CN114377740B - 一种长期低温运行的设备的温度耦合控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长期低温运行的设备的温度耦合控制系统，包括互为备用且器件设置相同的两套制冷系统，任一制冷系统中，均包括压缩机、蒸发器、冷凝器和换热器；压缩机制冷剂出口与蒸发器制冷剂进口、冷凝器制冷剂进口之间，压缩机制冷剂进口与蒸发器制冷剂出口之间，蒸发器制冷剂进口与冷凝器制冷剂出口之间；换热器制冷剂进口与蒸发器制冷剂出口之间，换热器制冷剂出口与压缩机制冷剂进口之间均通过制冷剂通路连接。本发明中两套制冷系统彼此可对因对方蒸发器结霜导致下降的制冷量进行弥补，保证系统环境工况的稳定。通过改变制冷系统中制冷剂的流向，还可以利用制冷剂对蒸发器除霜，提高系统的运行效率，实现设备在低温下的长期稳定运行。

Description

一种长期低温运行的设备的温度耦合控制系统

技术领域

本发明涉及制冷设备温控领域，具体涉及一种长期低温环境工况下运行的设备的温度耦合控制系统。

背景技术

在环境模拟实验室中，室外模拟(环境模拟实验室的室外侧)一直是环境模拟实验室的中的重要组成部分，负责模拟全球室外工况，工况极其复杂。室外模拟中，很大一部分是低温工况，尤其是近几年煤改电项目的实施，对室外长期低温工况稳定运行的需求特别大。

在制冷系统中，蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀是必不可少的四大件，这当中蒸发器是输送冷量的设备，低温的冷凝液体通过蒸发器，与外界的空气进行热交换，气化吸热，达到制冷的效果。压缩机是心脏，起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机做功所转化的热量一起传递给冷却介质带走。节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量，并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。

低温工况运行过程中，蒸发器极易结霜。蒸发器翅片表面温度低于周围空气的露点温度时，空气中的水蒸汽便在翅片表面结露，若翅片温度低于0℃，其表面会出现结霜现象。霜层的出现增大了空气和工质之间的换热热阻，严重阻碍了蒸发器的换热性能，导致换热过程持续恶化。霜层的增厚还加大了空气流过翅片的阻力，降低了空气流量，导致蒸发器性能衰减，由于制冷剂未蒸发完全，会在回气管中形成积液，如果吸入压缩机，会造成液击，这些问题都将导致机组不能正常工作甚至损坏。此时就需要进行除霜，各种不同方式的除霜，对工况环境的影响都比较大，室外环境温度都会升高3-8度，严重影响了试验测试。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种长期低温环境工况下运行的设备的温度耦合控制系统。

本发明采用了以下技术方案：

一种长期低温运行的设备的温度耦合控制系统，包括互为备用且器件设置相同的第一制冷系统和第二制冷系统；

任一制冷系统中，均包括压缩机、蒸发器、冷凝器和换热器；压缩机制冷剂出口与蒸发器制冷剂进口和冷凝器制冷剂进口分别通过制冷剂通路连接，压缩机制冷剂进口与蒸发器制冷剂出口通过制冷剂通路连接，同时，蒸发器制冷剂进口与所述冷凝器制冷剂出口通过制冷剂通路连接；所述换热器制冷剂进口与所述蒸发器制冷剂出口通过制冷剂通路连接，所述换热器制冷剂出口与所述压缩机制冷剂进口通过制冷剂通路连接。

优选的，各制冷剂通路上均设置有电磁阀，用于控制制冷剂的流向。

优选的，在所述蒸发器制冷剂进口处的制冷剂通路上，设置有蒸发器膨胀阀；在所述换热器制冷剂进口处的制冷剂通路上，设置有换热器膨胀阀；所述蒸发器膨胀阀和换热器膨胀阀用于调节制冷剂流量，从而控制所述蒸发器或换热器的工作效率。

优选的，任一制冷系统中，所述蒸发器制冷剂出口处均设置有温压检测装置。

优选的，第一制冷系统中的第一蒸发器的输出冷量值与第二制冷系统的第二蒸发器膨胀阀开度联动，当第一制冷系统中的第一温压检测装置检测到该系统中蒸发器制冷剂出口制冷剂温度低于设定值时，第二制冷系统启动，所述第二制冷系统中第二电子膨胀阀控制所述第二蒸发器的输出冷量值与所述第一蒸发器的输出冷量值的减少量相等。

