噴淋式製冷制熱設備及控制方法與流程
2023-06-23 05:29:01 2
本發明涉及製冷裝置，尤其涉及一種噴淋式製冷制熱設備及控制方法。
背景技術：
目前製冷設備的冷量傳遞過程( 熱量傳遞過程與之相反) ：蒸發器內的製冷劑蒸發吸熱，所產生冷量通過「導熱」的方式使緊貼蒸發器的製冷設備內膽溫度降低，低溫的製冷設備內膽通過自然對流、輻射( 如果內部有強制對流裝置的換熱方式為強制對流) 使製冷設備內部封閉氣體降溫，低溫氣體通過自然對流( 如果內部有強制對流裝置的換熱方式為強制對流) 與儲物進行換熱，將儲物的熱量帶走。製冷設備內壁與儲物也通過輻射換熱的方式將儲物的熱量帶走。
上述的冷量傳遞過程存在兩個主要問題：一是製冷設備內部是以空氣為主要換熱介質，由於空氣的密度(1.164kg/m3，20℃ ) 和導熱係數(2.524×10-2W/(m·℃ )) 較低，造成傳熱係數低；二是自然對流和輻射換熱( 製冷設備內壁面與儲物溫差範圍內) 兩種換熱方式本身換熱係數較低，在10 ～ 100W/(m2·℃ ) 範圍內。一方面，根據換熱量＝換熱係數×傳熱溫差×換熱面積的傳熱學基本公式，當製冷設備儲物較多時，需要較高的換熱熱量，製冷設備一般通過降低蒸發溫度( 即增加傳熱溫差) 來實現，而根據熱力學卡諾定理，製冷設備蒸發溫度越低，製冷性能係數(COP) 越低，降溫速度就越慢；另一方面，目前製冷設備溫控器的感溫包置於製冷系統的管路上( 一般放置於蒸發器管路出口處)，通過蒸發器出口處的溫度來判斷冷藏室內空氣溫度是否降低到設定值，當製冷設備內部的空氣溫度降低到設定溫度下限時壓縮機即停機，直至製冷設備內部的空氣溫度上升到溫控器設定的溫度上限時壓縮機才重新開機工作。由於空氣溫度與儲物溫度存在較大溫差，所以當壓縮機停機時，儲物溫度並沒有降低到設定溫度，因此儲物熱量很快把製冷設備內部空氣加熱，溫度升高到壓縮機重新開機工作，直接導致壓縮機的頻繁啟停。降溫速度慢使得冰櫃的節能性亟待提高，而壓縮機的啟停頻繁使得冰櫃的工作可靠性下降，大大縮短壓縮機的使用壽命。
目前，利用水代替空氣作為換熱冷媒的水製冷設備，通過水與儲物的強制對流換熱，傳熱係數範圍在1000 ～ 10000W/(m2·℃ )，這在一定程度上增加了製冷設備的傳熱係數，但是水製冷設備的內部須有大量水存在，水的液面高度決定了製冷設備容積的利用程度，同時大量水的存在也增加了製冷設備強度的要求。此外製冷系統的蒸發器放置於製冷設備內部，佔用了製冷設備的有效容積。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提供一種噴淋式製冷制熱設備及控制方法，旨在降低噴淋式製冷制熱設備的壓縮機的啟停次數，實現速冷的功能。
本發明提供的技術方案是，一種噴淋式製冷制熱設備，包括：製冷循環系統、液體循環系統、控制系統和箱體；所述製冷循環循環包括壓縮機、四通閥、冷凝器、毛細管、蒸發器和切換開關，所述四通換向閥的公共入口和公共出口分別與所述壓縮機的排氣管和吸氣管連接，所述四通換向閥的另外兩通分別與所述冷凝器和所述蒸發器相連接，所述毛細管設於所述冷凝器和所述蒸發器之間，所述切換開關用於觸發控制所述四通換向閥換向；所述液體循環系統包括液體泵、噴嘴和儲液罐，所述液體泵經所述蒸發器與所述噴嘴相連接，所述噴嘴伸入所述箱體的內腔，所述液體泵與所述儲液罐相連接，所述箱體的內腔底部形成有集液口，所述儲液罐連接所述集液口。
進一步的，所述噴嘴的噴淋液滴的中位數粒徑為0.5-5.5mm，
進一步的，所述切換開關為手動切換開關，所述蒸發器和所述冷凝器通過所述手動切換開關切換所述四通換向閥改變製冷劑的流向。
