CN106196696B - 一种制冷蓄能低温热泵主机系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制冷蓄能低温热泵主机系统及其控制方法，系统主要包括压缩机、第一冷凝器、三通阀、第二冷凝器、膨胀阀、第一蒸发器、第二蒸发器和储冷箱。方法包括：热泵主机系统启动，检测当前的环境参数以确定系统的状态；启动压缩机并驱动工质在管道中循环流动。当制热时，控制三通阀的第一端与第二端导通，工质在第二冷凝器内产生大量热量，供给生产所需。当制冷时，控制三通阀的第一端与第三端导通，工质在第一蒸发器内产生大量冷量，供给生产所需。当闲时制冷时，三通阀的第一端与第三端导通，工质在第二蒸发器内产生大量冷量，并将冷量存储在储冷箱内。本发明的结构简单、制造成本低、系统运行平稳、效率高而且可靠。

Description

一种制冷蓄能低温热泵主机系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及热泵技术领域，尤其涉及一种在闲时制冷蓄能的低温热泵主机系统及该系统的控制方法。

背景技术

热泵系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成。热泵干燥机的工作过程是：利用1份高位电能驱动压缩机工作，使制冷工质在蒸发器处蒸发并吸收2～4份来自热源(空气、水、地热等)的热量；到达冷凝器后，使制冷工质冷凝液化并释放3～4份热量，这些热量可用于工业生产中。

热泵的制热效率高达350％～600％，其高效节能的优势促使热泵技术在农产品烘干、建筑物供暖等广泛应用，例如在农产品精深加工方面的应用有：淡水鱼深加工、腊肠发酵生产、粮食烘干、果蔬烘干、中草药脱水等等，并且这方面的应用得到了良好的市场反应。

热泵烘干设备在节能及除湿等方面比传统热风干燥机有较大的优势，但是现有的热泵干燥设备的投资成本相对较高、使用率较低，例如稻谷热泵烘干机每年使用时间一般为3个月，剩余9个月设备处于闲置状态。实际上，很多低温热泵烘干设备在烘干工艺的前期需要大量冷量，而目前常用的制冷方法是主要采用常温水换热，效率不高，降温时间较长，除湿能力不够，并且会消耗较多高位电能；当物料处于干燥后期，物料的水分含量较少，此时热泵主机系统有大量时间处于闲置状态得不到合理的利用。因此，现有的热泵干燥设备需要进一步改善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种投资成本小、使用率高的制冷蓄能低温热泵主机系统。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述热泵主机系统的控制方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种制冷蓄能低温热泵主机系统，该主机系统主要包括压缩机、第一冷凝器、三通阀、第二冷凝器、膨胀阀、第一蒸发器、第二蒸发器和储冷箱。所述压缩机、第一冷凝器、三通阀、第二冷凝器、膨胀阀和第一蒸发器依次串联连接，构成工质的循环回路。所述第二蒸发器与第一蒸发器并联连接，储冷箱与第二蒸发器连接，将第二蒸发器产生的冷量存储到储冷箱内。所述热泵主机系统工作时通过第二冷凝器和第一蒸发器为生产需要供给热量和冷量，空闲时通过第二蒸发器存储冷量，提高了设备的使用率，实现一机多用。

具体的，所述压缩机具有吸气口和排气口，所述三通阀具有第一端、第二端和第三端。压缩机的排气口与第一冷凝器的一端连接，第一冷凝器的另一端与三通阀的第一端连接。三通阀的第二端与第二冷凝器的一端连接，第三端与膨胀阀的一端和第二冷凝器的另一端连接。膨胀阀的另一端分别与第一蒸发器和第二蒸发器连接，工质通过第一蒸发器和第二蒸发器后回到压缩机的吸气口并进入下一轮循环。

本发明提供的热泵主机系统有三种工作状态，分别是工作制热、工作制冷和闲时制冷；工作制热和制冷都是为了调节当前环境(如用于干燥，则当前环境指干燥箱)的温度，而闲时制冷则为了充分利用热泵空闲待机的时间去制造并存储冷量，存储起来的冷量可以用于其他用途，例如用于降低生产车间的温度，或者用于产品烘干前的预降温步骤等等。具体的，这三种状态的工质工作过程如下：

