CN106369854A - 一种高效制冷或热泵循环及其控制方法 - Google Patents

一种高效制冷或热泵循环及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效制冷或热泵循环及其控制方法，所述高效制冷或热泵循环中，高压冷媒经过节流装置后变为低压冷媒，然后全部或部分进入蒸发器，从蒸发器输出的低压冷媒进入压缩机，其特征在于：所述高压冷媒先经过中间换热装置的一个通道再进入节流装置；从所述蒸发器输出的低压冷媒全部或部分经过所述中间换热装置的另一个通道再进入所述压缩机；从所述蒸发器输出的冷媒的过热度小于3.0K或者干度小于1。本发明易于实现，通过控制中间换热器低压冷媒出口冷媒的过热度，本发明可以使蒸发器的换热效果得到提升，进而提升系统效率。

Description

一种高效制冷或热泵循环及其控制方法
技术领域
本发明涉及制冷或热泵领域，具体而言，涉及一种高效制冷或热泵循环及其控制方法。
背景技术
气相冷媒的状态用过热度来衡量，饱和气相冷媒的过热度为0K，气液两相冷媒的状态用干度来衡量，气液两相冷媒的干度大于0并小于1，饱和气相冷媒的干度为1，饱和液相冷媒的干度为0，液相冷媒的状态用过冷度来衡量，饱和液相冷媒的过冷度为0K。
采用干式蒸发器的制冷或热泵系统中，往往需要对蒸发器出口冷媒的过热度进行控制，但一般都会有3-10K的过热度，这样会导致蒸发器中存在过热段，蒸发器的换热能力没有得到充分利用。尤其是在蒸发器中冷媒的蒸发温度与蒸发器的进风温度温差比较小的应用场合，比如冷库用的冷风机(上述温差约5-8K，与过热度很接近，而温差要求这么小的原因是为了减小冷库内食品的失水干耗)，蒸发器中的过热段占比较高，实际应用中会达到10～30％，特别是系统使用热力膨胀阀而相关调试人员又不专业的话，蒸发器中的过热段占比甚至可能超过50％。这样大大浪费了蒸发器的换热能力，降低了系统效率。
而满液式蒸发器中，其进口冷媒全为液体，其出口冷媒的干度通常小于1，因此满液式蒸发器具有很好的换热效果，使用满液式蒸发的系统，相比上述采用干式蒸发器的系统，效率甚至能高出10％。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题。
本发明提供的技术方案如下：
一种高效制冷或热泵循环，其中，高压冷媒经过节流装置后变为低压冷媒，然后全部或部分进入蒸发器，从蒸发器输出的低压冷媒进入压缩机；所述高压冷媒先经过中间换热装置的一个通道再进入节流装置；从所述蒸发器输出的低压冷媒全部或部分经过所述中间换热装置的另一个通道再进入所述压缩机；从所述蒸发器输出的冷媒的过热度小于3.0K或者干度小于1。
优先的，从所述蒸发器输出的冷媒的过热度小于2.5K或者干度小于1。
优先的，从所述蒸发器输出的冷媒的过热度小于2.0K或者干度小于1。
优先的，从所述蒸发器输出的冷媒的过热度小于1.5K或者干度小于1。
优先的，从所述蒸发器输出的冷媒的过热度小于1.0K或者干度小于1。
优先的，从所述蒸发器输出的冷媒的过热度小于0.5K或者干度小于1。
优先的，从所述蒸发器输出的冷媒的过热度为0K或者干度小于1。
优先的，从所述蒸发器输出的冷媒的干度小于1。
基于上述任一项所述的高效制冷或热泵循环的控制方法为：控制所述中间换热装置低压冷媒出口的冷媒过热度大于或者等于0K。
进一步的，控制所述中间换热装置低压冷媒出口的冷媒过热度大于1K。
基于上述技术方案，本发明可以使蒸发器出口冷媒的过热度为零。尤其是采用制冷或热泵循环中节流装置前的高压液态冷媒作为热源给蒸发器出口的冷媒加热时，即使高压液态冷媒提供的热量过多，也对系统没有坏处，仅仅是增设的中间换热器更大，但相对而言，对增设的中间换热器的要求不大，最简单的办法，只需把节流前的高压液管与蒸发器出口的管路紧贴换热即可。因为控制的是中间换热器低压冷媒出口冷媒的过热度，所以中间换热器的换热能力越大，高压液态冷媒通过中间换热器提供的热量就越多，蒸发器之前的节流装置提供的冷媒冷量就越多，节流装置多提供的冷量通过蒸发器出口增设的中间换热器传递给了高压液态冷媒，最终为蒸发器提供的冷量并没有减少，反而由于蒸发器中液态冷媒成分的增多，蒸发器的换热效果得到了提升，使蒸发压力(温度)上升以致冷媒流量加大，从而使蒸发器输出的冷量加大，系统效率也得到提升。
