CN108895691B - 一种制冷过冷循环与蓄冷循环联合供能装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种制冷过冷循环与蓄冷循环联合供能装置及方法，在制冷系统和蓄能系统的基础上，增加了过冷系统循环。原先的制冷系统包含冷却水循环，制冷剂循环和冷冻水循环及间接换热循环。本发明当冷负荷确定之后，冷凝器及蒸发器型号及尺寸确定，通过过冷制冷和蓄冷联合作用，可增加制冷系统COP，可减小压缩机耗能量，减小运行成本，此时蓄能量不变。对于设备生产而言，当采用过冷技术，在压缩机不变情况下，需要增大冷凝器和蒸发器型号，可实现制冷量的增加，此时蓄能水池可适当增大容量。

Description

一种制冷过冷循环与蓄冷循环联合供能装置及方法
技术领域
本发明涉及制冷与空调领域，特别是一种蒸发冷凝式制冷循环过冷与蓄冷联合供能的装置及方法。
背景技术
目前，建筑用制冷与空调系统，受限于夏季室外环境温度较高的影响，使用冷却塔对制冷系统冷凝器进行冷却，出冷凝器的制冷剂过冷度一般只做到3～5℃。
如图1所示，为常规冷却塔冷却冷水机组示意图，图中蒸发器4、压缩机1、冷凝器2和节流阀31组成制冷循环，水冷式冷却塔5、控制阀37、水泵64和冷凝器2组成冷却水系统。
使用冷却塔冷却冷凝器时，如图2制冷循环所示，该制冷循环为1-2-2＇-3＇-3–4-1，此时制冷系统过冷度为3＇点和3点温度之差，制冷系统过冷度较小。此时制冷量为Q1。
当使用方法对制冷系统进行过冷操作时，制冷循环为1-2-2＇-3＇-3–5–6–4-1，制冷系统过冷度为3＇点和5点温度之差，制冷系统过冷度明显增加，制冷量为Q1和Q2之和。可以从图中看出，两种制冷循环的功耗没有变化，过冷操作时制冷量明显增加。
因此，对于制冷系统内部循环而言，提高制冷系统的冷凝过程的过冷温度，将减少制冷系统节流闪蒸损失，从而增加制冷量，最终提高制冷系数COP。根据相关研究表明，冷凝温度每降低1℃，制冷系统制冷效率将提高1.2％。因此研究如何提高制冷过程过冷度对建筑节能具有重要的意义。
发明内容
本发明专利提出了一种将蓄能技术和制冷系统过冷技术进行有机结合的装置和方法。
本发明提供的技术方案是：
一种制冷过冷循环与蓄冷循环联合供能装置，包括制冷剂循环系统，冷却水系统，蓄能系统，过冷水循环系统，冷冻水系统及中间换热装置，
制冷剂循环系统包含压缩机、冷凝器、电磁节流阀、蒸发器，使用管路依次连接形成闭环，制冷剂在压缩机中压缩形成高温高压气体，进入冷凝器中冷凝，变成低温高压液体，进入电磁节流阀中节流降压，变成低温低压气液混合物，然后进入蒸发器中蒸发吸热变成气态制冷剂，最后回到压缩机；
冷却水系统包含冷却塔、冷却水泵、冷却塔控制阀及冷凝器；
蓄能系统包含泵循环泵、蒸发器、蓄能水池、蓄能控制阀和中间控制阀二；
过冷水循环系统依次包含蓄能水池、过冷控制阀、过冷循环泵、冷凝器及循环管路连接；
冷冻水系统依次由冷冻水泵、换热器及用户终端组成；
冷凝器连接蓄能水池，蓄能水池与过冷控制阀连接，过冷控制阀连接过冷循环泵，过冷循环泵连接冷凝器，蓄能水池连接蓄能控制阀，蓄能控制阀连接蒸发器，蒸发器连接压缩机，压缩机连接冷凝器，冷凝器通过电磁节流阀连接蒸发器，中间控制阀二一端并联中间控制阀一，两者并联的一端连接蓄能水池和换热器，中间控制阀一另一端通过蓄能控制阀连接蓄能水池，中间控制阀二另一端连接换热器和泵循环泵，泵循环泵连接蒸发器，换热器与用户终端之间连接有冷冻水泵；
本系统进行多工况运行：
1)主机蓄冷：开启制冷系统、冷却水系统和蓄能系统，运行泵循环泵和冷却水泵，关闭冷冻水泵和过冷循环泵，开启蓄能控制阀、中间控制阀二、冷却塔控制阀，关闭中间控制阀一、换热器控制阀；
2)释冷供冷：关闭制冷系统，开启冷却水系统、冷冻水系统，运行泵循环泵和冷冻水泵，关闭过冷循环泵和冷却水泵，调节蓄能控制阀、中间控制阀一、中间控制阀二、换热器控制阀，关闭过冷控制阀、冷却塔控制阀；
3)主机供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统，运行泵循环泵、冷冻水泵和冷却水泵，关闭过冷循环泵，开启中间控制阀一、换热器控制阀、冷却塔控制阀，调节中间控制阀二，关闭过冷控制阀、蓄能控制阀；
