CN205403220U - 一种主动式动态降温控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种主动式动态降温控制装置，包括制冷基本单元、控制单元和降温空间；其中：压缩机、冷凝器和蒸发器依次相连形成的闭环即为制冷基本单元；被冷却对象和所述蒸发器均置于所述降温空间内；所述控制单元包括控制器和控制阀；其中：所述控制阀设于冷凝器和蒸发器之间，通过改变其开度来调整压缩机输出冷量；所述控制器根据存储的性能参数和实时采集的运行参数来对所述控制阀发出调整指令，实现制冷过程中压缩机输出冷量与被冷却对象换热量的动态平衡。本实用新型通过实时保持压缩机输出冷量与被冷却对象换热量相同，实现了主动式制冷。

Description

一种主动式动态降温控制装置

技术领域

本实用新型涉及温度保鲜领域，具体涉及一种主动式动态降温控制装置。

背景技术

空调和制冷装置已广泛应用于速冻保鲜技术、饮料速冷技术等需对被冷却对象进行降温的领域。快速降温是空调和制冷装置的主要目的，因此被冷却对象的降温速度成为关键工艺技术指标。现有的空调或者制冷装置普遍是通过如毛细管、热力膨胀阀等节流元件来调节制冷系统制冷剂的流量，以蒸发器出口过热度(内平衡热力膨胀阀)或者毛细管制冷剂入口过的冷度等制冷循环参数作为输入参数，以被动式调节制冷剂流量和蒸发温度的方式匹配出与其相对应的被冷却对象热负荷变化，实现被冷却对象的降温。可以看出，被冷却对象降温的传热(冷)过程为：制冷剂蒸发吸热使蒸发器壁面温度降低→蒸发器通过对流换热把冷量传递给空气→空气通过对流换热把冷量传递给被冷却对象。

制冷系统确定后，其对流换热系数基本固定。如果传热量受对流换热系数限制(也就是空气侧限制)，要提高换热量的办法就是加大换热温差。这样一来，降温过程中若要达到最快降温速度，需维持制冷剂与被冷却对象的最大换热温差(即使制冷循环的蒸发温度始终保持最低)。而以热力膨胀阀为节流元件的制冷循环在货物降温调节过程中，制冷剂的蒸发温度会随着被冷却对象温度的降低而逐渐降低，蒸发温度由高到低导致制冷剂与货物之间的换热温差变小，从而影响了货物的降温速度。

以毛细管为节流元件的空调或制冷装置中，特别是被冷却对象降温幅度较大的场合下，毛细管对制冷循环制冷剂流量及蒸发温度的调节能力有限；且其降温过程的换热量受机组制冷量、而不受传热温差限制，此时，如果由于节流装置调节范围有限不能实现蒸发温度随着被冷却对象温度的降低而降低，则机组的输出的冷量不能最大化，导致被冷却对象的降温速度变慢。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种主动式动态降温控制装置，旨在实现被冷却对象的最快、可靠降温。

本实用新型采用的技术方案具体为：

一种主动式动态降温控制装置，包括制冷基本单元、控制单元和降温空间；其中：

压缩机、冷凝器和蒸发器依次相连形成的闭环即为制冷基本单元；

被冷却对象和所述蒸发器均置于所述降温空间内；

所述控制单元包括控制器和控制阀；其中：

所述控制阀设于冷凝器和蒸发器之间，通过改变其开度来调整压缩机输出冷量；

所述控制器根据存储的性能参数和实时采集的运行参数来对所述控制阀发出调整指令，实现制冷过程中压缩机输出冷量与被冷却对象换热量的动态平衡。

在上述主动式动态降温控制装置中，所述控制器的输入端与压缩机、温度传感器组、蒸发器风机分别相连，用于采集运行参数；输出端则与所述控制阀相连接，用于根据采集的运行参数和预先存储的性能参数来调整控制阀的阀门开度。

在上述主动式动态降温控制装置中，所述温度传感器组包括第一温度传感和第二传感器，分别用于采集蒸发器的送风温度和回风温度。

在上述主动式动态降温控制装置中，预先存储的性能参数包括压缩机性能参数和蒸发器风机性能参数；其中：

压缩机性能参数为压缩机性能曲线，为压缩机制冷量与运行参数之间的关系曲线，运行参数包括蒸发温度、冷凝温度、吸排气压力以及输入功率和吸气压力关系曲线；

蒸发器风机性能参数为风机转速与质量流量的关系。

本实用新型产生的有益效果是：

本实用新型的主动式动态降温控制装置以制冷机组制冷压缩机的运行参数、蒸发器风机运行参数、蒸发器送回风温度为主要依据，以调节控制阀为主要手段，匹配压缩机输出的制冷量与被冷却对象的换热量，使被冷却对象与制冷剂之间达到最大换热量，对被冷却对象进行快速降温。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本实用新型。此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型一种主动式动态降温控制装置的结构示意图；

