一種雙變容熱泵冷熱聯供系統的製作方法

2023-05-25 00:09:26

本實用新型涉及交替或同時運轉的加熱和製冷組合系統，尤其涉及一種用於食品加工的熱泵式冷熱聯供系統和該系統的控制方法。

背景技術：

在食品加工行業，食品加工工藝流程對溫度和溼度有著嚴格的要求。而傳統的工藝輔助調溫裝置卻相對落後。對於需要乾燥的產品，通過蒸汽加熱或是化石燃料的燃燒供給相應的熱量(例如：菌菇類烘乾等)；對於需要製冷的生產工藝則單純的採用製冷裝置來滿足生產需求(例如：深海魚類的加工)。以圖1所示的巧克力加工工藝為例，各個工藝環節對溫度有著嚴格的要求。中國發明專利申請「一種巧克力連續調溫機」(發明專利申請號：201310480384.7，公開號：CN103583764A)公開了一種巧克力連續調溫機，包括：箱體、調溫中心、冷熱水循環管路系統、電機、送漿泵和保溫缸；所述電機在箱體的內頂部；所述調溫中心為熱交換器,位於電機的正下方，由三層帶夾套的夾層熱交換筒疊加而成，各筒層的兩側分別設有水嘴,與冷熱水循環管路系統相連接，熱交換器的內部裝有立式刮板攪拌器，熱交換器的上部和底部分別開有一進料口和出料口；所述保溫缸位於箱體的外部；所述送漿泵位於保溫缸的上部，送漿泵通過輸漿管一端與保溫缸相連，另一端與熱交換器上部的進料口相連。中國發明專利「巧克力結晶流水線的控制方法及裝置」(發明專利號：200910053066.6，授權公告號：CN 101923338B)公開了一種巧克力結晶流水線的控制方法及裝置，該控制方法包括：對冷卻管路10個溫度控制點的PID調節控制；控制保溫迴路走向的2個三通閥門的連鎖切換控制；對轉子泵和結晶器電機進行變頻調速控制；實時監測冷卻管路10個溫度控制點，及4個壓力點工況數據以及轉子泵及結晶器電機電流。該發明專利針對巧克力結晶工藝的多點精細溫控具有反應靈敏、狀態跟蹤性好的特點，在不影響流水線勻速節拍的前提下，將10個溫度調控點的溫度調節到最佳工藝要求狀態。但是，傳統的溫度控制一般通過電加熱、蒸汽加熱或是燃燒鍋爐供給熱量，而對不同溫度要求得工藝往往是通過不同的供熱方式來實現，這就增加了企業的運營成本且降低了工作效率，同時不能實現智能控制，需要大量人力投入。

另一方面，近年來，隨著環保議題的日益突出，需要對原有的耗能生產工藝流程進行改造，以達到既節約能源又能減少或是杜絕汙染物的排放的目的。因此，需要研發能夠滿足食品加工工藝要求的加熱和製冷的聯合系統。中國發明專利「飯店後廚熱泵系統多模式運行控制方法及其控制裝置」(發明專利號：201410478406.0，授權公告號：CN104197584B)公開了一種飯店後廚熱泵系統多模式運行控制方法及其控制裝置，涉及加熱和製冷的聯合系統的控制，尤其涉及一種適用於飯店後廚的熱水供應、降溫除溼和冷藏保鮮的熱泵綜合系統的控制方法及設備，控制裝置通過檢測和比較運行模式參數的實測值和設定值，控制多模式製冷劑循環迴路切換機構改變製冷劑的循環路徑，控制飯店後廚熱泵系統按照預設的運行模式運行，實現自動多模式運行。

