CN112113364A - 一种冷水机组及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷水机组，包括：压缩机，其包括相连通的一级压缩腔和二级压缩腔，压缩机具有吸气口和低压补气口、中压补气口和排气口；冷凝器具有冷凝入口和冷凝出口；换热器，其具有吸热通道和放热通道；蒸发器，其具有蒸发入口和蒸发出口，蒸发出口与吸气口连接；气液分离装置，其具有进液口、第一出口和第二出口，第一出口与中压补气口连接，第二出口与放热通道的进口连接，放热通道出口其中一路与蒸发入口连接，另外一路与所述吸热通道的进口连接。本发明的冷水机组冷媒在进入蒸发器之前经过放热通道进行了放热，可以增加进入蒸发器前冷媒的过冷度，提高单位质量冷媒制冷量、减少冷媒在进入蒸发器之前的闪蒸气体，根据冷媒的压力和温度。

Description

一种冷水机组及控制方法

技术领域

本发明属于热泵系统，具体地说，涉及一种冷水机组。

背景技术

两级压缩制冷循环在一些制冷压缩机中具有广泛应用。现有的热泵系统构成采用中间补气的方式，具体地讲，从冷凝器出来的液体进行气液分离，分离出来的气体作为中间补气直接进入压缩机的高压腔；分离出来的液体进入蒸发器中蒸发，吸取冷量，蒸发器出来的低压蒸气进入压缩机的低压腔。由于从蒸发器出气口的气态冷媒，通常都处于轻微带液的状态，压缩机液压缩时会增加功耗，特别是离心式制冷压缩机，液压缩容易打穿叶轮的叶片，直接损坏压缩机的关键零部件，降低了压缩机运行可靠性，缩短了其使用寿命。

此外，目前的热泵系统从气液分离装置出口冷媒液体过冷度很小，导致节流装置前部分液体汽化，存在单位制冷量下降、膨胀阀不能正常工作的技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术中从蒸发器出气口排出的冷媒包含液态，增加功耗，容易损坏压缩机的技术问题，提出了一种冷水机组，可以解决上述问题。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种冷水机组，包括： 压缩机，其包括相连通的一级压缩腔和二级压缩腔，所述压缩机具有分别与所述一级压缩腔连通的吸气口和低压补气口、分别与所述二级压缩腔连通的中压补气口和排气口；

冷凝器，其具有冷凝入口和冷凝出口，所述冷凝入口与所述排气口连接；

换热器，其具有吸热通道和放热通道；

蒸发器，其具有蒸发入口和蒸发出口，所述蒸发出口与所述吸气口连接；

气液分离装置，其具有进液口、第一出口和第二出口，所述进液口与所述冷凝出口连接，所述第一出口与所述中压补气口连接，所述第二出口与所述放热通道的进口连接，所述放热通道出口其中一路与所述蒸发入口连接，另外一路通过节流元件与所述吸热通道的进口连接，所述吸热通道的出口与所述低压补气口连接。

进一步的，所述冷凝器与所述气液分离装置之间设置有一级节流装置；

所述气液分离装置与所述蒸发器之间设置有二级节流装置。

进一步的，所述冷凝器中设置有第一液位检测装置；

所述气液分离装置中设置有第二液位检测装置。

进一步的，所述吸气口设置有吸气温度传感器和吸气压力传感器；

所述排气口设置有排气温度传感器和排气压力传感器；

所述低压补气口设置有第一补气温度传感器和第一补气压力传感器；

所述高压补气口设置有第二补气温度传感器和第二补气压力传感器。

进一步的，所述第一出口和所述中压补气口之间设置有流量调节装置。

进一步的，所述压缩机为双级离心式压缩机，所述一级压缩腔的入口部位设置有导流片，所述导流片连接有驱动电机。

本发明同时提出了一种冷水机组的控制方法，包括前面所记载的冷水机组，该冷水机组的控制方法的控制方法为：

检测所述冷凝器的液位，并根据所述冷凝器的液位调节所述一级节流装置的开度；

检测所述气液分离装置的液位，并根据所述气液分离装置的液位调节所述二级节流装置的开度；

压缩机保护步骤，包括吸气压力保护步骤、排气压力及排气温度保护步骤和排气过热度保护步骤的任意组合。

进一步的，根据所述气液分离装置的液位调节所述二级节流装置的开度的方法为：当气液分离装置的液位低于第一设定值时，减小所述二级节流装置的开度，当气液分离装置的液位高于第二设定值时，增加所述二级节流装置的开度，其中，第一设定值大于0，第二设定值大于第一设定值。

