CN116678130A - 一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，包括压缩机、蒸发器A、B、冷凝器A、B、节流元件A、B、C，压缩机出口有两路，一路连接第一电磁阀和冷凝器A，另一路连接第二电磁阀和冷凝器B，冷凝器A、B汇合后连接储液器、干燥过滤器、视镜后分为3路，3路分别连接节流元件A、B、C进口，节流元件C出口并联第三、第四、第五电磁阀进口，第三电磁阀出口与节流元件A出口汇合后接入蒸发器A进口，第四电磁阀出口与节流元件B出口汇合后接入蒸发器B进口，第五电磁阀出口与蒸发器A、B出口汇合后接入气液分离器进口，气液分离器出口连接压缩机。本发明可通过小压比工作模式，实现产品节能运行。
Description
技术领域
本发明涉及制冷系统领域，具体是一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统。
背景技术
随着电子设备和装备的快速发展，人们对传统压缩机制冷的要求越来越高，如适应更宽的环境温度，更安全、可靠、省电的运行模式，来满足空调和冷液设备的迭代发展。当前，单路循环的蒸汽压缩制冷系统已非常普遍，加上无级调速风机、直流变频或分档高效压缩机，使制冷系统的快速响应、控制和节能运行达到了一定水平，但在压缩机低转速（低排量）下，系统内部的回油成为一个绕不开的技术问题，如制冷剂在管内气态流速较低（<5 m/s）时，压缩机油通常会分离出来，无法返回到压缩机，出现缺油故障，于是人们想到许多办法，如增设回油弯（或油压锁）、双回气管等措施。随着产品制冷能力的加大，如几十千瓦到几兆瓦，当送风温度或供液温度接近设定温度时，或负荷变小时，压缩机自然会切换到低频或低档（如排量降到额定排量的25%～50%）运行，相对体量较大的冷凝器和蒸发器，若此时仍采用整体换热，则出现缺油或回油白沫化等问题就会激增，所以行业内也有通过软件控制使压缩机有一个升速回油的工作模式或干脆避开低速区，但由此带来较大的温度波动。
普通空调一般压缩比在3～8之间，但在低环境温度条件下应用小压比（如压缩比≤1.3）技术，以代替热管循环或空－空换热，即采用原有的制冷系统，将压缩机转为小压比工作模式，这时压缩机只提供制冷剂气体流动所需的动力，充分利用室外自然冷源实现节能运行，其能效比高达7.0～20。我们知道，环境温度越低，原有冷凝器的换热面积越会过剩，压缩机也会存在调速或换档，同样会面临回油问题。另外，提供小压比意味着节流元件需要在小压差作用下提供更多的流量，原节流元件通常无法满足流量要求。
如何将制冷循环更有效地对应外部环境变化和负载负荷变化，结合模块化发展方向，将冷凝器和蒸发器分组控制，并通过增加一些控制阀件，实现制冷系统真正宽温域的可靠运行，值得尝试。
发明内容
本发明提供了一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，以解决现有技术存在的小压比下难以实现宽温域可靠运行的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，包括压缩机、蒸发器A、蒸发器B、冷凝器A、冷凝器B、节流元件A、节流元件B、节流元件C、储液器、干燥过滤器、视镜、气液分离器，其中：
所述冷凝器A、冷凝器B相互独立，冷凝器A配置有冷凝风机A，冷凝器B配置有冷凝风机B；
所述蒸发器A、蒸发器B为同一双回路换热器中的两个不同换热通道，用于冷液设备送冷液；或者蒸发器A、蒸发器B相互独立并共用蒸发风机和风道，用于空调送冷风；
所述压缩机出口并联连接有2路管路，压缩机出口第1路管路通过第一电磁阀连接冷凝器A进口，压缩机出口第2路管路通过第二电磁阀连接冷凝器B进口，冷凝器A和冷凝器B出口合并后依次通过储液器、干燥过滤器连接视镜进口；所述视镜出口并联连接3路管路，视镜出口第1路管路连接节流元件A进口，视镜出口第2路连接节流元件B进口，视镜出口第3路连接节流元件C进口，节流元件C出口并联连接第三电磁阀进口、第四电磁阀进口、第五电磁阀进口，其中第三电磁阀出口与节流元件A出口汇合后再连接蒸发器A进口，第四电磁阀出口与节流元件B出口汇合后再连接蒸发器B进口，第五电磁阀出口与蒸发器A出口、蒸发器B出口汇合后再连接气液分离器进口，所述气液分离器出口连接所述压缩机进口。