技術實現要素：

本實用新型的目的是要提供一種雙變容熱泵冷熱聯供系統，用於解決食品加工工藝採用熱泵加熱和製冷的聯合系統取代傳統蒸汽加熱或燃燒化石燃料加熱方式的技術問題。

本實用新型解決上述技術問題所採用的技術方案是：

一種雙變容熱泵冷熱聯供系統，包括熱泵機組，送風子系統和冷熱水子系統，以及用於實現冷熱聯供系統微處理器控制的控制裝置；其特徵在於：

所述的送風子系統是多控溫區串聯變容送風子系統，包括主控溫區和至少一個輔助控溫區，所述的主控溫區和各個輔助控溫區按照其送風溫度自低至高順序串聯，每個控溫區分別設置一個可獨立控制運行的變頻風機；

置於主控溫區的翅片式蒸發器連接到熱泵機組的製冷劑管路，來自主控溫區變頻風機的新風經翅片式蒸發器吸熱降溫，為主控溫區提供基礎風溫；

置於後一控溫區的變頻風機依次把前一控溫區的氣流送入本控溫區，與補充新風混合形成送風溫度符合本控溫區要求的送風氣流；

所述的控制裝置通過控制主控溫區變頻風機和各輔助控溫區變頻風機的運轉頻率，調節各控溫區的風量，控制送風子系統各控溫區的送風溫度，實現多控溫區串聯變容送風。

本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的一種較佳的技術方案，其特徵在於所述熱泵機組的製冷劑循環管路從壓縮機的排氣口開始，依次通過螺旋管式換熱器、儲液器和過濾器之後，再經由並聯連接的翅片式蒸發器支路和冷水製取支路到達氣液分離器，最後經氣液分離器回到壓縮機的吸氣口；所述的翅片式蒸發器支路包括串聯連接的第二電子膨脹閥和翅片式蒸發器；所述的冷水製取支路包括串聯連接的電子流量閥、第一電子膨脹閥和套管式換熱器。

本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的一種更好的技術方案，其特徵在於所述的冷熱水子系統包括連接到螺旋管式換熱器循環水路的熱水循環泵，連接到套管式換熱器循環水路的冷水循環泵，置於螺旋管式換熱器出水口的熱水溫度傳感器，以及置於套管式換熱器出水口的冷水溫度傳感器。

本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的一種改進的技術方案，其特徵在於所述的冷熱水子系統還包括通過熱水調節閥連接到螺旋管式換熱器出水口的熱水支管，以及通過冷水調節閥連接到套管式換熱器出水口的冷水支管；所述的冷熱水子系統通過控制熱水調節閥和冷水調節閥的開度，提供滿足水溫要求的調溫工藝用水。

本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的一種進一步改進的技術方案，其特徵在於所述的熱泵機組還包括噴液電磁閥和噴液毛細管串聯組成的噴液支路，所述的噴液支路連接在螺旋管式換熱器的製冷劑出口和氣液分離器的入口之間，通過噴液電磁閥控制噴液降低壓縮機的排氣溫度。

本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統，通過設置依送風溫度自低至高順序串聯的控溫區，控制變頻風機的運行頻率調節各控溫區的風量，實現多控溫區串聯變容送風；通過翅片式蒸發器支路和冷水製取支路製冷劑並聯循環，結合流量閥和電子膨脹閥的互動調節，實現冷劑的變容量調節和生產工藝流程中溫度自動控制，使冷熱聯供系統在不同冷熱負荷下低耗穩定運行，達到高效節能運行的目的。

2、本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統，根據產品加工工藝需求配置冷熱水溫度和送風溫度控制參數，根據預設控制參數選擇機組運行模式，滿足食品加工各個工藝環節對加工溫度和環境溫度的嚴格控制要求。