图2为本实用新型一种主动式动态降温控制装置的压缩机制冷量与被冷却对象换热量的关系图一；

图3为本实用新型一种主动式动态降温控制装置的压缩机制冷量与被冷却对象换热量的关系图二(受换热系数限制情况下)；

图4为本实用新型一种主动式动态降温控制装置的压缩机制冷量与被冷却对象换热量的关系图三(受压缩机制冷量限制情况下)。

图中：

1、压缩机2、冷凝器3、控制阀4、蒸发器5、控制器6、蒸发器风机7、降温空间8、送风温度传感器9、回风温度传感器10、被冷却对象。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细的说明。

如图1所示的一种主动式动态降温控制装置，主要包括压缩机1、冷凝器2、控制阀3、蒸发器4和控制器5；其中：

压缩机1、冷凝器2和蒸发器4依次相连，形成一个闭环，作为制冷基本单元；

蒸发器4和被冷却对象10置于降温空间7内；

控制器5的输入端分别与压缩机1以及采集蒸发器4温度参数的送风温度传感器8、回风温度传感器9以及蒸发器风机6相连接，输出端则与设于冷凝器2和蒸发器4之间的控制阀3相连接，通过调节其开度来保证制冷过程中压缩机输出冷量与被冷却对象换热量动态相同。

上述装置实现对被冷却对象10的降温过程具体为：

控制器5根据采集的压缩机1和蒸发器风机6的运行参数以及和存储的压缩机1和蒸发器风机6的性能参数在内的数据，对被冷却对象10进行降温传冷。其中压缩机性能参数为缩机性能曲线，即压缩机制冷量与各相关运行参数的关系；如：压缩机制冷量与蒸发温度/冷凝温度、吸排气压力以及输入功率等的关系曲线；风机性能参数则指风机转速与质量流量之间的关系。具体地：

蒸发器4内的制冷剂蒸发吸热使蒸发器4的壁面温度降低，通过进行对流换热，将温度降低所获得的冷量传递给在降温空间7内的空气，空气进一步通过对流换热将获得的冷量传递给被冷却对象10(如生鲜)。

具体的传热过程方程为：

制冷剂与被冷却对象的换热量Q_a1＝kA(T_o-T_e)

上式中：

A为换热面积(被冷却对象10)；

T_o为被冷却对象温度；

T_e为制冷剂蒸发温度；

k为制冷剂与被冷却对象之间的换热系数；

$k=\frac{1}{\frac{1}{h_1}+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}+\frac{1}{h_2}+\frac{1}{h_3}}$

上式中：

h₁为制冷剂与壁面之间的对流换热系数；

δ为蒸发器壁面厚度；

λ为蒸发器壁面导热系数；

h₂为蒸发器壁面与空气的换热系数；

h₃为空气与被冷却对象的换热系数。

制冷系统确定后，上述参数中的A、(δ、λ、h₁、h₂、h₃)以及其所确定出的k均可认为是常数，也就是说，制冷剂与被冷却对象10的换热量Q_a以温度为主要变化量，即Q_a＝f(T_e,T_o)。如图2所示，假设冷却对象温度T₁＝T_o＞T₂＞T₃＞T₄＞T₅，可以看出，当被冷却对象温度给定时，Q_a随着制冷剂蒸发温度T_e的增加而降低，且为线性关系。在不同的被冷却对象温度下，Q_a与T_e的关系曲线为斜率为负的直线。

同时，由于被冷却对象10的换热量是经由蒸发器4的冷风送出，因此：

Q_a2＝cm(T_in-T_out)

上式中：

c为空气比热；

m为空气质量流量；

T_in为蒸发器回风温度；

T_out为蒸发器送风温度。

压缩机制冷量Q_c与制冷剂蒸发温度T_e和制冷剂冷凝温度T_c有关，而当一个制冷系统确定后，T_c基本不变，也就是说，压缩机制冷量Q_c以制冷剂蒸发温度T_e为主要变化量，即Q_c＝f(T_e)，曲线也参照图2，可以看出，压缩机制冷量Q_c随着制冷剂蒸发温度T_e的增加而增加。