当热泵主机系统处于工作状态，需要制热时，三通阀的第一端与第二端导通，第三端关闭，工质从三通阀进入第二冷凝器后液化，并释放出大量的热量，第二冷凝器通过外界进行热交换，提高当前环境的温度，为生产需要提供热量；

当热泵主机系统处于工作状态，需要制冷时，三通阀的第一端与第三端导通，第二端关闭，系统通过电磁阀(或者其他可以阻断工质流动的开关元件)切断工质流向第二蒸发器的回路，工质从三通阀直接经过膨胀阀后进入第一蒸发器，并在第一蒸发器内气化吸收大量的热量，第一蒸发器通过与外界进行热交换，使当前的环境温度降低，为生产需要提供冷量；

当处于空闲待机状态时，热泵主机系统进入制冷蓄能模式，三通阀的第一端与第三端导通，第二端关闭，系统通过电磁阀(或者其他可以阻断工质流动的开关元件)切断工质流向第一蒸发器的回路，工质从三通阀直接经膨胀阀后进入第二蒸发器，并在第二蒸发器内气化吸收大量的热量，第二蒸发器通过与储冷箱的冷却液进行热交换，将产生的冷量保存在储冷箱内，供应给其他有需要的场合。

作为本发明的优选方案，所述第一冷凝器设为以冷却液为冷却载体的冷凝器。进一步的，该冷却载体可以采用水或其他具有冷却效果的溶液代替。第一冷凝器以散热为主，通过水冷或冷却液冷却的方式可以将工质液化放出的热量快速散去，确保系统安全稳定地运行。

作为本发明的优选方案，所述第一冷凝器采用管壳式冷凝器，这种管壳式冷凝器体积小，与冷却液的换热效率高，有利于热泵主机系统的快速散热，提高系统的可靠性。

作为本发明的优选方案，所述第二冷凝器为风冷式冷凝器。空气经过第二冷凝器后成为干燥的热空气，可以提高干燥箱内的温度，对深加工的蔬果、种子、木材等等进行热风烘干。

作为本发明的优选方案，所述第一蒸发器为风冷式蒸发器。空气经过第一蒸发器后成为干燥的冷空气，可以降低干燥箱内的温度，对当前环境进行调温。

作为本发明的优选方案，所述第二蒸发器设为以冷却液为冷却载体的蒸发器。进一步的，冷却载体可以采用水或其他具有冷却效果的溶液代替。储冷箱内的冷却水流过第二蒸发器，吸收第二蒸发器产生的冷量并保存在储冷箱内，通过循环水冷的方式，可以第二蒸发器制出的冷量快速转移到储冷箱内，降低储冷箱的温度，制造出冰水混合物来蓄冷，明显提高了制冷效率。

进一步的，为了在需要制冷或冷却干燥的场合(如进行深加工的水产品为了避免细菌滋生导致腐败变味，烘干后需要及时降温除湿)中提高除湿效率，获得更好的除湿效果，本发明还包括用于提高除湿效率的预冷散热器，所述预冷散热器与储冷箱连接，储冷箱内的冷却水流经预冷散热器并释放冷量，使预冷散热器预先对进入干燥箱内的空气进行除湿和降温，充分利用了现有的资源(存储的冷量)，同时有效提高干燥效率和出品质量。

本发明还公开了一种制冷蓄能低温热泵主机系统的控制方法，该控制方法具体包括如下步骤：

步骤S1:热泵主机系统启动，检测当前的环境参数以确定系统的状态；启动压缩机并驱动工质在管道中循环流动。

步骤S2:当系统处于工作状态并需要制热升温时，控制三通阀的第一端与第二端导通，工质经第一冷凝器、三通阀、第二冷凝器、膨胀阀、第一蒸发器后回到压缩机，工质在第二冷凝器内产生大量热量，加热燥介质(空气)，并供给生产所需。

步骤S3:当系统处于工作状态并需要制冷降温时，控制三通阀的第一端与第三端导通，工质经第一冷凝器、三通阀、膨胀阀、第一蒸发器后回到压缩机，工质在第一蒸发器内产生大量冷量，对干燥介质进行降温除湿，并供给生产所需。