进一步的，所述第一出口和所述中压补气口之间设置有流量调节装置，所述控制方法还包括计算中压补气口的吸气过热度的步骤，当中压补气口的吸气过热度小于0时，执行以下操作：

减小所述一级节流装置开度，并且增加所述二级节流装置的开度，将所述流量调节装置的开度减小或者关闭。

进一步的，吸气压力保护步骤包括：检测吸气压力，当吸气压力低于低压预警设定值时机组减载，当吸气压力低于低压保护设定值时机组停机；

排气压力及排气温度保护步骤包括：检测排气压力和排气温度，当排气压力及排气温度高于高压预警设定值时机组减载，当排气压力高于高压保护值时机组停机；

排气过热度保护步骤包括：计算排气过热度，当排气过热度低于排气预警设定值时机组减载，当气过热度低于排气保护设定值时机组停机，所述排气过热度为排气温度和排气压力对应的饱和温度差值。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的冷水机组通过在气液分离装置后面增加换热器，使得从气液分离装置出来的冷媒进入换热器的放热通道，从放热通道流出的冷媒其中一路进入换热器的吸热通道，吸收放热通道中的冷媒汽化蒸发，变成低压气态冷媒通过低压补气口为一级压缩腔补气，另外一路进入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发成气态进入压缩机，由于该路冷媒在进入蒸发器之前经过放热通道进行了放热，可以增加进入蒸发器前冷媒的过冷度，提高单位质量冷媒制冷量、减少冷媒在进入蒸发器之前的闪蒸气体，根据冷媒的压力和温度，调节节流元件的开度，进而调节进入蒸发器冷媒的量，改善压缩机吸气带液情况。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 是本发明所提出的冷水机组的一种实施例原理图；

图2是图1中冷水机组的p-h图；

图3是本发明所提出的冷水机组控制方法的一种实施例流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一，本实施例提出了一种冷水机组，如图1所示，包括压缩机11、冷凝器12、换热器13、气液分离装置14以及蒸发器15，压缩机11包括一级压缩腔和二级压缩腔，一级压缩腔和二级压缩腔相连通，且一级压缩腔还连通有吸气口112和低压补气口115，二级压缩腔还连通有中压补气口114和排气口113，冷凝器12具有冷凝入口121和冷凝出口122，冷凝入口121与二级压缩腔的排气口113连接；蒸发器15具有蒸发入口151和蒸发出口152，换热器13具有吸热通道131和放热通道132；气液分离装置14具有进液口141、第一出口142和第二出口143，进液口141与冷凝出口122连接，第一出口142与中压补气口114连接，第二出口143放热通道132的进口连接，从放热通道流出的冷媒其中一路与蒸发入口151连接，另外一路通过节流元件18与吸热通道131的进口连接，吸热通道131的出口与低压补气口115连接，蒸发出口152与吸气口112连接。本冷水机组的工作原理是：蒸发器15中产生低压蒸气首先被压缩机11吸入一级压缩腔，一级压缩腔将蒸汽压缩到中间压力，进入二级压缩腔进一步压缩到冷凝压力pk，然后进入冷凝器12中被冷凝成液体。由冷凝器12出来的冷媒，进入气液分离装置14进行气液分离。分离出来的中压气体作为中间补气，进入中压补气口，和从一级压缩腔的排气汇合进入二级压缩腔；气液分离装置14分离出来的液态冷媒进入换热器的放热通道，从放热通道流出的冷媒其中一路进入换热器的吸热通道，吸收放热通道中的冷媒汽化蒸发，变成低压气态冷媒通过低压补气口为一级压缩腔补气，通过调节该部分冷媒的压力和温度，进而可以调节进入压缩机冷媒的过热度，改善压缩机吸气带液情况。另外一路进入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发成气态进入压缩机的一级压缩腔，由于该路冷媒在进入蒸发器之前经过放热通道进行了放热，可以增加进入蒸发器前冷媒的过冷度，提高单位质量冷媒制冷量、减少冷媒在进入蒸发器之前的闪蒸气体，根据冷媒的压力和温度，调节节流元件的开度，进而调节进入蒸发器冷媒的量，改善压缩机吸气带液情况。本方案与传统的防压缩机带液压缩的方案相比，系统管路布设结构简单，有利于降低成本。

