CN216347147U - 具有维持机组的二氧化碳制冷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及制冷系统技术领域，提供一种具有维持机组的二氧化碳制冷系统，包括储液罐、制冷机组和维持机组，其中，所述储液罐与所述制冷机组循环连接，用于为所述制冷机组供液；所述维持机组与所述储液罐循环连接，用于维持所述储液罐内的压力，并用于预测所述储液罐内未来液位的变化趋势。本实用新型相比于现有二氧化碳制冷系统，能够提前估计储液罐内未来液面情况，并结合模糊自整定PID算法，可以将维持机组保持在最佳工况，有效避免储液罐内液体突然增加，而维持机组仍保持较高频率运行导致的能量浪费；同时有效避免储液罐内液体突然减少所造成的制冷系统不稳定的情况。

Description

具有维持机组的二氧化碳制冷系统

技术领域

本实用新型涉及制冷系统技术领域，尤其涉及一种具有维持机组的二氧化碳制冷系统。

背景技术

自然工质的二氧化碳具有优良的环保性、制冷性、安全性和化学稳定性，并且二氧化碳的价格低廉、易获取，可替代HFCs等工质作为环保型制冷工质。

二氧化碳制冷系统在正常运行过程中，储液罐及制冷系统内压力较低，尤其是在二氧化碳亚临界状态的制冷系统中，压缩机的排气压力不超过5.0MPa。

然而，若二氧化碳制冷系统突然停机，储液罐及制冷系统的温度会持续升高，导致系统的饱和压力增大，对二氧化碳制冷系统的承压能力要求较高。针对制冷系统意外停机时的压力持续变化的情况，一般增加维持机组用于保持储液罐内的压力在一定范围内。但是，现有的维持机组只能在停机时开始工作，导致制冷系统压力的稳定性较差。

实用新型内容

本实用新型提供一种具有维持机组的二氧化碳制冷系统，用以解决现有技术中维持机组只能在停机时开始工作，导致系统压力的稳定性较差的缺陷。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种具有维持机组的二氧化碳制冷系统，包括：

储液罐；

制冷机组，所述储液罐与所述制冷机组循环连接，用于为所述制冷机组供液；

维持机组，所述维持机组与所述储液罐循环连接，用于维持所述储液罐内的压力，并用于预测所述储液罐内未来液位的变化趋势。

根据本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，所述维持机组包括换热器、第一管路和第二管路；

其中，所述第一管路和所述第二管路分别与所述换热器相连，且所述第二管路与所述储液罐循环连接。

根据本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，所述第一管路包括维持压缩机、冷凝器和维持节流阀；

其中，所述换热器的第一出口和所述换热器的第一入口之间连接有第一管道，所述维持压缩机、所述冷凝器和所述维持节流阀沿着冷却工质的流向依次设置在所述第一管道上。

根据本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，所述第二管路包括工质泵和维持流量调节阀；

其中，所述换热器的第二出口和所述换热器的第二入口之间连接有第二管道，所述维持流量调节阀连接在所述第二管道上，并位于所述储液罐的入口处，所述工质泵连接在所述第二管道上，并位于所述储液罐的出口处。

根据本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，所述储液罐上安装有压力传感器和液位传感器；

其中，所述压力传感器用于监测所述储液罐内的压力，所述液位传感器用于监测所述储液罐内的液位。

根据本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，所述制冷机组沿着制冷工质的循环路径依次包括制冷流量调节阀、蒸发器、制冷压缩机、冷却器和制冷节流阀；

其中，所述制冷流量调节阀和所述制冷节流阀分别通过管路与所述储液罐相连。

根据本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，所述制冷机组包括若干制冷模块，若干所述制冷模块并联之后，与所述储液罐串联设置。

根据本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，所述制冷模块沿着制冷工质的循环路径依次包括制冷流量调节阀、蒸发器、制冷压缩机、冷却器和制冷节流阀；

其中，所述制冷流量调节阀通过第一截止阀与所述储液罐相连，所述制冷节流阀通过第二截止阀与所述储液罐相连。

本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，相比于现有的二氧化碳制冷系统，能够提前估计储液罐内未来液面情况，并结合模糊自整定PID算法，可以将维持机组保持在最佳工况，有效避免储液罐内液体突然增加，而维持机组仍保持较高频率运行导致的能量浪费；同时有效避免储液罐内液体突然减少所造成的制冷系统不稳定的情况，使储液罐内的液位始终处于一个相对平稳的状态，以提高整个二氧化碳制冷系统的运行稳定性。