步骤S4:当系统处于空闲状态，需要存储冷量时，三通阀的第一端与第三端导通，工质经第一冷凝器、三通阀、膨胀阀、第二蒸发器后回到压缩机，工质在第二蒸发器内产生大量冷量，并将冷量存储在储冷箱内。

步骤S5：将储冷箱内的冷却液通入预冷散热器内，使预冷散热器对进入干燥箱内的空气进行预先除湿和降温。

本发明的工作过程和原理是：本发明充分利用热泵主机系统的空闲状态，通过水冷式蒸发器进行制冷并将冷量长期保存在储冷箱内，使用时，将储冷箱内的冷却水导流到预冷散热器内，通过预冷散热器将进入干燥箱内的空气进行预除湿和预降温。热泵主机系统通过时间上的合理调度，控制各个部件的工作状态，使热泵主机系统无论处于工作状态还是空闲状态都能得到有效利用，明显提高了热泵主机系统的使用率，降低生产的成本。本发明的结构简单、制造成本低、系统运行平稳、效率高而且可靠。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明能充分利用热泵主机系统的空闲状态，通过系统的控制和调度，使系统在闲时状态制备冷水并进行储冷，明显提高了设备的使用效率，最大限度利用好热泵系统制出的冷量和热量。

(2)本发明所提供的闲时冷量应用于设备蒸发器前的预冷散热器，可以对湿空气在过蒸发器前进行预冷，提高蒸发器处除湿效率，缩短了降温时间，确保产品的品质。

(3)本发明蓄积的冷量除了可以用于低温干燥的前期进行预冷之外，还可以应用于调节生产车间的温度等需要降温的场合，实现热泵主机系统一机多用的功能。

(4)本发明在原有热泵系统的基础上增设辅助部件，并利用闲时制备的冷量进行预降温、预除湿，既可以节省设备升级的成本，又可以明显缩短后期降温、烘干所需时间，减少能源的消耗，大大提高生产的效率。

附图说明

图1是本发明所提供的热泵主机系统的结构示意图。

图2是现有热泵主机系统的结构示意图。

上述附图中的标号说明：1-压缩机，2-第一冷凝器，3-三通阀，4-第二冷凝器，5-膨胀阀，6-第一蒸发器，7-储冷箱，8-预冷散热器，9-第二蒸发器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1和图2所示，本发明公开了一种制冷蓄能低温热泵主机系统，该主机系统主要包括压缩机1、第一冷凝器2、三通阀3、第二冷凝器4、膨胀阀5、第一蒸发器6、第二蒸发器9和储冷箱7。所述压缩机1、第一冷凝器2、三通阀3、第二冷凝器4、膨胀阀5和第一蒸发器6依次串联连接，构成工质的循环回路。所述第二蒸发器9与第一蒸发器6并联连接，储冷箱7与第二蒸发器9连接，将第二蒸发器9产生的冷量存储到储冷箱7内。所述热泵主机系统工作时通过第二冷凝器4和第一蒸发器6为生产需要供给热量和冷量，空闲时通过第二蒸发器9存储冷量，提高了设备的使用率，实现一机多用。

具体的，所述压缩机1具有吸气口和排气口，所述三通阀3具有第一端、第二端和第三端。压缩机1的排气口与第一冷凝器2的一端连接，第一冷凝器2的另一端与三通阀3的第一端连接。三通阀3的第二端与第二冷凝器4的一端连接，第三端与膨胀阀5的一端和第二冷凝器4的另一端连接。膨胀阀5的另一端分别与第一蒸发器6和第二蒸发器9连接，工质通过第一蒸发器6和第二蒸发器9后回到压缩机1的吸气口并进入下一轮循环。

本发明提供的热泵主机系统有三种工作状态，分别是工作制热、工作制冷和闲时制冷；工作制热和制冷都是为了调节当前环境(如用于干燥，则当前环境指干燥箱)的温度，而闲时制冷则为了充分利用热泵空闲待机的时间去制造并存储冷量，存储起来的冷量可以用于其他用途，例如用于降低生产车间的温度，或者用于产品烘干前的预降温步骤等等。具体的，这三种状态的工质工作过程如下：

