CN109737624B - 一种双温制冷系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种双温制冷系统及其控制方法，该制冷系统包括两个蒸发器、两个换热风机、压缩机、冷凝器、气液分离器、复叠换热器、一个电磁阀和三个电子膨胀阀；所述制冷系统采用二元非共沸混合工质，利用内部自复叠技术保证低沸点工质含量大的制冷剂进入低温蒸发器，从而提升蒸发压力，降低压缩机压比及功耗，提升系统能效；提出了所述制冷系统的控制方法，可以实现高温蒸发器单独制冷、低温蒸发器单独制冷、两蒸发器同时制冷三种工作模式，应用场景更加灵活；传统串联双温制冷系统有压缩机压比大、排气温度高、能效较低等缺点，本发明可有效解决这些问题。

Description

一种双温制冷系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电冰箱与冷柜制冷技术领域，具体涉及到一种双温制冷系统及其控制方法。

背景技术

双温制冷设备广泛应用于家用及商用领域，如冰箱、双温冷柜等。作为一种被广泛应用的通用设备，其结构和性能的优化是一直以来的研究热点。由于制冷剂替代技术的发展以及应用环保型制冷剂的趋势，在单级蒸气压缩制冷循环系统中采用混合物制冷剂已成为国内外广泛关注的研究课题和技术发展途径之一。

然而，在常规的单级蒸气压缩制冷循环系统中直接采用非共沸混合物制冷剂时，如R600a/R290、R290/R170和R290/CO₂等，由于非共沸混合物制冷剂具有相变温度滑移特性，往往使得循环系统的制冷效率(即循环性能系数COP)较低，制约了其实际的应用。实际上，可以在蒸气压缩式制冷系统中通过循环流程的改进实现内部自复叠技术，在相同的制冷蒸发温度下提升蒸发压力，降低压缩机的压比，从而提升系统性能系数。本发明技术提出了一种双温制冷系统及其控制方法，对电冰箱与冷柜产品节能技术的发展有着积极的推动作用。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，降低双温制冷系统的压缩机压比并提高系统能效，本发明的目的在于提出一种双温制冷系统及其控制方法，该制冷系统采用二元非共沸混合工质，利用内部自复叠技术保证低沸点工质含量大的制冷剂进入低温蒸发器进行换热，从而提升蒸发压力，降低压缩机压比及功耗，提升系统能效；针对所述制冷系统，提出了一种可行有效的控制方法，可以实现高温蒸发器单独制冷、低温蒸发器单独制冷、两蒸发器同时制冷三种工作模式，使得其应用场景更加灵活。

为达到上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种双温制冷系统，其压缩机01出口与冷凝器02入口相连，冷凝器02出口依次与第一电子膨胀阀03、气液分离器04入口相连；气液分离器04气相出口与复叠换热器06热端入口相连；气液分离器04液相出口分两路，一路与第二电子膨胀阀05入口相连，另一路与复叠换热器06冷端出口汇合后和第三电子膨胀阀09入口相连；第二电子膨胀阀05出口与复叠换热器06冷端入口相连，复叠换热器06热端出口与高温蒸发器07入口相连；第三电子膨胀阀09出口与低温蒸发器10入口相连，低温蒸发器10出口与电磁阀12入口相连；电磁阀12出口与高温蒸发器07出口汇合后和压缩机01吸气口相连；高温换热风机08与高温蒸发器07布置在一起，低温换热风机11与低温蒸发器10布置在一起；压力传感器PS设置于气液分离器04液相出口处，温度传感器TP设置于复叠换热器06热端出口处。

所述双温制冷系统采用二元非共沸混合工质，经压缩机01压缩后的高温高压气相制冷剂进入冷凝器02中冷凝并过冷；过冷后的制冷剂经第一电子膨胀阀03节流后进入气液分离器04，制冷剂在气液分离器04中实现组分分离，气相制冷剂富含低沸点工质，液相制冷剂富含高沸点工质；气相制冷剂经气液分离器04气相出口流出后，进入复叠换热器06完全冷凝并过冷；液相制冷剂经气液分离器04液相出口流出后分为两路，一路经第二电子膨胀阀05节流后进入复叠换热器06部分蒸发，而后进入高温蒸发器07吸热完全蒸发；另一路与复叠换热器06冷端出口的过冷制冷剂汇合，而后经第三电子膨胀阀09节流并进入低温蒸发器10蒸发吸热；高温蒸发器07出口的制冷剂与低温蒸发器10出口的制冷剂混合后进入压缩机01吸气口。

