一種可快速降溫的混合工質節流製冷系統及控制方法

2023-09-12 14:40:21 2

1.本發明屬於製冷與低溫技術領域，具體涉及一種應用於低溫冰箱或冷櫃的可快速降溫的非共沸混合工質節流製冷系統及控制方法。


背景技術：

2.隨著科學技術的日益進步，用於醫療用品和生物製品的保存、電子元件和化工材料等特殊材料的低溫實驗以及其他科研及生產活動的低溫冰箱或冷櫃的需求越來越大。混合工質節流製冷系統結構簡單，造價低，製冷溫區廣，在低溫冰箱或冷櫃中得到了廣泛的應用。在製冷系統啟動初期，整個系統處於較高的溫度水平，為了獲取較低的製冷溫度，混合工質中含有大量低沸點組元工質，因此此時系統內工質絕大部分為氣相，而氣相工質通過節流元件的能力差。這導致混合工質節流製冷系統啟動初期，一方面系統冷凝壓力高，容易對壓縮機造成損傷，另一方面循環製冷劑流量小，製冷量小，降溫速率緩慢。隨著系統溫度的降低與高沸點組元的冷卻凝結，通過節流元件的液相工質含量會逐漸增多，冷凝壓力逐漸降低，且製冷劑流量增加，降溫速率隨之加快。針對上述常規混合工質節流製冷系統啟動初期氣相工質多導致的啟動壓力高及降溫速率慢的問題，本發明對混合工質節流製冷系統的回熱器配置進行了改進，提供了一種新型的帶有中間補氣的混合工質節流製冷系統，該系統一方面可以改善啟動性能，另一方面可以提升穩定運行階段的系統性能。