进一步的，蒸发器A、蒸发器B的换热面积比为2.5:7.5至1:1之间；冷凝器A、冷凝器B的换热面积比为2.5:7.5至1:1之间。
进一步的，用于空调送风时，蒸发器A、蒸发器B、冷凝器A、冷凝器B均为紫铜管翅片式换热器或微通道换热器。
进一步的，节流元件A、节流元件B和节流元件C均为电子膨胀阀、或电子控制阀、或者电磁阀、或者热力膨胀阀。
进一步的，所述压缩机为变排量压缩机。
进一步的，所述冷凝器A、冷凝器B细分为若干模块，分为若干模块时每个模块均配置冷凝风机。
进一步的，所述储液器和气液分离器中分别设有辅助电加热。
进一步的，所述气液分离器采用双回气结构。
进一步的，所述第一电磁阀、第二电磁阀为常开，所述第三电磁阀、第四电磁阀和第五电磁阀为常闭。
本发明可依据常温、高温和低温不同工况可选择相适应的工作模式，包括：
常温工况下，负荷大时用2组蒸发器和2组冷凝器一起工作，负荷小时用其中1组蒸发器和1组冷凝器工作；
高温工况下，用1组蒸发器和2组冷凝器作为高温启动模式，启动后负荷大时用2组蒸发器和2组冷凝器一起工作，负荷小时用其中1组蒸发器和1组冷凝器工作，且压缩机过热过载时开启节流元件C和第五电磁阀进行喷液冷却；
低温工况下，负荷大时用2组蒸发器和2组冷凝器一起工作，负荷小时用其中1组蒸发器和1组冷凝器工作，同时开启节流元件C及相应的第三电磁阀和（或）第四电磁阀，进入小压比工作模式。
本发明中，节流元件C和第三电磁阀开启，可与节流元件A并联或独立工作，为蒸发器A提供小压比模式；节流元件C和第四电磁阀开启，可与节流元件B并联或独立工作，为蒸发器B提供小压比模式；系统压缩比为冷凝侧P1与蒸发侧P2的比值，小压比一般为1.05～1.8。
与现有技术相比，本发明优点为：
1、本发明利用2组蒸发器、2组冷凝器、3组节流元件和5组电磁阀，实现常温、高温和低温工况下、不同负荷下的不同制冷运行模式，使蒸发器、冷凝器与压缩机更为匹配，系统性能更优。
2、本发明低温工况下，通过小压比工作模式，实现节能运行。
3、本发明通过增加节流元件C，可实现高温喷液冷却、低温提供更大流量，同时当其它一只节流元件失效时，也可以随时作为备份使用。
4、本发明基于模块化设计思路，原理简洁、便于拓展和实现。
附图说明
图1是本发明实施例用于冷液设备时结构原理图。
图2是本发明实施例用于空调时结构原理图。
图3是本发明实施例冷凝部分演变时结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本实施例公开了一种一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，如图1、图2所示，图中表示空气流向，/>表示常温工况制冷剂流向， />表示低温工况增流量支路流向，/> 表示高温工况控过热支路流向。
本实施例包括压缩机1、蒸发器A10.1、蒸发器B10.2、冷凝器A3.1、冷凝器B3.2、节流元件A8.1、节流元件B8.2、节流元件C8.3和五组电磁阀，以及储液器5.1、干燥过滤器6、视镜7、气液分离器11.1。
本实施例中，冷凝器A3.1、冷凝器B3.2为相互独立的单元，冷凝器A3.1配置有冷凝风机A4.1，冷凝器B3.2配置有冷凝风机B4.2。
如图1所示，本实施例当用于冷液设备送冷液时，采用一个双回路换热器10作为蒸发器A10.1、蒸发器B10.2。该双回路换热器10包括3个换热通道，中路换热通道作为冷却液通道用于流经循环冷却液，两侧换热通道分别作为蒸发器A10.1和蒸发器B10.2，用于流经蒸发器A10.1、蒸发器B10.2的制冷剂。此外，用于冷液设备松液时，还可以采用两个换热器集成组合分别作为蒸发器A10.1、蒸发器B10.2。
如图2所示，本实施例当空调送冷风时，蒸发器A10.1、蒸发器B10.2相互独立，并且蒸发器A10.1、蒸发器B10.2共用蒸发风机12和风道。
压缩机1出口并联2路管路，第1路管路通过第一电磁阀2.1连接冷凝器A3.1进口，第2路管路通过第二电磁阀2.2连接冷凝器B3.2进口，冷凝器A3.1和冷凝器B3.2出口合并后依次连接储液器5.1、干燥过滤器6再连接至视镜7的进口。