所述制冷系统运用第一电子膨胀阀03、气液分离器04以及复叠换热器06实现内部自复叠技术，使得更多的低沸点工质进入低温蒸发器10，提高蒸发压力；在气液分离器04液相出口设置有旁通支路，防止高温蒸发器07中的液相制冷剂流量过大，导致压缩机01吸气带液。

所述双温制冷系统的控制方法为：系统包含三种工作模式，即高温蒸发器07单独制冷、低温蒸发器10单独制冷和两蒸发器同时制冷；用t_ce表示压缩机01的排气温度；用n₁、n₂、n₃分别表示第一电子膨胀阀03、第二电子膨胀阀05和第三电子膨胀阀09的开度；用t_r0、t_f0分别表示高、低温间室用户设定温度；用t_rc、t_fc分别表示高、低温间室的实时温度；用t_re表示高温蒸发器07出口处管壁温度；用f表示压缩机01的运行频率；压力传感器PS和温度传感器TP的输出信号分别用PR、TE表示；三种工作模式的控制方法依次表述如下：

高温蒸发器07单独工作：

(a)关闭电磁阀12，关闭低温换热风机11，打开高温换热风机08，调节n₂至满开度；调节压缩机01的运行频率，以保证间室达到预设温度；t_rc-t_r0≥T₁时，增大f；当t_rc-t_r0≤T₂时，减小f；f的步长为Δf，f的调节时间间隔为t₁；

(b)通过调节n₁来调控压缩机01的排气温度；当t_ce＞T₃时，增大n₁；当t_ce＜T₄时，减小n₁；n₁的调节步长为Δn₁，n₁的调节时间间隔为t₂；重复进行步骤(a)，实时监控调节；

其中：T₁为高温间室实际温度与预设温度的最大正偏差；T₂为高温间室实际温度与预设温度的最大负偏差；T₃为压缩机01预设排气温度的最大值；T₄为压缩机01预设排气温度的最小值；

低温蒸发器10单独工作：

(a)打开电磁阀12及低温换热风机11，关闭高温换热风机08，n₃调节至至满开度的30％；调节压缩机01的运行频率，以保证间室达到预设温度；t_fc-t_f0≥T₅时，增大f；当t_fc-t_f0≤T₆时，减小f；f的调节步长为Δf，f的调节时间间隔为t₁；

(b)为避免压缩机吸气带液，需根据压力传感器PS和温度传感器TP的输出信号PR、TE，计算出复叠换热器06热端换热器出口的过热度ΔT_sh，通过调节n₂开度控制ΔT_sh；ΔT_sh＜T₇时，减小n₂，当ΔT_sh＞T₈时，增大n₂；n₂的调节步长为Δn₂，n₂的调节时间间隔为t₃；

(c)通过调节n₁来调控压缩机01的排气温度，当t_ce＞T₃时，增大n₁；当t_ce＜T₄时，减小n₁；n₁的调节步长为Δn₁，n₁的调节时间间隔为t₂；重复进行步骤(a)，实时监控调节；

其中：T₅为高温间室实际温度与预设温度的最大正偏差；T₆为高温间室实际温度与预设温度的最大负偏差；T₇为设定过热度的最小值；T₈为设定过热度的最大值；

高温蒸发器07与低温蒸发器10同时工作：

(a)打开电磁阀12，打开低温换热风机11，打开高温换热风机08，n₃调节至至满开度的40％；调节压缩机01的运行频率，t_rc-t_r0≥T₁时，增大f；当t_rc-t_r0≤T₂时，减小f；f的调节步长为Δf，f的调节时间间隔为t₁；

(b)通过调节n₂，以匹配高温间室温度的变化，若t_rc-t_re≥T₉，则增大n₂，t_rc-t_re≤T₁₀，则减小n₂；n₂的调节步长为Δn₃，n₂的调节时间间隔为t₄；

(c)通过调节n₁来调控压缩机01的排气温度；当t_ce＞T₃时，增大n₁；当t_ce＜T₄时，减小n₁；n₁的调节步长为Δn₁，n₁的调节时间间隔为t₂；重复进行步骤(a)，实时监控调节；

