CN115031422A - 可调循环浓度及压力的混合工质节流制冷系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调循环浓度及压力的混合工质节流制冷系统及控制方法，该系统包括压缩机、冷凝器、回热器、毛细管、蒸发器、设有液位传感器的储液器、四个电磁阀和四个第一止回阀；该系统在压缩机和冷凝器之间、回热器和毛细管之间分别引出一条支路通向储液器中，一方面可以降低系统启动初期的排气压力，另外一方面，进入储液器中的两股流体混合后会分离出富含低沸点组分的制冷剂蒸气或者富含高沸点组分的制冷剂液体，通过控制储液器中的气体或液体进入制冷循环，可以达到调节制冷剂循环浓度的目的；本发明还提供了该系统的控制方法，通过压缩机进出口压力以及储液器液位调节四个电磁阀的开关，以保证混合工质节流制冷系统的高效、可靠运行。

Description

可调循环浓度及压力的混合工质节流制冷系统及控制方法
技术领域
本发明属于制冷与低温技术领域，具体涉及一种应用于低温冰箱或冷柜的可 调循环浓度及压力的低温非共沸混合工质节流制冷系统及控制方法。
背景技术
在生物工程、医疗、科研、远洋渔业等诸多领域，低温冰箱或冷柜被用于制 备低温环境及储存物质。近年来，随着科技的日益进步，低温冷柜产品需求量逐 年上升。疫苗的低温保存及运输需求极大地拉动了低温冰箱或冷柜的发展。目前 市场上常见的低温冰箱或冷柜规格有-40℃，-60℃，-86℃，-135℃，-153℃等。 为了获得-40℃以下的低温环境，可采用的制冷系统包括两级或多级压缩制冷系 统、外复叠制冷系统、自复叠制冷系统以及混合工质节流制冷系统。其中混合工 质节流制冷系统结构简单，制造成本大幅度降低，为冷柜的规模化生产奠定了基 础；此外，混合工质节流制冷系统灵活性较高，可以通过充注不同的混合工质以 获取不同的制冷温度。然而，在制取较低的温度时，混合工质节流制冷系统还存 在启动压力过高、制冷效率低等问题，而影响制冷效率的一个重要因素是混合工 质的循环浓度。因此，通过调节低温非共沸混合工质节流制冷系统的工质循环浓 度及压力，可以在一定程度上提高系统能效以及运行可靠性。
发明内容
针对上述现有混合工质节流制冷系统存在的缺陷和不足，本发明提供一种用 于低温冰箱或冷柜的可调循环浓度及压力的低温非共沸混合工质节流制冷系统 及控制方法，相较于常规混合工质节流制冷系统，本系统中增设了带有液位传感 器的储液器、控制流路通断的电磁阀以及控制流向的单向阀，将压缩机出口的部 分高温高压气体以及节流元件入口的部分低温高压液体引入储液器中，并将储液 器中分离出的富含低沸点组分的制冷剂蒸气或者富含高沸点组分的制冷剂液体 引出至冷凝器出口，从而改变制冷循环浓度。通过压缩机进出口的压力传感器以 及储液器中的液位传感器来控制电磁阀的开关，达到调节制冷剂循环浓度以及系 统压力，进而改善混合工质节流制冷系统能效并提升系统运行可靠性的目的。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
可调循环浓度及压力的混合工质节流制冷系统，包括压缩机101、冷凝器102、 回热器103、毛细管104、蒸发器105、设有液位传感器的储液器106、第一电磁 阀107、第一止回阀108、第二止回阀109、第二电磁阀110、第三电磁阀111、 第三止回阀112、第四电磁阀113和第四止回阀114；所述压缩机101出口分为 两路，一路与冷凝器102入口相连，另一路经过第一止回阀108、第一电磁阀107 后与设有液位传感器的储液器106入口一相连；储液器106上部气相出口经过第 三电磁阀111、第三止回阀112后与冷凝器102出口相接，下部液相出口经过第 四电磁阀113、第四止回阀114后与冷凝器102出口相接，之后与回热器103热 流侧入口相连；回热器103热流侧出口分为两路，一路经过第二止回阀109、第 二电磁阀110后与储液器106入口二相连，另一路经过毛细管104、蒸发器105、 回热器103冷流侧后与压缩机101入口相连；压缩机101入口与出口分别设置了 压力测点，两个压力测点的压力传感器及储液器106中的液位传感器与控制模块 的输入端相接；控制模块的输出端与第一电磁阀107、第二电磁阀110、第三电 磁阀111、第四电磁阀113相接；控制模块将接收到的两个压力信号和一个液位 信号分别输出至四个电磁阀的驱动机构，以控制四个电磁阀的开关。
