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一种超低温制冷系统及其控制方法与流程

  • 国知局
  • 2024-07-29 14:18:42

本发明涉及制冷,尤其涉及一种超低温制冷系统及其控制方法。

背景技术:

1、蒸发是液体转变为气态的过程,蒸发器是制冷部件中的重要组成部分。工业上有多种换热器可以作为蒸发器使用,以达到制冷的效果,但是在低温制冷领域中,对于蒸发器的承压能力要求较高,尤其是超低温制冷领域。低温制冷剂的特性决定了其在常温状态(25℃左右)时基本为气态,这时制冷系统内的压力均较高(例如,压力值>1.0mpa)。

2、目前市场上的超低温制冷机组主要为复叠式制冷机组和纯液氮蒸发制冷。其中,复叠式制冷机组通常由两个或三个不同工作温度区的单独的制冷系统组成。参见图1,以两级复叠制冷循环为例,复叠式制冷机组包括高温级和低温级两部分,高温部内循环流通有中温制冷剂,低温部内循环流通有低温制冷剂。高温部通过中温压缩机7’来压缩中温制冷剂,低温部通过低温压缩机6’来压缩低温制冷剂,高温部和低温部分别通过中温节流阀2’和低温节流阀4’进行节流。高温部与低温部之间通过一个蒸发冷凝器3’联系起来。制冷时,在蒸发冷凝器3’内,高温部内循环的中温制冷剂蒸发使得低温部内循环的低温制冷剂冷凝,它既是高温部的蒸发器,又是低温部的冷凝器。低温部的低温制冷剂在蒸发器5’内向被冷却对象吸取热量(即制取冷量),并将此热量传给高温部的中温制冷剂,然后由高温部的中温制冷剂在冷凝器1’内将热量传递给冷却介质(水或空气)。

3、但是在这种常规的复叠式制冷机组中,需要采用多种制冷剂来制取冷量,在常温停机状态下,低温部中低温制冷剂的压力比较高,因此要求蒸发器的承压能力较高,并且复叠式制冷机组中使用了多台压缩机来进行吸气压缩,整机功耗较大,不节能、不环保。采用纯液氮蒸发制冷方式时,液氮的通入量也需达到一个较高的值才能达到目标制冷量,此时液氮的压力也较高,同样要求蒸发器的承压能力较高。

4、因而采用上述两种系统进行超低温制冷时,对于客户端蒸发器的承压能力的要求较高,只能采用一些耐压较高的换热器,例如,板式换热器等少数类型换热器,应用范围受限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超低温制冷系统及其控制方法,其使用耐低压的蒸发器即可满足客户端的超低温制冷需求,应用范围较广。另外,系统内仅设有一台压缩机,制冷时功耗较小,节能、环保。

2、为达上述目的,本发明采用以下技术方案:

3、一方面,本发明提供一种超低温制冷系统,包括:

4、制冷剂循环回路,包括压缩机、预冷冷凝器、中间换热器、一号回热器、二号回热器、电子膨胀阀、蒸发器和制冷剂缓冲罐,所述压缩机、所述预冷冷凝器、所述二号回热器、所述中间换热器、所述一号回热器、所述蒸发器、所述一号回热器、所述二号回热器和所述压缩机依次连接形成制冷剂循环回路,所述制冷剂循环回路内流通有制冷剂,所述制冷剂缓冲罐并联在所述制冷剂循环回路上;

5、预冷回路,与所述预冷冷凝器连接,所述预冷回路内流通有冷却水,所述冷却水在所述预冷冷凝器内与所述制冷剂进行热量交换;

6、制冷回路,与所述中间换热器连接,所述制冷回路内流通有液氮,所述液氮在所述中间换热器内与所述制冷剂进行热量交换;

7、供水回路,与所述蒸发器连接,所述供水回路内流通有冷却液,所述冷却液在所述蒸发器内与所述制冷剂进行热量交换,所述供水回路用于为客户端提供超低温的所述冷却液。

8、可选地,所述预冷回路包括第一进水管、第一出水管,所述预冷冷凝器包括第一换热管、第二换热管,所述第一进水管、所述第一换热管和所述第一出水管依次连接;

9、所述制冷回路包括液氮进料管、氮气出料管,所述中间换热器包括第三换热管、第四换热管,所述液氮进料管、所述第三换热管和所述氮气出料管依次连接;

10、所述供水回路包括第二进水管、第二出水管,所述蒸发器包括第五换热管、第六换热管,所述第一进水管、所述第五换热管和所述第一出水管依次连接;

11、所述二号回热器内具有第七换热管、第八换热管,所述一号回热器内具有第九换热管、第十换热管,所述压缩机、所述预冷冷凝器的所述第二换热管、所述二号回热器的所述第七换热管、所述中间换热器的所述第四换热管、所述一号回热器的所述第九换热管、所述电子膨胀阀、所述蒸发器的所述第六换热管、所述一号回热器的所述第十换热管、所述二号回热器的第八换热管和所述压缩机依次连接形成所述制冷剂循环回路;

