CN108895694A - 一种改进自复叠制冷循环系统及其控制方法 - Google Patents

一种改进自复叠制冷循环系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进自复叠制冷循环系统及其控制方法，应用于低温冷柜，低温冰箱，医用低温冷冻器械等低温系统中；该系统与传统的自复叠系统相比，在冷凝器与气液分离器之间增加了回热器和节流装置两个部件；该系统不仅能够使两股流体在蒸发冷凝器内更加充分地换热，而且能够防止压缩机吸气带液，提升整个系统的蒸发压力，降低压缩机的压比，提高压缩机的效率，从而提高系统的制冷量，改善循环系统的性能；因此，本发明在气液分离器前使用回热器和节流装置阀的优化自复叠循环相比与传统的自复叠循环具有明显的优势。

Description

一种改进自复叠制冷循环系统及其控制方法
技术领域
本发明属于制冷与低温技术领域，涉及一种制冷循环系统以及其控制方法，特别涉及使用单压缩机的自复叠制冷循环系统及其控制方法。
背景技术
自复叠制冷系统广泛应用于低温冷柜，低温冰箱，医用低温冷冻器械等领域。它具有成本低，结构简单并能快速降温的特点；它使用混合工质作为工作流体，能够实现较宽温区的低温制冷作用。特别是近年来随着混合物制冷剂的应用以及在系统中采用单机润滑油压缩技术的发展，更加凸显出的他的特点。因此，自复叠循环在低温领域具有比较大的实用价值，人们对他的应用与研究也始终在不断的发展。
在自复叠制冷系统中，随着蒸发温度的降低，压缩机的吸气压力下降，压比将升高，压缩机效率降低，从而导致制冷循环系统的制冷性能系数和制冷量显著降低。因此，改善自复叠循环系统性能系数和提高制冷量成为了这一技术领域重要的发展方向。常规的自复叠循环系统主要由压缩机，冷凝器，蒸发器，蒸发冷凝器，气液分离器和节流阀组成。低沸点工质在气液分离器中与高沸点工质分离，经过蒸发冷凝器与低温的高沸点工质换热后，经过节流阀进入蒸发器释放冷量。整个过程中，混合工质在冷凝器中不会全部冷凝。因此，常规的自复叠循环在冷凝器出口仍然存在一定的放热能力，这部分热量由于需要保证合理的高沸点工质与低沸点工质的配比而无法释放给环境。另一方面，自复叠循环系统中存在的温度滑移问题会导致蒸发压力偏低，压缩机压比偏高。提高蒸发压力的方法是适当降低蒸发器出口干度，这又会导致压缩机吸气带液，影响压缩机的使用寿命。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，为了更大程度地提高自复叠系统的性能，本发明的目的在于提出一种新的利用回热器和节流阀实现的改进自复叠制冷循环系统及其相应的控制方法。
实现上述发明的技术解决方案是：在传统自复叠循环的冷凝器与气液分离器之间增加回热器和节流阀两个部件。回热器一方面能够防止压缩机吸气带液，一方面可以将冷凝器出口的工质再次冷凝降低温度。而节流阀1则能够改变气液分离器的压力，从而改变气相流体和液相流体的质量流量比。
具体技术方案如下：
一种改进自复叠制冷循环系统，包括管路上连接的压缩机a、冷凝器b、回热器c、气液分离器d、蒸发冷凝器e、蒸发器f、第一节流装置EV1、第二节流装置EV2和第三节流装置EV3，其特征在于：所述的气液分离器d和冷凝器b之间设有一个回热器c和第一节流装置EV1；所述压缩机a的出口与冷凝器b入口相连，冷凝器b出口与回热器c高压制冷剂入口相连，回热器c高压制冷剂出口连接第一节流装置EV1后与气液分离器进口d相连；气液分离器d的气相出口与蒸发冷凝器e的低沸点制冷剂入口相连，液相出口与第二节流装置EV2连接后与蒸发冷凝器e的高沸点制冷剂入口相连；蒸发冷凝器e的低沸点制冷剂出口连接第三节流装置EV3后与蒸发器f入口相连，蒸发器f的出口和蒸发冷凝器e的高沸点制冷剂出口连接后与回热器c低压制冷剂入口相连，回热器c低压制冷剂出口连接压缩机a入口。
混合工质经过压缩机a压缩成高温高压的气体，再经过冷凝器b释放热量，然后经过回热器c放热，将冷凝器b出口的气液两相工质回热，随后经过第一节流装置EV1节流至气液两相状态进入气液分离器d；经过气液分离器d后，低沸点工质和高沸点工质被分离，液相的高沸点工质经过第二节流装置EV2降温降压后，在蒸发冷凝器e中与气相的低沸点工质换热；换热结束后，低沸点工质经过第三节流装置EV3进入蒸发器f释放冷量，随后与高沸点工质混合，混合流体进入回热器c回热，变成低压的过热气态制冷剂后进入压缩机a中，完成整个循环过程。
优选地，所述第一节流装置EV1采用节流阀，第二节流装置EV2和第三节流装置EV3采用节流阀或毛细管。
