一种单阀无级调节混合工质循环浓度的制冷系统及其方法

摘要

本发明公开了一种单阀无级调节混合工质循环浓度的制冷系统及其方法，包括压缩机单元、冷凝冷却器单元、回热换热器单元、节流单元和蒸发器单元，输入参数为压缩机排气压力值、回热换热器入口温度值、回热换热器出口温度值、节流单元入口温度值、节流单元出口温度值、蒸发器出口温度值，输出参数为可控通路工质循环浓度和流量调节单元无级调节阀门发生相应动作的指令。对应混合工质制冷系统不同工况和调节的要求，该系统的调节和控制机构根据预先设定值与输入参数作比较，通过无级调节阀门调节储液罐的液位改变或维持制冷系统工质循环浓度，使得制冷系统在不同工况下均可以实现高效、稳定、可靠运行。

说明书

技术领域

本发明涉及工程热物理与能源利用学科领域，尤其涉及一种单阀无级调 节混合工质循环浓度的制冷系统及其方法。

背景技术

在传统技术中，采用纯工质或近共沸工质的单级蒸汽压缩制冷循环能达 到的最低有效制冷温度一般在-40℃左右，如果要实现更低制冷温度则需采用 多级压缩或多级复叠循环。一般来说，采用两级压缩可以实现-60℃左右的制 冷温度，采用两级复叠循环可以实现-80℃左右的制冷温度，但是要实现-100℃ 甚至更低的制冷温度就要采取三级以上复叠循环。因此，随着需求温度的降 低，制冷系统变得更复杂，可靠性降低，调节难度增大。20世纪80年代后， 多元混合工质节流制冷技术取得巨大的进展，该技术使得只要能够找到合适 的混合工质和工质浓度，即可通过单级压缩节流制冷达到-100℃～-200℃的低 温，可在-100℃以下的温区替代传统的复叠式制冷成为更有效的制冷方式，并 具有广阔的应用前景。

通常，根据现有的技术，混合工质节流制冷技术可分为两类:一是由普冷 领域复叠循环衍生而来的“混合工质内复叠循环”，其制冷单元内部采用并行 的多次分离、多次节流(多级内复叠)，所需级数通常根据工质特性和所需制 冷温度确定；二是从低温领域实现高效回热发展而来的“回热式多元混合工 质节流制冷循环”。回热式多元混合工质节流制冷循环相比混合工质内复叠循 环流程要简单一些，适用于小型化的制冷装置。但是无论是哪一种形式的混 合工质节流制冷技术，如果不采用相应的技术手段加以控制的话，都会存在 以下一些缺陷：(1)多元混合工质深冷制冷系统，由于采用强非共沸工质， 工质在冷凝器内基本为气相放热，冷凝器出口具有一定干度，不会过冷。系 统运行的高压基本不受环境温度控制，而由工质充注量和系统结构参数决定。 在制冷系统启动过程初期，整个系统基本均处于较高的温度，大部分的充灌 工质还处于气相状态，因此会出现排气压力过高的现象；(2)当混合工质制 冷系统进入正常制冷工况后，由于大部分的沸点较高的工质已经液化，此时 便会出现系统压力急剧下降，制冷量急剧减少的严重现象；(3)混合工质在 实际循环过程中存在浓度滑移现象。多元混合工质制冷系统由启动工况降温 到最低温度的过程中，由于系统温度的不断下降，工质不断液化，工质液化 的特点是由高温到低温的过程中高沸点的工质比低沸点的工质更先液化下 来，而气液两相流速又存在速度滑移的特点，即液相工质流动速度要低于气 相工质流动速度。此时会出现工质液相积存。对于多元混合工质制冷系统由 于液相积存现象的存在，制冷系统的工质实际循环浓度就会偏离实际的充灌 浓度，即工质浓度滑移。由于此缺点，一方面，混合工质实际循环浓度受实 际运行工况、系统的大小等因素的影响，实际运行的工质循环浓度难以根据 一定的混合工质充灌量和充灌浓度预测，也就是说混合工质的最佳充灌量和 浓度难以确定，对于使用三元或三元以上混合工质的制冷系统更难确定其最 佳充灌量和充灌浓度，不同型号的系统均需要通过大量的试验充灌得出最终 的充灌量和浓度，生产成本高。另一方面，即使相同系统，在不同的温区工 况下，制冷系统需要不同的浓度才能达到该温区的最佳效率，工质循环浓度 偏离该温区工况最优浓度，会使得系统效率急剧下降，甚至温度降不下去。

