CN108679867B - 一种自复叠制冷系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自复叠制冷系统及其控制方法，该制冷系统包括蒸发器、冷凝器、两相喷射压缩机、三个电子膨胀阀、两个气液分离器、两个蒸发冷凝器和一个回热器；所述制冷系统采用二元非共沸混合工质，使用两相喷射压缩机，一方面减小了一次节流过程和蒸发冷凝器中换热过程的不可逆损失，提升了系统能效，另一方面，可有效降低压缩机排气温度，提高压缩机可靠性；所述制冷系统包含两个串联的气液分离器，以实现混合工质的两级分离，提高蒸发器中低温工质的含量，可有效提高蒸发压力、降低压缩机压比，从而减小压缩机耗功；普通自复叠制冷系统有压比大、排气温度高、能效低等缺点，本发明可有效解决这些问题。

Description

一种自复叠制冷系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及自复叠制冷设备技术领域，具体涉及到一种新型自复叠制冷系统及其控制方法。

背景技术

自复叠制冷技术由于其仅使用单压缩机便可达到较低温度的优势，广泛应用于制冷温度-40℃以下的低温冷柜，其结构及性能的优化是多年来的研究热点。对于自复叠制冷系统，有两个技术指标直接影响其系统性能：其一是自复叠制冷系统的冷凝温度与蒸发温度之差可达80℃以上，造成了压缩机压比过高，从而影响压缩机效率，能效比较低；另一个是低温工质的添加会导致系统冷凝压力过高，从而导致压缩机排气温度过高，会严重影响压缩机可靠性。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，同时降低自复叠制冷系统压缩机的压比和排气温度，并提高系统能效；本发明的目的在于提出一种新型自复叠制冷系统，该系统采用二元非共沸混合制冷剂，使用两相喷射压缩机，利用中间冷却的方式降低了排气温度，同时可以减小一次节流过程和蒸发冷凝器中换热过程的不可逆损失，提高系统能效；另外，所述制冷系统采用了两个串联的气液分离器，以实现两级分离，提高蒸发器内低温工质的含量，即可提升蒸发压力，从而降低压缩机压比，减小压缩机耗功。对于所述的制冷系统，本发明提出了一种可行有效的控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种自复叠制冷系统，包括两相喷射压缩机CP，两相喷射压缩机CP的出口与冷凝器CD的入口相连，冷凝器CD的出口与第一气液分离器S1的入口相连；第一气液分离器S1的气相出口依次与第一蒸发冷凝器C1和第二气液分离器S2入口相连；第一气液分离器S1液相出口依次与第一电子膨胀阀E1、第一蒸发冷凝器C1和第二电子膨胀阀E2出口相连；第二气液分离器S2液相出口与第二电子膨胀阀E2连接；第二电子膨胀阀E2出口依次与第二蒸发冷凝器C2和两相喷射压缩机CP引射口连接；第二气液分离器S2气相出口依次与第二蒸发冷凝器C2、回热器HX、第三电子膨胀阀E3和蒸发器EV的入口连接；蒸发器EV出口依次与回热器HX和两相喷射压缩机CP吸气口相连。

所述自复叠制冷系统采用二元非共沸混合制冷剂，经两相喷射压缩机CP压缩后的高温高压气相制冷剂进入冷凝器CD部分冷凝后，经由第一气液分离器S1实现一级组分分离，液相制冷剂含有较多的高温工质，气相制冷剂含有较多的低温制冷剂；第一气液分离器S1中的液相制冷剂经第一电子膨胀阀E1节流至中间压力后，经第一蒸发冷凝器C1实现部分蒸发；第一气液分离器S1中的气相制冷剂经第一蒸发冷凝器C1部分冷凝后，进入第二气液分离器S2实现二级组分分离，气相制冷剂中会含有更多的低温制冷剂；第二气液分离器S2中的液相制冷剂经第二电子膨胀阀E2节流后，与第一蒸发冷凝器C1部分蒸发后的制冷剂混合，混合后的制冷剂经过第二蒸发冷凝器C2部分蒸发后进入两相喷射压缩机CP引射口；第二气液分离器S2中的气相制冷剂流经第二蒸发冷凝器C2被冷凝后，流经回热器HX被过冷，过冷后的制冷剂经第三电子膨胀阀E3节流后，进入蒸发器EV部分蒸发；从蒸发器EV中流出的两相制冷剂经回热器HX蒸发并加热后，进入两相喷射压缩机CP吸气口；吸气口的制冷剂被压缩至中间压力后，与引射口的两相制冷剂混合成过热气相制冷剂，经两相喷射压缩机CP压缩至冷凝压力。