所述的改进自复叠制冷循环系统的控制方法，冷凝器b的风机转速和第一节流装置EV1的开度影响着气液分离器d的入口干度，进而决定了高沸点工质与低沸点工质流量的分配，与开机时间的变化存在偶合关系；以Tc表示冷凝温度，Te表示蒸发温度，Tm表示气液分离器入口温度，Tf表示间室温度，Te0表示设定蒸发温度；开机阶段和稳定运行阶段的控制方案如下：当制冷循环系统刚开始工作时，Te＝Tf，此时第一节流装置EV1全开，高沸点制冷剂与低沸点制冷剂的流量比由冷凝器b出口干度决定；开机一段时间后，蒸发温度Te逐渐降低，逐渐接近设定蒸发温度Te0，当Te–Te0≤15℃时，增加冷凝器b的风机转速，同时减小第一节流装置EV1的开度，调整气液分离器入口温度Tm使得0.4×Tc-Te≤Tm-Te≤0.6×Tc-Te，保证高沸点工质与低沸点工质流量处于预设比例，直至Te＝Te0时开机阶段结束；而当制冷循环系统处于稳定运行阶段时，维持气液分离器入口温度Tm不变以保证气液分离器液相高沸点工质与气相低沸点工质流量比恒定，保证制冷循环系统稳定而高效地运行。和现有技术相比较，本发明系统具有如下优点：1.回热器能够防止压缩机吸气带液，延长压缩机的使用寿命，增加系统运行的稳定性和可靠性。2.通过控制回热器后的第一节流装置开度，能够控制系统的气液分离器压力，从而控制高低温工质的质量流量配比，使得两股流体在蒸发冷凝器内充分换热，从而保证高沸点工质将冷量充分传递给低沸点工质，提高换热效率。3混合工质在蒸发器内蒸发时存在温度滑移，由于该循环采用了回热器，能够防止压缩机吸气带液，因此蒸发器出口干度能够适当降低，从而提升整个系统的蒸发压力。这能够降低压缩机的压比，提高压缩机的效率，从而提高系统的制冷量，改善循环系统的性能。该发明可以应用于低温冷柜，低温冰箱，医用低温冷冻器械等低温系统中。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
图2为本发明系统压焓图。
图3为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明是一种用于单机压缩的改进自复叠制冷循环系统，包括管路上连接的压缩机a、冷凝器b、回热器c、气液分离器d、蒸发冷凝器e、蒸发器f、第一节流装置EV1、第二节流装置EV2和第三节流装置EV3，其特征在于：所述的气液分离器d和冷凝器b之间设有一个回热器c和第一节流装置EV1；所述压缩机a的出口与冷凝器b入口相连，冷凝器b出口与回热器c高压制冷剂入口相连，回热器c高压制冷剂出口连接第一节流装置EV1后与气液分离器进口d相连；气液分离器d的气相出口与蒸发冷凝器e的低沸点制冷剂入口相连，液相出口与第二节流装置EV2连接后与蒸发冷凝器e的高沸点制冷剂入口相连；蒸发冷凝器e的低沸点制冷剂出口连接第三节流装置EV3后与蒸发器f入口相连，蒸发器f的出口和蒸发冷凝器e的高沸点制冷剂出口连接后与回热器c低压制冷剂入口相连，回热器c低压制冷剂出口连接压缩机a入口。
如图2所示，本发明系统的工作过程为：混合工质经过压缩机a压缩成高温高压的气体(图2中1-2点)，再经过冷凝器b释放热量(图2中2-3点)，然后经过回热器c放热，将冷凝器b出口的气液两相工质回热(图2中3-4点)，随后经过第一节流装置EV1节流至气液两相状态进入气液分离器d(图2中4-5点)。经过气液分离器后，低沸点工质(图2中6点)和高沸点工质(图2中7点)被分离，液相的高沸点工质经过第二节流装置EV2降温降压后(图2中7-8点)，在蒸发冷凝器e中与气相的低沸点工质换热(图2中8-9点；6-10点)；换热结束后，低沸点工质经过第三节流装置EV3进入蒸发器f释放冷量(图2中10-11-12点)，随后与高沸点工质混合(图2中9点,12-13点)，混合流体进入回热器c回热，变成低压的过热气态制冷剂(图2中13-1点)，后进入压缩机a中。以上完成整个循环过程。
冷凝器b的风机转速和第一节流装置EV1的开度与开机时间的变化存在偶合关系，共同影响着气液分离器d的入口干度，进而决定了液相高沸点工质与气相低沸点工质流量。为使改进自复叠循环能够在设定工况下的高效运行，对于其开机阶段和稳定运行阶段的控制进行如下说明：
如图3所示，以Tc表示冷凝温度，Te表示蒸发温度，Tm表示气液分离器入口温度，Tf表示间室温度，Te0表示设定蒸发温度，其控制方法为：当制冷循环系统刚开始工作时，Te＝Tf，此时第一节流装置(EV1)全开，系统的低温建立过程与传统自复叠系统相同，高沸点制冷剂与低沸点制冷剂的流量比由冷凝器b出口干度决定；开机一段时间后，蒸发温度Te逐渐降低，逐渐接近设定蒸发温度Te0，当Te–Te0≤15℃时，，增加冷凝器(b)的风机转速，同时减小第一节流装置(EV1)的开度，调整气液分离器入口温度Tm使得0.4×(Tc-Te)≤(Tm-Te)≤0.6×(Tc-Te)，保证高沸点工质与低沸点工质流量处于合适比例，直至Te＝Te0时开机阶段结束；而当制冷循环系统处于稳定运行阶段时，维持气液分离器入口温度Tm不变以保证气液分离器液相高沸点工质与气相低沸点工质流量比恒定，保证制冷循环系统稳定而高效地运行。