進一步的，所述儲液罐與所述液體泵之間還依次設置有調節閥和過濾器。
進一步的，還包括控制系統，所述控制系統包括溫控器、溫度傳感器、壓差傳感器和位置開關，所述溫度傳感器設於所述儲液罐和所述箱體底部的集液口之間，所述溫控器與所述溫度傳感器、所述液體泵、所述壓縮機分別相連接，所述壓差傳感器設於所述液體泵的進、出口之間，所述壓差傳感器連接至所述壓縮機，所述位置開關設於所述箱體的門體處。
進一步的，所述蒸發器為板式換熱器或套管式換熱器，所述液體泵通過所述蒸發器與所述噴嘴相連接；或者，所述液體泵與噴嘴之間通過管道連接，所述管道與所述蒸發器導熱連接。
本發明還提供一種噴淋式製冷制熱設備的控制方法，所述噴淋式製冷制熱設備包括：製冷循環系統、液體循環系統、控制系統和箱體；所述製冷循環循環包括壓縮機、四通閥、冷凝器、毛細管、蒸發器和切換開關，所述四通換向閥的公共入口和公共出口分別與所述壓縮機的排氣管和吸氣管連接，所述四通換向閥的另外兩通分別與所述冷凝器和所述蒸發器相連接，所述毛細管設於所述冷凝器和所述蒸發器之間，所述切換開關用於觸發控制所述四通換向閥換向；所述液體循環系統包括液體泵、噴嘴和儲液罐，所述液體泵經所述蒸發器與所述噴嘴相連接，所述噴嘴伸入所述箱體的內腔，所述液體泵與所述儲液罐相連接，所述箱體的內腔底部形成有集液口，所述儲液罐連接所述集液口；
控制方法為：通過所述蒸發器與所述液體循環系統中的噴淋液體進行換熱，所述液體循環系統中的噴淋液體通過所述噴嘴以噴淋方式與箱體內腔的儲物換熱。
進一步的，所述儲液罐與所述液體泵之間還依次設置有調節閥和過濾器，所述的噴淋式製冷制熱設備還包括控制系統，所述控制系統包括溫控器、溫度傳感器、壓差傳感器和位置開關，所述溫度傳感器設於所述儲液罐和所述箱體底部的集液口之間，所述溫控器與所述溫度傳感器、所述液體泵、所述壓縮機分別相連接，所述壓差傳感器設於所述液體泵的進、出口之間，所述壓差傳感器連接至所述壓縮機，所述位置開關設於所述箱體的門體處；
控制方法具體包括：
S1：噴淋式製冷制熱設備通電後，所述位置開關判斷門體是否打開，若打開，則所述液體循環系統和所述製冷循環系統不啟動；若沒有打開，則轉入S2；
S2：所述溫控器比較所述溫度傳感器傳回的溫度與設定值，若傳回的溫度高於設定值，則啟動所述液體泵；若傳回的溫度低於設定值，同時所述液體泵的進出口之間的壓差傳感器顯示有壓差，則啟動所述製冷循環系統，噴淋式製冷制熱設備進入工作狀態；
S3：當所述溫度傳感器傳回的溫度達到設定值，所述溫控器發出停機信號，所述製冷系統和所述液體循環系統相繼被切斷，停止工作。
進一步的，控制方法還包括：若在節能櫃工作過程中打開門體，所述液體循環系統和所述製冷循環系統同時被切斷，停止工作。
進一步的，控制方法還包括：通過切換開關切換四通換向閥來改變製冷劑的流向，實現製冷循環系統的蒸發器和冷凝器的功能互換，將速冷控制切換為速熱控制。
本發明提供的噴淋式製冷制熱設備及控制方法，通過製冷循環系統對液體循環系統中的噴淋液體進行冷卻，噴淋液體將通過噴頭直接噴射到箱體內腔盛放的儲物上，低溫的噴淋液體將直接與儲物進行熱交換，而由於液體的傳熱係數更換，儲物上的噴淋液體能夠快速與儲物進行熱交換，提高了製冷設備的性能係數，提高了能量利用效率，實現了速冷的功能；同時，由於降溫速度較快，也使得壓縮機的啟停次數明顯減少，延長了噴淋式製冷制熱設備的使用壽命；同樣的，通過改變四通閥的狀態，還可以實現將速冷控制切換為速熱控制，實現了速冷/速熱的多功能，成為全季節電器，降低了成本。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明噴淋式製冷制熱設備實施例處於製冷狀態的原理圖；