技術實現要素：

3.針對上述混合工質節流製冷系統存在的缺陷和不足，本發明提供一種用於低溫冰箱或冷櫃的可改善啟動及穩定運行性能的帶有中間補氣的新型混合工質節流製冷系統及啟動階段控制方法，將常規混合工質節流製冷系統中的一個回熱器分為兩個，壓縮機採用了中間補氣壓縮機，並增設了額外的流向壓縮機補氣口的製冷劑流路。此外，在第二個回熱器與蒸發器前毛細管之間增設了一進二出的二位三通電磁閥，二位三通電磁閥出口ⅰ連接了大流量毛細管，二位三通電磁閥出口ⅱ連接了蒸發器流路，通過冷凝器出口壓力來控制電磁閥的通斷電，進而達到改變流體流通方向的目的。在系統啟動初期，出口ⅰ打開，蒸發器流路斷開，工質通過大流量毛細管為回熱器提供冷量，可以快速增加系統高壓側製冷劑液相含量，進而快速降低冷凝壓力。當高壓側製冷劑完全凝結後，出口ⅰ關閉，蒸發器流路打開，此時與常規系統相比，一方面經過啟動階段後新型系統內高壓側製冷劑已得到快速冷卻凝結，通過毛細管的製冷劑流量大，降溫速率快，另一方面中間補氣壓縮機的採用降低了每級壓縮的壓比，系統穩定運行性能得以改善。
4.為達到上述目的，本發明所採用的技術方案如下：
5.一種可快速降溫的混合工質節流製冷系統，包括壓縮機101、冷凝器102、第一回熱器103、第一毛細管104、第二回熱器105、二位三通電磁閥106、第二毛細管107、第一止回閥108、第三毛細管109、蒸發器110、第二止回閥111以及控制模塊112；所述壓縮機101出口與冷凝器102入口相連；冷凝器102出口與第一回熱器103入口ⅰ相接；第一回熱器103出口ⅰ分
為兩路，一路經過第一毛細管104後與第一回熱器103入口ⅱ相接，第一回熱器103出口ⅱ與壓縮機101補氣口相接；另一路與第二回熱器105入口ⅰ相接，第二回熱器105出口ⅰ與二位三通電磁閥106入口相連，二位三通電磁閥106出口ⅰ與第二毛細管107入口相連，第二毛細管107出口與第一止回閥108入口相連，二位三通電磁閥106出口ⅱ與第三毛細管109入口相連，第三毛細管109出口與蒸發器110入口相連，蒸發器110出口與第二止回閥111入口相連，第二止回閥111出口與第一止回閥108出口交匯後與第二回熱器105入口ⅱ相連，第二回熱器105出口ⅱ與第一回熱器103入口ⅲ相連，第一回熱器103出口ⅲ與壓縮機101吸氣口相連；第二回熱器105出口ⅰ與二位三通電磁閥106入口間設有壓力傳感器和溫度傳感器，壓力傳感器和溫度傳感器與控制模塊112的輸入端相接；控制模塊112的輸出端與二位三通電磁閥106相接。
6.所述二位三通電磁閥106為一進二出，出口ⅰ依次與第二毛細管107、第一止回閥108相連，出口ⅱ依次與第三毛細管109、蒸發器110、第二止回閥111相連；控制模塊112根據接收到的二位三通電磁閥106入口壓力與溫度信號，控制二位三通電磁閥106線圈的通電和斷電，進而控制閥芯的移動，改變流體流通方向，實現加快降溫速率的目的。
7.所述混合工質節流製冷系統在啟動初期，二位三通電磁閥106出口ⅰ打開，出口ⅱ關閉，此時蒸發器流路斷開，蒸發器110不製冷，製冷劑進入第二毛細管107節流，之後依次進入兩個回熱器為高壓側製冷劑提供冷量；此外，與二位三通電磁閥106出口ⅰ相連的第二毛細管107比與二位三通電磁閥106出口ⅱ相連的第三毛細管109的流量大，通過工質的能力更強；因此，系統高壓側製冷劑可以快速得到冷卻凝結，尤其是混合工質中的高沸點組元，冷凝壓力可以快速降低，系統安全性大大提升。
8.所述混合工質節流製冷系統在製冷階段，二位三通電磁閥106出口ⅰ關閉，出口ⅱ打開，蒸發器流路流通；經過啟動階段後，系統高壓側製冷劑已得到凝結，與系統啟動時直接打開蒸發器流路相比，工質通過第三毛細管109的能力增強，製冷劑流量大，因此降溫速率得以加快。
9.所述混合工質節流製冷系統的控制方法，系統開始運行前，二位三通電磁閥106出口ⅰ打開，出口ⅱ關閉，蒸發器流路斷開；系統啟動後，控制模塊112實時監測二位三通電磁閥106入口實時溫度ti與壓力pi，通過製冷劑物性查詢運算軟體refprop計算確定實時壓力pi所對應的飽和液體溫度t
sat,i
，比較二位三通電磁閥106入口實時溫度ti與飽和液體溫度t
sat,i
；如果ti》t
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，表明二位三通電磁閥106入口工質中含有氣相工質，則保持出口ⅰ打開，出口ⅱ關閉不變，此時系統處於啟動階段，蒸發器流路斷開，目的在於加快高壓側製冷劑的冷卻凝結；直到ti《t
sat,i
，即二位三通電磁閥106入口工質為純液相，則二位三通電磁閥106出口ⅰ關閉，出口ⅱ打開，蒸發器流路流通，此時系統進入製冷階段，直至系統運行穩定。
10.相對於常規混合工質節流製冷系統，本發明提出的新型混合工質節流製冷系統配置了兩個回熱器、帶有中間補氣的壓縮機以及改變流體流通方向的二位三通電磁閥，一方面能夠通過改變流體流通方向來快速冷卻凝結高壓側製冷劑，降低冷凝壓力，加快降溫速率；另一方面中間補氣壓縮機具有兩級壓縮的效果，能夠降低每級壓縮的壓比，有效提升系統性能；本發明將有效地促進低溫冰箱或冷櫃技術的發展。
附圖說明
11.圖1是本發明的製冷系統示意圖。
12.圖2是本發明的控制方法流程圖。
具體實施方式