针对前两个缺陷，中国发明专利ZL200510042730.9报道了一种具有可切 换气库的混合工质低温节流制冷系统，其核心思想是通过电磁阀的通断以控 制与高低压管路相连的气库来调节系统的参与循环工质量来控制高低压和系 统的工况。该方法虽然可以控制高低压在合理的范围内，但是由于气库的气 体的进出造成实际参与制冷循环的工质浓度发生不可控的变化，会造成制冷 系统制冷性能严重下降；

中国发明专利ZL201110061458.4报道了一种深冷混合工质节流制冷系统 能力、工况调节及控制方法。其核心思想是通过控制高压气体进入一个可控 通路稳定罐来防止开机工况的压缩机排气压力过高，并通过控制可控通路稳 定罐的气体进出调节低压，使得低压在低温工况下不至于过低；此外该可控 通路稳定罐在启动工况及快速降温工况时，通过管路旁通以减少制冷系统的 制冷剂循环量，在正常制冷工况时可控通路稳定罐的制冷剂均参与制冷循环 以加大制冷系统的流量，使得功率维持在较高水平，即通过控制该可控通路 稳定罐制冷剂的进出可实现制冷系统能力和工况的调节。缺点是切换储气罐 气体是否参与循环和调节高低压的情况下制冷系统的工质循环浓度都会发生 一定的变化，这会让系统在特定的工况下由于工质循环浓度偏离最优循环浓 度，导致效率下降，尤其是在快速降温过程，在这个过程刚开始的时候蒸发 温度较高，在高温工况下系统的工质循环浓度要求重组分的比例较大才能达 到较优的循环浓度。

对于第三个缺点，国内外还没有报道相关的措施去克服。

实际上，根据不同温区工况制冷系统对于最优工质循环浓度的要求，如 果能通过控制手段来调节高温工况的工质循环浓度偏重一些，这样会让工质 循环浓度更接近最优浓度，提高效率，增加制冷量，使得高温区的降温时间 进一步缩短；同样道理，在快速降温的过程中，温度降到中温区工况的时候， 系统的最优工质循环浓度已不再是高温区工况的浓度，它要求此时的工质循 环浓度中重组分比例下降才可以使得回热器换热曲线匹配得更好，因此，此 时也需要根据工况通过控制手段调节制冷系统的工质循环浓度，使得工质循 环浓度更适合这一温区的工况。这样通过调节合适的浓度确保系统的效率较 高，一般来说，调节浓度后系统的功率变化不大，但是效率可以提高；而不 做浓度调整，只是增加流量去增加功率可能因为浓度发生了变化，制冷效率 无法提高，显然，这种做法与调整浓度相比效果不好而且不具有节能性。因 此，在快速降温阶段，就可以通过调整工质循环浓度更接近最优的浓度以大 大加快不同温区的降温速度，整个降温时间就会大大缩短。

所以，无论是为了使得制冷系统降温下去，还是使得制冷系统能够在每 一个温区都运行在较优的工质循环浓度下，对系统的工质循环浓度采取一定 的技术手段进行控制很有必要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种单阀无级 调节混合工质循环浓度的制冷系统及其方法，实现制冷系统快速降温，保持 较高效率稳定运行的效果。

本发明通过下述技术方案实现：

一种单阀无级调节混合工质循环浓度的制冷系统，该混合工质制冷系统 包括依次管路相连并形成回路的带润滑油分离装置的压缩机单元、冷凝冷却 器单元、回热换热器单元、节流单元和蒸发器单元；