所述制冷系统中，两相喷射压缩机CP为变频转子或涡旋压缩机；蒸发器EV出口制冷剂为两相状态；进入两相喷射压缩机CP引射口的制冷剂为两相状态；两相喷射压缩机CP内部引射过程完成后的制冷剂为过热蒸气；第一电子膨胀阀E1与第二电子膨胀阀E2的出口制冷剂压力相同，且高于第三电子膨胀阀E3的出口制冷剂压力。

所述制冷系统的控制方法如下：用f表示两相喷射压缩机CP的运行频率，用T₀表示用户设定温度，用T_e、T_cr、T_c、T_cp分别表示测得的蒸发器EV表面温度、低温冷冻柜内空气温度、冷凝器CD表面温度和两相喷射压缩机CP的排气温度，用n₁、n₂、n₃分别表示第一电子膨胀阀E1、第二电子膨胀阀E2和第三电子膨胀阀E3的开度；该控制方法包含4个步骤：

步骤1：在两相喷射压缩机CP启动前，为保证两相喷射压缩机CP不带液压缩，需要调小n₁、n₂至满开度的20％以下，以使得开机后第一蒸发冷凝器C1和第二蒸发冷凝器C2中的制冷剂完全蒸发，保证两相喷射压缩机CP开机后引射口制冷剂为气相状态，从而保证两相喷射压缩机CP的可靠性；

步骤2：开机后的调节过程，两相喷射压缩机CP开机后，在额定频率运行，根据排气温度T_cp的变化调整n₁、n₂，保证两相喷射压缩机CP不带液压缩的同时，提高中间压力；即当排气温度T_cp≥T_c+T₁时，同步增大n₁、n₂，若T_cp≤T_c+T₂，同步减小n₁、n₂，增大或减小的调节时间间隔为t₁，直到满足T_c+T₂≤T_cp≤T_c+T₁；

步骤3：n₃的调节过程，两相喷射压缩机CP开机后，低温冷冻柜内空气温度T_cr会持续下降，因此需要根据T_cr的变化，实时调整n₃，以满足低温冷冻柜的降温需求；当T_cr-T_e≥T₃，则增大n₃，若T_cr-T_e≤T₄，则减小n₃，增大或减小的调节时间间隔为t₂，直至满足T₄≤T_cr-T_e≤T₃；

步骤4：当低温冷冻柜内空气温度T_cr达到用户设定温度T₀时，需要对两相喷射压缩机的运行频率进行调节，保证低温冷冻柜内空气温度T_cr的稳定；当T_cr≤T₀-T₅时，减小两相喷射压缩机运行频率f，当T_cr≥T₀+T₆时，增大两相喷射压缩机运行频率，增大或减小的调节时间间隔为t₃，直至柜内温度满足T₀+T₆≥T_cr≥T₀-T₅，每次调节两相喷射压缩机运行频率后，需要重复进行步骤2中n₁、n₂的调节。

其中，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、t₁、t₂、t₃等参数的取值根据制冷系统的配置及运行情况确定，取值范围可参照下表：

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提出的自复叠制冷系统，其压缩机为两相喷射压缩机，基于压缩机中间不完全冷却技术，可有效降低压缩机排气温度，提高压缩机可靠性；同时可以减小一次节流过程和蒸发冷凝器中换热过程的不可逆损失，提高系统能效。

2、本发明提出的自复叠制冷系统采用了两级分离技术，可以有效提高蒸发器中低温制冷剂的含量，从而提高蒸发压力，降低压缩机压比，减小压缩机耗功。

3、本发明提出了可行有效的控制方法，对系统进行实时调节，保证制冷系统始终高效运行，降低系统能耗。

附图说明

图1为本发明所述自复叠制冷系统的流程图。

图2为所述自复叠制冷系统的压焓图。

图3为所述自复叠制冷系统的控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1和图2所示，本发明自复叠制冷系统采用两元非共沸混合制冷剂，两相喷射经压缩机CP压缩后的高温高压气相制冷剂进入冷凝器CD部分冷凝后，经由第一气液分离器S1实现一级组分分离，液相制冷剂含有较多的高温工质，气相制冷剂含有较多的低温制冷剂(17-1-2,3)；第一气液分离器S1中的液相制冷剂经第一电子膨胀阀E1节流至中间压力后，经第一蒸发冷凝器C1实现部分蒸发(2-4-5)；第一气液分离器S1中的气相制冷剂经第一蒸发冷凝器C1部分冷凝后，进入第二气液分离器S2实现二级组分分离，气相制冷剂中会含有更多的低温制冷剂(3-6-7,8)；第二气液分离器S2中的液相制冷剂经第二电子膨胀阀E2节流后(7-13)，与第一蒸发冷凝器C1部分蒸发后的制冷剂混合(5,13-14)，混合后的制冷剂经过第二蒸发冷凝器C2部分蒸发后进入两相喷射压缩机CP引射口(14-15)；第二气液分离器S2中的气相制冷剂流经第二蒸发冷凝器C2被冷凝后，流经回热器HX被过冷，过冷后的制冷剂经第三电子膨胀阀E3节流后，进入蒸发器EV部分蒸发(8-9-9′-10-11)；从蒸发器EV中流出的两相制冷剂经回热器HX蒸发并加热后，进入两相喷射压缩机CP吸气口(11-11′)；吸气口的制冷剂被压缩至中间压力后(11′-12)，与引射口的两相制冷剂混合成过热气相制冷剂(12,15-16)，经两相喷射压缩机CP压缩至冷凝压力(16-17)。