附图说明
图1为现有技术一种制冷循环的系统示意图。
图2为本发明采用的中间换热器一个实施例的结构示意图。
图3为本发明制冷循环第一实施例的系统示意图。
图4为现有技术制冷循环与本发明制冷循环第一实施例第一种情况之间对比的理论压焓图。
图5为现有技术制冷循环与本发明制冷循环第一实施例第二种情况之间对比的理论压焓图。
图6为现有技术制冷循环与本发明制冷循环第一实施例第三种情况之间对比的理论压焓图。
图7为现有技术制冷循环与本发明制冷循环第一实施例第四种情况之间对比的理论压焓图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，为现有技术一种制冷循环的系统示意图。其中，1为外平衡式热力膨胀阀，2为蒸发器，11为热力膨胀阀1的感温包，12为热力膨胀阀1的压力平衡管。箭头方向为冷媒的流向，实心箭头处为液态冷媒，空心箭头处为气态冷媒。其中，高压液态冷媒(A点)进入热力膨胀阀1节流，从热力膨胀阀1输出的冷媒(B点)进入蒸发器2，通过热力膨胀阀1的控制，蒸发器2出口的冷媒(C点)为过热蒸汽，过热度约5K至8K。
如图2所示，为本发明采用的中间换热器一个实施例的结构示意图。该换热器为二重管换热器，外铜管31内套了一根内铜管32，从而形成了两个通道：内铜管32内部是第一个通道，内铜管32的外壁与外铜管31的内壁之间形成第二个通道。实心箭头为第一个通道内流体的流向，空心箭头为第二个通道内流体的流向。两种流体通过内铜管32换热，为增强换热能力，内铜管32优先采用内螺纹铜管，并且内铜管32的外壁最好有加强换热的螺纹或翅片。
如图3所示，本发明制冷循环第一实施例的系统示意图。其中，1为外平衡式热力膨胀阀，2为蒸发器，3为中间换热器(比如图2所示的二重管换热器)，11为热力膨胀阀1的感温包，12为热力膨胀阀1的压力平衡管。箭头方向为冷媒的流向，实心箭头处为液态冷媒，空心箭头处为气态冷媒。
本实施例中，高压液态冷媒(A点)首先进入中间换热器3的第一个通道，在其中被低温冷媒冷却，从中间换热器3输出的高压液态冷媒(a点)再进入热力膨胀阀1，经热力膨胀阀1节流后成为低温低压的冷媒(b点)，再进入蒸发器2中吸热蒸发，气体成分越来越多，从蒸发器2输出的冷媒(c点)经过中间换热器3的第二个通道，在其中被高压液态冷媒加热，从中间换热器3输出的冷媒(d点)过热蒸汽，一般此处过热度约5-8K，因为热力膨胀阀1的感温包11设置在此处。
因为控制的是中间换热器3的第二个通道出口冷媒(d点)的过热度，所以中间换热器3的换热能力越大，高压液态冷媒通过中间换热器3提供的热量就越多，蒸发器2之前的节流装置1提供的冷媒(b点)冷量就越多，节流装置1多提供的冷量(B点和b点之间的焓差与冷媒流量的乘积)通过蒸发器2出口增设的中间换热器3传递给了高压液态冷媒，最终为蒸发器2提供的冷量(b点和c点之间的焓差与冷媒流量的乘积)并没有减少，反而由于蒸发器2中液态冷媒成分的增多，蒸发器2的换热效果得到了提升，使蒸发压力(温度)上升以致冷媒流量加大，从而使蒸发器2输出的冷量加大，系统效率也得到提升。
当然，即使中间换热器3两个通道之间的换热面积为无穷大，中间换热器3的换热能力也是有上限值的，极限情况为进入热力膨胀阀1的高压液态冷媒的温度与蒸发温度相同，这时，理论上热力膨胀阀1输出的冷媒全部为低压液态冷媒，过冷度为0K。
如图4所示为现有技术与本发明第一实施例第一种情况之间对比的理论压焓图。
如图5所示为现有技术与本发明第一实施例第二种情况之间对比的理论压焓图。
如图6所示为现有技术与本发明第一实施例第三种情况之间对比的理论压焓图。
如图7所示为现有技术与本发明第一实施例第四种情况之间对比的理论压焓图。
需要说明的是，图4至图7中，实线的路径A-B-C为上述现有技术制冷循环的一段冷媒循环路径，虚线的路径A-a-b-c-d为本发明制冷循环第一实施例的一段冷媒循环路径。
还需要说明的是，从本发明制冷循环第一实施例的第一种情况至第四种情况，中间换热器3的换热能力越来越大，第四种情况是极限情况，这时，理论上中间换热器3的换热面积为无穷大。另外，在理论上，A点和a点之间的焓差、B点和b点之间的焓差、c点和d点之间的焓差，三者相等。