所述冷凝冷却器单元与回热换热器单元之间的管路上，还连接有一个可 控通路工质循环浓度流量调节单元；

所述混合工质制冷系统，还包括一个控制单元，所述控制单元7采集压 缩机单元1排气压力、节流单元4的进口温度、节流单元4的出口温度、节 流单元4进出口温度之差、蒸发器单元5的出口温度、回热器换热器单元3 进口温度、回热换热器单元3出口温度、回热换热器单元3进出口温度差或 上述任意参数的组合作为反馈信号调节可控主回路无级调节阀的开度；

所述可控通路工质循环浓度流量调节单元包括：具有气液分离功能的储 液罐S、可控主回路无级调节阀、出罐单向阀，其连接方式为：所述可控主回 路无级调节阀进口端连接储液罐S顶部气相出口，该可控主回路无级调节阀 出口端连接一个三通管件A的第一个进口，该三通管件的第二个进口与出罐 单向阀的出口端相连；所述的出罐单向阀的进口端与储液罐S的底部液相出 口端相通；所述储液罐S的进口端与冷凝冷却器单元制冷剂出口端或回热换 热器单元的高压制冷剂出口端相连，所述三通管件A的出口端与回热换热器 单元的高压制冷剂进口端相连。

所述可控主回路无级调节阀为无级调节开度的电磁阀或者手动调节开度 的手动调节阀门。

混合工质制冷系统工质循环浓度的调节方法，包括下述步骤：

(1)启动工况步骤：可控主回路无级调节阀关闭，控制单元根据输入参 数蒸发器出口温度、压缩机排气压力或者两个参数的组合是否达到设定值， 判断是否转向受控降温工况过程；

(2)受控降温工况步骤：

2-1)控制单元根据输入参数蒸发器出口温度、压缩机排气压力值对比进 行判断，如果混合工质制冷系统处于受控降温工况的高温工况，调节方法如 下：可控主回路无级调节阀处于四分之一开度、出罐单向阀处于出液状态， 可控主回路无级调节阀的具体开度状态由控制单元根据输入参数的反馈决 定，具体为：

a)回热换热器单元进出口温差小于该进出口温差其中一个设定值或该进 出口温差设定值加上回热换热器单元进出口温差控制回差，减小可控主回路 无级调节阀的开度；回热换热器单元进出口温差大于该进出口温差其中一个 设定值或该进出口温差设定值加上回热换热器单元进出口温差控制回差，增 加可控主回路无级调节阀的开度；

b)节流单元进出口温差大于该进出口温差其中一个设定值或该进出口温 差设定值加上节流单元进出口温差控制回差，减小可控主回路无级调节阀开 度；节流单元进出口温差小于该进出口温差其中一个设定值或该进出口温差 设定值加上节流单元进出口温差控制回差，增加可控主回路无级调节阀开度；

2-2)控制单元根据输入参数蒸发器单元的出口温度、冷凝冷却器单元的 压缩机排气压力对比进行判断，如果混合工质制冷系统处于受控降温工况的 中温工况，调节方法如下：可控主回路无级调节阀打开、出罐单向阀处于出 液状态，可控主回路无级调节阀的具体开度状态由控制单元根据输入参数反 馈决定，具体为：

a)回热换热器单元进出口温差小于该进出口温差某设定值或该进出口温 差设定值加上回热换热器单元进出口温差控制回差，可控主回路无级调节阀 开度减小；回热换热器单元进出口温差大于该进出口温差某设定值或该进出 口温差设定值加上回热换热器单元进出口温差控制回差，可控主回路无级调 节阀开度增大；

b)节流单元进出口温差大于该进出口温差其中一个设定值或该进出口温 差设定值加上节流阀单元进出口温差控制回差，可控主回路无级调节阀开度 减小；节流单元进出口温差小于该进出口温差其中一个设定值或该进出口温 差设定值加上节流单元进出口温差控制回差，可控主回路无级调节阀开度增 大；