由于气液分离装置14分离出来的液体进入换热器13的放热通道132放热进一步降低其温度，有助于进入蒸发器后增加蒸发器的过冷度，提高单位质量冷媒制冷量，从放热通道132出来的一小部分冷媒需要进入其吸热通道131，用于吸收放热通道132中冷媒的热量，该部分冷媒在进入吸热通道131之前还需要进一步节流降压进行汽化，因此，通过在吸热通道131的前端设置节流元件18，用于对进入吸热通道131的冷媒进行节流降压，从吸热通道131流出的低压气态冷媒进入低压补气口115，用于为一级压缩腔补充冷媒，提高其压缩能效。

冷凝器12与气液分离装置14之间设置有一级节流装置16，起到对冷媒节流降压作用。从冷凝器12出来的高压液态冷媒经过一级节流装置16节流，冷媒压力下降到中间压力pm，经过一级节流装置16节流，可以对冷媒进行初步降压，有利于后级的气液分离以及进入后级冷媒的量，此时冷媒包含液态冷媒和在冷凝器12未充分液化的气态冷媒，以及经过一级节流装置16时部分液态冷媒汽化，混合状态的冷媒进入气液分离装置14中，进行气液分离，分离后的气态冷媒由于压力仍然处于中间压力状态，因此，将分离出来的气态冷媒直接通过补气口114进入二级压缩腔中进行压缩，由于该部分冷媒没有经过一级压缩腔的压缩，而直接作为中间补气进入二级压缩腔，这样可以减少一级压缩腔的功耗，并提高了单位制冷量，使得机组的效率提高了大约7%。

作为一个优选的实施例，一级节流装置16可以采用电子膨胀阀、孔板、电子膨胀阀结合孔板的形式实现。通过调节一级节流装置16的开度调节实现调节进入气液分离装置14冷媒的温度和压力。

为了调节和控制进入蒸发器15中的冷媒剂量，使之适应制冷负荷的变化，同时可防止压缩机发生液击现象，换热器13与蒸发器15之间设置有二级节流装置17。气液分离装置14分离出的液态冷媒经过换热器13的放热通道132后过冷，然后其中一路经过二级节流装置17节流到蒸发压力p0后，进入蒸发器15中蒸发，制取冷量。

换热器的放热通道132可以增加进入二级节流装置17前的冷媒过冷度，可以提高单位质量冷媒制冷量、减少二级节流装置17前的闪蒸气体存在。

为了便于调节冷媒的压力，本实施例中二级节流装置17同样可以采用电子膨胀阀、孔板、电子膨胀阀结合孔板的形式实现。通过调节二级节流装置17的开度调节实现调节进入蒸发器15冷媒的温度和压力。

本实施例中的换热器13可以采用经济器实现，例如可以采用板式换热经济器，实现简单，便于与市场上的产品对接适用。

本实施例中的气液分离装置可以采用闪蒸器实现。

冷凝器12中设置有第一液位检测装置123，其用于检测冷凝器12中液态冷媒的液位；检测冷凝器12中液态冷媒的液位用于调节一级节流装置16的开度，例如，当冷凝器12的液位低于第三设定值时，减小一级节流装置16的开度，当冷凝器12的液位高于第四设定值时，增加一级节流装置16的开度，其中，第三设定值大于0，第四设定值大于第三设定值。

气液分离装置14中设置有第二液位检测装置144，其用于气液分离装置14中液态冷媒的液位。检测气液分离装置14中液态冷媒的液位用于调节二级节流装置17的开度，例如，当气液分离装置14的液位低于第一设定值时，减小二级节流装置17的开度，当气液分离装置14的液位高于第二设定值时，增加二级节流装置17的开度，其中，第一设定值大于0，第二设定值大于第一设定值。

吸气口112设置有吸气温度传感器21和吸气压力传感器22；其用于检测吸气压力和吸气温度，用于对压缩机的吸气保护，当吸气压力低于预警设定值时机组减载，当吸气压力低于保护设定值时机组紧急停机。

排气口113设置有排气温度传感器23和排气压力传感器24，其用于检测排气压力和排气温度，用于对压缩机的排气保护，当排气压力及温度高于预警设定值时机组减载，当吸气压力高于保护值时机组紧急停机。

此外，上述传感器所检测到的值还可以用于对压缩机进行过热度保护，计算排气过热度，当排气过热度低于排气预警设定值时机组减载，当气过热度低于排气保护设定值时机组停机，排气过热度为排气温度和排气压力对应的饱和温度差值。