图4中b点冷媒(蒸发器2进口的冷媒)具有较大的干度，c点冷媒(蒸发器2出口的冷媒)具有较小的过热度，约1K至3K。
图5中b点冷媒(蒸发器2进口的冷媒)的干度有所减小，c点冷媒(蒸发器2出口的冷媒)为饱和蒸汽，其过热度为0K或者干度为1。
图6中b点冷媒(蒸发器2进口的冷媒)的干度进一步减小，c点冷媒(蒸发器2出口的冷媒)为气液两相冷媒，含液量较小。
图7中b点冷媒(蒸发器2进口的冷媒)为饱和液态冷媒，其干度为0或者过冷度为0K，c点冷媒(蒸发器2出口的冷媒)为气液两相冷媒，含液量有所增加。
现在，再对本发明制冷循环第二实施例的情况进行说明。该实施例应用于冰箱或冷柜上，节流装置采用毛细管，因此，制冷系统没有控制蒸发器出口过热度的装置，仅依靠冰箱或冷柜在设计时进行匹配，使蒸发器出口的过热度在各工况下均处于一个能接受的范围(一般要保证至少有5K的过热度)。这时，可以设置一个中间换热器，使毛细管前的高压冷媒与蒸发器出口的低压冷媒进行换热，虽然制冷系统仍没有控制蒸发器出口过热度的装置，但是同样可以依靠冰箱或冷柜在设计时进行匹配，使中间换热器低压冷媒出口的过热度在各工况下均处于一个能接受的范围(一般要保证至少有5K的过热度)。这样，通过改变中间换热器的大小，同样可以使冰箱或冷柜的蒸发器达到上述本发明第一实施例任一种情况的应用效果，使冰箱或冷柜蒸发器出口的冷媒过热度为0K甚至干度小于1，大大提高了冰箱或冷柜蒸发器的换热效果，也提高了冰箱或冷柜的效率。另一方面，由于蒸发温度的提升，可以减小冰箱或冷柜内食物的干耗。
此外，为了进一步优化，还可以对节流后的冷媒中产生的闪发气体进行分离，使闪发气体不经过蒸发器2而使全液态的冷媒进入蒸发器，同样，本发明制冷循环第一实施例第三种情况下，也可以对蒸发器2出口的低压冷媒进行气液分离，使蒸发器2输出的低压气态冷媒不经过中间换热器3而直接进入压缩机，使蒸发器2输出的低压液态冷媒经过中间换热器3后再进入压缩机。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，所属技术领域的普通技术人员应当理解，仍可以对本发明的具体实施方式和应用场合进行修改或者对部分技术特征进行等效替换。所以，只要不脱离本发明技术方案的精神，均应该涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种高效制冷或热泵循环，其中，高压冷媒经过节流装置(1)后变为低压冷媒，然后全部或部分进入蒸发器(2)，从蒸发器(2)输出的低压冷媒进入压缩机，其特征在于：
所述高压冷媒先经过中间换热装置(3)的一个通道再进入节流装置(1)；
从所述蒸发器(2)输出的低压冷媒全部或部分经过所述中间换热装置(3)的另一个通道再进入所述压缩机；
从所述蒸发器(2)输出的冷媒的过热度小于3.0K或者干度小于1。
2.根据权利要求1所述的一种高效制冷或热泵循环，其特征在于：
从所述蒸发器(2)输出的冷媒的过热度小于2.5K或者干度小于1。
3.根据权利要求2所述的一种高效制冷或热泵循环，其特征在于：
从所述蒸发器(2)输出的冷媒的过热度小于2.0K或者干度小于1。
4.根据权利要求3所述的一种高效制冷或热泵循环，其特征在于：
从所述蒸发器(2)输出的冷媒的过热度小于1.5K或者干度小于1。
5.根据权利要求4所述的一种高效制冷或热泵循环，其特征在于：
从所述蒸发器(2)输出的冷媒的过热度小于1.0K或者干度小于1。
6.根据权利要求5所述的一种高效制冷或热泵循环，其特征在于：
从所述蒸发器(2)输出的冷媒的过热度小于0.5K或者干度小于1。
7.根据权利要求6所述的一种高效制冷或热泵循环，其特征在于：
从所述蒸发器(2)输出的冷媒的过热度为0K或者干度小于1。
8.根据权利要求7所述的一种高效制冷或热泵循环，其特征在于：
从所述蒸发器(2)输出的冷媒的干度小于1。
9.一种基于上述权利要求1至8任一项所述的高效制冷或热泵循环的控制方法，其特征在于：
控制所述中间换热装置低压冷媒出口的冷媒过热度大于或者等于0K。
10.根据权利要求9所述的一种高效制冷或热泵循环的控制方法，其特征在于：
控制所述中间换热装置低压冷媒出口的冷媒过热度大于1K。
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