优选的，当所述第二制冷系统启动后，所述第一蒸发器进入除霜准备，所述第一蒸发器膨胀阀的开度逐渐减小直至所述第一蒸发器无冷量输出，以便于除霜。

优选的，该控制系统包括制冷循环和除霜循环两种模式，

模式一：当第一制冷系统中的温压检测装置未检测到异常时，该制冷系统中蒸发器正常工作，则第二制冷系统处于关闭状态；此时第一制冷系统中，第一压缩机排出的制冷剂经第一冷凝器冷凝后，进入第一蒸发器汽化，再由第一蒸发器制冷剂出口流入第一压缩机，完成制冷循环；

模式二：当第一制冷系统中的温压检测装置检测到该系统中蒸发器制冷剂出口制冷剂温度低于设定值时，第二制冷系统启动，当第一制冷系统中第一蒸发器无冷量输出时，此时第一压缩机中排出的制冷剂进入第一蒸发器，对第一蒸发器进行融霜，同时制冷剂冷凝，冷凝后的制冷剂进入第一换热器，与第一换热器中的冷介质换热汽化，再由第一换热器制冷剂出口流入第一压缩机完成除霜循环；除霜循环中两套制冷系统通过各自的换热器热介质进口并联。

优选的，所述模式二中，当第一制冷系统中的温压检测装置检测到该系统中蒸发器制冷剂出口制冷剂温度回复到设定值时，判断第一蒸发器除霜完毕，所述第一制冷系统中第一压缩机输出减小直至关闭，第一制冷系统关闭，第二制冷系统取代第一制冷系统，进入模式一。

优选的，所述压缩机制冷剂出口与所述蒸发器制冷剂进口的制冷剂通路上还设置有电动热气融霜阀，所述电动热气融霜阀设置在第二蒸发器膨胀阀和第一蒸发器制冷剂进口之间；模式二中，所述第一压缩机中排出的制冷剂经第一电动热气融霜阀后进入第一蒸发器中。

优选的，任一制冷系统中，所述压缩机与冷凝器之间设置油分离器，与所述压缩机制冷剂进口连接的制冷剂通路上，设置有气液分离器。

优选的，与所述蒸发器制冷剂进口连接的制冷剂通路上，以及与所述换热器制冷剂进口连接的制冷剂通路上，设置有储液器和干燥过滤器。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明设置了两套互为备用的制冷系统，当其中一套因长期低温运行导致蒸发器结霜，压缩机性能衰减的情况下，另一套启动，并根据冷量需求调节冷量输出，弥补蒸发器结霜导致的制冷量下降问题，实现系统环境工况的稳定。

(2)当备用制冷系统启动后，通过改变原制冷系统中的制冷剂流向，使压缩机排出的高温高压制冷剂直接流向结霜的蒸发器，既能够实现制冷剂的冷凝，又可以对蒸发器除霜。通过电动热气融霜阀、电子膨胀阀等的调节配合，在保持环境工况稳定的同时，利用制冷剂除霜可以节约资源，并减少传统的蒸发器除霜程序步骤，提高系统的运行效率，实现设备在低温环境工况下的长期稳定运行。