4)主机+蓄冷联合供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和蓄能系统，运行泵循环泵、冷冻水泵和冷却水泵，关闭过冷循环泵，开启冷却塔控制阀，调节蓄能控制阀、中间控制阀一、中间控制阀二、换热器控制阀，关闭过冷控制阀；
5)主机过冷供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和过冷水循环系统，运行过冷循环泵、泵循环泵、冷冻水泵和冷却水泵，开启过冷控制阀、中间控制阀一、换热器控制阀、冷却塔控制阀，调节中间控制阀二，关闭蓄能控制阀；
6)主机过冷供冷+释冷供能：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和蓄能系统和过冷水循环系统，运行过冷循环泵、泵循环泵、冷冻水泵和冷却水泵，开启过冷控制阀、冷却塔控制阀，调节蓄能控制阀、中间控制阀一、中间控制阀二、换热器控制阀。
所述过冷水系统增加过冷器，冷水循环泵、过冷控制阀，过冷器，蓄能水池组成封闭环路。
本发明在常规冷却塔冷却的基础上，另外使用少量的蓄能装置中的冷量，实现出冷凝器的制冷剂大幅度过冷。该装置能够提高整个系统的制冷系数和制冷输出能力。
附图说明
图1是常规冷却塔冷却冷水机组示意图。
图2是制冷循环压-焓示意图。
图3显示的是本发明的结构示意图(一)；
图4显示的是本发明的结构示意图(二)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施方式一：
如图3所示，为本发明的制冷系统过冷与蓄冷耦合应用示意图，其中包含制冷剂循环系统，冷却水系统，蓄能系统，过冷水循环系统，冷冻水系统及中间换热装置。
制冷剂循环系统包含压缩机1、三流股冷凝器2、电磁节流阀31、蒸发器4，使用管路依次连接形成闭环，制冷剂在压缩机1中压缩形成高温高压气体，进入冷凝器2中冷凝，变成低温高压液体，进入节流阀31中节流降压，变成低温低压气液混合物，然后进入蒸发器4中蒸发吸热变成气态制冷剂，最后回到压缩机1。
冷却水系统包含冷却塔5、冷却水泵64、冷却塔控制阀37及三流股冷凝器2，冷却塔使用风冷式冷却塔，冷却循环介质为水。
蓄能系统包含泵循环泵62、蒸发器4、蓄能水池7、蓄能控制阀33和中间控制阀二35。
过冷水循环系统依次包含蓄能水池7、过冷控制阀32、过冷循环泵61、三流股冷凝器2及循环管路连接。
冷冻水系统依次由冷冻水泵63、换热器8及用户终端9组成。
冷凝器2连接蓄能水池7，蓄能水池7与过冷控制阀32连接，过冷控制阀32连接过冷循环泵61，过冷循环泵61连接冷凝器2，蓄能水池7连接蓄能控制阀33，蓄能控制阀33连接蒸发器4，蒸发器4连接压缩机1，压缩机1连接冷凝器2，冷凝器2通过电磁节流阀31连接蒸发器4，中间控制阀二35一端并联中间控制阀一34，两者并联的一端连接蓄能水池7和换热器8，中间控制阀一34另一端通过蓄能控制阀33连接蓄能水池7，中间控制阀二35另一端连接换热器8和泵循环泵62，泵循环泵62连接蒸发器4，换热器8与用户终端9之间连接有冷冻水泵63。
如前所述，本系统可进行多工况运行。如表1所示，为制冷循环过冷与蓄冷联合应用运行工况表。
表1制冷循环过冷与蓄冷联合应用运行工况表
主机蓄冷：开启制冷系统、冷却水系统和蓄能系统。运行泵循环泵62和冷却水泵64，关闭冷冻水泵63和过冷循环泵61。开启蓄能控制阀33、中间控制阀二35、冷却塔控制阀37，关闭中间控制阀一34、换热器控制阀36。
释冷供冷：关闭制冷系统，开启冷却水系统、冷冻水系统。运行泵循环泵62和冷冻水泵63，关闭泵过冷循环泵61和冷却水泵64。调节蓄能控制阀33、中间控制阀一34、中间控制阀二35、换热器控制阀36，关闭过冷控制阀32、冷却塔控制阀37。
主机供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统。运行泵循环泵62、冷冻水泵63和冷却水泵64，关闭过冷循环泵61。开启蓄能控制阀34、换热器控制阀36、冷却塔控制阀37，调节中间控制阀二35，关闭过冷控制阀32、蓄能控制阀33。