附圖說明

圖1是巧克力加工工藝流程圖；

圖2是本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的系統原理圖；

圖3是雙變容熱泵冷熱聯供系統的送風子系統示意圖；

圖4是雙變容熱泵冷熱聯供系統的冷熱水子系統示意圖；

圖5是雙變容熱泵冷熱聯供系統的控制裝置原理圖；

圖6是雙變容熱泵冷熱聯供系統的控制方法流程圖。

以上圖中各部件的附圖標記：1為壓縮機，2為四通閥，3為螺旋管式換熱器，31為熱水循環泵，32為熱水溫度傳感器，33為熱水調節閥；4為儲液器，5為電子流量閥，6為第一電子膨脹閥，61為第一溫度傳感器，7為第二電子膨脹閥，71為第二溫度傳感器，8為套管式換熱器，81為冷水循環泵，82為冷水溫度傳感器，83為冷水調節閥；91為第一單向閥，92為第二單向閥，11為翅片式蒸發器，12為過濾器，13為噴液電磁閥，14為噴液毛細管，15為氣液分離器，16為檢修閥，17為高壓開關，18為低壓開關，10為主控溫區變頻風機，20為第二變頻風機，30為第三變頻風機，100為熱泵機組，200為送風子系統，210為主控溫區，211為冷卻包裝設備，220為第二控溫區，221為第二調溫設備，230為第三控溫區，231為第三調溫設備，300為冷熱水子系統，310為精磨設備，320為澆鑄成型設備，500為控制裝置，510為運行參數設定模塊，520為冷熱水溫監控模塊，530為送風溫度監控模塊，531為送風溫度傳感器組，540為變頻風機控制器，550為熱泵機組控制器，560為循環泵控制器。

具體實施方式

為了能更好地理解本實用新型的上述技術方案，下面結合附圖和實施例進行進一步地詳細描述。圖2、圖3和圖4是本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的一個實施例，包括熱泵機組100，送風子系統200和冷熱水子系統300，以及用於實現冷熱聯供系統微處理器控制的控制裝置500；

如圖3所示，所述的送風子系統200是多控溫區串聯變容送風子系統，包括主控溫區210和至少一個輔助控溫區，所述的主控溫區210和各個輔助控溫區按照其送風溫度自低至高順序串聯，每個控溫區分別設置一個可獨立控制運行的變頻風機；在圖3所示的實例中，所述的輔助控溫區為第二控溫區220和第三控溫區230，對應的變頻風機包括主控溫區變頻風機10，第二變頻風機20和第三變頻風機30。

置於主控溫區210的翅片式蒸發器11連接到熱泵機組100的製冷劑管路，來自主控溫區變頻風機10的新風經翅片式蒸發器11吸熱降溫，為主控溫區210提供基礎風溫；

置於後一控溫區的變頻風機依次把前一控溫區的氣流送入本控溫區，與補充新風混合形成送風溫度符合本控溫區要求的送風氣流；

所述的控制裝置500通過控制主控溫區變頻風機10和各輔助控溫區變頻風機的運轉頻率，調節各控溫區的風量，控制送風子系統200各控溫區的送風溫度，實現多控溫區串聯變容送風。

根據圖2所示的本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的實施例，所述熱泵機組100的製冷劑循環管路從壓縮機1的排氣口開始，依次通過螺旋管式換熱器3、儲液器4和過濾器12，再經由並聯連接的翅片式蒸發器支路和冷水製取支路到達氣液分離器15，最後經氣液分離器15回到壓縮機1的吸氣口；所述的翅片式蒸發器支路包括串聯連接的第二電子膨脹閥7和翅片式蒸發器11；所述的冷水製取支路包括串聯連接的電子流量閥5、第一電子膨脹閥6和套管式換熱器8。

根據圖4所示的本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的實施例，所述的冷熱水子系統300包括連接到螺旋管式換熱器3循環水路的熱水循環泵31，連接到套管式換熱器8循環水路的冷水循環泵81，置於螺旋管式換熱器3出水口的熱水溫度傳感器32，以及置於套管式換熱器8出水口的冷水溫度傳感器82。

根據圖4所示的本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的實施例，所述的冷熱水子系統300還包括通過熱水調節閥33連接到螺旋管式換熱器3出水口的熱水支管，以及通過冷水調節閥83連接到套管式換熱器8出水口的冷水支管；所述的冷熱水子系統300通過控制熱水調節閥33和冷水調節閥83的開度，提供滿足水溫要求的調溫工藝用水。