12、所述制冷剂缓冲罐的进口连接于所述预冷冷凝器的下游、以及所述二号回热器的所述第七换热管的上游,所述制冷剂缓冲罐的出口连接于所述一号回热器的所述第十换热管的下游、以及所述压缩机的上游。

13、可选地,所述预冷冷凝器与所述二号回热器之间通过第一连通管路连接;

14、所述一号回热器与所述蒸发器的入口之间通过第二连通管路连接,所述电子膨胀阀布置在所述第二连通管路上,所述电子膨胀阀的下游设有第一截止阀,所述第一截止阀也布置在所述第二连通管路上;

15、所述蒸发器的出口与所述一号回热器之间通过第三连通管路连接,所述第三连通管路上布置有第二截止阀;

16、所述二号回热器与所述压缩机之间通过第四连通管路连接;

17、所述制冷剂缓冲罐的进口与所述第一连通管路连接,所述制冷剂缓冲罐的出口与所述第四连通管路连接,所述制冷剂缓冲罐的进口与所述第一连通管路之间设有一号电磁阀,所述制冷剂缓冲罐的出口与所述第四连通管路之间设有二号电磁阀。

18、可选地,所述压缩机的入口设有吸气温度传感器和吸气压力传感器,所述压缩机的出口设有第一温度传感器、第一压力传感器;所述吸气温度传感器用于采集所述压缩机入口处的制冷剂的吸气温度t1,所述吸气压力传感器用于采集所述压缩机入口处的制冷剂的吸气压力p3,所述第一温度传感器用于采集所述压缩机出口处的制冷剂的排气温度t2,所述第一压力传感器用于采集所述压缩机出口处的制冷剂的排气压力p1;

19、所述中间换热器与所述一号回热器之间设有第二温度传感器,所述第二温度传感器用于采集所述制冷剂被冷凝后的温度t3;

20、所述蒸发器与一号回热器之间设有第二压力传感器,所述第二压力传感器用于采集所述制冷剂蒸发后的压力p2;

21、所述蒸发器与供水回路连接的一侧设有入口温度传感器和出口温度传感器,所述入口温度传感器用于采集所述供水回路进入所述蒸发器的冷却液的进水温度t4,所述出口温度传感器用于采集从所述蒸发器离开流入所述供水回路的冷却液的出水温度t5。

22、可选地,所述制冷回路上设有开关阀和调节阀,所述开关阀、所述调节阀布置在所述中间换热器的上游;所述预冷回路上设有流量开关,所述流量开关布置在所述预冷冷凝器的上游。

23、可选地,所述制冷剂缓冲罐的体积大于所述制冷剂循环回路内制冷剂完全蒸发变为气态时的膨胀体积。

24、可选地,所述压缩机与所述预冷冷凝器之间设有油分离器,所述预冷冷凝器与所述二号回热器之间设有干燥过滤器。

25、另一方面,本发明提供一种超低温制冷系统的控制方法,应用于上述任一方案中的超低温制冷系统,所述超低温制冷系统包括运行模式和停机模式,

26、在运行模式时;

27、首先获取供水回路中冷却液从制冷剂侧获得的制冷量q1;

28、然后开启制冷剂循环回路和制冷回路,并根据所述制冷量q1调节所述制冷回路中液氮的流通量q;

29、将制冷剂缓冲罐与所述制冷剂循环回路连通;所述制冷剂缓冲罐内的气态制冷剂进入压缩机内被压缩,被压缩后的气态制冷剂进入预冷冷凝器内预冷,之后进入中间换热器被所述制冷回路中的液氮冷凝为液态制冷剂,液态制冷剂经过一号回热器进入电子膨胀阀,绝热膨胀后进入蒸发器与冷却液换热,液态制冷剂再次蒸发为气态制冷剂并回流至一号回热器、二号回热器,最后气态制冷剂被所述压缩机吸入进行下一次循环;

30、在此制冷过程中,获取从所述蒸发器离开流入所述供水回路的冷却液的出水温度t5,出水温度t5即为流出所述蒸发器的冷却液的实时温度值,设定温度偏差值△t1,并实时计算t5-△t1对应的温度值tt,tt=t5-△t1,以tt作为所述蒸发器内制冷剂的蒸发温度,根据制冷剂的性质温度压力对照表,并获取该温度值tt下所述蒸发器内制冷剂的饱和压力sp,以当前的饱和压力sp作为所述压缩机的吸气压力p3的实时低压设定值;当所述压缩机入口处的吸气压力p3达到实时低压设定值时,断开所述制冷剂缓冲罐与所述制冷剂循环回路的连通,所述制冷剂缓冲罐内的气态制冷剂不参与循环;