主机+蓄冷联合供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和蓄能系统。运行泵循环泵62、冷冻水泵63和冷却水泵64，关闭泵过冷循环泵61。开启冷却塔控制阀37，调节蓄能控制阀33、中间控制阀一34、中间控制阀二35、换热器控制阀36，关闭过冷控制阀32。
主机过冷供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和过冷水循环系统。运行过冷循环泵61、泵循环泵62、冷冻水泵63和冷却水泵64。开启过冷控制阀32、中间控制阀一34、换热器控制阀36、冷却塔控制阀37，调节中间控制阀二35，关闭蓄能控制阀33。
主机过冷供冷+释冷供能：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和蓄能系统和过冷水循环系统。运行过冷循环泵61、泵循环泵62、冷冻水泵63和冷却水泵64。开启过冷控制阀32、冷却塔控制阀37，调节蓄能控制阀33、中间控制阀一34、中间控制阀二35、换热器控制阀36。
实施方式二：
如图4所示，该制冷过冷技术方案与实施方案一相似，在装置上主要改变过冷方式，与实施方案一不同的是，该装置过冷另外添加一个过冷器装置22。
过冷水系统包含过冷水循环泵61，过冷控制阀32，过冷器22，蓄能装置7组成的封闭环路。蓄能装置7内的蓄冷介质在过冷器中与制冷剂介质进行间接换热，实现制冷剂过冷的目的。
该实施方案中过冷器额外添加，冷凝器21尺寸不变。蒸发器4需要增大尺寸。
该实施方案运行工况和实施方案一相似。
针对以上两种实施方案，本发明专利以典型制冷系统为例进行计算。冷冻水供回水温度设为7℃/12℃，冷却水供回水温度设为32℃/37℃，设定冷凝器2的制冷剂侧温度为45℃，蒸发器4的制冷剂侧温度为-5℃。正常条件制冷系统冷凝器2制冷剂侧过冷度为5℃。压缩机1排气过热度7℃，在原先存在的过冷度为5℃情况下，使用过冷器装置22者三流股换热器2逐渐提高过冷度至35℃。在常规条件下冷负荷设定为1000kW。
设定制冷剂质量流量不变。如表2所示计算结果，当制冷循环的节流前制冷剂过冷度由5℃增加到35℃时，制冷剂干度由25％降低到1.1％。系统蒸发冷量增加312kW，系统制冷COP增幅为31.36％。此时需要增加过冷器装置SC或者使冷凝器尺寸增加。
表2制冷循环过冷计算表(制冷剂流量不变)
设定制冷负荷需求量不变。如表3所示计算结果，当制冷循环的节流前制冷剂过冷度由5℃增加到35℃时，制冷剂循环流量不断下降，制冷剂干度由25％降低到3.1％。压缩机消耗的功率由297kW降低到231kW，系统制冷COP提高了28.49％。此时冷凝器和蒸发器尺寸不变。
表3制冷循环过冷计算表(制冷负荷不变)
对于存在峰谷电价的应用场所，当用能用户采用制冷+蓄冷的技术形式时，可采用夜晚(如11:00～次日8:00)对蓄冷水池进行蓄冷，此时蓄冷水池所蓄的冷量包含两部分，一是白天冷负荷正常削峰填谷的冷量，二是为过冷循环所蓄的冷量。这两种蓄能的共同作用，在白天电价较高时，开启释冷和过冷循环，减少主机功耗，此种方法可显著节约用户用电成本。
另外，在一个昼夜期间，蓄能装置中的温度远低于环境温度，因此开启过冷水循环可使机组运行处于过冷状态。
此种技术的应用不限于普通建筑，还包含食品冷藏、冷库等场所。
最后要说明的是：以上实施方式其中的部分合理的方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，所述技术内容相关领域技术人员应该能理解，凡是根据本发明所揭示的制冷系统过冷技术所做的等效修饰和修改替换，都没有脱离本发明技术内涵，且应该纳入到专利的保护范围内。

Claims (4)

1.一种制冷过冷循环与蓄冷循环联合供能装置，其特征在于，包括制冷剂循环系统，冷却水系统，蓄能系统，过冷水循环系统，冷冻水系统及中间换热装置，
制冷剂循环系统包含压缩机(1)、冷凝器(2)、电磁节流阀(31)、蒸发器(4)，使用管路依次连接形成闭环，制冷剂在压缩机(1)中压缩形成高温高压气体，进入冷凝器(2)中冷凝，变成低温高压液体，进入电磁节流阀(31)中节流降压，变成低温低压气液混合物，然后进入蒸发器(4)中蒸发吸热变成气态制冷剂，最后回到压缩机(1)；