视镜7出口并联3路管路，第1路管路连接节流元件A8.1进口，第2路管路连接节流元件B8.2进口，第3路管路连接节流元件C8.3进口。节流元件C8.3出口并联连接第三电磁阀9.1进口、第四电磁阀9.2进口、第五电磁阀9.3进口，其中第三电磁阀9.1出口与节流元件A8.1出口汇合后接入蒸发器A10.1进口，第四电磁阀9.2出口与节流元件B8.2出口汇合后接入蒸发器B10.2进口，第五电磁阀9.3出口与蒸发器A10.1出口、蒸发器B10.2出口汇合后接入气液分离器11.1进口，气液分离器11.1出口连接所述压缩机1进口，由此构成制冷循环系统。
本实施例依据常温、高温和低温工况可选择相适应的工作模式，包括：
常温工况下，负荷大时用2组蒸发器和2组冷凝器一起工作，负荷小时用其中1组蒸发器和1组冷凝器工作；
高温工况下，用1组蒸发器和2组冷凝器作为高温启动模式，启动后负荷大时用2组蒸发器和2组冷凝器一起工作，负荷小时用其中1组蒸发器和1组冷凝器工作，且压缩机过热过载时开启节流元件C8.3和第五电磁阀9.3进行喷液冷却；
低温工况下，负荷大时用2组蒸发器和2组冷凝器一起工作，负荷小时用其中1组蒸发器和1组冷凝器工作，同时开启节流元件C8.3及相应的第三电磁阀9.1和（或）第四电磁阀9.2，进入小压比工作模式。
本实施例中，蒸发器A10.1、蒸发器B10.2的换热面积比为2.5:7.5至1:1之间，同样的冷凝器A3.1、冷凝器B3.2的换热面积比为2.5:7.5至1:1之间。用于空调时，2组蒸发器和2组冷凝器均为紫铜管翅片式换热器或微通道换热器。用于冷液设备时，蒸发器A10.1、蒸发器B10.2为双回路换热器10。
本实施例中，节流元件A8.1、节流元件B8.2和节流元件C8.3不工作时为关闭的，具体采用电子膨胀阀或电子控制阀，在原理相似情况下也可用电磁阀和热力膨胀阀组合替代。
节流元件C8.3和第三电磁阀9.1开启，可与节流元件A8.1并联或独立工作，为蒸发器A10.1提供小压比模式；节流元件C8.3和第四电磁阀9.2开启，可与节流元件B8.2并联或独立工作，为蒸发器B10.2提供小压比模式；系统压缩比为冷凝侧P1与蒸发侧P2的比值，小压比一般为1.05～1.8。
本实施例中，压缩机为变排量压缩机，可采用可分档卸载压缩机、变频压缩机等。
本实施例中，冷凝风机A4.1、冷凝风机B4.2为可调速风机，其数量和风量依据各冷凝散热能力而定。
本实施例中，储液器5.1和气液分离器11.1分别对应设有辅助电加热5.2、11.2，用于低温工况。
本实施例中，气液分离器11.1应满足小排量下正常回油，具体可采用双回气结构。
本实施例中，第一电磁阀2.1、第二电磁阀2.2常开，第三电磁阀9.1、第四电磁阀9.2和第五电磁阀9.2为常闭。
本实施例进一步说明如下：
例如，一台制冷量为25kW空调，制冷剂R134a，室内侧风机风量Q内风=4400 m3/h，风压P内风=300Pa，室外侧风机风量Q外风=2´7500 m3/h，风压P外风=80 Pa，采用2组蒸发器和2组冷凝器换热面积对比1:1设计，即换热相同设计。
常温工况下，取蒸发温度7℃，过热度5℃，冷凝温度54℃，过冷度3℃，通过对应制冷剂压焓图得出相应的热力循环图，查出进蒸发器、进压缩机和出压缩机的焓值分别为273.0kj/kg、406.3kj/kg和434.3 kj/kg，进压缩机比容为V=0.0561m3/kg，取压缩机输气系数l=0.85，效率h=0.68，则：
单位制冷量q=406.3−273.0=133.3 kJ/kg
单位理论压缩功AL=434.3−406.3=28 kJ/kg
制冷剂循环量G=Q/q=25´3600/133.3≈675 kg/h
压缩机理论排气量V= G×V/l=675´0.0561/0.85≈44.55 m3/h
压缩机功率N=G∙AL/h=675´28/0.68=27794 kJ/h≈7721W
若蒸发器采用F9.52´0.35mm的紫铜管, 外套df=0.15mm厚的铝片, 翅片片距2.0mm, 翅片形状为波纹片, 管间距25.4mm, 排距22mm，则蒸发器共管长约为180m，分路n=20，每路9m，按压缩机理论排气量44.55 m3/h计算，排量100%时，管内流速为：