并且，本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统通过单个储液罐对多个并联的小型二氧化碳制冷组件进行供液，并在意外停电、系统故障或短时间无冷量需求时，通过流量调节，将储液罐内压力保持在低水平，进而能够有效维持具有维持机组的二氧化碳制冷系统内的压力处于安全压力范围内，进而提高具有维持机组的二氧化碳制冷系统的安全性，降低具有维持机组的二氧化碳制冷系统的设计难度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统一种实施例的系统框图；

图2是本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统另一种实施例的系统框图；

图3是本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统的控制方法的流程图之一；

图4是本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统的控制方法的流程图之二；

图5是本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统中储液罐的液位控制流程图；

附图标记：

10：储液罐； 20：制冷机组； 21：制冷压缩机；

22：冷却器； 23：制冷节流阀； 24：制冷流量调节阀；

25：蒸发器； 26：第一截止阀； 27：第二截止阀；

30：维持机组； 31：维持压缩机； 32：冷凝器；

33：维持节流阀； 34：换热器； 35：工质泵；

36：维持流量调节阀； 37：第一管道； 38：第二管道。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“第一”“第二”“第三”“第四”不代表任何的序列关系，仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。“当前”在执行某动作之时的时刻，文中出现多个当前，均为随时间流逝中实时记录。

下面结合图1至图5，对本实用新型的实施例进行描述。应当理解的是，以下描述仅是本实用新型的示意性实施方式，并未对本实用新型构成任何限定。

二氧化碳(CO₂)是一种天然冷媒，具有高密度和低粘度的特性，其流动损失小、传热效果良好，并且通过对传热作用的强化，可以弥补其循环不高的缺点。因此二氧化碳作为环保制冷剂慢慢被越来越多的企业推广应用。

但是，二氧化碳临界压力较高(7.38MPa)，因此二氧化碳跨临界制冷循环的工作压力较传统的亚临界两相制冷循环的工作压力高得多，约为传统制冷工质CFC或HCFC系统压力的6～8倍。为此，需要为二氧化碳制冷机组配置相对应的维持机组，用于维持或缓解二氧化碳制冷系统内的压力，当二氧化碳制冷系统意外停电或断电时，维持机组开始工作，将二氧化碳制冷系统内的压力保持在一个合理范围内。

请详细参阅图1，本实用新型的第一方面提供一种具有维持机组的二氧化碳制冷系统，包括储液罐10、制冷机组20和维持机组30。

其中，储液罐10与制冷机组20循环连接，用于为制冷机组20供液；维持机组30与储液罐10循环连接，用于维持储液罐10内的压力，并用于预测储液罐10内未来液位的变化趋势。

可以理解的是，本实用新型相比于现有二氧化碳制冷系统，能够预测储液罐10内未来液位的变化趋势，从而根据液位的变化趋势，调整储液罐10内的液位情况，有效保证储液罐10内液位的高度，为制冷机组20提供持续的二氧化碳液体供给，使储液罐10内的液位高度始终处于一个相对平稳的状态，从而提高制冷系统运行的稳定性。

其中，维持机组30包括换热器34、第一管路和第二管路，第一管路和第二管路分别与换热器34循环相连，配合作用以维持储液罐10内的压力低于维持机组30设定的上限运行压力。

具体的，第一管路包括维持压缩机31、冷凝器32和维持节流阀33，换热器34的第一出口(图中未示出)和换热器34的第一入口(图中未示出)之间连接有第一管道37，维持压缩机31、冷凝器32和维持节流阀33沿着冷却工质的流向依次布置在该第一管道37上。

第一管路在工作时，通过换热器34换热之后的低温低压二氧化碳气体经维持压缩机31吸入，进入维持压缩机31进行压缩将低温低压二氧化碳气体变成高温高压二氧化碳气体，高温高压二氧化碳气体进入冷凝器32之后变成高压高温二氧化碳液体，高压高温二氧化碳液体经过维持节流阀33节流之后变成低温液态混合物进入换热器34对储液罐10上循环的第二管路中的二氧化碳液体进行降温，以降低流入储液罐10内的二氧化碳冷却工质的温度，从而使储液罐10内的压力低于设定的上限运行压力。