Claims (4)

1.一种改进自复叠制冷循环系统，包括管路上连接的压缩机(a)、冷凝器(b)、回热器(c)、气液分离器(d)、蒸发冷凝器(e)、蒸发器(f)、第一节流装置(EV1)、第二节流装置(EV2)和第三节流装置(EV3)，其特征在于：所述的气液分离器(d)和冷凝器(b)之间设有一个回热器(c)和第一节流装置(EV1)；所述压缩机(a)的出口与冷凝器(b)入口相连，冷凝器(b)出口与回热器(c)高压制冷剂入口相连，回热器(c)高压制冷剂出口连接第一节流装置(EV1)后与气液分离器进口(d)相连；气液分离器(d)的气相出口与蒸发冷凝器(e)的低沸点制冷剂入口相连，液相出口与第二节流装置(EV2)连接后与蒸发冷凝器(e)的高沸点制冷剂入口相连；蒸发冷凝器(e)的低沸点制冷剂出口连接第三节流装置(EV3)后与蒸发器(f)入口相连，蒸发器(f)的出口和蒸发冷凝器(e)的高沸点制冷剂出口连接后与回热器(c)低压制冷剂入口相连，回热器(c)低压制冷剂出口连接压缩机(a)入口。
2.根据权利要求1所述的改进自复叠制冷循环系统，其特征在于：混合工质经过压缩机(a)压缩成高温高压的气体，再经过冷凝器(b)释放热量，然后经过回热器(c)放热，将冷凝器(b)出口的气液两相工质回热，随后经过第一节流装置(EV1)节流至气液两相状态进入气液分离器(d)；经过气液分离器(d)后，低沸点工质和高沸点工质被分离，液相的高沸点工质经过第二节流装置(EV2)降温降压后，在蒸发冷凝器(e)中与气相的低沸点工质换热；换热结束后，低沸点工质经过第三节流装置(EV3)进入蒸发器(f)释放冷量，随后与高沸点工质混合，混合流体进入回热器(c)回热，变成低压的过热气态制冷剂后进入压缩机(a)中，完成整个循环过程。
3.根据权利要求1所述的改进自复叠制冷循环系统，其特征在于：所述第一节流装置(EV1)采用节流阀，、第二节流装置(EV2)和第三节流装置(EV3)采用节流阀或毛细管。
4.权利要求1至3任一项所述的改进自复叠制冷循环系统的控制方法，其特征在于：冷凝器(b)的风机转速和第一节流装置(EV1)的开度影响着气液分离器(d)的入口干度，进而决定了高沸点工质与低沸点工质流量的分配，与开机时间的变化存在偶合关系；以Tc表示冷凝温度，Te表示蒸发温度，Tm表示气液分离器入口温度，Tf表示间室温度，Te0表示设定蒸发温度；开机阶段和稳定运行阶段的控制方案如下：当制冷循环系统刚开始工作时，Te＝Tf，此时第一节流装置(EV1)全开，高沸点制冷剂与低沸点制冷剂的流量比由冷凝器(b)出口干度决定；开机一段时间后，蒸发温度Te逐渐降低，逐渐接近设定蒸发温度Te0，当Te–Te0≤15℃时，增加冷凝器(b)的风机转速，同时减小第一节流装置(EV1)的开度，调整气液分离器入口温度Tm使得0.4×(Tc-Te)≤(Tm-Te)≤0.6×(Tc-Te)，保证高沸点工质与低沸点工质流量处于预设比例，直至Te＝Te0时开机阶段结束；而当制冷循环系统处于稳定运行阶段时，维持气液分离器入口温度Tm不变以保证气液分离器液相高沸点工质与气相低沸点工质流量比恒定，保证制冷循环系统稳定而高效地运行。
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