13.為了使本發明的技術方案和優點更加明了，下面結合附圖進一步對本發明作詳細說明。
14.如圖1所示，一種可快速降溫的帶有中間補氣的混合工質節流製冷系統，包括壓縮機101、冷凝器102、第一回熱器103、第一毛細管104、第二回熱器105、二位三通電磁閥106、第二毛細管107、第一止回閥108、第三毛細管109、蒸發器110、第二止回閥111以及控制模塊112；所述壓縮機101出口與冷凝器102入口相連；冷凝器102出口與第一回熱器103入口ⅰ相接；第一回熱器103出口ⅰ分為兩路，一路經過第一毛細管104後與第一回熱器103入口ⅱ相接，第一回熱器103出口ⅱ與壓縮機101補氣口相接；另一路與第二回熱器105入口ⅰ相接，第二回熱器105出口ⅰ與二位三通電磁閥106入口相連，二位三通電磁閥106出口ⅰ與第二毛細管107入口相連，第二毛細管107出口與第一止回閥108入口相連，二位三通電磁閥106出口ⅱ與第三毛細管109入口相連，第三毛細管109出口與蒸發器110入口相連，蒸發器110出口與第二止回閥111入口相連，第二止回閥111出口與第一止回閥108出口交匯後與第二回熱器105入口ⅱ相連，第二回熱器105出口ⅱ與第一回熱器103入口ⅲ相連，第一回熱器103出口ⅲ與壓縮機101吸氣口相連；第二回熱器105出口ⅰ與二位三通電磁閥106入口間設有壓力傳感器和溫度傳感器，壓力傳感器和溫度傳感器與控制模塊112的輸入端相接；控制模塊112的輸出端與二位三通電磁閥106相接。
15.所述新型混合工質節流製冷系統中配置了兩個回熱器，第一回熱器103具有三條流體通道，第二回熱器105具有兩條流體通道；兩個串聯起來的回熱器將高壓側製冷劑冷卻凝結，減小製冷劑流經毛細管時的節流損失，同時低壓側製冷劑在兩個回熱器中吸收熱量，防止壓縮機101發生液擊；此外，第一回熱器103同時為流向壓縮機101補氣口的中壓製冷劑提供熱量。
16.所述新型混合工質節流製冷系統中的壓縮機101為中間補氣壓縮機，中間補氣壓縮機具有兩級壓縮的效果，每級壓縮的壓比得以降低，壓縮機效率提高，壓縮機排氣溫度可以降低，且系統能效可以得到有效提升。
17.所述二位三通電磁閥106為一進二出，出口ⅰ依次與第二毛細管107、第一止回閥108相連，出口ⅱ依次與第三毛細管109、蒸發器110、第二止回閥111相連；控制模塊112根據接收到的二位三通電磁閥106入口壓力與溫度信號，控制二位三通電磁閥106線圈的通電和斷電，進而控制閥芯的移動，改變流體流通方向，實現加快降溫速率的目的。
18.所述混合工質節流製冷系統在啟動初期，二位三通電磁閥106出口ⅰ打開，出口ⅱ關閉，此時蒸發器流路斷開，蒸發器110不製冷，製冷劑進入第二毛細管107節流，之後依次進入兩個回熱器為高壓側製冷劑提供冷量；此外，與二位三通電磁閥106出口ⅰ相連的第二毛細管107比與二位三通電磁閥106出口ⅱ相連的第三毛細管109的流量大，通過工質的能力更強；因此，系統高壓側製冷劑可以快速得到冷卻凝結，尤其是混合工質中的高沸點組元，冷凝壓力可以快速降低，系統安全性大大提升。
19.所述混合工質節流製冷系統在製冷階段，二位三通電磁閥106出口ⅰ關閉，出口ⅱ打開，蒸發器流路流通；經過啟動階段後，系統高壓側製冷劑已得到凝結，與系統啟動時直接打開蒸發器流路相比，工質通過第三毛細管109的能力增強，製冷劑流量大，因此降溫速率得以加快。
20.圖2為本發明啟動階段控制方法的流程圖，系統控制方法為：系統開始運行前，二位三通電磁閥106出口ⅰ打開，出口ⅱ關閉，蒸發器流路斷開；系統啟動後，控制模塊112實時監測二位三通電磁閥106入口實時溫度ti與壓力pi，通過製冷劑物性查詢運算軟體refprop計算確定實時壓力pi所對應的飽和液體溫度t
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，比較二位三通電磁閥106入口實時溫度ti與飽和液體溫度t
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，表明二位三通電磁閥106入口工質中含有氣相工質，則保持出口ⅰ打開，出口ⅱ關閉不變，此時系統處於啟動階段，蒸發器流路斷開，目的在於加快高壓側製冷劑的冷卻凝結；直到ti《t
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，即二位三通電磁閥106入口工質為純液相，則二位三通電磁閥106出口ⅰ關閉，出口ⅱ打開，蒸發器流路流通，此時系統進入製冷階段，直至系統運行穩定。
21.系統運行穩定後，製冷循環具體工作過程為：壓縮機101出口的高溫高壓過熱蒸氣經過冷凝器102冷卻為兩相流，再經過第一回熱器103冷卻為液相流體後分成兩股流體；一股經過第一毛細管104節流到中間壓力，成為兩相流，之後經過第一回熱器103加熱成為氣相流體，再進入壓縮機101補氣口；另一股在第二回熱器105中冷卻為過冷液體，再經過第三毛細管109節流成為兩相流體，之後經過蒸發器110吸收熱量，幹度增大；蒸發器110出口流體依次經過第二回熱器105和第一回熱器103加熱，成為過熱蒸氣；過熱蒸氣在壓縮機101中經過一級壓縮達到中間壓力，然後與壓縮機101補氣口的氣相流體混合後，經過二級壓縮成為高溫高壓過熱蒸氣，完成整個循環過程。