CN114413526A - 制冷系统的制冷方法、控制装置及压缩制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制冷系统的制冷方法、控制装置及压缩制冷系统，涉及矿井空调技术领域，用以降低制冷系统的能耗。本发明利用了输送至井下的冷却水的冷却能力，对制冷系统的冷凝器进行冷却，同时对流经蒸发器的送风进行预冷。并且，本专利发明设计了自动控制策略，分配流经冷凝器的冷却水流量，在满足送风冷负荷的条件下，降低压缩机的电机转速，使得压缩机在更低能耗的工况下运行，节约系统能耗。

Description

制冷系统的制冷方法、控制装置及压缩制冷系统

技术领域

本发明涉及矿井空调技术领域，尤其是涉及一种制冷系统的制冷方法、控制装置及压缩制冷系统。

背景技术

在矿井中应用局部制冷设备，能够提升矿井热害治理水平，改善作业环境，保障职工身体健康，提高劳动生产效率，对实现矿井安全高效生产具有重要意义。

矿井下的蒸汽压缩制冷系统的冷凝器通常需要冷却水来进行冷却，冷却水通常从地面输送至井下，到井下时具有较高的水压，可以克服流经换热器的阻力，无需安装水泵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制冷系统的制冷方法、控制装置及压缩制冷系统，用以降低制冷系统的能耗。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种制冷系统的制冷方法，所述方法包括：控制冷却水输向压缩制冷系统的冷凝器，以用于与所述冷凝器的冷媒换热；控制冷却水输向预换热器，以用于对流向压缩制冷系统蒸发器的新风进行预冷却。

进一步地，所述通过控制流向所述冷凝器和所述预换热器冷却水的比例，具体如下：通过控制流向所述冷凝器和所述预换热器冷却水的比例，以降低所述制冷系统压缩机的能耗。

进一步地，所述方法还包括：检测所述压缩制冷系统的制冷相关参数；依据所述制冷相关参数计算压缩机在低能耗值时流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量；控制所述制冷系统阀体的开度以调节流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量。

进一步地，关于所述依据所述制冷相关参数计算压缩机在低能耗值时流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量，具体说明如下：检测所述制冷相关参数包括冷却水供温水温T_{w_in}、送风换热前的焓值h_in、送风风量m_air、冷却水总流量m_w以及送风经蒸发器与冷媒换热后的焓值h_out；依据 min(W_comp)＝min(f(m_w2,T_{w_in},h_in,m_air,m_w,h_out))计算出冷却水经过冷凝器的流量m_w2；冷却水预冷新风的流量m_w1＝m_w-m_w2；其中，W_comp为压缩机的能耗。

进一步地，所述方法还包括：每间隔设定时间T重新计算一下压缩机在低能耗值时流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量，然后再重新调节所述制冷系统阀体的开度。

本发明提供一种控制装置，包括：检测模块，用于检测所述压缩制冷系统的制冷相关参数；计算模块，用于依据所述制冷相关参数计算压缩机在低能耗值时流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量；控制模块，用于控制所述制冷系统阀体的开度以调节流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量。

进一步地，还包括：计时模块，用于计时，以实现所述计算模块每间隔设定时间T重新计算压缩机在低能耗值时流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量。

进一步地，所述检测模块包括：冷却水水温检测模块，用于检测冷却水供温水温T_{w_in}；水却水流量检测模块，用于检测冷却水总流量m_w；送风焓值检测模块，用于检测送风换热前的焓值h_in以及送风经蒸发器与冷媒换热后的焓值 h_out；送风量检测模块，用于检测送风风量m_air。

一种用以执行所述的制冷方法的压缩制冷系统，包括：压缩机、蒸发器以及水冷冷凝器，还包括预换热器，所述预换热器与所述压缩制冷系统的冷却水供水管路相连接，所述预换热器设置在所述蒸发器的一侧以使气流经过所述预换热器设置后流向所述蒸发器。

进一步地，所述压缩制冷系统为矿井用压缩制冷系统。

本发明提供了一种制冷系统的制冷方法，方法包括：控制冷却水输向压缩制冷系统的冷凝器，以用于与冷凝器的冷媒换热；控制冷却水输向预换热器，以用于对流向压缩制冷系统蒸发器的新风进行预冷却。矿井下的压缩制冷系统的冷凝器通常需要冷却水来进行冷却，与此同时，由于井下空气温度过高，可以采用本发明提供的制冷方法，使用冷却水对流经蒸发器的送风进行预冷，可以有效降低制冷系统的能耗。