Q_a1＝kA(T_o-T_e)为传热学的经典公式，是从换热的角度得到制冷剂与被冷却对象的换热量，而Q_a2＝cm(T_in-T_out)是从空气的角度得出空气从蒸发器得到的冷量。如果系统达到稳态，这两个数值是相等的。但是由于被冷却对象降温过程是动态过程，这两个是不相等的。本实用新型正是利用这两个值的不相等来分析是换热限制了冷量传递还是压缩机制冷量限制了冷量传递，从而实现最快降温速度的控制。

当制冷系统开机时，制冷剂蒸发温度T_e较高，设为T_e，1，并设此时的压缩机制冷量为Q_c，1，制冷剂与被冷却对象的换热量为

控制器5通过送风温度传感器8和回风温度传感器9分别检测出蒸发器送风温度T_in和蒸发器回风温度T_out，并结合实时送回的蒸发器风机6的运行数据计算出被冷却对象换热量具体公式为其中m为空气的质量流量，蒸发器风机6的转速参数实时传回到控制器5，控制器5根据其内已存储的风机转速与质量流量的关系，则可得出风机送风的质量流量，即由蒸发器风机6的运行参数与控制器5内存储的性能参数比对后即可得出；

同时，压缩机实时运行数据也传回控制器5，控制器5通过将其与预先存储的压缩机性能数据进行比对，计算出压缩机制冷量Q_c，1；压缩机1将实时的运行参数返回到控制器5，通过与控制器5内存储的对应的压缩机性能曲线进行比对，即可得出压缩机1的制冷量。

由于此时的Q_c，1大于控制器5即发出调小控制阀3开度的指令，将制冷剂蒸发温度降低到T_e，2，使压缩机输出冷量与被冷却对象换热量相同；

之后被冷却对象会继续降温，当温度降低到T₂时，如果制冷机组仍然按照T_e，2运行，则压缩机输出冷量大于被冷却对象换热量，与上述调节过程类似，需要减小阀门开度，使蒸发温度降低到T_e，3，使压缩机输出冷量与被冷却对象换热量相同。

即要实时监测被冷却对象换热量与压缩机输出冷量的关系，通过控制器5的控制使得压缩机输出冷量等于被冷却对象换热量，直到被冷却对象10达到设定温度T₅，对应的制冷剂蒸发温度T_e,5。

当期间加入新的被冷却对象10时，被冷却对象10的平均温度上升到T₄，此时，制冷器5通过调整控制阀3的阀门开度，使其仍处在使制冷剂蒸发温度为T_e,5的开度，制冷系统输出冷量小于被冷却对象的可能换热量；

控制器5通过计算和比较被冷却对象换热量和压缩机输出冷量的关系，调大控制阀门3的开度，使蒸发温度上升，至T_e,6，使压缩机输出冷量Q_c，4(图2中9点)等于被冷却对象换热量(图2中9点)。然后根据被冷却对象温度变化，继续调节降温过程。

此外，还可以通过本实用新型的降温控制装置来实现最快降温速度和提高换热量的两种特殊处理的工况：

一、制冷系统确定后，由于对流换热系数基本固定且传热量受对流换热系数(空气侧)限制，因此要提高换热量的办法只有加大换热温差。因此，在降温过程中，要达到最快降温速度，可以使制冷循环的蒸发温度保持最低，即维持制冷剂与被冷却对象最大换热温差。具体实施过程参照图3：

当制冷系统开机时，蒸发温度设为T_e，1，此时压缩机制冷量为Q_c，1，在此蒸发温度下，制冷剂与被冷却对象的换热量为控制器5通过送风温度传感器8和回风温度传感器9检测蒸发器送风温度T_in和蒸发器回风温度T_out，并通过实时传回的蒸发器风机6的运行数据计算出被冷却对象换热量压缩机的实时运行数据也传回控制器，控制器通过比对压缩机的实时运行数据以及存储的性能数据，计算出压缩机制冷量Q_c，1。由于此时压缩机的制冷量Q_c，1大于与被冷却对象的最大换热量为控制器5即发出调小控制阀3开度的控制指令。当阀门开度调节到最小时，蒸发温度T_e,2下压缩机输出冷量大于被冷却对象可能换热量，机组维持最低蒸发温度T_e,2。被冷却对象温度降低到模板温度T₂，此时，压缩机输出冷量Q_c，2仍然大于被冷却对象换热量。此降温过程中，控制阀开度始终保持最小开度，以保持蒸发温度与被冷却对象的最大温差，从而实现对被冷却对象10的快速降温。