在圖2所示的本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的實施例中，所述的熱泵機組100還包括噴液電磁閥13和噴液毛細管14串聯組成的噴液支路，所述的噴液支路連接在螺旋管式換熱器3的製冷劑出口和氣液分離器15的入口之間，通過噴液電磁閥13控制噴液降低壓縮機1的排氣溫度。

根據本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的一個實施例，所述的控制裝置500通過控制電子流量閥5、第一電子膨脹閥6和第二電子膨脹閥7的開關狀態及其開度，改變熱泵機組的製冷劑循環管路的流量分配，配合熱水循環泵31、冷水循環泵81和各變頻風機的運行控制，實現冷熱聯供系統的動態多模式運行；所述的動態多模式運行包括以下運行模式：

熱水冷風模式：電子流量閥5關閉，第二電子膨脹閥7打開，製冷劑通過翅片式蒸發器支路建立循環；熱水循環泵31啟動，冷水循環泵81停止，冷熱水子系統300通過螺旋管式換熱器3製取熱水，並且根據冷熱水子系統300的熱負荷變化，實時控制熱水循環泵31的運行頻率；各個控溫區的變頻風機啟動，送風子系統200執行多控溫區串聯變容送風，並且根據送風子系統200的冷負荷變化，實時控制各變頻風機的運行頻率；

冷熱水模式：電子流量閥5和第一電子膨脹閥6打開，第二電子膨脹閥7關閉，製冷劑通過冷水製取支路建立循環；熱水循環泵31和冷水循環泵81啟動，冷熱水子系統300在通過螺旋管式換熱器3製取熱水的同時，通過所述的套管式換熱器8製取冷水，並且根據冷熱水子系統300的冷熱負荷變化，實時控制熱水循環泵31和冷水循環泵81的運行頻率；各個控溫區的變頻風機停止，送風子系統200停止送風；

冷熱水冷風模式：電子流量閥5、第一電子膨脹閥6和第二電子膨脹閥7打開，製冷劑同時通過翅片式蒸發器支路和冷水製取支路建立並聯循環；熱水循環泵31和冷水循環泵81啟動，冷熱水子系統300在通過螺旋管式換熱器3製取熱水的同時，通過所述的套管式換熱器8製取冷水，並且根據冷熱水子系統300的冷熱負荷變化，實時控制熱水循環泵31和冷水循環泵81的運行頻率；各個控溫區的變頻風機啟動，送風子系統200執行多控溫區串聯變容送風，並且根據送風子系統200的冷負荷變化，實時控制各變頻風機的運行頻率；

動態製冷劑變容運行模式：打開電子流量閥5、第一電子膨脹閥6和第二電子膨脹閥7，啟動熱水循環泵31和冷水循環泵81，製冷劑通過翅片式蒸發器支路和冷水製取支路建立並聯循環；若冷負荷增加需要降低製冷劑循環溫度，則打開噴液電磁閥13，通過噴液支路執行噴液降溫；根據送風子系統200或冷水製取支路的冷負荷變化，調節電子流量閥5的開度，使套管式換熱器8和翅片式蒸發器11出口的製冷劑溫度變化，製冷劑溫度的變化引發第一電子膨脹閥6和第二電子膨脹閥7執行開度自動調節，實現隨冷負荷動態變化的製冷劑變容量運行模式。