圖2為本發明噴淋式製冷制熱設備實施例處於制熱狀態的原理圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1-圖2所示，本實施例噴淋式製冷制熱設備，主要包括壓縮機1、四通閥2、冷凝器3、毛細管4、蒸發器5、液體泵6、噴嘴7、儲液罐8、調節閥9、過濾器10、溫控器11、溫度傳感器12、壓差傳感器13、位置開關14以及箱體15。其中，壓縮機1、冷凝器3、毛細管4和蒸發器5組成製冷循環系統；液體泵6、過濾器10、噴嘴7、儲液罐8和調節閥9組成液體循環系統；溫控器11、溫度傳感器12、壓差傳感器13和位置開關14組成控制系統。
製冷循環系統的結構具體為：四通換向閥2的公共入口和公共出口分別與壓縮機1的排氣管和吸氣管連接，四通換向閥2的另外兩通分別與冷凝器3和蒸發器5相連接，毛細管4設於冷凝器3和蒸發器5之間；切換開關通過控制電源與四通換向閥2相連接。
液體循環系統的結構具體為：液體泵6輸出的噴淋液體經蒸發器5進行製冷後輸送到噴嘴7，噴嘴7伸入箱體15的內腔，液體泵6依次經過濾器10、調節閥9與儲液罐8相連接，儲液罐8連接至箱體15的內腔。其中，箱體15的內腔底部可以形成有集液口（未圖示），儲液罐8與該排水孔連接收集箱體15中的噴淋液體；另外，蒸發器15可以採用板式換熱器或套管式換熱器等結構，蒸發器15中具有兩條流路，其中一條流路供冷媒流動，另一條流路供噴淋液流動，液體泵6通過蒸發器5與噴嘴7連接，或者，液體泵6與噴嘴7之間直接通過管道連接，該管道貼在蒸發器5上以通過蒸發器5製冷流經該管道中的噴淋液。
控制系統的結構具體為：溫度傳感器12設於儲液罐8和箱體15底部的集液口之間，溫控器11與溫度傳感器12、液體泵6、壓縮機1分別連接，壓差傳感器13設於液體泵6的進、出口之間，壓差傳感器13還連接至壓縮機1，位置開關14設於箱體15的門體處，用於判斷箱體15上的門體（未圖示）是否打開。
下面結合附圖對本實施例噴淋式製冷制熱設備的工作過程及控制方法進行說明，以箱體15中冷藏的儲物為飲料為例。
本實施例噴淋式製冷制熱設備的工作狀態主要分為啟動、運行、停機和門體打開四種工況，飲料儘量以豎直角度的方式存放於箱體15的內腔中，設定噴嘴7的噴淋液滴粒逕到中等大小，中位數的噴淋液滴的粒徑值為1-3mm，關閉門體，溫控器11設定溫度值為10℃，接通電源，本實施例噴淋式製冷制熱設備進入啟動工況階段。
製冷循環系統通過蒸發器5與液體循環系統中的噴淋液體換熱，液體循環系統通過噴嘴7將製冷後的噴淋液體噴射到儲物上進行換熱；控制系統同時控制製冷循環系統和液體循環系統；液體循環系統同時控制製冷循環系統，製冷循環系統的步驟具體為：
首先根據冷門體的位置開關14判斷門體是否打開（此時已關閉）；然後溫度傳感器12傳遞給溫控器11的溫度信號為常溫（因為飲料剛剛放入），與設定溫度值有偏差，溫控器11隨即控制液體泵6電源接通，液體循環系統開始工作，同時接通壓縮機1電源；
但是壓縮機1電源接通後，壓縮機1是否啟動還受壓差傳感器13的控制，通過壓差傳感器13判斷液體泵6的進出口是否已成功建立壓差，若已經成功建立壓差，則液體循環系統正常工作，壓縮機1啟動，製冷循環系統開始工作。