附图说明

图1为本发明控制系统中使用的制冷系统的示意图；

图2为本发明提供的控制系统中包含两套制冷系统的示意图；

图3为制冷模式的运行示意图；

图4为除霜模式的运行示意图。

图中标注符号的含义如下：

10a-第一制冷系统10b-第二制冷系统

20-压缩机21-压缩机制冷剂进口22-压缩机制冷剂出口

20a-第一压缩机21a-第一压缩机制冷剂进口22a-第一压缩机制冷剂出口

30-蒸发器31-蒸发器制冷剂进口32-蒸发器制冷剂出口321-温压检测装置33-蒸发器膨胀阀

30a-第一蒸发器31a-第一蒸发器制冷剂进口32a-第一蒸发器制冷剂出口321a-第一温压检测装置33a-第一蒸发器膨胀阀

30b-第二蒸发器33b-第二蒸发器膨胀阀

40-冷凝器41-冷凝器制冷剂进口42-冷凝器制冷剂出口

40a-第一冷凝器41a-第一冷凝器制冷剂进口42a-第一冷凝器制冷剂出口

50-换热器51-换热器制冷剂进口52-换热器制冷剂出口53-换热器膨胀阀

50a-第一换热器51a-第一换热器制冷剂进口52a-第一换热器制冷剂出口53a-第一换热器膨胀阀

60-电动热气融霜阀70-电磁阀

81-油分离器82-气液分离器83-储液器84-干燥过滤器85-KVP蒸发压力调节阀86-电加热设备

81a-第一油分离器82a-第一气液分离器83a-第一储液器84a-第一干燥过滤器

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做出更为具体的说明，本说明书中，第一制冷系统和第二制冷系统仅是为了便于描述而作出的区分，实际两套制冷系统互为备用，不区分“第一”和“第二”；同样，各制冷系统中设备的“第一”、“第二”仅用于描述方便和表示归属，不具有实质差异。

如图1、图2所示，一种长期低温运行的设备的温度耦合控制系统，包括互为备用且器件设置完全相同的第一制冷系统10a和第二制冷系统10b，任一制冷系统中，均包括压缩机20、蒸发器30、冷凝器40和换热器50。

其中，压缩机制冷剂出口22与蒸发器制冷剂进口31之间、压缩机制冷剂出口22与冷凝器制冷剂进口41之间、压缩机制冷剂进口21与蒸发器制冷剂出口32之间、蒸发器制冷剂进口31与冷凝器制冷剂出口42之间、换热器制冷剂进口51与蒸发器制冷剂出口32之间、换热器制冷剂出口52与压缩机制冷剂进口21之间，均通过制冷剂通路连接。

在与蒸发器制冷剂进口31连接的制冷剂通路上，设置有蒸发器膨胀阀33；在与换热器制冷剂进口51连接的制冷剂通路上，设置有换热器膨胀阀53；蒸发器膨胀阀33和换热器膨胀阀53用于调节制冷剂流量，从而控制蒸发器30或换热器50的工作效率。

同一制冷系统中，蒸发器制冷剂出口32均设置有温压检测装置321，用于测量经过蒸发器30换热后流出的制冷剂温度和压力。

各制冷剂通路上均设置有电磁阀70，根据温压检测装置321的检测结果，电磁阀控制所在制冷剂通路的通断，从而控制制冷剂的流向以实现控制系统的运行模式切换。

任一制冷系统中，压缩机20与冷凝器40之间还设置有油分离器81；在与所述压缩机制冷剂进口21连接的制冷剂通路上，设置有气液分离器82；在与所述蒸发器制冷剂进口31连接的制冷剂通路上，以及在与所述换热器制冷剂进口51连接的制冷剂通路上，设置有储液器83和干燥过滤器84。

压缩机制冷剂出口22与所述蒸发器制冷剂进口31的制冷剂通路上设置有电动热气融霜阀60。

本控制系统中，第一制冷系统10a中的第一蒸发器30a的输出冷量值与第二制冷系统10b的第二蒸发器膨胀阀33b开度联动，当第一制冷系统10a中的第一温压检测装置321a检测到该系统中第一蒸发器制冷剂出口32a制冷剂温度低于设定值时，第二制冷系统10b启动，所述第二制冷系统10b中第二蒸发器膨胀阀33b控制所述第二蒸发器30b的输出冷量值与所述第一蒸发器30a的输出冷量值的减少量相等。当所述第二制冷系统10b启动后，所述第一蒸发器30a进入除霜准备，第一蒸发器膨胀阀33a的开度将逐渐减小直至所述第一蒸发器30a无冷量输出，以便于除霜。

上述控制系统的运行模式，包括制冷模式和除霜模式，两种模式分别如下：

模式一：制冷模式

当第一制冷系统10a中的第一温压检测装置321a未检测到异常时，该制冷系统正常工作，第一蒸发器30a提供的制冷量可以保证设备环境的冷量要求，第二制冷系统10b处于关闭状态。