其中：T₉为高温间室的最小设定换热温差；T₁₀为高温间室的最大设定换热温差。

上述设定参数T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀、Δn₁、Δn₂、Δn₃、Δf、t₁、t₂、t₃、t₄根据实际系统配置进行取值，参考取值范围如下表所示：

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明使用了内复叠技术，保证低温蒸发器内含有更多的低沸点工质，从而提高压缩机吸气压力及系统容积制冷量；

2、本发明提出了一种可行有效的控制方法，使得系统可以实现高温蒸发器单独制冷、低温蒸发器单独制冷、两蒸发器同时制冷三种工作模式，使得其应用场景更加灵活。

附图说明

图1为本发明所述双温制冷系统的流程图。

图2为所述双温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所示，本发明所述双温制冷系统采用二元非共沸混合工质，经压缩机01压缩后的高温高压气相制冷剂进入冷凝器02中冷凝并过冷；过冷后的制冷剂经第一电子膨胀阀03节流后进入气液分离器04，制冷剂在气液分离器04中实现组分分离，气相制冷剂富含低沸点工质，液相制冷剂富含高沸点工质；气相制冷剂经气液分离器04气相出口流出后，进入复叠换热器06完全冷凝并过冷；液相制冷剂经气液分离器04液相出口流出后分为两路，一路经第二电子膨胀阀05节流后进入复叠换热器06部分蒸发，而后进入高温蒸发器07吸热完全蒸发；另一路与复叠换热器06冷端出口的过冷制冷剂汇合，而后经第三电子膨胀阀09节流并进入低温蒸发器10蒸发吸热；高温蒸发器07出口的制冷剂与低温蒸发器10出口的制冷剂混合后进入压缩机01吸气口。

如图2所示，所述制冷系统的控制方法为：系统包含三种工作模式，即高温蒸发器07单独制冷、低温蒸发器10单独制冷和两蒸发器同时制冷；用t_ce表示压缩机01的排气温度；用n₁、n₂、n₃分别表示第一电子膨胀阀03、第二电子膨胀阀05和第三电子膨胀阀09的开度；用t_r0、t_f0分别表示高、低温间室用户设定温度；用t_rc、t_fc分别表示高、低温间室的实时温度；用t_re表示高温蒸发器07出口处管壁温度；用f表示压缩机01的运行频率；压力传感器PS和温度传感器TP的输出信号分别用PR、TE表示；三种工作模式的控制方法依次表述如下：

高温蒸发器07单独工作：

(a)关闭电磁阀12，关闭低温换热风机11，打开高温换热风机08，调节n₂至满开度；调节压缩机01的运行频率，以保证间室达到预设温度；t_rc-t_r0≥T₁时，增大f；当t_rc-t_r0≤T₂时，减小f；f的调节步长为Δf，f的调节时间间隔为t₁；

(b)通过调节n₁来调控压缩机01的排气温度；当t_ce＞T₃时，增大n₁；当t_ce＜T₄时，减小n₁；n₁的调节步长为Δn₁，n₁的调节时间间隔为t₂；重复进行步骤(a)，实时监控调节；

其中：T₁为高温间室实际温度与预设温度的最大正偏差；T₂为高温间室实际温度与预设温度的最大负偏差；T₃为压缩机01预设排气温度的最大值；T₄为压缩机01预设排气温度的最小值；

低温蒸发器10单独工作：

(a)打开电磁阀12及低温换热风机11，关闭高温换热风机08，n₃调节至至满开度的30％；调节压缩机01的运行频率，以保证间室达到预设温度；t_fc-t_f0≥T₅时，增大f；当t_fc-t_f0≤T₆时，减小f；f的调节步长为Δf，f的调节时间间隔为t₁；

(b)为避免压缩机吸气带液，需根据压力传感器PS和温度传感器TP的输出信号PR、TE，计算出复叠换热器06热端换热器出口的过热度ΔT_sh，通过调节n₂开度控制ΔT_sh；ΔT_sh＜T₇时，减小n₂，当ΔT_sh＞T₈时，增大n₂；n₂的调节步长为Δn₂，n₂的调节时间间隔为t₃；