更为具体的，维持节流阀33通过改变节流截面或节流长度进而控制二氧化碳冷却工质的流量。冷凝器32将维持压缩机31压缩之后的高温高压的二氧化碳气体或蒸气转变成液体，并在转换过程中将冷凝器32中的热量传到冷凝器32附近的空气中，进行放热降温。

具体的，第二管路包括工质泵35和维持流量调节阀36，换热器34的第二出口(图中未示出)和换热器34的第二入口(图中未示出)之间连接有第二管道38。

其中，工质泵35设置在换热器34的第二出口与储液罐10之间连接的第二管道38上，能够将通过换热器34换热的冷却工质(也即二氧化碳冷却工质)输送至储液罐10内。

其中，维持流量调节阀36设置在储液罐10与换热器34的第二入口之间连接的第二管道38上，根据储液罐10内的压力大小调节维持流量调节阀36的开度，从而使储液罐10内的压力能够维持在稳定范围内；或者根据储液罐10内的液位高低调节维持流量调节阀36的开度，从而使储液罐10内的液位处于一个相对平衡的状态。

更为具体的，在储液罐10上安装有压力传感器(图中未示出)，通过压力传感器监测储液罐10内的压力情况，若储液罐10内的压力升高，并且升高的压力大于系统运行的最高压力(也可以理解为是储液罐10的罐体能够承受的最大压力值。该值能够事先测定，因此可以在系统中设置为压力阈值)，当储液罐10内的压力接近或者大于该阈值时，将维持流量调节阀36完全打开，以使储液罐10内的二氧化碳冷却工质快速输送出去，并同时增大维持压缩机31的运行功率，以降低储液罐10内的压力。

另外，在储液罐10内设置有液位传感器(图中未示出)，通过该液位传感器能够清楚了解储液罐10内的液位情况；同时在储液罐10的入口管路上安装第一流量计(图中未示出)，用于测量储液罐10内流入冷却工质的总流量，在制冷机组20的入口管路上安装第二流量计(图中未示出)，用于测量制冷机组20流出冷却工质的总流量，通过控制器计算第一流量计与第二流量计所测量的流量差值，控制器能够结合该差值的大小与储液罐内液位情况调节维持压缩机31的运行频率和维持流量调节阀36的开度。

如图5所示，控制器收集储液罐10流入冷却工质的总流量Q_i，储液罐10流出冷却工质的总流量Q_o，以及储液罐10当前的液位L。

结合收集的数值，并根据如下的公式(1-1)计算E(k)和EC(k)的数值：

表1模糊数值对照表

结合上述表1可以得出E(k)和EC(k)模糊化的集合如下(1-2)所示：

[E_min E_max]→[-6 6]

[EC_min EC_max]→[-6 6] (1-2)

根据以上的模糊化数值，得到PID控制器的三个参数值分别如下公式(1-3)所示：

根据以上公式的计算获得PID控制器的三个参数，进而维持压缩机31的运行频率和维持流量调节阀36的开度，实现储液罐10内液位的处于相对平稳的范围，能够为制冷机组20提供持续的二氧化碳液体供给，以提高制冷系统运行的稳定性。

其中，PID控制器是反馈回路部件，控制器把收集到的数据和参考值进行比较，然后把差别用于计算新的输入值，新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值附近，使系统更加准确，更加稳定。

本实施例能够根据二氧化碳制冷系统实时的流量情况对维持机组30进行调节，从而实现制冷机组20的动态调节和精细调节，保证制冷机组20运行过程中压力相匹配，提高制冷机组20的运行稳定性。

请参阅图1，具体的，制冷机组20沿着制冷工质的循环路径依次包括制冷流量调节阀24、蒸发器25、制冷压缩机21、冷却器22和制冷节流阀23，储液罐10内的二氧化碳冷却工质通过制冷流量调节阀24进入制冷机组20内，并且通过制冷节流阀23流出制冷机组20，并进入储液罐10，形成一个封闭的循环回路。

其中，低温的冷凝工质通过蒸发器25，与外界的空气进行热交换，气化吸热，达到制冷的效果。制冷压缩机21从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力。

需要说明的是，该制冷机组20可以为现有技术的小型CO2制冷系统，其具体的工作原理在此不做赘述，同时也可以为其他的二氧化碳制冷系统。

请参阅图2，在一些实施例中，制冷机组20包括若干组制冷模块，若干组制冷模块相互先并联设置，再与储液罐10串联设置，从而使储液罐10能够为若干组并联设置的制冷模块进行供液。