2-3)控制单元根据输入参数蒸发器单元的蒸发器出口温度、冷凝冷却器 单元的压缩机排气压力与设定值对比进行判断，如果系统处于受控降温工况 的低温工况，调节方法如下：可控主回路无级调节阀打开、出罐单向阀处于 出液状态，可控主回路无级调节阀的具体开度状态由控制单元根据输入参数 反馈决定，具体为：

a)回热换热器单元进出口温差小于该进出口温差其中一个设定值或该进 出口温差设定值加上回热换热器单元进出口温差控制回差，可控主回路无级 调节阀开度减小；回热换热器单元进出口温差大于该进出口温差其中一个设 定值或该进出口温差设定值加上回热换热器单元进出口温差控制回差，可控 主回路无级调节阀开度增大；

b)节流单元进出口温差大于该进出口温差其中一个设定值或该进出口温 差设定值加上节流单元进出口温差控制回差，可控主回路无级调节阀开度减 小；节流单元进出口温差小于该进出口温差其中一个设定值或该进出口温差 设定值加上节流阀单元进出口温差控制回差，可控主回路无级调节阀开度增 大；

(3)制冷系统正常制冷步骤:可控主回路阀保持开度。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明采用控制单元输出控制参数以指令控制可控通路工质循环浓度和 流量调节单元的可控主回路无级调节阀的开度大小，实现不同工况下制冷系 统工质循环浓度的调节，克服目前混合工质制冷系统的缺点，节约了能耗。

本发明技术手段简便易行，实现混合工质制冷系统快速降温，保持较高 效率稳定运行。

附图说明

图1为本发明系统结构方框示意图；

图中：301是回热换热器进口温度传感器；302是回热换热器进口温度 传感器；303是蒸发器出口温度传感器；304是压缩机排气压力传感器。

图2是可控通路工质循环浓度和流量调节单元结构放大示意图。

图3某三元混合工质单级压缩回热式制冷系统不同温区工况下较优工质 循环浓度情况。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1至3所示。本发明公开了一种单阀无级调节混合工质循环浓度的 制冷系统，该混合工质制冷系统包括依次管路相连并形成回路的带润滑油分 离装置的压缩机单元1、冷凝冷却器单元2、回热换热器单元3、节流单元4 和蒸发器单元5；

所述冷凝冷却器单元2与回热换热器单元3之间的管路上，还连接有一 个可控通路工质循环浓度流量调节单元6；

所述混合工质制冷系统，还包括一个控制单元7，控制单元7的一端连接 在压缩机单元7与冷凝冷却器单元2之间的管路上，另一端连接在回热换热 器单元3与蒸发器单元5之间的管路上。

所述可控通路工质循环浓度流量调节单元6包括：具有气液分离功能的 储液罐S、可控主回路无级调节阀V1、出罐单向阀V2；其连接方式为：所述 可控主回路无级调节阀V1进口端连接储液罐S顶部气相出口，该可控主回路 无级调节阀V1出口端连接一个三通管件A的第一个进口，该三通管件的第 二个进口与出罐单向阀V2的出口端相连；所述的出罐单向阀V2的进口端与 储液罐S的底部液相出口端相通；所述储液罐S的进口端与冷凝冷却器单元2 制冷剂出口端或回热换热器单元3的高压制冷剂出口端相连，所述三通管件A 的出口端与回热换热器单元3的高压制冷剂进口端相连。

所述可控主回路无级调节阀V1为无级调节开度的电磁阀或者手动调节 开度的手动调节阀门。

混合工质制冷系统工质循环浓度的调节方法，可通过下述步骤实现

所述控制单元7接收压缩机单元1排气压力、节流单元4的进口温度、 节流单元4的出口温度、节流单元4进出口温度之差、蒸发器单元5的出口 温度、回热器换热器单元3进口温度、回热换热器单元3出口温度、回热换 热器单元3进出口温度差或上述任意参数的组合；

所述控制单元7输出控制参数以指令控制可控通路工质循环浓度和流量 调节单元6的可控主回路无级调节阀V1的开度大小，实现不同工况下制冷系 统工质循环浓度的调节，具体调节和控制方法如下：