(c)通过调节n₁来调控压缩机01的排气温度，当t_ce＞T₃时，增大n₁；当t_ce＜T₄时，减小n₁；n₁的调节步长为Δn₁，n₁的调节时间间隔为t₂；重复进行步骤(a)，实时监控调节；

其中：T₅为高温间室实际温度与预设温度的最大正偏差；T₆为高温间室实际温度与预设温度的最大负偏差；T₇为设定过热度的最小值；T₈为设定过热度的最大值；

高温蒸发器07与低温蒸发器10同时工作：

(a)打开电磁阀12，打开低温换热风机11，打开高温换热风机08，n₃调节至至满开度的40％；调节压缩机01的运行频率，t_rc-t_r0≥T₁时，增大f；当t_rc-t_r0≤T₂时，减小f；f的调节步长为Δf，f的调节时间间隔为t₁；

(b)通过调节n₂，以匹配高温间室温度的变化，若t_rc-t_re≥T₉，则增大n₂，t_rc-t_re≤T₁₀，则减小n₂；n₂的调节步长为Δn₃，n₂的调节时间间隔为t₄；

(c)通过调节n₁来调控压缩机01的排气温度；当t_ce＞T₃时，增大n₁；当t_ce＜T₄时，减小n₁；n₁的调节步长为Δn₁，n₁的调节时间间隔为t₂；重复进行步骤(a)，实时监控调节；

其中：T₉为高温间室的最小设定换热温差；T₁₀为高温间室的最大设定换热温差。

Claims (5)

1.一种双温制冷系统，其特征在于：包括压缩机(01)，压缩机(01)出口与冷凝器(02)入口相连，冷凝器(02)出口依次与第一电子膨胀阀(03)、气液分离器(04)入口相连；气液分离器(04)气相出口与复叠换热器(06)热端入口相连；气液分离器(04)液相出口分两路，一路与第二电子膨胀阀(05)入口相连，另一路与复叠换热器(06)冷端出口汇合后和第三电子膨胀阀(09)入口相连；第二电子膨胀阀(05)出口与复叠换热器(06)冷端入口相连，复叠换热器(06)热端出口与高温蒸发器(07)入口相连；第三电子膨胀阀(09)出口与低温蒸发器(10)入口相连，低温蒸发器(10)出口与电磁阀(12)入口相连；电磁阀(12)出口与高温蒸发器(07)出口汇合后和压缩机(01)吸气口相连；高温换热风机(08)与高温蒸发器(07)布置在一起，低温换热风机(11)与低温蒸发器(10)布置在一起；压力传感器(PS)设置于气液分离器(04)液相出口处，温度传感器(TP)设置于复叠换热器(06)热端出口处。

2.根据权利要求1所述的双温制冷系统，其特征在于：系统采用二元非共沸混合工质，经压缩机(01)压缩后的高温高压气相制冷剂进入冷凝器(02)中冷凝并过冷；过冷后的制冷剂经第一电子膨胀阀(03)节流后进入气液分离器(04)，制冷剂在气液分离器(04)中实现组分分离，气相制冷剂富含低沸点工质，液相制冷剂富含高沸点工质；气相制冷剂经气液分离器(04)气相出口流出后，进入复叠换热器(06)完全冷凝并过冷；液相制冷剂经气液分离器(04)液相出口流出后分为两路，一路经第二电子膨胀阀(05)节流后进入复叠换热器(06)部分蒸发，而后进入高温蒸发器(07)吸热完全蒸发；另一路与复叠换热器(06)冷端出口的过冷制冷剂汇合，而后经第三电子膨胀阀(09)节流并进入低温蒸发器(10)蒸发吸热；高温蒸发器(07)出口的制冷剂与低温蒸发器(10)出口的制冷剂混合后进入压缩机(01)吸气口。

3.根据权利要求1或2所述的双温制冷系统，其特征在于：运用第一电子膨胀阀(03)、气液分离器(04)以及复叠换热器(06)实现内部自复叠技术，使得更多的低沸点工质进入低温蒸发器(10)，提高蒸发压力；在气液分离器(04)液相出口设置有旁通支路，防止高温蒸发器(07)中的液相制冷剂流量过大，导致压缩机(01)吸气带液。