当热泵主机系统处于工作状态，需要制热时，三通阀3的第一端与第二端导通，第三端关闭，工质从三通阀3进入第二冷凝器4后液化，并释放出大量的热量，第二冷凝器4通过外界进行热交换，提高当前环境的温度，为生产需要提供热量；

当热泵主机系统处于工作状态，需要制冷时，三通阀3的第一端与第三端导通，第二端关闭，系统通过电磁阀(或者其他可以阻断工质流动的开关元件)切断工质流向第二蒸发器9的回路，工质从三通阀3直接经过膨胀阀5后进入第一蒸发器6，并在第一蒸发器6内气化吸收大量的热量，第一蒸发器6通过与外界进行热交换，使当前的环境温度降低，为生产需要提供冷量；

当处于空闲待机状态时，热泵主机系统进入制冷蓄能模式，三通阀3的第一端与第三端导通，第二端关闭，系统通过电磁阀(或者其他可以阻断工质流动的开关元件)切断工质流向第一蒸发器6的回路，工质从三通阀3直接经膨胀阀5后进入第二蒸发器9，并在第二蒸发器9内气化吸收大量的热量，第二蒸发器9通过与储冷箱7的冷却液进行热交换，将产生的冷量保存在储冷箱7内，供应给其他有需要的场合。

作为本发明的优选方案，所述第一冷凝器2设为以冷却液为冷却载体的冷凝器。进一步的，该冷却载体可以采用水或其他具有冷却效果的溶液代替。第一冷凝器2以散热为主，通过水冷或冷却液冷却的方式可以将工质液化放出的热量快速散去，确保系统安全稳定地运行。

作为本发明的优选方案，所述第一冷凝器2采用管壳式冷凝器，这种管壳式冷凝器体积小，与冷却液的换热效率高，有利于热泵主机系统的快速散热，提高系统的可靠性。

作为本发明的优选方案，所述第二冷凝器4为风冷式冷凝器。空气经过第二冷凝器4后成为干燥的热空气，可以提高干燥箱内的温度，对深加工的蔬果、种子、木材等等进行热风烘干。

作为本发明的优选方案，所述第一蒸发器6为风冷式蒸发器。空气经过第一蒸发器6后成为干燥的冷空气，可以降低干燥箱内的温度，对当前环境进行调温。

作为本发明的优选方案，所述第二蒸发器9设为以冷却液为冷却载体的蒸发器。进一步的，冷却载体可以采用水或其他具有冷却效果的溶液代替。储冷箱7内的冷却水流过第二蒸发器9，吸收第二蒸发器9产生的冷量并保存在储冷箱7内，通过水冷的方式，可以第二蒸发器9制出的冷量快速转移到储冷箱7内，明显提高了制冷效率。

进一步的，为了在需要制冷或冷却干燥的场合(如进行深加工的水产品为了避免细菌滋生导致腐败变味，烘干后需要及时降温除湿)中提高除湿效率，获得更好的除湿效果，本发明还包括用于提高除湿效率的预冷散热器8，所述预冷散热器8与储冷箱7连接，储冷箱7内的冷却水流经预冷散热器8并释放冷量，使预冷散热器8预先对进入干燥箱内的空气进行除湿和降温，充分利用了现有的资源(存储的冷量)，同时有效提高干燥效率和出品质量。

本发明还公开了一种制冷蓄能低温热泵主机系统的控制方法，该控制方法具体包括如下步骤：

步骤S1:热泵主机系统启动，检测当前的环境参数以确定系统的状态；启动压缩机1并驱动工质在管道中循环流动。

步骤S2:当系统处于工作状态并需要制热时，控制三通阀3的第一端与第二端导通，工质经第一冷凝器2、三通阀3、第二冷凝器4、膨胀阀5、第一蒸发器6后回到压缩机1，工质在第二冷凝器4内产生大量热量，供给生产所需。