冷却水系统包含冷却塔(5)、冷却水泵(64)、冷却塔控制阀(37)及冷凝器(2)；
蓄能系统包含泵循环泵(62)、蒸发器(4)、蓄能水池(7)、蓄能控制阀(33)和中间控制阀二(35)；
过冷水循环系统依次包含蓄能水池(7)、过冷控制阀(32)、过冷循环泵(61)、冷凝器(2)及循环管路连接；
冷冻水系统依次由冷冻水泵(63)、换热器(8)及用户终端(9)组成；
冷凝器(2)连接蓄能水池(7)，蓄能水池(7)与过冷控制阀(32)连接，过冷控制阀(32)连接过冷循环泵(61)，过冷循环泵(61)连接冷凝器(2)，蓄能水池(7)连接蓄能控制阀(33)，蓄能控制阀(33)连接蒸发器(4)，蒸发器(4)连接压缩机(1)，压缩机(1)连接冷凝器(2)，冷凝器(2)通过电磁节流阀(31)连接蒸发器(4)，
中间控制阀二(35)一端并联中间控制阀一(34)，两者并联的一端连接蓄能水池(7)和换热器(8)，中间控制阀一(34)另一端通过蓄能控制阀(33)连接蓄能水池(7)，中间控制阀二(35)另一端连接换热器(8)和泵循环泵(62)，泵循环泵(62)连接蒸发器(4)，换热器(8)与用户终端(9)之间连接有冷冻水泵(63)；
本系统进行多工况运行：
1)主机蓄冷：开启制冷系统、冷却水系统和蓄能系统，运行泵循环泵(62)和冷却水泵(64)，关闭冷冻水泵(63)和过冷循环泵(61)，开启蓄能控制阀(33)、中间控制阀二(35)、冷却塔控制阀(37)，关闭中间控制阀一(34)、换热器控制阀(36)；
2)释冷供冷：关闭制冷系统，开启冷却水系统、冷冻水系统，运行泵循环泵(62)和冷冻水泵(63)，关闭过冷循环泵(61)和冷却水泵(64)，调节蓄能控制阀(33)、中间控制阀一(34)、中间控制阀二(35)、换热器控制阀(36)，关闭过冷控制阀(32)、冷却塔控制阀(37)；
3)主机供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统，运行泵循环泵(62)、冷冻水泵(63)和冷却水泵(64)，关闭过冷循环泵(61)，开启中间控制阀一(34)、换热器控制阀(36)、冷却塔控制阀(37)，调节中间控制阀二(35)，关闭过冷控制阀(32)、蓄能控制阀(33)；
4)主机+蓄冷联合供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和蓄能系统，运行泵循环泵(62)、冷冻水泵(63)和冷却水泵(64)，关闭过冷循环泵(61)，开启冷却塔控制阀(37)，调节蓄能控制阀(33)、中间控制阀一(34)、中间控制阀二(35)、换热器控制阀(36)，关闭过冷控制阀(32)；
5)主机过冷供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和过冷水循环系统，运行过冷循环泵(61)、泵循环泵(62)、冷冻水泵(63)和冷却水泵(64)，开启过冷控制阀(32)、中间控制阀一(34)、换热器控制阀(36)、冷却塔控制阀(37)，调节中间控制阀二(35)，关闭蓄能控制阀(33)；
6)主机过冷供冷+释冷供能：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和蓄能系统和过冷水循环系统，运行过冷循环泵(61)、泵循环泵(62)、冷冻水泵(63)和冷却水泵(64)，开启过冷控制阀(32)、冷却塔控制阀(37)，调节蓄能控制阀(33)、中间控制阀一(34)、中间控制阀二(35)、换热器控制阀(36)。
2.根据权利要求1所述的一种制冷过冷循环与蓄冷循环联合供能装置，其特征在于，所述过冷水系统增加过冷器(22)，冷水循环泵(61)、过冷控制阀(32)，过冷器(22)，蓄能水池(7)组成封闭环路。
3.一种制冷过冷循环与蓄冷循环联合供能方法，其特征在于，包括制冷剂循环系统，冷却水系统，蓄能系统，过冷水循环系统，冷冻水系统及中间换热装置，