本发明优选技术方案至少还可以产生如下技术效果：

通过控制流向冷凝器和预换热器冷却水的比例，以降低制冷系统压缩机的能耗，调整经过冷凝器以及预换热器的冷却水流量，使得机组在总冷量满足总负荷的前提下，降低机组总能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明实施例提供的矿井结构位置的示意图；

图2是本发明实施例提供的矿井下冷却风道和冷却水流向的示意图；

图3是本发明实施例提供的压缩制冷系统的连接原理图；

图4是本发明实施例提供的压缩制冷系统在某一工况下制冷机组和冷却水系统的换热温度。

图中1-压缩机；2-冷凝器；3-蒸发器；4-预换热器；5-风机；6-膨胀阀； 7-压缩制冷系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1：

本发明提供了一种制冷系统的制冷方法，方法包括：

控制冷却水输向压缩制冷系统的冷凝器2，以用于与冷凝器2的冷媒换热；

控制冷却水输向预换热器4，以用于对流向压缩制冷系统蒸发器3的新风进行预冷却。

矿井下的压缩制冷系统的冷凝器通常需要冷却水来进行冷却，与此同时，由于井下空气温度过高，可以采用本发明提供的制冷方法，使用冷却水对流经蒸发器的送风进行预冷，可以有效降低制冷系统的能耗。

参见图1，简单示意出了一种矿井结构，矿井深度约为1000米，从地面引下的冷却水水温在30℃左右，由于重力势能的作用，到井下会形成很高的水压，因此可以克服流经换热器(预换热器和冷凝器)的阻力。

井下的冷却风道和冷却水流向如图2所示。输送到井下的高压冷却水和新风首先经过制冷系统，新风被冷却，冷却水的水压大幅降低。然后新风和低压冷却水都被送到矿井煤采掘面，向井下补充新风、提供冷量，冷却水可被井下作业使用。

关于预换热器4，预换热器4设置在压缩制冷系统蒸发器3的一侧，在风机5的作用下，新风先经过预换热器4，预换热器4对新风进行预冷却，然后流向蒸发器3。

作为可选地实施方式，方法包括：通过控制流向冷凝器2和预换热器3冷却水的比例，以降低制冷系统压缩机的能耗。冷却水的循环系统如图3所示。一部分冷却水通过预换热器4，对送风进行预冷，另一部分冷却水通过冷凝器2，对冷凝器2中的冷媒进行冷却。调整经过冷凝器2以及预换热器4的冷却水流量，使得机组在总冷量满足总负荷的前提下，降低机组总能耗。

通过控制流向冷凝器2和预换热器3冷却水的比例，具体如下：检测压缩制冷系统的制冷相关参数；依据制冷相关参数计算压缩机在低能耗值时流向冷凝器和预换热器的冷却水流量；控制制冷系统阀体的开度以调节流向冷凝器和预换热器的冷却水流量。

关于依据制冷相关参数计算压缩机在低能耗值时流向冷凝器和预换热器的冷却水流量，具体说明如下：检测制冷相关参数包括冷却水供温水温(℃)T_{w_in}、送风换热前的焓值(kJ/kg)h_in、送风风量(kg/s)m_air、冷却水总流量(kg/s) m_w以及送风经蒸发器与冷媒换热后的焓值(kJ/kg)h_out；依据 min(W_comp)＝min(f(m_w2,T_{w_in},h_in,m_air,m_w,h_out))计算出冷却水经过冷凝器的流量(kg/s)m_w2；冷却水预冷新风的流量(kg/s)m_w1＝m_w-m_w2；其中，W_comp为压缩机的能耗。

关于min(W_comp)＝min(f(m_w2,T_{w_in},h_in,m_air,m_w,h_out))，W_comp与m_w2之间存在函数关系，在W_comp最小值的情况下，计算却水经过冷凝器的流量m_w2的值，利用m_w2和m_w计算出冷却水预冷新风的流量m_w1。