低压补气口115还设置有第一补气温度传感器25和第一补气压力传感器26；其分别用于检测低压补气的温度和压力，用于调节节流元件18的开度，使其适应系统的制冷以及负载的平衡。

高压补气口114设置有第二补气温度传感器27和第二补气压力传感器28。其分别用于检测高压补气的温度和压力，用于调节一级节流装置16的开度。

气液分离装置14的第一出口142和中压补气口114之间设置有流量调节装置28，其用于控制为二级压缩腔进行补气的量，通过计算中压补气口114的吸气过热度，当中压补气口的吸气过热度小于0时，减小一级节流装置开度，并且增加所述二级节流装置的开度，将所述流量调节装置的开度减小或者关闭。

本实施例中的压缩机为双级离心式压缩机，一级压缩腔的入口部位设置有导流片116，导流片116连接有驱动电机（图中未示出），驱动电机通过带动导流片116运动，调节吸气口112的开度，可用于辅助二级节流装置的调节，控制进入压缩机的冷媒量。

本实施例的压缩机利用变速作为主要的容量控制方式，并在需要时通过入口导流片116加以辅助。冷媒以低压低温的过热蒸汽形式通过吸气口进入压缩机的一级压缩腔。然后通过调节导流片116的开度，其可在部分负载条件下辅助压缩机控制。两只叶轮29、30安装在一个共用轴31上。气态冷媒通过一级叶轮29增加冷媒的速度能，在二级叶轮30中再次向冷媒增加速度能，并将速度能转换为最终排气压力，通过排气口113排出。从二级叶轮30开始，冷媒以高压过热蒸汽形式进入冷凝器12内。一级叶轮19朝向入口侧设有低压补气口115，一级压缩腔与二级压缩腔之间设有中压补气口114。

本实施例的压缩机11还可以采用螺杆式压缩机组或者涡旋式压缩机组等其他具有两级压缩功能的压缩机实现。

如图2所示，为本实施例冷水机组的p-h图（压焓图），图中，1’-2’代表一级压缩腔的压缩过程，2’-10-3表示一级压缩腔的排气2’和中间补气10混合成3点状态的过程，3-4表示二级压缩腔内的压缩过程，4-6表示在冷凝器12内的冷却、凝结和过冷过程，6-7表示经过一级节流装置16的节流过程，此后冷媒进行气液分离，7点的冷媒分离为10点的饱和气体，分离的液体经过换热器13过冷到8’点，8’-9’表示经过二级节流装置17的节流过程，9’-1’表示在蒸发器15内蒸发制冷后与放热通道132中过热气体混合后过热过程。

实施例二，本实施例提出了一种冷水机组的控制方法，其包括实施例一中所记载的冷水机组，该冷水机组的系统组成可参见实施例一记载，在此不做赘述，该冷水机组的控制方法为：

检测冷凝器16的液位，并根据冷凝器16的液位调节一级节流装置16的开度；

检测气液分离装置14的液位，并根据气液分离装置14的液位调节二级节流装置17的开度；

压缩机保护步骤，包括吸气压力保护步骤、排气压力及排气温度保护步骤和排气过热度保护步骤的任意组合。

根据气液分离装置14的液位调节二级节流装置17的开度的方法为：当气液分离装置14的液位低于第一设定值时，减小二级节流装置17的开度，当气液分离装置14的液位高于第二设定值时，增加二级节流装置17的开度，其中，第一设定值大于0，第二设定值大于第一设定值，二级节流装置1开度变大，当液位低于保护值后，节流装置恢复液位PID调节。当气液分离装置14液位检测值大于上限保护值时，则强制一级节流装置16开度变小，二级节流装置17开度变大，当液位低于上限保护值后，节流装置恢复液位PID调节。

检测冷凝器12中液态冷媒的液位用于调节一级节流装置16的开度，其调节方法为：当冷凝器12的液位低于第三设定值时，减小一级节流装置16的开度，当冷凝器12的液位高于第四设定值时，增加一级节流装置16的开度，其中，第三设定值大于0，第四设定值大于第三设定值，一级节流装置16开度随冷凝器液位检测值进行PID调节，最终达到稳定。