如图3所示，本发明自复叠制冷系统的控制方法可表述如下：用f表示两相喷射压缩机CP的运行频率，用T₀表示用户设定温度，用T_e、T_cr、T_c、T_cp分别表示测得的蒸发器EV表面温度、低温冷冻柜内空气温度、冷凝器CD表面温度和两相喷射压缩机CP的排气温度，用n₁、n₂、n₃分别表示第一电子膨胀阀E1、第二电子膨胀阀E2和第三电子膨胀阀E3的开度；该控制方法包含4个步骤：

步骤1：在两相喷射压缩机启动前，为保证两相喷射压缩机CP不带液压缩，需要调小n₁、n₂至满开度的20％以下，以使得开机后第一蒸发冷凝器C1和第二蒸发冷凝器C2中的制冷剂完全蒸发，保证两相喷射压缩机CP开机后引射口制冷剂为气相状态，从而保证两相喷射压缩机的可靠性。

步骤2：开机后的调节过程，两相喷射压缩机CP开机后，在额定频率运行，根据排气温度T_cp的变化调整n₁、n₂，保证两相喷射压缩机CP不带液压缩的同时，提高中间压力；即当排气温度T_cp≥T_c+T₁时，同步增大n₁、n₂，若T_cp≤T_c+T₂，同步减小n₁、n₂，增大或减小的调节时间间隔为t₁，直到满足T_c+T₂≤T_cp≤T_c+T₁。

步骤3：n₃的调节过程，两相喷射压缩机CP开机后，低温冷冻柜内空气温度T_cr会持续下降，因此需要根据T_cr的变化，实时调整n₃，以满足低温冷冻柜的降温需求；当T_cr-T_e≥T₃，则增大n₃，若T_cr-T_e≤T₄，则减小n₃，增大或减小的调节时间间隔为t₂，直至满足T₄≤T_cr-T_e≤T₃。

步骤4：当低温冷冻柜内空气温度T_cr达到用户设定温度T₀时，需要对两相喷射压缩机的运行频率进行调节，保证低温冷冻柜内空气温度T_cr的稳定；当T_cr≤T₀-T₅时，减小两相喷射压缩机运行频率f，当T_cr≥T₀+T₆时，增大两相喷射压缩机运行频率，增大或减小的调节时间间隔为t₃，直至柜内温度满足T₀+T₆≥T_cr≥T₀-T₅，每次调节两相喷射压缩机运行频率后，需要重复进行步骤2中n₁、n₂的调节；调节完成。

Claims (4)

1.一种自复叠制冷系统的控制方法，所述自复叠制冷系统包括两相喷射压缩机(CP)，进入两相喷射压缩机(CP)引射口的制冷剂为两相状态，两相喷射压缩机(CP)出口与冷凝器(CD)入口相连，冷凝器(CD)出口与第一气液分离器(S1)入口相连；第一气液分离器(S1)气相出口依次与第一蒸发冷凝器(C1)和第二气液分离器(S2)入口相连；第一气液分离器(S1)液相出口依次与第一电子膨胀阀(E1)、第一蒸发冷凝器(C1)和第二电子膨胀阀(E2)出口相连；第二气液分离器(S2)液相出口与第二电子膨胀阀(E2)连接；第二电子膨胀阀(E2)出口依次与第二蒸发冷凝器(C2)和两相喷射压缩机(CP)引射口连接；第二气液分离器(S2)气相出口依次与第二蒸发冷凝器(C2)、回热器(HX)、第三电子膨胀阀(E3)和蒸发器(EV)入口连接；蒸发器(EV)出口依次与回热器(HX)和两相喷射压缩机(CP)吸气口相连；

其特征在于：所述控制方法方法为：所述自复叠制冷系统应用于低温冷冻柜，需要根据环境温度及柜内温度的变化情况，对制冷系统进行调整控制，保证系统始终高效运行；用f表示两相喷射压缩机(CP)的运行频率，用T₀表示用户设定温度，用T_e、T_cr、T_c、T_cp分别表示测得的蒸发器(EV)表面温度、低温冷冻柜内空气温度、冷凝器(CD)表面温度和两相喷射压缩机(CP)的排气温度，用n₁、n₂、n₃分别表示第一电子膨胀阀(E1)、第二电子膨胀阀(E2)和第三电子膨胀阀(E3)的开度；所述控制方法包含4个步骤：