V=100%V/(π∙r2) /n=44.55/3600/(3.14´0.004412)/20≈10 m/s
排量25%时，管内流速为：
V=25%V/(π∙r2) /n=0.25´44.55/3600/(3.14´0.004412)/20≈2.5 m/s
意味着，压缩机低排量时，制冷剂流速相应很低，易造成回油等问题。
低温工况下，取蒸发温度7℃，过热度5℃，冷凝温度12℃，过冷度3℃，通过对应制冷剂压焓图得出相应的热力循环图，查出进蒸发器、进压缩机和出压缩机的焓值分别为211.8kj/kg、406.3kj/kg和409.7kj/kg，进压缩机比容为V=0.0561m3/kg，取压缩机输气系数l=0.85，效率h=0.68，则：
单位制冷量q=406.3−211.8=194.5 kJ/kg
单位理论压缩功AL=409.7−406.3=3.4 kJ/kg
制冷剂循环量G=Q/q=25´3600/194.5≈463 kg/h
压缩机理论排气量V= G×V/l=463´0.0561/0.85≈30.56 m3/h
压缩机功率N=G∙AL/h=463´3.4/0.68=2315 kJ/h≈643W
按压缩机理论排气量30.56 m3/h计算，管内流速为：
V=100%V/(π∙r2) /n=30.56/3600/(3.14´0.004412)/20≈7 m/s
低温工况下，压缩机排量约为常温额定排量的30.56/44.55≈69%，此时2组蒸发器全部投入，制冷剂气态流速为7 m/s，不存在回油难等问题。当负荷小时，压缩机排量最低为常温额定排量25%时，利用1组蒸发器，则管内制冷剂气态流速还可以维护在5.1 m/s，避免了回油难等问题。
本实施例对功耗进一步说明如下：
为说明低温工况下小压比模式的节能运行，通过简化理论计算来分析，产品功耗包括压缩机、冷凝风机A、冷凝风机B和蒸发风机四个部分。其中，风机功率利用N风=k∙Q风∙P风/h公式计算，式中h为风机内效率和机械效率的乘积，统一取0.75，安全系数k统一取1.2，则室内侧风机功率：
N内风=k∙(Q内风/3600)∙P内风/h=1.2´(4400/3600)´300/0.75≈587 W
单台室外侧风机功率：
N外风=k∙(Q内风/3600)∙P内风/h=1.2´(7500/3600)´80/0.75≈267 W
常温理论功耗约：7721+587+2´267=8842 W，能效比EER=25000/8842≈2.83。
低温理论功耗约：643+587+267=1497 W，能效比EER=25000/1497≈16.70。
以上可以知道，采用低温下采用小压比模式，充分利用自然冷源可以实现节能运行，EER效率从常温的2.83提升到低温的16.70。特别在室外环境温度低于室内温度20℃以上，越大越明显，能效比甚至超过20.0。
对系统压比进一步说明，假设蒸发温度不变，取7℃对应饱和蒸发压力（绝压）为3.75bar，则
高温工况下，冷凝温度70℃对应饱和蒸发压力（绝压）为21.17 bar，则系统压比=21.17/3.75=5.65；
常温工况下，冷凝温度50℃对应饱和蒸发压力（绝压）为13.19 bar，则系统压比=13.19/3.75=3.52；
低温工况下，冷凝温度12℃对应饱和蒸发压力（绝压）为4.43 bar，则系统压比=4.43/3.75=1.18。
启用小压比模式时，冷凝温度通常要高于蒸发温度3℃以上，以维持正常热力循环，所以采用可调速的冷凝风机和冷凝器分组是非常有必要的。
此外，空调若要有取暖（热泵）功能，可增设四通换向阀等，满足系统反向热泵循环，这里不再赘述。
如图3所示是本实施例结构原理图冷凝部分的一种演变，当冷液设备或空调用于大型制冷设备时，例如一台压缩机对应的冷凝换热量为400 kW，通过空气强迫换热的冷凝器采用2组设计，尺寸会很大，不利于模块化设计，这时可将冷凝器分多模块设计。如图3所示，本实施例中冷凝器A3.1、冷凝器B3.2，分别可依据具体要求细分为2个模块，每个模块分别配置冷凝风机，由此共得到4个冷凝器模块，每个冷凝器模块的换热量为100kW，然后将其中2个冷凝器模块并联在一起，并在入口端分别受第一电磁阀2.1、第二电磁阀2.2控制，第一电磁阀2.1、第二电磁阀2.2还可用电磁阀来替代，其基本控制方法与本专利并不冲突。