本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的控制裝置500的一個實施例如圖5所示，包括用於配置冷熱水溫度和送風溫度控制參數的運行參數設定模塊510，用於檢測和監控冷熱水子系統溫度的冷熱水溫監控模塊520，用於檢測和監控送風溫度的送風溫度監控模塊530，用於驅動風閥的變頻風機控制器540，用於控制壓縮機和控制電磁閥的熱泵機組控制器550，以及用於控制熱水循環泵31和冷水循環泵81的循環泵控制器560；所述冷熱水溫監控模塊520的輸入端，連接到運行參數設定模塊510、冷水溫度傳感器82和熱水溫度傳感器32；所述冷熱水溫監控模塊520的輸出端連接到熱泵機組控制器550和循環泵控制器560；熱泵機組控制器550的輸出端連接到壓縮機和製冷劑管路中的控制電磁閥；循環泵控制器560的輸出端連接到熱水循環泵31和冷水循環泵81；所述送風溫度監控模塊530的輸入端，連接到運行參數設定模塊510和送風溫度傳感器531；所述送風溫度監控模塊530的輸出端連接到變頻風機控制器540和熱泵機組控制器550，變頻風機控制器540的輸出端連接到各個控溫區的變頻風機。所述的控制電磁閥包括連接在製冷劑管路中的電子流量閥5、第一電子膨脹閥6、第二電子膨脹閥7和噴液電磁閥13。

根據本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統的一個實施例，所述的控制裝置500採用具有多路A/D轉換接口和多路PWM輸出接口的單片微處理器實現程序控制，所述的運行參數設定模塊510、冷熱水溫監控模塊520和送風溫度監控模塊530是微處理器提供的軟體功能模塊；所述的冷水溫度傳感器82、熱水溫度傳感器32和送風溫度傳感器531，通過微處理器的A/D轉換接口連接到單片微處理器；所述的控制裝置500利用微處理器的PWM輸出，為變頻風機控制器540和循環泵控制器560提供變頻控制輸出信號；所述的控制裝置500利用微處理器的PIO埠編程輸出電磁閥和壓縮機的開關輸出信號，通過熱泵機組控制器550對系統中的壓縮機和電磁閥執行開關控制。

圖6是本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統控制方法的一個實施例，包括以下步驟：

S100：配置冷熱水溫度和送風溫度控制參數；

S200：檢測監控冷熱水溫度和各控溫區的送風溫度；

S300：根據冷熱水溫度和送風溫度控制參數選擇機組運行模式；

S400：根據選擇的機組運行模式控制熱泵機組、熱水循環泵、冷水循環泵和各變頻風機的狀態，執行動態多模式運行。

實施例：

本實用新型的冷熱雙聯供變容量系統的一個實施例是針對圖1所示的巧克力加工工藝的特殊性專門設計的。在本實施例中，主控溫區210為包裝車間，第二控溫區220和第三控溫區230分別為第二調溫工藝室和第三調溫工藝室；產線生產原料經過混合融化、精磨、精煉、過篩、保溫、調溫、澆模成型和冷卻硬化最後包裝成產品。

針對精磨、調溫、澆模成型和包裝工藝的冷熱量需求，所述的冷熱水子系統300向生產工藝線的精磨設備310提供45℃溫水，並根據精磨工藝的熱負荷變化，動態調整熱水循環泵31的運行頻率，通過改變循環水流量滿足精磨工藝的恆溫需求；所述的冷熱水子系統300向澆鑄成型設備320提供6℃冷凍水，並根據澆鑄成型工藝冷負荷變化，動態調整冷水循環泵81的運行頻率，通過改變循環水流量滿足澆模成型工藝的恆溫需求。送風子系統200為包裝車間提供基礎風溫為12℃的冷風，並根據包裝車間的冷負荷變化，調整主控溫區變頻風機10的運行頻率，通過改變主控溫區變頻風機10的送風量滿足包裝工藝的恆溫需求；當系統檢測到包裝車間、第二調溫工藝室和第三調溫工藝室的負荷變化後，所述的送風子系統200通過調整第二變頻風機20和第三變頻風機30的運行頻率，為第二調溫工藝室和第三調溫工藝室提供滿足調溫工藝的環境溫度，實現三個控溫區的串聯變容送風。例如：當第二調溫工藝室或第三調溫工藝室的冷負荷變小時，可以通過對應降低第二變頻風機20或第三變頻風機30的運行頻率，減小變頻風機的循環風量，實現節能的功效。