步骤S3:当系统处于工作状态并需要制冷时，控制三通阀3的第一端与第三端导通，工质经第一冷凝器2、三通阀3、膨胀阀5、第一蒸发器6后回到压缩机1，工质在第一蒸发器6内产生大量冷量，供给生产所需。

步骤S4:当系统处于空闲状态，需要存储冷量时，三通阀3的第一端与第三端导通，工质经第一冷凝器2、三通阀3、膨胀阀5、第二蒸发器9后回到压缩机1，工质在第二蒸发器9内产生大量冷量，并将冷量存储在储冷箱7内。

步骤S5：将储冷箱7内的冷却液通入预冷散热器8内，使预冷散热器8对进入干燥箱内的空气进行预先除湿和降温。

本发明的工作过程和原理是：本发明充分利用热泵主机系统的空闲状态，通过水冷式蒸发器进行制冷并将冷量长期保存在储冷箱7内，使用时，将储冷箱7内的冷却水导流到预冷散热器8内，通过预冷散热器8将进入干燥箱内的空气进行预除湿和预降温。热泵主机系统通过时间上的合理调度，控制各个部件的工作状态，使热泵主机系统无论处于工作状态还是空闲状态都能得到有效利用，明显提高了热泵主机系统的使用率，降低生产的成本。本发明的结构简单、制造成本低、系统运行平稳、效率高而且可靠。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的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 (7)

1.一种制冷蓄能低温热泵主机系统，其特征在于，包括压缩机、第一冷凝器、三通阀、第二冷凝器、膨胀阀、第一蒸发器、第二蒸发器和储冷箱；所述压缩机、第一冷凝器、三通阀、第二冷凝器、膨胀阀和第一蒸发器依次串联连接，构成工质的循环回路；所述第二蒸发器与第一蒸发器并联连接，储冷箱与第二蒸发器连接，将第二蒸发器产生的冷量存储到储冷箱内；所述热泵主机系统工作时通过第二冷凝器和第一蒸发器为生产需要供给热量和冷量，空闲时通过第二蒸发器存储冷量；所述热泵主机系统还包括用于提高除湿效率的预冷散热器，所述预冷散热器与储冷箱连接，利用储冷箱的冷量对空气进行除湿和降温。

2.根据权利要求1所述的制冷蓄能低温热泵主机系统，其特征在于，所述三通阀具有第一端、第二端和第三端，第一端与第一冷凝器连接，第二端与第二冷凝器连接，第三端与膨胀阀连接；制热时，第一端与第二端导通，制冷时，第一端与第三端导通。

3.根据权利要求2所述的制冷蓄能低温热泵主机系统，其特征在于，所述第一冷凝器设为以冷却液为冷却载体的冷凝器。

4.根据权利要求2所述的制冷蓄能低温热泵主机系统，其特征在于，所述第二冷凝器为风冷式冷凝器。

5.根据权利要求2所述的制冷蓄能低温热泵主机系统，其特征在于，所述第一蒸发器为风冷式蒸发器。

6.根据权利要求2所述的制冷蓄能低温热泵主机系统，其特征在于，所述第二蒸发器设为以冷却液为冷却载体的蒸发器。

7.一种制冷蓄能低温热泵主机系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1:热泵主机系统启动，检测当前环境参数，并使压缩机驱动工质在管道中循环流动；

步骤S2:当系统处于工作状态，需要制热时，三通阀的第一端与第二端导通，工质经第一冷凝器、三通阀、第二冷凝器、膨胀阀、第一蒸发器后回到压缩机，工质在第二冷凝器内产生大量热量，供给生产所需；

步骤S3:当系统处于工作状态，需要制冷时，三通阀的第一端与第三端导通，工质经第一冷凝器、三通阀、膨胀阀、第一蒸发器后回到压缩机，工质在第一蒸发器内产生大量冷量，供给生产所需；

步骤S4:当系统处于空闲状态，需要存储冷量时，三通阀的第一端与第三端导通，工质经第一冷凝器、三通阀、膨胀阀、第二蒸发器后回到压缩机，工质在第二蒸发器内产生大量冷量，并将冷量存储在储冷箱内；

步骤S5：将储冷箱内的冷却液通入预冷散热器内，使预冷散热器预先对空气进行除湿和降温。