以压缩机运行参数、蒸发器送风和回风温度以及蒸发器风机运行参数为主要依据，基于此进行制冷量调节。充分利用了已有的压缩机性能数据和蒸发器风机性能数据，无需通过复杂的测试手段，即可实现对制冷工况的动态运行调节；

通过将压缩机1输出的制冷量与被冷却对象10的换热量动态匹配，最大程度地提高了被冷却对象10的降温速度；在极端工况下，通过对机组可简单调节即可使制冷剂与被冷却对象10的换热量达到最大，冷却对象10实现最快的被降温速度。

即：当制冷剂与被冷却物体的传热量受对流换热系数限制时，控制阀保持最小开度，使蒸发温度与被冷却对象保持最大换热温差，使被冷却对象降温速度最快。

二、制冷系统确定后，对流换热系数基本固定且足够大，传热量受对压缩机输出功率限制。要提高换热量的办法是使压缩机输出功率最大。因此，在降温过程中，要达到最快降温速度，即使制冷循环的蒸发温度保持能达到的最高，维持制冷剂与被冷却对象最小换热温差。具体实施过程参照图4：

当制冷系统开机时，蒸发温度设为T_e,1，此时压缩机制冷量为Q_c，1，在此蒸发温度下，制冷剂与被冷却对象的换热量为控制器(5)通过送风温度传感器8和回风温度传感器9检测蒸发器送风温度T_in和蒸发器回风温度T_out，并通过实时送回的蒸发器风机6的运行数据计算出被冷却对象换热量压缩机实时运行数据也传回控制器，控制器与输入的压缩机性能数据比对，计算出压缩机制冷量Q_c，1。此时，压缩机的制冷量Q_c，1小于与被冷却对象的最大换热量为控制器5发出调大控制阀3开度的控制指令。但是当阀门开度调节到最大时，蒸发温度为T_e,2，在此蒸发温度下压缩机输出冷量仍然小于被冷却对象可能换热量，机组维持最高蒸发温度T_e,2。被冷却对象温度降低到目标温度T₂，此时，压缩机输出冷量Q_c，2仍然小于被冷却对象换热量。此降温过程中，控制阀开度始终保持最大开度，以保持压缩机输出最大冷量。

即：当制冷剂与被冷却物体的传热量受压缩机输出制冷量限制时，控制阀保持最大开度，使压缩机输出最大制冷量，使被冷却对象降温速度最快。

本实用新型通过控制器实现了制冷系统对于被冷却对象的主动降温，以蒸发器送风和回风温度、蒸发器风机运行参数以及压缩机运行参数为主要依据，通过控制阀对制冷量进行调节，动态地实现压缩机制冷量与被冷却对象换热量的匹配。

以上结合附图对本实用新型的实施例进行了详细地说明，此处的附图是用来提供对本实用新型的进一步理解。显然，以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何对本领域的技术人员来说是可轻易想到的、实质上没有脱离本实用新型的变化或替换，也均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种主动式动态降温控制装置，其特征在于，包括制冷基本单元、控制单元和降温空间；其中：

压缩机、冷凝器和蒸发器依次相连形成的闭环即为制冷基本单元；

被冷却对象和所述蒸发器均置于所述降温空间内；

所述控制单元包括控制器和控制阀；其中：

所述控制阀设于冷凝器和蒸发器之间，通过改变其开度来调整压缩机输出冷量；

所述控制器根据存储的性能参数和实时采集的运行参数来对所述控制阀发出调整指令，实现制冷过程中压缩机输出冷量与被冷却对象换热量的动态平衡。

2.根据权利要求1所述的主动式动态降温控制装置，其特征在于，所述控制器的输入端与压缩机、温度传感器组、蒸发器风机分别相连，用于采集运行参数；输出端则与所述控制阀相连接，用于根据采集的运行参数和预先存储的性能参数来调整控制阀的阀门开度。

3.根据权利要求2所述的主动式动态降温控制装置，其特征在于，所述温度传感器组包括第一温度传感和第二传感器，分别用于采集蒸发器的送风温度和回风温度。

4.根据权利要求2所述的主动式动态降温控制装置，其特征在于，预先存储的性能参数包括压缩机性能参数和蒸发器风机性能参数；其中：

压缩机性能参数为压缩机性能曲线，为压缩机制冷量与运行参数之间的关系曲线，运行参数包括蒸发温度、冷凝温度、吸排气压力以及输入功率和吸气压力关系曲线；

蒸发器风机性能参数为风机转速与质量流量的关系。