冷量的傳遞過程為：製冷循環系統的蒸發器5內的製冷劑蒸發吸熱產生冷量，液體循環系統（以水為例，噴淋液體為純水、乙二醇、丙三醇中的一種或幾種或者酚的乙醇水溶液或者鹼金屬和鹼土金屬的可溶性鹽（如氯化鈉、氯化鈣）的水溶液，根據儲物的冷藏、冷凍溫度選擇適用的噴淋液體）的水由液體泵6泵送至蒸發器5處進行製冷，吸收製冷劑的冷量變為冷水，冷水通過噴嘴7霧化為高速小液滴，小液滴直接噴射到飲料包裝表面，與飲料換熱，同時由於小液滴具有很高的流速，打到飲料上會使飲料震動，使冷量快速從飲料包裝傳遞到飲料內部，同時減少飲料外圍與內部的溫差，使飲料充分冷卻；經過與飲料換熱後的液滴溫度升高，並匯集於箱體15底部，靠重力從集液口排入液體循環系統的儲液罐8，然後依次經調節閥9、過濾器10被液體泵6泵入到蒸發器5處，進入下一輪循環。
水從箱體15的集液口進入儲液罐8時會流經溫度傳感器12，將水的溫度信號傳遞給溫控器11。由於冷量的不斷傳遞，飲料的溫度逐漸降低，回水的溫度也逐漸降低。當溫度達到設定的10℃時，溫控器11同時斷開液體泵6和壓縮機1的電源，液體循環系統和製冷循環系統同時停止工作，進入停機工況。由於外界熱量的不斷傳入，使內部飲料溫度逐漸上升，當達到溫控器11啟動的上限值，噴淋式製冷制熱設備重新啟動。
噴淋式製冷制熱設備在正常運行時，若中途打開門體，為防止噴嘴7噴出的液體飛出箱體15，位置開關14控制液體泵6和壓縮機1同時斷電，液體循環系統和製冷循環系統同時被切斷，噴淋式製冷制熱設備停止工作。待門體合上後，重新啟動液體泵6和壓縮機1。
分析發現，冷量與儲物換熱的在最薄弱環節就在噴淋式製冷制熱設備內部，從而本發明將換熱係數可達到100000W/ (m2•℃)的噴淋換熱技術引入到噴淋式製冷制熱設備製冷領域，同時，根據流體力學、傳熱學的基本定律提出了噴淋方式可調且噴淋液滴粒徑由箱體15內部儲物種類確定，就製冷功能而言，本發明噴淋式製冷制熱設備除了出售冷藏軟瓶飲料，還可以實現對水果或者包裝食品的速凍。
例如：
對於瓶裝飲料而言，選擇接近柱狀的噴淋液滴粒徑將液體噴淋到儲物表面，而對於玻璃、金屬瓶裝飲料選擇較大的噴淋液滴粒徑（液滴的中位數粒徑為2-5.5mm）、塑料瓶裝液體飲料其次（液滴的中位數直徑值的範圍為1-3mm）、水果則選擇較小噴淋液滴粒徑（液滴的中位數直徑值的範圍為0.5-2mm）。這是因為較大的液滴粒徑具有相對較高的動能，可以使飲料瓶及內部液體震動，在強化儲物外部換熱的同時也對內部換熱進行強化，進一步實現製冷設備的速冷/速熱功能。
而對於如水果類的儲物，因其表面易損且內部導熱是整個傳熱的瓶頸環節，過分強化外部換熱對整體貢獻不大，因此只需提供均勻的低溫環境即可，所以選擇接近霧化的噴淋液滴粒徑。
箱體15內部換熱係數的提高使得從製冷劑到儲物的換熱係數提高，傳遞相同熱量所需要的溫差就會減小，採用本發明的技術方案進行製冷，製冷循環系統的蒸發溫度與溫控器11的感溫包溫度之間的溫差≤5℃，與儲物的目標溫度之間溫差≤10℃，大大優化了製冷循環系統的性能。
傳統製冷設備在大負荷下壓縮機頻繁啟停的根本原因有兩個：一是溫控器感溫包的位置；二是蒸發溫度與儲物之間有較大溫差。其中，如前所述，噴淋技術的引入減少了蒸發溫度與儲物之間的溫差，另一方面，本發明將溫度傳感器12安裝於製冷設備箱體15底部的集液口與儲液罐8之間。在128L製冷設備內部裝入80瓶500ml瓶裝水的前提下，通過實驗對比，24h內，傳統製冷設備啟停100次，而本發明的速冷節能櫃僅啟停了2次。
而需要由製冷狀態切換為制熱狀態時，扳動切換開關，控制電源給四通換向閥2一個高電平脈衝，實現的四通換向閥2換向，製冷劑的流動方向改變，蒸發器5和冷凝器3的功能互換，轉而實現速熱功能，可以使本實施例噴淋式製冷制熱設備在冬季或者其他需要的場合作為「熱飲」加熱器，提高了能量利用效率，降低了閒置率，充分發揮了本實施例噴淋式製冷制熱設備的使用頻率，使其成為全季節的多功能電器。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。