所述压缩机101出口其中一路经过第一止回阀108、第一电磁阀107后与储 液器106入口相连，同时所述回热器103热流侧出口与毛细管104入口之间分出 一路，经过第二止回阀109、第二电磁阀110后与储液器106入口相连；进入储 液器106中的两股流体混合后，气相制冷剂中的低沸点组分增加，高沸点组分减 少，液相制冷剂中的高沸点组分增加，低沸点组分减少。
所述储液器106上部气相出口经过第三电磁阀111、第三止回阀112后与冷 凝器102出口相连，下部液相出口经过第四电磁阀113、第四止回阀114后与冷 凝器102出口相连；通过调节第三电磁阀111和第四电磁阀113的开关来控制储 液器106中富含低沸点组分的气相制冷剂或富含高沸点组分的液相制冷剂进入制 冷循环管路，从而达到调节制冷剂循环浓度的目的。
所述的可调循环浓度及压力的混合工质节流制冷系统的控制方法，系统开始 运行前，第一电磁阀107、第二电磁阀110、第三电磁阀111、第四电磁阀113均 关闭，系统开始运行后，控制模块接收压缩机101入口压力传感器和出口压力传 感器分别测得的压缩机入口压力P1和压缩机出口压力P2以及储液器106中的液 位传感器测得的储液器液位z；当压缩机出口压力P2超过设定的压缩机最高排气 压力P2,max时，控制模块控制第一电磁阀107打开，压缩机101出口的部分高温 高压的非共沸混合制冷剂蒸气进入储液器106中，直到压缩机出口压力P2低于 设定的压缩机最低排气压力P2,min时，控制模块控制第一电磁阀107关闭；当储 液器液位z低于设定的最低液位zmin时，控制模块控制第二电磁阀110打开，回 热器103热流侧出口的部分低温高压的非共沸混合制冷剂过冷液进入储液器106 中，直到储液器液位z超出设定的储液器最高液位zmax时，控制模块控制第二电 磁阀110关闭；预期最优的循环浓度所对应的蒸发压力为Pe，设定偏差值为ΔP； 当压缩机入口压力P1低于Pe-ΔP时，控制模块控制第三电磁阀111打开，第四电 磁阀113关闭，储液器106中富含低沸点组分的非共沸混合制冷剂蒸气进入制冷 系统中，制冷系统中低沸点组分的循环浓度升高，制冷系统压力提升；当压缩机 入口压力P1超过Pe+ΔP时，控制模块控制第三电磁阀111关闭，第四电磁阀113 打开，储液器106中富含高沸点组分的非共沸混合制冷剂液体进入制冷系统中， 制冷系统中高沸点组分的循环浓度升高，制冷系统压力降低；当Pe-ΔP≤P1≤Pe+ΔP时，控制模块控制第三电磁阀111和第四电磁阀113关闭。
相对于常规的非共沸混合工质节流制冷系统，本发明提出的可调循环浓度及 压力的非共沸混合工质节流制冷系统具有以下优势：
(1)该系统引入了储液器，当压缩机排气压力过高时，压缩机出口的部分 高温高压蒸气可进入储液器中，降低排气压力，系统运行可靠性得到提升。
(2)该系统将回热器热流侧出口的部分过冷液引入储液器中，与储液器中 来自压缩机出口的蒸气混合，混合后的气相制冷剂中低沸点组分增多，液相制冷 剂中高沸点组分增多，通过储液器出口的两个电磁阀控制气相或液相制冷剂进入 制冷循环，进而改变制冷系统中非共沸混合制冷剂的循环浓度，使循环浓度控制 在预期范围内以保证系统的高效运行。
附图说明
图1是本发明的制冷系统示意图。
图2是本发明的控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案和优点更加明了，下面结合附图进一步对本发明作 详细说明。
如图1所示，本发明是一种可调循环浓度及压力的混合工质节流制冷系统， 包括压缩机101、冷凝器102、回热器103、毛细管104、蒸发器105、设有液位 传感器的储液器106、第一电磁阀107、第一止回阀108、第二止回阀109、第二 电磁阀110、第三电磁阀111、第三止回阀112、第四电磁阀113和第四止回阀114； 所述压缩机101出口分为两路，一路与冷凝器102入口相连，另一路经过第一止 回阀108、第一电磁阀107后与设有液位传感器的储液器106入口一相连；储液 器106上部气相出口经过第三电磁阀111、第三止回阀112后与冷凝器102出口 相接，下部液相出口经过第四电磁阀113、第四止回阀114后与冷凝器102出口 相接，之后与回热器103热流侧入口相连；回热器103热流侧出口分为两路，一 路经过第二止回阀109、第二电磁阀110后与储液器106入口二相连，另一路经 过毛细管104、蒸发器105、回热器103冷流侧后与压缩机101入口相连；压缩 机101入口与出口分别设置了压力测点，两个压力测点的压力传感器及储液器 106中的液位传感器与控制模块的输入端相接；控制模块的输出端与第一电磁阀 107、第二电磁阀110、第三电磁阀111、第四电磁阀113相接；控制模块将接收 到的两个压力信号和一个液位信号分别输出至四个电磁阀的驱动机构，以控制四 个电磁阀的开关。