4.权利要求1至3任一项所述的双温制冷系统的控制方法，其特征在于：所述制冷系统包含三种工作模式，即高温蒸发器(07)单独制冷、低温蒸发器(10)单独制冷和两蒸发器同时制冷；用t_ce表示压缩机(01)的排气温度；用n₁、n₂、n₃分别表示第一电子膨胀阀(03)、第二电子膨胀阀(05)和第三电子膨胀阀(09)的开度；用t_r0、t_f0分别表示高、低温间室用户设定温度；用t_rc、t_fc分别表示高、低温间室的实时温度；用t_re表示高温蒸发器(07)出口处管壁温度；用f表示压缩机(01)的运行频率；压力传感器(PS)和温度传感器(TP)的输出信号分别用PR、TE表示；三种工作模式的控制方法依次表述如下：

高温蒸发器(07)单独工作：

(a)关闭电磁阀(12)，关闭低温换热风机(11)，打开高温换热风机(08)，调节n₂至满开度，n₁至满开度的30％；调节压缩机(01)的运行频率，以保证间室达到预设温度；t_rc-t_r0≥T₁时，增大f；当t_rc-t_r0≤T₂时，减小f；f的调节步长为Δf，f的调节时间间隔为t₁；

(b)通过调节n₁来调控压缩机(01)的排气温度；当t_ce＞T₃时，增大n₁；当t_ce＜T₄时，减小n₁；n₁的调节步长为Δn₁，n₁的调节时间间隔为t₂；重复进行步骤(a)，实时监控调节；

其中：T₁为高温间室实际温度与预设温度的最大正偏差；T₂为高温间室实际温度与预设温度的最大负偏差；T₃为压缩机(01)预设排气温度的最大值；T₄为压缩机(01)预设排气温度的最小值；

低温蒸发器(10)单独工作：

(a)打开电磁阀(12)及低温换热风机(11)，关闭高温换热风机(08)，n₃调节至至满开度的30％；调节压缩机(01)的运行频率，以保证间室达到预设温度；t_fc-t_f0≥T₅时，增大f；当t_fc-t_f0≤T₆时，减小f；f的调节步长为Δf，f的调节时间间隔为t₁；

(b)为避免压缩机吸气带液，需根据压力传感器(PS)和温度传感器(TP)的输出信号PR、TE，计算出复叠换热器(06)热端换热器出口的过热度ΔT_sh，通过调节n₂开度控制ΔT_sh；ΔT_sh＜T₇时，减小n₂，当ΔT_sh＞T₈时，增大n₂；n₂的调节步长为Δn₂，n₂的调节时间间隔为t₃；

(c)通过调节n₁来调控压缩机(01)的排气温度，当t_ce＞T₃时，增大n₁；当t_ce＜T₄时，减小n₁；n₁的调节步长为Δn₁，n₁的调节时间间隔为t₂；重复进行步骤(a)，实时监控调节；

其中：T₅为高温间室实际温度与预设温度的最大正偏差；T₆为高温间室实际温度与预设温度的最大负偏差；T₇为设定过热度的最小值；T₈为设定过热度的最大值；

高温蒸发器(07)与低温蒸发器(10)同时工作：

(a)打开电磁阀(12)，打开低温换热风机(11)，打开高温换热风机(08)，n₃调节至至满开度的40％；调节压缩机(01)的运行频率，t_rc-t_r0≥T₁时，增大f；当t_rc-t_r0≤T₂时，减小f；f的调节步长为Δf，f的调节时间间隔为t₁；

(b)通过调节n₂，以匹配高温间室温度的变化，若t_rc-t_re≥T₉，则增大n₂，t_rc-t_re≤T₁₀，则减小n₂；n₂的调节步长Δn₃，n₂的调节时间间隔为t₄；

(c)通过调节n₁来调控压缩机(01)的排气温度；当t_ce＞T₃时，增大n₁；当t_ce＜T₄时，减小n₁；n₁的调节步长为Δn₁，n₁的调节时间间隔为t₂；重复进行步骤(a)，实时监控调节；

其中：T₉为高温间室的最小设定换热温差；T₁₀为高温间室的最大设定换热温差。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其中设定参数T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀、Δn₁、Δn₂、Δn₃、Δf、t₁、t₂、t₃、t₄根据实际系统配置进行取值，参考取值范围如下表所示：

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