食品的速冻。如：

对于瓶装饮料而言，选择接近柱状的喷淋液滴粒径将液体喷淋到储物表面，而对于玻璃、金属瓶装饮料选择较大的喷淋液滴粒径(液滴的中位数粒径为2-5.5mm)、塑料瓶装液体饮料其次(液滴的中位数直径值的范围为1-3mm)、水果则选择较小喷淋液滴粒径(液滴的中位数直径值的范围为0.5-2mm)。这是因为较大的液滴粒径具有相对较高的动能，可以使饮料瓶及内部液体震动，在强化储物外部换热的同时也对内部换热进行强化，进一步实现冷柜的速冷/速热功能。

而对于如水果类的储物，因其表面易损且内部导热是整个传热的瓶颈环节，过分强化外部换热对整体贡献不大，因此只需提供均匀的低温环境即可，所以选择接近雾化的喷淋液滴粒径。

冷柜内部换热系数的提高使得从制冷剂到储物的换热系数提高，传递相同热量所需要的温差就会减小，采用本发明的技术方案进行制冷，制冷循环系统的蒸发温度与温控器11的感温包温度之间的温差≤5℃，与储物的目标温度之间温差≤10℃，大大优化了制冷循环系统的性能。

传统冷柜在大负荷下压缩机频繁启停的根本原因有两个：一是温控器感温包的位置；二是蒸发温度与储物之间有较大温差。其中，如前所述，喷淋技术的引入减少了蒸发温度与储物之间的温差，另一方面，本发明将温度传感器12安装于冷柜箱体15底部的集液口与储液罐8之间。在128L冷柜内部装入80瓶500ml瓶装水的前提下，通过实验对比，24h内，传统冷柜启停100次，而本发明的速冷节能柜仅启停了2次。

此外，除实现上述的速冷功能外，需要切换的时候，扳动切换开关，控制电源给四通换向阀2一个高电平脉冲，实现的四通换向阀2换向，制冷剂的流动方向改变，蒸发器5和冷凝器3的功能互换，转而实现速热功能，如图2所示，可以使冷柜在冬季或者其他需要的场合作为“热饮”加热器与售卖机，通过热泵技术制热，使“冷柜”伴随有“热柜”的优点，提高了能量利用效率，降低了商用冰柜的闲置率，充分发挥了冷柜的使用频率，使其成为全季节的多功能电器。对应的技术方案与速冷功能类似。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种喷淋式节能冷柜，其特征在于，包括制冷循环系统、液体循环系统、控制系统和箱体，其中：

所述制冷循环循环包括压缩机、四通换向阀、冷凝器、毛细管和蒸发器；所述四通换向阀的公共入口和公共出口分别与所述压缩机的排气管和吸气管连接，所述四通换向阀的另外两通分别与所述冷凝器和所述蒸发器相连接，所述毛细管设于所述冷凝器和所述蒸发器之间；还包括切换开关,所述切换开关通过控制电源与所述四通换向阀相连接；

2.根据权利要求1所述的喷淋式节能冷柜，其特征在于，所述喷嘴的喷淋液滴的中位数粒径为0.5-5.5mm。

3.根据权利要求1所述的喷淋式节能冷柜，其特征在于，所述切换开关为手动切换开关，所述蒸发器和所述冷凝器通过所述手动切换开关切换四通换向阀改变制冷剂的流向，实现所述蒸发器和所述冷凝器的功能互换。

4.根据权利要求1所述的喷淋式节能冷柜，其特征在于，所述液体循环系统的液体为水、乙二醇、丙三醇中的一种或者几种或者酚的乙醇水溶液或者碱金属和碱土金属的可溶性盐的水溶液。

5.一种喷淋式节能冷柜的控制方法，制冷循环系统通过蒸发器或者冷凝器与液体循环系统换热，所述液体循环系统通过喷淋方式与箱体内腔的储物换热，控制系统同时控制所述制冷循环系统和所述液体循环系统；所述液体循环系统进一步控制所述制冷循环系统。

6.根据权利要求5所述的喷淋式节能冷柜的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S2：所述控制系统的温控器比较温度传感器传回的温度与设定值，若传回的温度高于设定值，则启动液体循环系统的液体泵；若传回的温度低于设定值，同时所述液体泵的进出口之间的压差传感器显示有压差，则启动制冷循环系统，整个节能柜进入工作状态；

7.根据权利要求6所述的喷淋式节能冷柜的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

8.根据权利要求6所述的喷淋式节能冷柜的控制方法，其特征在于，通过手动切换开关切换四通换向阀来改变制冷剂的流向，实现制冷循环系统的蒸发器和冷凝器的功能互换，将速冷控制切换为速热控制。

9.根据权利要求6所述的喷淋式节能冷柜的控制方法，其特征在于，所述喷嘴的喷淋方式根据储物从雾状喷淋到液柱喷淋过渡可调。

10.根据权利要求6所述的喷淋式节能冷柜的控制方法，其特征在于，所述液体循环系统的液体为水、乙二醇、丙三醇中的一种或者几种或者酚的乙醇水溶液或者碱金属和碱土金属的可溶性盐的水溶液。