(1)启动工况步骤：可控主回路无级调节阀V1关闭，控制单元7根据 输入参数蒸发器出口温度、压缩机排气压力或者两个参数的组合是否达到设 定值，判断是否转向受控降温工况过程；

(2)受控降温工况步骤：

2-1)控制单元7根据输入参数蒸发器出口温度、压缩机排气压力或者两 个参数的组合与设定值或设定范围对比进行判断，如果混合工质制冷系统处 于受控降温工况的高温工况，调节方法如下：可控主回路无级调节阀V1处于 四分之一开度(较小状态)、出罐单向阀V2处于出液状态，可控主回路无级 调节阀V1的具体开度状态由控制单元7根据输入参数(汇总的一种或全部) 反馈决定，具体为：

a)回热换热器单元3进出口温差小于该进出口温差其中一个设定值或该 进出口温差设定值加上回热换热器单元进出口温差控制回差，减小可控主回 路无级调节阀V1的开度；回热换热器单元进出口温差大于该进出口温差其中 一个设定值或该进出口温差设定值加上回热换热器单元进出口温差控制回 差，增加可控主回路无级调节阀V1的开度；

b)节流单元4进出口温差大于该进出口温差其中一个设定值或该进出口 温差设定值加上节流单元4进出口温差控制回差，减小可控主回路无级调节 阀V1开度；节流单元4进出口温差小于该进出口温差其中一个设定值或该进 出口温差设定值加上节流单元4进出口温差控制回差，增加可控主回路无级 调节阀V1开度；

2-2)控制单元7根据输入参数蒸发器单元5的出口温度、冷凝冷却器单 元2的压缩机排气压力(或者两个参数的组合与设定值)对比进行判断，如 果混合工质制冷系统处于受控降温工况的中温工况，调节方法如下：可控主 回路无级调节阀V1打开、出罐单向阀V2处于出液状态，可控主回路无级调 节阀V1的具体开度状态由控制单元7根据输入参数(汇总的一种或全部)反 馈决定，具体为：

a)回热换热器单元3进出口温差小于该进出口温差某设定值或该进出口 温差设定值加上回热换热器单元进出口温差控制回差，可控主回路无级调节 阀V1开度减小；回热换热器单元3进出口温差大于该进出口温差某设定值或 该进出口温差设定值加上回热换热器单元3进出口温差控制回差，可控主回 路无级调节阀V1开度增大；

b)节流单元4进出口温差大于该进出口温差其中一个设定值或该进出口 温差设定值加上节流阀单元进出口温差控制回差，可控主回路无级调节阀V1 开度减小；节流单元4进出口温差小于该进出口温差其中一个设定值或该进 出口温差设定值加上节流单元进出口温差控制回差，可控主回路无级调节阀 V1开度增大；

2-3)控制单元7根据输入参数蒸发器单元5的蒸发器出口温度、冷凝冷 却器单元2的压缩机排气压力(或者两个参数的组合)与设定值(或设定范 围)对比进行判断，如果系统处于受控降温工况的低温工况，调节方法如下： 可控主回路无级调节阀V1打开、出罐单向阀V2处于出液状态，可控主回路 无级调节阀V1的具体开度状态由控制单元7根据输入参数(汇总的一种或全 部)反馈决定，具体为：

a)回热换热器单元3进出口温差小于该进出口温差其中一个设定值或该 进出口温差设定值加上回热换热器单元进出口温差控制回差，可控主回路无 级调节阀V1开度减小；回热换热器单元进出口温差大于该进出口温差其中一 个设定值或该进出口温差设定值加上回热换热器单元进出口温差控制回差， 可控主回路无级调节阀V1开度增大；

b)节流单元进出口温差大于该进出口温差其中一个设定值或该进出口温 差设定值加上节流单元进出口温差控制回差，可控主回路无级调节阀V1开度 减小；节流单元进出口温差小于该进出口温差其中一个设定值或该进出口温 差设定值加上节流阀单元进出口温差控制回差，可控主回路无级调节阀V1开 度增大。

(3)制冷系统正常制冷步骤:可控主回路阀V1保持开度。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的 精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置 换方式，都包含在本发明的保护范围之内。