系統依據澆模成型工藝和包裝車間的冷負荷需求變化，執行動態製冷劑變容運行模式，以保證系統在該特定的工藝環節穩定運行，並且達到節能高效的目的。

根據圖6所示的本實用新型的雙變容熱泵冷熱聯供系統控制方法的實施例，所述的步驟S400包括以下控制操作動作：

S420：關閉電子流量閥5，打開第二電子膨脹閥7，啟動熱水循環泵31，停止冷水循環泵81，進入熱水冷風模式；在本模式中，壓縮機1壓縮後的高溫高壓製冷劑氣體，在螺旋管式換熱器3內進行熱交換，將熱量傳遞給管外的冷卻水，製取45℃的熱水送到精磨設備310用於精磨工藝。同時，當精磨工藝熱負荷變小時，可以通過改變熱水循環泵31的運行頻率從而減少熱水循環流量，達到節能目的。從螺旋管換熱器3出來的常溫高壓的製冷劑液體，經過第二電子膨脹7節流降壓後，進入翅片式換熱器11吸收新風的熱量蒸發汽化，最後回到壓縮機1的吸氣口；經翅片式換熱器11吸收熱量降溫產生的12℃冷風，送到包裝車間形成送風子系統200的基礎風溫。

S440：打開電子流量閥5和第一電子膨脹閥6，關閉第二電子膨脹閥7，啟動熱水循環泵31和冷水循環泵81，進入冷熱水模式；在本模式中，從螺旋管換熱器出來的常溫高壓製冷劑液體經過第一電子膨脹閥6節流降壓後，進入套管式換熱器8吸收循環水路的熱量蒸發汽化，最後回到壓縮機1的吸氣口；經套管式換熱器8吸收熱量降溫產生的6℃冷凍水，送到澆鑄成型設備320用於巧克力產品的澆鑄成型。

S460：打開電子流量閥5、第一電子膨脹閥6和第二電子膨脹閥7，啟動熱水循環泵31和冷水循環泵81，進入冷熱水冷風模式；本模式在提供用於精磨工藝的45℃熱水和用於巧克力產品澆鑄成型的6℃冷凍水的同時，還為包裝車間提供12℃的冷風，實現滿足巧克力生產要求的冷熱聯供。

S480：打開電子流量閥5、第一電子膨脹閥6和第二電子膨脹閥7，啟動熱水循環泵31和冷水循環泵81，製冷劑通過翅片式蒸發器支路和冷水製取支路建立並聯循環；若冷負荷增加需要降低製冷劑循環溫度，則打開噴液電磁閥13，通過噴液支路執行噴液降溫；根據送風子系統200或冷水製取支路的冷負荷變化，調節電子流量閥5的開度，進入動態製冷劑變容運行模式。本模式通過控制電子流量閥5的開度和冷劑循環溫度，自動調節在並聯連接的翅片式蒸發器支路和冷水製取支路兩條支路之間循環的製冷劑容量分配，例如：當冷熱水子系統300的冷負荷變小，而送風子系統200的冷負荷增大時，通過減小電子流量閥5的開度，第一電子膨脹閥6根據第一溫度傳感61給出的製冷劑溫度調節節流深度，從而減少冷水製取支路的製冷劑流量，以適應冷熱水子系統300的冷負荷變化；同時，第二電子膨脹閥7根據第二溫度傳感71給出的製冷劑溫度調節節流深度，翅片式蒸發器支路的製冷劑流量增大，以適應送風子系統200的冷負荷的變化。反之亦然。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本實用新型的技術方案，而並非用作為對本實用新型的限定，任何基於本實用新型的實質精神對以上所述實施例所作的變化、變型，都將落在本實用新型的權利要求的保護範圍內。