所述压缩机101出口其中一路经过第一止回阀108、第一电磁阀107后与储 液器106入口相连；对于容积固定的制冷系统，在启动初期制冷系统内气态工质 多，通过毛细管的能力差，导致压缩机排气压力过高，容易损坏压缩机；因此在 启动初期压缩机101排气压力过高时，第一电磁阀107打开，一部分高温高压非 共沸混合制冷剂蒸气进入储液器106中，降低压缩机排气压力，提升系统运行可 靠性。
所述回热器103热流侧出口与毛细管104入口之间分出一路，经过第二止回 阀109、第二电磁阀110后与储液器106入口相连；回热器103热流侧出口部分 低温高压非共沸混合制冷剂过冷液进入储液器106中，与上述从压缩机101出口 流向储液器106中的部分高温高压非共沸混合制冷剂蒸气混合；两股流体在储液 器106中进行热质交换后，气相制冷剂中的低沸点组分增加，高沸点组分减少， 液相制冷剂中的高沸点组分增加，低沸点组分减少。
所述储液器106上部气相出口经过第三电磁阀111、第三止回阀112后与冷 凝器102出口相连，下部液相出口经过第四电磁阀113、第四止回阀114后与冷 凝器102出口相连；当第三电磁阀111打开、第四电磁阀113关闭时，储液器106 中富含低沸点组分的气相制冷剂会进入制冷循环管路，使得制冷系统中混合制冷 剂的低沸点组分循环浓度增加；当第四电磁阀113打开、第三电磁阀111关闭时， 储液器106中富含高沸点组分的液相制冷剂会进入制冷循环管路，使得制冷系统 中混合制冷剂的高沸点组分循环浓度增加；而制冷系统压力可以在一定程度上反 应非共沸混合工质的循环浓度，当非共沸混合工质中低沸点组分的循环浓度升高 时，制冷系统压力升高，因此通过蒸发压力来控制储液器106出口第三电磁阀111 和第四电磁阀113的开关，进而控制制冷剂循环浓度，使循环浓度控制在预期范围内以保证系统的高效运行。
图2为本发明的控制方法的流程图，系统中四个电磁阀的开关控制方法为： 系统开始运行前，第一电磁阀107、第二电磁阀110、第三电磁阀111、第四电磁 阀113均关闭，系统开始运行后控制模块接收压缩机101入口压力传感器和出口 压力传感器分别测得的压缩机入口压力P1和压缩机出口压力P2以及储液器106 中的液位传感器测得的储液器液位z；当压缩机出口压力P2超过设定的压缩机最 高排气压力P2,max时，控制模块控制第一电磁阀107打开，压缩机101出口的部 分高温高压的非共沸混合制冷剂蒸气进入储液器106中，直到压缩机出口压力 P2低于设定的压缩机最低排气压力P2,min时，控制模块控制第一电磁阀107关闭； 当储液器液位z低于设定的最低液位zmin时，控制模块控制第二电磁阀110打开，回热器103热流侧出口的部分低温高压的非共沸混合制冷剂过冷液进入储液器 106中，直到储液器液位z超出设定的储液器最高液位zmax时，控制模块控制第 二电磁阀110关闭；来自压缩机出口的部分非共沸混合制冷剂蒸气与来自回热器 103热流侧出口的部分非共沸混合制冷剂过冷液在储液器106中混合，进行热质 交换后，储液器106中的气相制冷剂中会富含低沸点组分，液相制冷剂会富含高 沸点组分；预期最优的循环浓度所对应的蒸发压力为Pe，设定偏差值为ΔP；当 压缩机入口压力P1低于Pe-ΔP时，控制模块控制第三电磁阀111打开，第四电磁 阀113关闭，储液器106中富含低沸点组分的非共沸混合制冷剂蒸气进入制冷系 统中，制冷系统中低沸点组分的循环浓度升高，制冷系统压力提升；当压缩机入 口压力P1超过Pe+ΔP时，控制模块控制第三电磁阀111关闭，第四电磁阀113 打开，储液器106中富含高沸点组分的非共沸混合制冷剂液体进入制冷系统中， 制冷系统中高沸点组分的循环浓度升高，制冷系统压力降低；当Pe-ΔP≤P1≤Pe+ΔP 时，控制模块控制第三电磁阀111和第四电磁阀113关闭。

Claims (4)