其中，每个制冷模块相当于是上述实施例中的制冷机组20，可以理解为，制冷机组20可以为一组，制冷机组20也可以为多组并联设置，具体的设置根据使用情况进行设定。

当制冷机组20为多组并联设置时，相当于包括第一制冷机组N1、第二制冷机组N2……第N制冷机组Nn，制冷机组20流出冷却工质的总流量则是每一组制冷机组流出冷却工质的流量之和。

其中，测量多组并联设置的制冷机组20流入冷却工质的总流量时，可以通过求和的方式，即在并联设置的每个制冷模块上均安装第二流量计(图中未示出)，制冷机组20流出冷却工质的总流量相当于就是制冷模块N1、N2、N3……Nn流量的总和；或者在多个并联设置的制冷模块的干路上设置一个总的流量计，用于测量制冷机组20流入冷却工质的总流量。

另外，需要说明的是，单个制冷机组20的流量变化和总流量没有必然联系。也即正常情况下，多组并联设置的制冷机组20中可能有的机组流量增加、有的机组流量减少，因此总流量相当于保持不变，预测储液罐10内未来液位的变化趋势，则是根据总流量的结果进行预测。

另外，制冷机组20包括干路管路和支路管路，其中，制冷流量调节阀24、蒸发器25、制冷压缩机21、冷却器22和制冷节流阀23均位于支路管路上。

干路管路上设置有第一截止阀26和第二截止阀27，每一组制冷机组20的干路管路上均设置有截止阀，通过截止阀能够实现储液罐10与制冷机组20之间的管路通断。

任意一个干路管路上的第一截止阀26和第二截止阀27关闭，任意一组制冷机组20停机。截止阀属于强制密封式阀门，能够瞬时切断流量。

可以理解的是，本实用新型中维持机组30的主要作用是维持储液罐10中的压力保持在安全阀起跳压力下。当制冷机组20无需进行制冷供液，制冷机组20处于休眠状态时，也即制冷压缩机21和冷却器22均属于关闭状态。储液罐10中的二氧化碳冷却工质仍然会不断跟环境进行热交换，从而使储液罐10内的压力会不断升高。

当测量并计算获得储液罐10内流入冷却工质的总流量Q_c接近或大于制冷机组20流出冷却工质的总流量Q_o时，预示着制冷机组20即将停止工作或者已经停止工作，或者制冷机组20中部分制冷模块停止了工作，相当于储液罐10内的压力会逐渐增大，此时，需要调节维持流量调节阀36的开度，相当于开启维持机组30，对储液罐10中的二氧化碳进行降温。当压力减小到下限设定值时，关闭维持流量调节阀36，相当于维持机组30关闭。

请参参阅图3至图5，本实用新型的第二方面提供一种具有维持机组的二氧化碳制冷系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤S10：具有维持机组的二氧化碳制冷系统包括储液罐10、制冷机组20和维持机组30，且具有维持机组的二氧化碳制冷系统具有预设的上限运行压力和下限运行压力；

步骤S20：维持机组30的循环回路上设置有维持流量调节阀36，判断具有维持机组的二氧化碳制冷系统的运行压力；

若具有维持机组的二氧化碳制冷系统的运行压力高于上限运行压力(即最高运行压力)，则将维持流量调节阀36完全打开，并同时将维持压缩机31的运行频率调整为最大运行频率；

若具有维持机组的二氧化碳制冷系统的运行压力低于下限运行压力(即最低设定压力)，则将维持流量调节阀36调整为不完全关闭转状态的最小流量，并同时将维持压缩机31的运行频率调整为间歇启动或直接停机；

步骤S21：在上述步骤的基础上，预估储液罐10内未来液位的情况，并结合PID控制器对制冷系统的流量进行控制；

若储液罐10内的液位情况处于设定范围值内，计算储液罐10内二氧化碳工质的总流入量和各制冷组件中二氧化碳工质的总流出量之间的差值，并将该差值与储液罐10内实际液位值进行比较，进而确定维持压缩机31的运行功率或运行频率，以及维持流量调节阀36的开度；

步骤S22：在上述步骤的基础上，判断储液罐10内的液位情况，若储液罐10内的液位情况低于设定范围值，则将维持流量调节阀36完全打开，并同时将维持压缩机31的运行频率调整为最大运行频率；

步骤S23：在上述步骤的基础上，判断储液罐10内的液位情况，若储液罐10内的液位情况高于设定范围值，则将维持流量调节阀36调整为不完全关闭的最小流量，并同时将维持压缩机31的运行频率调整为安全运行的最低运行频率或直接将维持压缩机31停机；