此时第一制冷系统10a中一电磁阀71、三电磁阀73、四电磁阀74、六电磁阀76、七电磁阀77、九电磁阀79关闭，其余电磁阀开启。如图3所示，则第一压缩机制冷剂出口22a排出的高温高压制冷剂蒸汽经第一油分离器81a分离出润滑油后，自第一冷凝器制冷剂进口41a进入第一冷凝器40a冷凝为高压制冷剂液体，再经第一冷凝器制冷剂出口42a排出，经第一储液器83a和第一干燥过滤器84a除去制冷剂中的杂质和水分，以及经第一蒸发器电磁阀33a节流降压，自第一蒸发器冷凝剂进口31a进入第一蒸发器30a汽化为低温低压的蒸汽，再经第一蒸发器制冷剂出口32a过第一气液分离器82存储多余未蒸发的液体，蒸汽自第一压缩机制冷剂进口21a返回第一压缩机20a，完成制冷循环。

模式二：除霜模式

第一制冷系统10a长期低温运行，第一蒸发器30a翅片表面温度过低时，空气中的水蒸汽易在翅片表面结霜，霜层的出现增大了空气和工质之间的换热热阻，严重阻碍第一蒸发器30a的换热性能。结霜后，第一制冷系统10a中的第一温压检测装置321a将检测到该系统中第一蒸发器制冷剂出口32a制冷剂温度低于设定值时，判断第一蒸发器30a需要除霜。

为了维持设备环境的冷量需求，此时开启第二制冷系统10b，通过第二蒸发器30b工作弥补第一蒸发器30a的冷量损失，并在第一蒸发器30a停止工作，进入除霜程序后，代替第一蒸发器30a持续为设备环境提供冷量。

当第一蒸发器30a停止工作，进入除霜准备后，二电磁阀72、五电磁阀75、八电磁阀78、九电磁阀79、十电磁阀710、十一电磁阀711关闭，其余电磁阀开启。如图4所示，此时第一压缩机20a中排出的高温高压制冷剂蒸汽经过第一油分离器81a分离出润滑油后，进入第一蒸发器30a，对第一蒸发器30a进行融霜，同时制冷剂蒸汽冷凝为高压制冷剂液体，冷凝后的制冷剂经过第一储液器83a和第一干燥过滤器84a除去制冷剂中的杂质和水分，经过第一换热器膨胀阀53a节流降压，由第一换热器制冷剂进口51a进入第一换热器50a汽化为低温低压的蒸汽后，自第一换热器制冷剂出口52a排出，最后经第一气液分离器82a存储多余的液体，蒸汽返回第一压缩机20a，完成除霜循环。

本实施例中，制冷剂在流入第一气液分离器82a前还经过KVP蒸发压力调节阀85调节，使其达到第一气液分离器82a规定的吸气压力。第一压缩机20a中排出的制冷剂为第一蒸发器30a除霜过程中，通过第一电动热气融霜阀60a、第二蒸发器膨胀阀33b，以及设置在设备中的加热器设备86等的耦合控制，使设备的环境温度波动在目标温度的±0.5℃范围内波动，保证设备所在低温环境的长期稳定。

上述除霜循环中，当第一制冷系统10a中的第一温压检测装置321a检测到该系统中第一蒸发器制冷剂出口32a制冷剂温度回复到设定值时，判断第一蒸发器30a除霜完毕，此后第一制冷系统10a中第一压缩机20a输出逐渐减小直至关闭，第一制冷系统10a关闭，转为备用设备。第二制冷系统10b取代第一制冷系统10a，重新进入模式一。

制冷模式或除霜模式下，冷凝器40和换热器50用于换热的另一侧介质可以为空气或水等可满足换热条件的介质，两套制冷系统可以通过冷凝器40或换热器50的另一侧介质并联，也可以单独设置，本发明对此不做特殊限定。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明的限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种长期低温运行的设备的温度耦合控制系统，其特征在于，包括互为备用且器件设置相同的第一制冷系统（10a）和第二制冷系统（10b）；

任一制冷系统中，均包括压缩机（20）、蒸发器（30）、冷凝器（40）和换热器（50）；压缩机制冷剂出口（22）与蒸发器制冷剂进口（31）、冷凝器制冷剂进口（41）之间分别通过制冷剂通路连接，压缩机制冷剂进口（21）与蒸发器制冷剂出口（32）通过制冷剂通路连接，同时，蒸发器制冷剂进口（31）与冷凝器制冷剂出口（42）通过制冷剂通路连接；换热器制冷剂进口（51）与蒸发器制冷剂出口（32）通过制冷剂通路连接，换热器制冷剂出口（52）与压缩机制冷剂进口（21）通过制冷剂通路连接，各制冷剂通路上均设置有电磁阀（70），用于控制制冷剂的流向；