1.一种可调循环浓度及压力的混合工质节流制冷系统，其特征在于：包括压缩机(101)、冷凝器(102)、回热器(103)、毛细管(104)、蒸发器(105)、设有液位传感器的储液器(106)、第一电磁阀(107)、第一止回阀(108)、第二止回阀(109)、第二电磁阀(110)、第三电磁阀(111)、第三止回阀(112)、第四电磁阀(113)和第四止回阀(114)；所述压缩机(101)出口分为两路，一路与冷凝器(102)入口相连，另一路经过第一止回阀(108)、第一电磁阀(107)后与设有液位传感器的储液器(106)入口一相连；储液器(106)上部气相出口经过第三电磁阀(111)、第三止回阀(112)后与冷凝器(102)出口相接，下部液相出口经过第四电磁阀(113)、第四止回阀(114)后与冷凝器(102)出口相接，之后与回热器(103)热流侧入口相连；回热器(103)热流侧出口分为两路，一路经过第二止回阀(109)、第二电磁阀(110)后与储液器(106)入口二相连，另一路经过毛细管(104)、蒸发器(105)、回热器(103)冷流侧后与压缩机(101)入口相连；压缩机(101)入口与出口分别设置了压力测点，两个压力测点的压力传感器及储液器(106)中的液位传感器与控制模块的输入端相接；控制模块的输出端与第一电磁阀(107)、第二电磁阀(110)、第三电磁阀(111)、第四电磁阀(113)相接；控制模块将接收到的两个压力信号和一个液位信号分别输出至四个电磁阀的驱动机构，以控制四个电磁阀的开关。
2.根据权利要求1所述的一种可调循环浓度及压力的混合工质节流制冷系统，其特征在于，所述压缩机(101)出口其中一路经过第一止回阀(108)、第一电磁阀(107)后与储液器(106)入口相连，同时所述回热器(103)热流侧出口与毛细管(104)入口之间分出一路，经过第二止回阀(109)、第二电磁阀(110)后与储液器(106)入口相连；进入储液器(106)中的两股流体混合后，气相制冷剂中的低沸点组分增加，高沸点组分减少，液相制冷剂中的高沸点组分增加，低沸点组分减少。
3.根据权利要求1所述的一种可调循环浓度及压力的混合工质节流制冷系统，其特征在于，所述储液器(106)上部气相出口经过第三电磁阀(111)、第三止回阀(112)后与冷凝器(102)出口相连，下部液相出口经过第四电磁阀(113)、第四止回阀(114)后与冷凝器(102)出口相连；通过调节第三电磁阀(111)和第四电磁阀(113)的开关来控制储液器(106)中富含低沸点组分的气相制冷剂或富含高沸点组分的液相制冷剂会进入制冷循环管路，从而达到调节制冷剂循环浓度的目的。
4.权利要求1至3任一项所述的可调循环浓度及压力的混合工质节流制冷系统的控制方法，系统开始运行前，第一电磁阀(107)、第二电磁阀(110)、第三电磁阀(111)、第四电磁阀(113)均关闭，系统开始运行后，控制模块接收压缩机(101)入口压力传感器和出口压力传感器分别测得的压缩机入口压力P1和压缩机出口压力P2以及储液器(106)中的液位传感器测得的储液器液位z；当压缩机出口压力P2超过设定的压缩机最高排气压力P2,max时，控制模块控制第一电磁阀(107)打开，压缩机(101)出口的部分高温高压的非共沸混合制冷剂蒸气进入储液器(106)中，直到压缩机出口压力P2低于设定的压缩机最低排气压力P2,min时，控制模块控制第一电磁阀(107)关闭；当储液器液位z低于设定的最低液位zmin时，控制模块控制第二电磁阀(110)打开，回热器(103)热流侧出口的部分低温高压的非共沸混合制冷剂过冷液进入储液器(106)中，直到储液器液位z超出设定的储液器最高液位zmax时，控制模块控制第二电磁阀(110)关闭；预期最优的循环浓度所对应的蒸发压力为Pe，设定偏差值为ΔP；当压缩机入口压力P1低于Pe-ΔP时，控制模块控制第三电磁阀(111)打开，第四电磁阀(113)关闭，储液器(106)中富含低沸点组分的非共沸混合制冷剂蒸气进入制冷系统中，制冷系统中低沸点组分的循环浓度升高，制冷系统压力提升；当压缩机入口压力P1超过Pe+ΔP时，控制模块控制第三电磁阀(111)关闭，第四电磁阀(113)打开，储液器(106)中富含高沸点组分的非共沸混合制冷剂液体进入制冷系统中，制冷系统中高沸点组分的循环浓度升高，制冷系统压力降低；当Pe-ΔP≤P1≤Pe+ΔP时，控制模块控制第三电磁阀(111)和第四电磁阀(113)关闭。
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