储液罐10中的二氧化碳液体根据各个具有维持机组的二氧化碳制冷系统需要的冷量与所需的蒸发温度，通过二氧化碳液体节流阀进行节流与流量分配，完成二氧化碳制冷循环；

其中，若具有维持机组的二氧化碳制冷系统需要停机，可通过第一截止阀第二的开关实现通断。

根据以上描述的控制方法，以储液罐10内液位的30％-80％为例进行举例说明，比如根据如下公式(1-4)进行计算：

set(k)＝α×(0.8-0.3)+0.3 (1-4)

当制冷系统稳定性要求低时，可选择0.1<α<0.5；

当制冷系统稳定性要求高时，可选择0.5<α<0.9；

计算获得的set(k)的值，并带入上述公式(1-1)中，按照PID控制器的算法流程计算获得维持流量调节阀36的开度和维持压缩机31的运行频率的控制数据。

本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统维持机的控制方法，能够通过计算储液罐10内二氧化碳工质的总流入量和各制冷组件中二氧化碳工质的总流出量之间的差值，并结合储液罐10内实际液位值，可以对具有维持机组的二氧化碳制冷系统的未来液位进行预测，根据预测的液位走向趋势调节维持流量调节阀36的开度和维持压缩机31的运行频率，将具有维持机组的二氧化碳制冷系统的压力保持在一个平衡的状态下，确保该具有维持机组的二氧化碳制冷系统运行稳定。

并且，本实用新型提供的具有维持机组的二氧化碳制冷系统的控制方法通过单个储液罐10对多个并联的小型二氧化碳制冷组件进行供液，并在意外停电、系统故障或短时间无冷量需求时，将储液罐10内压力保持在低水平，进而能够有效维持具有维持机组的二氧化碳制冷系统内的压力处于安全的压力范围内，进而能够提高具有维持机组的二氧化碳制冷系统的安全性，降低具有维持机组的二氧化碳制冷系统的设计难度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种具有维持机组的二氧化碳制冷系统，其特征在于，包括：

储液罐；

制冷机组，所述储液罐与所述制冷机组循环连接，用于为所述制冷机组供液；

维持机组，所述维持机组与所述储液罐循环连接，用于维持所述储液罐内的压力，并用于预测所述储液罐内未来液位的变化趋势。

2.根据权利要求1所述的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，其特征在于，所述维持机组包括换热器、第一管路和第二管路；

其中，所述第一管路和所述第二管路分别与所述换热器循环相连，且所述第二管路还与所述储液罐循环连接。

3.根据权利要求2所述的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，其特征在于，所述第一管路包括维持压缩机、冷凝器和维持节流阀；

其中，所述换热器的第一出口和所述换热器的第一入口之间连接有第一管道，所述维持压缩机、所述冷凝器和所述维持节流阀沿着冷却工质的流向依次设置在所述第一管道上。

4.根据权利要求2所述的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，其特征在于，所述第二管路包括工质泵和维持流量调节阀；

其中，所述换热器的第二出口和所述换热器的第二入口之间连接有第二管道，所述维持流量调节阀连接在所述第二管道上，并位于所述储液罐的入口处，所述工质泵连接在所述第二管道上，并位于所述储液罐的出口处。

5.根据权利要求3或4所述的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，其特征在于，所述储液罐上安装有压力传感器和液位传感器；

其中，所述压力传感器用于监测所述储液罐内的压力，所述液位传感器用于监测所述储液罐内的液位。

6.根据权利要求1所述的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，其特征在于，所述制冷机组沿着制冷工质的循环路径依次包括制冷流量调节阀、蒸发器、制冷压缩机、冷却器和制冷节流阀；

其中，所述制冷流量调节阀和所述制冷节流阀分别通过管路与所述储液罐相连。

7.根据权利要求1所述的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，其特征在于，所述制冷机组包括若干制冷模块，若干所述制冷模块并联之后，与所述储液罐串联设置。

8.根据权利要求7所述的具有维持机组的二氧化碳制冷系统，其特征在于，所述制冷模块沿着制冷工质的循环路径依次包括制冷流量调节阀、蒸发器、制冷压缩机、冷却器和制冷节流阀；

其中，所述制冷流量调节阀通过第一截止阀与所述储液罐相连，所述制冷节流阀通过第二截止阀与所述储液罐相连。

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