W_comp与m_w2之间的函数关系，具体解释如下：

冷却水预冷新风提供的冷量(KW)Q₁＝f(m_w1,T_{w_in},h_m,m_air)①；

新风与冷却水换热后、与冷媒换热前的焓值(kJ/kg)h_m＝f(m_w1,T_{w_in},h_in,m_air) ②；

蒸发器中冷媒提供的冷量(KW)Q₂＝m_air(h_in-h_out)-Q₁ ③；

冷却水预冷新风的流量(kg/s)m_w1＝m_w-m_w2 ④；

变频压缩机能耗(KW)W_comp＝f(T_E,T_c,n) ⑤；

冷媒的质量流量(kg/s)m_ref＝f(T_E,T_c,n) ⑥；

蒸发器中冷媒提供的冷量(KW)Q₂＝f(T_E,T_c,n) ⑦；

冷凝器中冷媒释放的冷量(KW)Q₃＝Q₂+W_comp ⑧；

蒸发器中冷媒提供的冷量(KW)Q₂＝f(m_ref,T_E,h_m,m_air) ⑨；

冷凝器中冷媒释放的冷量(KW)Q₃＝f(m_ref,T_c,T_{w_in},m_w2) ⑩。

依据公式①-⑩，可以计算出W_comp与m_w2的关系式， W_comp＝f(m_w2,T_{w_in},h_in,m_air,m_w,h_out)，在W_comp最小值的情况下，计算却水经过冷凝器的流量m_w2的值，利用m_w2和m_w计算出冷却水预冷新风的流量m_w1。

制冷方法还包括：每间隔设定时间T重新计算一下压缩机在低能耗值时流向冷凝器2和预换热器4的冷却水流量，然后再重新调节制冷系统阀体的开度。设定时间T可以为1～2小时。首先，机组开机时，该优化控制器就要运行一次，来把调节阀门开度调整到最佳位置。然后，由于新风温度、冷却水供水温度等会随时间不断变化，因此，优化控制器每隔T小时就要运行一次，每一次都重新调整调节阀门的开度。

本发明利用了输送至井下的冷却水的冷却能力，对制冷系统的冷凝器2进行冷却，同时对流经蒸发器3的送风进行预冷。并且，本专利发明设计了自动控制策略，分配流经冷凝器2的冷却水流量，在满足送风冷负荷的条件下，降低压缩机1的电机转速，使得压缩机1在更低能耗的工况下运行，节约系统能耗。

参见图4，为制冷系统在某一工况下制冷机组和冷却水系统的换热温度：

冷却水的供水水温在30℃左右；

通过调节阀的冷却水流经冷凝器2，冷凝器2中冷媒的温度为37℃，有较大的换热温差可以对冷媒进行冷却，冷却水流出冷凝器2的温度在35℃左右；

其余部分冷却水流经蒸发器3，送风经过蒸发器风机前的温度是32℃，送风经过蒸发器风机后的温度在37℃左右，因此冷却水在蒸发器3中有7℃的换热温差，根据调节阀的开度不同，冷却水流出蒸发器3的温度在34～35℃之间，送风经过预冷后的温度在32～33℃左右。由于目标送风温度为10℃，因此不能仅通过预冷达到，送风还需要经过蒸发器被冷媒冷却。

实施例2：

一种控制装置，包括：检测模块，用于检测压缩制冷系统的制冷相关参数；计算模块，用于依据制冷相关参数计算压缩机在低能耗值时流向冷凝器和预换热器的冷却水流量；控制模块，用于控制制冷系统阀体的开度以调节流向冷凝器和预换热器的冷却水流量。

检测模块包括：冷却水水温检测模块，用于检测冷却水供温水温T_{w_in}；

水却水流量检测模块，用于检测冷却水总流量m_w；

送风焓值检测模块，用于检测送风换热前的焓值h_in以及送风经蒸发器与冷媒换热后的焓值h_out；

送风量检测模块，用于检测送风风量m_air。

关于依据制冷相关参数计算压缩机在低能耗值时流向冷凝器和预换热器的冷却水流量，具体说明如下：检测制冷相关参数包括冷却水供温水温T_{w_in}、送风换热前的焓值h_in、送风风量m_air、冷却水总流量m_w以及送风经蒸发器与冷媒换热后的焓值h_out；依据min(W_comp)＝min(f(m_w2,T_{w_in},h_in,m_air,m_w,h_out))计算出冷却水经过冷凝器的流量m_w2；冷却水预冷新风的流量m_w1＝m_w-m_w2；其中， W_comp为压缩机的能耗。