在所述蒸发器制冷剂进口（31）处的制冷剂通路上，设置有蒸发器膨胀阀（33）；在所述换热器制冷剂进口（51）处的制冷剂通路上，设置有换热器膨胀阀（53）；所述蒸发器膨胀阀（33）和换热器膨胀阀（53）用于调节制冷剂流量，从而控制所述蒸发器（30）或换热器（50）的工作效率，任一制冷系统中，所述蒸发器制冷剂出口（32）处均设置有温压检测装置（321）；

第一制冷系统（10a）中的第一蒸发器（30a）的输出冷量值与第二制冷系统（10b）的第二蒸发器膨胀阀（33b）开度联动，当第一制冷系统（10a）中的第一温压检测装置（321a）检测到该系统中第一蒸发器制冷剂出口（32a）处制冷剂温度低于设定值时，第二制冷系统（10b）启动，所述第二制冷系统（10b）中第二蒸发器膨胀阀（33b）控制该系统中的第二蒸发器（30b）的输出冷量值与所述第一蒸发器（30a）的输出冷量值的减少量相等；

当所述第二制冷系统（10b）启动后，所述第一蒸发器（30a）进入除霜准备，第一制冷系统（10a）中的第一蒸发器膨胀阀（33a）的开度逐渐减小直至所述第一蒸发器（30a）无冷量输出，以便于除霜。

2.如权利要求1所述的一种长期低温运行的设备的温度耦合控制系统，其特征在于，该控制系统包括制冷循环和除霜循环两种模式，

模式一：当第一制冷系统（10a）中的第一温压检测装置（321a）未检测到异常时，该制冷系统中第一蒸发器（30a）正常工作，则第二制冷系统（10b）处于关闭状态；此时第一制冷系统（10a）中，第一压缩机（20a）排出的制冷剂经第一冷凝器（40a）冷凝后，进入第一蒸发器（30a）汽化，再由第一蒸发器制冷剂出口（32a）流入第一压缩机（20a），完成制冷循环；

模式二：当第一制冷系统（10a）中的第一温压检测装置（321a）检测到该系统中第一蒸发器制冷剂出口（32a）制冷剂温度低于设定值时，第二制冷系统（10b）启动，当第一制冷系统（10a）中第一蒸发器（30a）无冷量输出时，此时第一压缩机（20a）中排出的制冷剂进入第一蒸发器（30a），对第一蒸发器（30a）进行融霜，同时制冷剂冷凝，冷凝后的制冷剂进入第一换热器（50a），与第一换热器（50a）中的冷介质换热汽化，再由第一换热器制冷剂出口（52a）流入第一压缩机（20a）完成除霜循环。

3.如权利要求2所述的一种长期低温运行的设备的温度耦合控制系统，其特征在于，所述模式二中，当第一制冷系统（10a）中的第一温压检测装置（321a）检测到该系统中第一蒸发器制冷剂出口（32a）制冷剂温度回复到设定值时，判断第一蒸发器（30a）除霜完毕，所述第一制冷系统（10a）中第一压缩机（20a）输出减小直至关闭，第一制冷系统（10a）关闭，第二制冷系统（10b）取代第一制冷系统（10a），进入模式一。

4.如权利要求3所述的一种长期低温运行的设备的温度耦合控制系统，其特征在于，所述压缩机制冷剂出口（22）与所述蒸发器制冷剂进口（31）的制冷剂通路上还设置有电动热气融霜阀（60）；模式二中，所述第一压缩机（20a）中排出的制冷剂经第一电动热气融霜阀（60a）后进入第一蒸发器（30a）中。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种长期低温运行的设备的温度耦合控制系统，其特征在于，任一制冷系统中，所述压缩机（20）与冷凝器（40）之间设置油分离器（81）；与所述压缩机制冷剂进口（21）连接的制冷剂通路上，设置有气液分离器（82）；与所述蒸发器制冷剂进口（31）连接的制冷剂通路上，以及与所述换热器制冷剂进口（51）连接的制冷剂通路上，设置有储液器（83）和干燥过滤器（84）。