第一出口142和中压补气口117之间设置有流量调节装置28，该控制方法还包括计算中压补气口的吸气过热度的步骤，当中压补气口的吸气过热度小于0时，执行以下操作：

减小一级节流装置开度，并且增加二级节流装置的开度，将流量调节装置28的开度减小或者关闭。当吸气过热度大于0后，节流装置恢复PID调节，流量调节装置打开。

优选在本实施例中，吸气压力保护步骤包括：检测吸气压力，当吸气压力低于低压预警设定值时机组减载，当吸气压力低于低压保护设定值时机组停机；

排气压力及排气温度保护步骤包括：检测排气压力和排气温度，当排气压力及排气温度高于高压预警设定值时机组减载，当排气压力高于高压保护值时机组停机；

排气过热度保护步骤包括：计算排气过热度，当排气过热度低于排气预警设定值时机组减载，当气过热度低于排气保护设定值时机组停机，所述排气过热度为排气温度和排气压力对应的饱和温度差值。

节流元件18控制方法为：

压缩机启动完成后，根据放热通道132过热度目标设定值（默认8℃）控制节流元件18的开度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种冷水机组，其特征在于，包括：

压缩机，其包括相连通的一级压缩腔和二级压缩腔，所述压缩机具有分别与所述一级压缩腔连通的吸气口和低压补气口、分别与所述二级压缩腔连通的中压补气口和排气口；

冷凝器，其具有冷凝入口和冷凝出口，所述冷凝入口与所述排气口连接；

换热器，其具有吸热通道和放热通道；

蒸发器，其具有蒸发入口和蒸发出口，所述蒸发出口与所述吸气口连接；

气液分离装置，其具有进液口、第一出口和第二出口，所述进液口与所述冷凝出口连接，所述第一出口与所述中压补气口连接，所述第二出口与所述放热通道的进口连接，所述放热通道出口其中一路与所述蒸发入口连接，另外一路通过节流元件与所述吸热通道的进口连接，所述吸热通道的出口与所述低压补气口连接。

2.根据权利要求1所述的冷水机组，其特征在于，所述冷凝器与所述气液分离装置之间设置有一级节流装置；

所述气液分离装置与所述蒸发器之间设置有二级节流装置。

3.根据权利要求2所述的冷水机组，其特征在于，所述冷凝器中设置有第一液位检测装置；

所述气液分离装置中设置有第二液位检测装置。

4.根据权利要求3所述的冷水机组，其特征在于，所述吸气口设置有吸气温度传感器和吸气压力传感器；

所述排气口设置有排气温度传感器和排气压力传感器；

所述低压补气口设置有第一补气温度传感器和第一补气压力传感器；

所述高压补气口设置有第二补气温度传感器和第二补气压力传感器。

5.根据权利要求1-4任一项所述的冷水机组，其特征在于，所述第一出口和所述中压补气口之间设置有流量调节装置。

6.根据权利要求1-4任一项所述的冷水机组，其特征在于，所述压缩机为双级离心式压缩机，所述一级压缩腔的入口部位设置有导流片，所述导流片连接有驱动电机。

7.一种冷水机组的控制方法，其特征在于，包括权利要求4所述的冷水机组，该冷水机组的控制方法的控制方法为：

检测所述冷凝器的液位，并根据所述冷凝器的液位调节所述一级节流装置的开度；

检测所述气液分离装置的液位，并根据所述气液分离装置的液位调节所述二级节流装置的开度；

压缩机保护步骤，包括吸气压力保护步骤、排气压力及排气温度保护步骤和排气过热度保护步骤的任意组合。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，根据所述气液分离装置的液位调节所述二级节流装置的开度的方法为：当气液分离装置的液位低于第一设定值时，减小所述二级节流装置的开度，当气液分离装置的液位高于第二设定值时，增加所述二级节流装置的开度，其中，第一设定值大于0，第二设定值大于第一设定值。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述第一出口和所述中压补气口之间设置有流量调节装置，所述控制方法还包括计算中压补气口的吸气过热度的步骤，当中压补气口的吸气过热度小于0时，执行以下操作：

减小所述一级节流装置开度，并且增加所述二级节流装置的开度，将所述流量调节装置的开度减小或者关闭。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，

吸气压力保护步骤包括：检测吸气压力，当吸气压力低于低压预警设定值时机组减载，当吸气压力低于低压保护设定值时机组停机；

排气压力及排气温度保护步骤包括：检测排气压力和排气温度，当排气压力及排气温度高于高压预警设定值时机组减载，当排气压力高于高压保护值时机组停机；

排气过热度保护步骤包括：计算排气过热度，当排气过热度低于排气预警设定值时机组减载，当气过热度低于排气保护设定值时机组停机，所述排气过热度为排气温度和排气压力对应的饱和温度差值。

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