关于min(W_comp)＝min(f(m_w2,T_{w_in},h_in,m_air,m_w,h_out))，W_comp与m_w2之间存在函数关系，在W_comp最小值的情况下，计算却水经过冷凝器的流量m_w2的值，利用m_w2和m_w计算出冷却水预冷新风的流量m_w1。

作为可选地实施方式，还包括：计时模块，用于计时，以实现计算模块每间隔设定时间T重新计算压缩机在低能耗值时流向冷凝器和预换热器的冷却水流量。设定时间T可以为1～2小时。首先，机组开机时，该优化控制器就要运行一次，来把调节阀门开度调整到最佳位置。然后，由于新风温度、冷却水供水温度等会随时间不断变化，因此，优化控制器每隔T小时就要运行一次，每一次都重新调整调节阀门的开度。

实施例3：

一种用以执行制冷方法的压缩制冷系统，压缩制冷系统为矿井用压缩制冷系统，包括：压缩机、蒸发器以及水冷冷凝器，还包括预换热器，预换热器与压缩制冷系统的冷却水供水管路相连接，预换热器设置在蒸发器的一侧以使气流经过预换热器设置后流向蒸发器。矿井下的压缩制冷系统的冷凝器通常需要冷却水来进行冷却，与此同时，由于井下空气温度过高，可以采用本发明提供的制冷方法，使用冷却水对流经蒸发器的送风进行预冷，可以有效降低制冷系统的能耗。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种制冷系统的制冷方法，其特征在于，所述方法包括：

控制冷却水输向压缩制冷系统的冷凝器，以用于与所述冷凝器的冷媒换热；

控制冷却水输向预换热器，以用于对流向压缩制冷系统蒸发器的新风进行预冷却。

2.根据权利要求1所述的制冷系统的制冷方法，其特征在于，所述方法包括：

通过控制流向所述冷凝器和所述预换热器冷却水的比例，以降低所述制冷系统压缩机的能耗。

3.根据权利要求2所述的制冷系统的制冷方法，其特征在于，所述通过控制流向所述冷凝器和所述预换热器冷却水的比例，具体如下：

检测所述压缩制冷系统的制冷相关参数；

依据所述制冷相关参数计算压缩机在低能耗值时流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量；

控制所述制冷系统阀体的开度以调节流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量。

4.根据权利要求3所述的制冷系统的制冷方法，其特征在于，关于所述依据所述制冷相关参数计算压缩机在低能耗值时流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量，具体说明如下：

检测所述制冷相关参数包括冷却水供温水温T_{w_in}、送风换热前的焓值h_in、送风风量m_air、冷却水总流量m_w以及送风经蒸发器与冷媒换热后的焓值h_out；

依据min(W_comp)＝min(f(m_w2,T_{w_in},h_in,m_air,m_w,h_out))计算出冷却水经过冷凝器的流量m_w2；

冷却水预冷新风的流量m_w1＝m_w-m_w2；

其中，W_comp为压缩机的能耗。

5.根据权利要求3所述的制冷系统的制冷方法，其特征在于，所述方法还包括：

每间隔设定时间T重新计算一下压缩机在低能耗值时流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量，然后再重新调节所述制冷系统阀体的开度。

6.一种控制装置，其特征在于，包括：

检测模块，用于检测所述压缩制冷系统的制冷相关参数；

计算模块，用于依据所述制冷相关参数计算压缩机在低能耗值时流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量；

控制模块，用于控制所述制冷系统阀体的开度以调节流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，还包括：

计时模块，用于计时，以实现所述计算模块每间隔设定时间T重新计算压缩机在低能耗值时流向所述冷凝器和所述预换热器的冷却水流量。

8.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述检测模块包括：

冷却水水温检测模块，用于检测冷却水供温水温T_{w_in}；

水却水流量检测模块，用于检测冷却水总流量m_w；

送风焓值检测模块，用于检测送风换热前的焓值h_in以及送风经蒸发器与冷媒换热后的焓值h_out；

送风量检测模块，用于检测送风风量m_air。

9.一种用以执行权利要求1-5中任一项所述的制冷方法的压缩制冷系统，包括：压缩机、蒸发器以及水冷冷凝器，其特征在于，还包括预换热器，所述预换热器与所述压缩制冷系统的冷却水供水管路相连接，所述预换热器设置在所述蒸发器的一侧以使气流经过所述预换热器设置后流向所述蒸发器。

10.根据权利要求9所述的压缩制冷系统，其特征在于，所述压缩制冷系统为矿井用压缩制冷系统。

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