步骤1：在两相喷射压缩机(CP)启动前，为保证两相喷射压缩机(CP)不带液压缩，需要调小n₁、n₂至满开度的20％以下，以使得开机后第一蒸发冷凝器(C1)和第二蒸发冷凝器(C2)中的制冷剂完全蒸发，保证两相喷射压缩机(CP)开机后引射口制冷剂为气相状态；

步骤2：开机后的调节过程，两相喷射压缩机(CP)开机后，在额定频率运行，根据排气温度T_cp的变化调整n₁、n₂，保证两相喷射压缩机(CP)不带液压缩的同时，提高中间压力；即当排气温度T_cp≥T_c+T₁时，同步增大n₁、n₂，若T_cp≤T_c+T₂，同步减小n₁、n₂，增大或减小的调节时间间隔为t₁，直到满足T_c+T₂≤T_cp≤T_c+T₁；

步骤3：n₃的调节过程，两相喷射压缩机(CP)开机后，低温冷冻柜内空气温度T_cr会持续下降，因此需要根据T_cr的变化，实时调整n₃，以满足低温冷冻柜的降温需求；当T_cr-T_e≥T₃，则增大n₃，若T_cr-T_e≤T₄，则减小n₃，增大或减小的调节时间间隔为t₂，直至满足T₄≤T_cr-T_e≤T₃；

步骤4：当低温冷冻柜内空气温度T_cr达到用户设定温度T₀时，需要对两相喷射压缩机的运行频率进行调节，保证低温冷冻柜内空气温度T_cr的稳定；当T_cr≤T₀-T₅时，减小两相喷射压缩机运行频率f，当T_cr≥T₀+T₆时，增大两相喷射压缩机运行频率，增大或减小的调节时间间隔为t₃，直至柜内温度满足T₀+T₆≥T_cr≥T₀-T₅，每次调节两相喷射压缩机运行频率后，需要重复进行步骤2中n₁、n₂的调节。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：系统采用二元非共沸混合制冷剂，经两相喷射压缩机(CP)压缩后的高温高压气相制冷剂进入冷凝器(CD)部分冷凝后，经由第一气液分离器(S1)实现一级组分分离，液相制冷剂含有高温工质，气相制冷剂含有低温制冷剂；第一气液分离器(S1)中的液相制冷剂经第一电子膨胀阀(E1)节流至中间压力后，经第一蒸发冷凝器(C1)实现部分蒸发；第一气液分离器(S1)中的气相制冷剂经第一蒸发冷凝器(C1)部分冷凝后，进入第二气液分离器(S2)实现二级组分分离，气相制冷剂中会含有更多的低温制冷剂；第二气液分离器(S2)中的液相制冷剂经第二电子膨胀阀(E2)节流后，与第一蒸发冷凝器(C1)部分蒸发后的制冷剂混合，混合后的制冷剂经过第二蒸发冷凝器(C2)部分蒸发后进入两相喷射压缩机(CP)引射口；第二气液分离器(S2)中的气相制冷剂流经第二蒸发冷凝器(C2)被冷凝后，流经回热器(HX)被过冷，过冷后的制冷剂经第三电子膨胀阀(E3)节流后，进入蒸发器(EV)部分蒸发；从蒸发器(EV)中流出的两相制冷剂经回热器(HX)蒸发并加热后，进入两相喷射压缩机(CP)吸气口；吸气口的制冷剂被压缩至中间压力后，与引射口的两相制冷剂混合成过热气相制冷剂，经两相喷射压缩机(CP)压缩至冷凝压力。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：所述两相喷射压缩机(CP)为变频转子或涡旋压缩机；蒸发器(EV)出口制冷剂为两相状态；进入两相喷射压缩机(CP)引射口的制冷剂为两相状态；两相喷射压缩机(CP)内部引射过程完成后的制冷剂为过热蒸汽；第一电子膨胀阀(E1)与第二电子膨胀阀(E2)的出口制冷剂压力相同，且高于第三电子膨胀阀(E3)的出口制冷剂压力。

4.根据权利要求1所述的控制方法，所述T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、t₁、t₂、t₃的取值根据制冷系统的配置及运行情况确定，取值范围可参照下表：

参数 T₁ T₂ T₃ T₄ T₅ 取值范围 30℃～50℃ T₁-10℃ 10℃～15℃ T₃-3℃ 2℃～5℃ 参数 T₆ t₁ t₂ t₃ 取值范围 2℃～5℃ 1～2min 2～5min 3～6min

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