31、通过调小所述电子膨胀阀的开度,所述蒸发器出口处制冷剂的压力p2下降,当压力p2下降时,所述蒸发器内制冷剂的蒸发温度tt一直下降,出水温度t5也一直下降,直到压力p2降至制冷剂在t0-△t1对应的温度值下的蒸发压力时,所述电子膨胀阀的开度维持不变,此时所述蒸发器内制冷剂的蒸发温度tt达到目标值温度t0-△t1,从蒸发器离开流入供水回路的出水温度t5达到设定温度t0;

32、在停机模式时;

33、将所述制冷剂缓冲罐与所述制冷剂循环回路连通,并关闭所述制冷回路;

34、所述制冷剂循环回路中的制冷剂温度升高变为气态制冷剂,部分气态制冷剂进入到所述制冷剂缓冲罐内,所述制冷剂循环回路内充满气态制冷剂。

35、可选地,所述制冷回路上设有开关阀和调节阀,在运行模式下,所述开关阀开启,并通过调节所述调节阀的开度实现所述制冷回路中液氮的流通量q的调整;

36、所述制冷量q1越大,所述调节阀的开度也越大,制冷剂被冷凝后的温度t3越低,具体所述调节阀的开度可以根据目标温度t0进行调整。

37、可选地,所述制冷量q1依据冷却液进出所述蒸发器的温差计算;

38、q1=cm△t2,△t2=t5-t4;

39、其中,c是冷却液的比热容,m是单位时间内冷却液在所述供水回路中的质量流量,△t2是冷却液进出所述蒸发器的温差,t4是所述供水回路进入所述蒸发器的冷却液的进水温度,t5是从所述蒸发器离开流入所述供水回路的冷却液的出水温度;进水温度t4由所述供水回路与所述蒸发器连接的一侧的入口温度传感器检测得到,出水温度t5由所述供水回路与所述蒸发器连接的另一侧的出口温度传感器检测得到。

40、本发明的有益效果为:

41、本发明提供一种超低温制冷系统,其制冷剂循环回路包括依次连通的压缩机、预冷冷凝器、中间换热器、一号回热器、二号回热器、电子膨胀阀和蒸发器,制冷剂缓冲罐并联在制冷剂循环回路上,制冷剂循环回路内流通有制冷剂。预冷回路与预冷冷凝器连接,预冷回路内流通的冷却水可以对被压缩机压缩后的气态制冷剂进行预冷,预冷后的气态制冷剂经过中间换热器冷凝,然后经过一号回热器、电子膨胀阀和蒸发器,低温的液态制冷剂在蒸发器内与供水回路中的冷却液换热,冷却液获得超低温后供给客户端,低温的液态制冷剂蒸发变为低温的气态制冷剂,之后低温的气态制冷剂与一号回热器、二号回热器换热并升温后,继续进入压缩机被压缩。

42、在整个制冷过程中,仅采用一种制冷剂,经过一个压缩机单级压缩即可使供水回路中的冷却液达到超低温,制冷效率较高,且整个制冷过程能耗较低。并且制冷剂采用了多级冷却,通过利用预冷冷凝器对气态制冷剂进行预冷,使得进入中间换热器的气态制冷剂的温度较低,减小了中间换热器的负荷,降低了液氮的用量。一号回热器、二号回热器的设置使得压缩机的吸气过热成为有用过热,使得进入压缩机的气态制冷剂升温,避免压缩机带液压缩。同时也使得中间换热器前后的制冷剂温度进一步降低,制冷剂达到过冷,增加制冷剂制冷量的同时,降低了液氮的用量,更加节能。

43、另外,在超低温制冷系统处于常温状态时,制冷剂缓冲罐与制冷剂循环回路连通,制冷剂缓冲罐可以容纳制冷剂循环回路中变为气态的制冷剂,由此释放制冷剂循环回路内的压力,蒸发器不需要承受高压,采用常见的低压换热器就可以满足耐压要求,不局限于少部分耐压极高的换热器,用途范围较广,适应性更强。

44、本发明还提供一种超低温制冷系统的控制方法,应用于上述的超低温制冷系统,超低温制冷系统包括运行模式和停机模式。在运行模式时,获得冷却液从制冷剂侧获得的制冷量q1,并根据制冷量q1来调节制冷回路中调节阀的开度,即可精确调节经过中间换热器后制冷剂的温度t3,由此使制冷剂获得足够的冷却能力,保证在蒸发器内将冷却液的温度降至设定温度t0,满足制冷需要。通过调小电子膨胀阀的开度,使蒸发器内制冷剂的蒸发温度达到目标值温度t0-△t1,加上温度偏差值△t1后,从蒸发器离开流入供水回路的出水温度t5达到设定温度t0。在停机模式时,将制冷剂缓冲罐与制冷剂循环回路连通,通过制冷剂缓冲罐容纳体积膨胀后的制冷剂,从而降低蒸发器内制冷剂的压力,无需耐压极高的换热器就可满足超低温制冷需要。

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