每组冷凝器或每个冷凝器模块，具体内部流道和流程设计、翅片片型和片距等，均依据具体情况具体设计。对大型或超大型冷液设备或空调，如冷量200 kW～10 MW，可采用多套相同原理的系统实现。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，这种组合只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内以及不脱离本发明设计思想的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (9)
1.一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，其特征在于，包括压缩机、蒸发器A、蒸发器B、冷凝器A、冷凝器B、节流元件A、节流元件B、节流元件C、储液器、干燥过滤器、视镜、气液分离器，其中：
所述冷凝器A、冷凝器B相互独立，冷凝器A配置有冷凝风机A，冷凝器B配置有冷凝风机B；
所述蒸发器A、蒸发器B为同一双回路换热器中的两个不同换热通道，用于冷液设备送冷液；或者蒸发器A、蒸发器B相互独立并共用蒸发风机和风道，用于空调送冷风；
所述压缩机出口并联连接有2路管路，压缩机出口第1路管路通过第一电磁阀连接冷凝器A进口，压缩机出口第2路管路通过第二电磁阀连接冷凝器B进口，冷凝器A和冷凝器B出口合并后依次通过储液器、干燥过滤器连接视镜进口；所述视镜出口并联连接3路管路，视镜出口第1路管路连接节流元件A进口，视镜出口第2路连接节流元件B进口，视镜出口第3路连接节流元件C进口，节流元件C出口并联连接第三电磁阀进口、第四电磁阀进口、第五电磁阀进口，其中第三电磁阀出口与节流元件A出口汇合后再连接蒸发器A进口，第四电磁阀出口与节流元件B出口汇合后再连接蒸发器B进口，第五电磁阀出口与蒸发器A出口、蒸发器B出口汇合后再连接气液分离器进口，所述气液分离器出口连接所述压缩机进口。
2.根据权利要求1所述的一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，其特征在于，蒸发器A、蒸发器B的换热面积比为2.5:7.5至1:1之间；冷凝器A、冷凝器B的换热面积比为2.5:7.5至1:1之间。
3.根据权利要求1所述的一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，其特征在于，用于空调送风时，蒸发器A、蒸发器B、冷凝器A、冷凝器B均为紫铜管翅片式换热器或微通道换热器。
4.根据权利要求1所述的一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，其特征在于，节流元件A、节流元件B和节流元件C均为电子膨胀阀、或电子控制阀、或者电磁阀、或者热力膨胀阀。
5.根据权利要求1所述的一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，其特征在于，所述压缩机为变排量压缩机。
6.根据权利要求1所述的一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，其特征在于，所述冷凝器A、冷凝器B细分为若干模块，分为若干模块时每个模块均配置冷凝风机。
7.根据权利要求1所述的一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，其特征在于，所述储液器和气液分离器中分别设有辅助电加热。
8.根据权利要求1所述的一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，其特征在于，所述气液分离器采用双回气结构。
9.根据权利要求1所述的一种双蒸发器双冷凝器的宽温域制冷系统，其特征在于，所述第一电磁阀、第二电磁阀为常开，所述第三电磁阀、第四电磁阀和第五电磁阀为常闭。
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