制冷剂循环系统包含压缩机(1)、冷凝器(2)、电磁节流阀(31)、蒸发器(4)，使用管路依次连接形成闭环，制冷剂在压缩机(1)中压缩形成高温高压气体，进入冷凝器(2)中冷凝，变成低温高压液体，进入电磁节流阀(31)中节流降压，变成低温低压气液混合物，然后进入蒸发器(4)中蒸发吸热变成气态制冷剂，最后回到压缩机(1)；
冷却水系统包含冷却塔(5)、冷却水泵(64)、冷却塔控制阀(37)及冷凝器(2)；
蓄能系统包含泵循环泵(62)、蒸发器(4)、蓄能水池(7)、蓄能控制阀(33)和中间控制阀二(35)；
过冷水循环系统依次包含蓄能水池(7)、过冷控制阀(32)、过冷循环泵(61)、冷凝器(2)及循环管路连接；
冷冻水系统依次由冷冻水泵(63)、换热器(8)及用户终端(9)组成；
冷凝器(2)连接蓄能水池(7)，蓄能水池(7)与过冷控制阀(32)连接，过冷控制阀(32)连接过冷循环泵(61)，过冷循环泵(61)连接冷凝器(2)，蓄能水池(7)连接蓄能控制阀(33)，蓄能控制阀(33)连接蒸发器(4)，蒸发器(4)连接压缩机(1)，压缩机(1)连接冷凝器(2)，冷凝器(2)通过电磁节流阀(31)连接蒸发器(4)，中间控制阀二(35)一端并联中间控制阀一(34)，两者并联的一端连接蓄能水池(7)和换热器(8)，中间控制阀一(34)另一端通过蓄能控制阀(33)连接蓄能水池(7)，中间控制阀二(35)另一端连接换热器(8)和泵循环泵(62)，泵循环泵(62)连接蒸发器(4)，换热器(8)与用户终端(9)之间连接有冷冻水泵(63)；
本系统进行多工况运行：
1)主机蓄冷：开启制冷系统、冷却水系统和蓄能系统，运行泵循环泵(62)和冷却水泵(64)，关闭冷冻水泵(63)和过冷循环泵(61)，开启蓄能控制阀(33)、中间控制阀二(35)、冷却塔控制阀(37)，关闭中间控制阀一(34)、换热器控制阀(36)；
2)释冷供冷：关闭制冷系统，开启冷却水系统、冷冻水系统，运行泵循环泵(62)和冷冻水泵(63)，关闭过冷循环泵(61)和冷却水泵(64)，调节蓄能控制阀(33)、中间控制阀一(34)、中间控制阀二(35)、换热器控制阀(36)，关闭过冷控制阀(32)、冷却塔控制阀(37)；
3)主机供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统，运行泵循环泵(62)、冷冻水泵(63)和冷却水泵(64)，关闭过冷循环泵(61)，开启中间控制阀一(34)、换热器控制阀(36)、冷却塔控制阀(37)，调节中间控制阀二(35)，关闭过冷控制阀(32)、蓄能控制阀(33)；
4)主机+蓄冷联合供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和蓄能系统，运行泵循环泵(62)、冷冻水泵(63)和冷却水泵(64)，关闭过冷循环泵(61)，开启冷却塔控制阀(37)，调节蓄能控制阀(33)、中间控制阀一(34)、中间控制阀二(35)、换热器控制阀(36)，关闭过冷控制阀(32)；
5)主机过冷供冷：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和过冷水循环系统，运行过冷循环泵(61)、泵循环泵(62)、冷冻水泵(63)和冷却水泵(64)，开启过冷控制阀(32)、中间控制阀一(34)、换热器控制阀(36)、冷却塔控制阀(37)，调节中间控制阀二(35)，关闭蓄能控制阀(33)；
6)主机过冷供冷+释冷供能：开启制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和蓄能系统和过冷水循环系统，运行过冷循环泵(61)、泵循环泵(62)、冷冻水泵(63)和冷却水泵(64)，开启过冷控制阀(32)、冷却塔控制阀(37)，调节蓄能控制阀(33)、中间控制阀一(34)、中间控制阀二(35)、换热器控制阀(36)。
4.根据权利要求1所述的一种制冷过冷循环与蓄冷循环联合供能方法，其特征在于，所述过冷水系统增加过冷器(22)，冷水循环泵(61)、过冷控制阀(32)，过冷器(22)，蓄能水池(7)组成封闭环路。
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