一种混合工质节流制冷机工况浓度控制系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种混合工质节流制冷机工况浓度控制系统及其方法，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、蒸发器单元、可控通路工质循环浓度和流量调节单元、控制单元。其输入参数为制冷机系统压缩机吸气压力、和/或排气压力值、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，输出参数为控制执行单元发生相应动作的指令。对应于混合工质节流制冷机系统不同运行工况和能力调节的要求，根据预先设定值与输入参数比较，通过可控通路工质循环浓度和流量调节单元对制冷机系统工质循环浓度进行控制和调节，使其能适应不同工况的运行要求且保持较高运行效率。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，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、蒸发器单元、可控通路工质循环浓度和流量调节单元、控制单元。其输入参数为制冷机系统压缩机吸气压力、和/或排气压力值、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，输出参数为控制执行单元发生相应动作的指令。对应于混合工质节流制冷机系统不同运行工况和能力调节的要求，根据预先设定值与输入参数比较，通过可控通路工质循环浓度和流量调节单元对制冷机系统工质循环浓度进行控制和调节，使其能适应不同工况的运行要求且保持较高运行效率。【专利说明】
本专利技术涉及工程热物理与能源利用学科领域，尤其涉及。
技术介绍
利用传统的蒸汽压缩制冷技术，单级的循环可以达到的最低有效制冷温度在-40°C左右，如果要实现更低的制冷温度则需采用多级压缩或多级复叠循环。现有的技术中，采用两级压缩可以达到_60°C左右的制冷温度，采用两级复叠循环可以实现-80°C左右的制冷温度，但是要实现-100°C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，蒸汽压缩制冷技术的制冷系统变得更复杂，可靠性降低，调节难度变大。20世纪80年代后，多元混合工质节流制冷技术取得重要的进展，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°C?_200°C的低温，因此，该技术可在-100°C温区以下替代复叠循环，其具有广阔的应用前景。但是，由于混合工质节流制冷技术所采用的混合工质的特性，如果不采用相应的技术手段加以控制的话，会存在以下一些缺陷:(I)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才能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，就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，中国专利技术专利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；中国专利技术专利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，还没有报道相关的方法或手段去控制或者利用其向有益的方向发展。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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供，实现制冷系统快速降温，并保持高效率稳定运行。本专利技术通过下述技术方案实现:一种混合工质节流制冷机工况浓度控制系统，包括压缩机单元1、冷凝冷却器单元2、回热换热器单元3、节流单元4、蒸发器单元5、可控通路工质循环浓度和流量调节单元6、控制单兀7 ;所述可控通路工质循环浓度和流量调节单元(6)包括:可控主回路阀V1、可控旁通进罐阀V2、可控工质出罐阀V3、出罐单向阀V4和可控低压出罐阀V5 ;其间由管路进行连接，连接方式为:所述可控主回路阀Vl进口端连接三通管件A的第一个出口，该三通管件A的第二个出口连接可控旁通进罐阀V2的进口端；所述可控旁通进罐阀V2的出口端与气液分离罐S的高压进口端相通；所述可控主回路阀Vl的出口端连接三通管件B的第一个进口，该三通管件B的第二个进口与出罐单向阀V4的出口端相连；所述出罐单向阀V4的进口端连接三通管件C的第一个出口，该三通管件C的进口与气液分离罐S的顶部气相出口端相通；所述可控工质出罐阀V3的进口端与储液罐S底部出口端连接；所述可控工质出罐阀V3的出口端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合工质节流制冷机工况浓度控制系统，其特征在于：包括压缩机单元(1)、冷凝冷却器单元(2)、回热换热器单元(3)、节流单元(4)、蒸发器单元(5)、可控通路工质循环浓度和流量调节单元(6)、控制单元(7)；所述可控通路工质循环浓度和流量调节单元(6)包括：可控主回路阀(V1)、可控旁通进罐阀(V2)、可控工质出罐阀(V3)、出罐单向阀(V4)和可控低压出罐阀(V5)；其间由管路进行连接，连接方式为：所述可控主回路阀(V1)进口端连接三通管件A的第一个出口，该三通管件A的第二个出口连接可控旁通进罐阀(V2)的进口端；所述可控旁通进罐阀(V2)的出口端与气液分离罐S的高压进口端相通；所述可控主回路阀(V1)的出口端连接三通管件B的第一个进口，该三通管件B的第二个进口与出罐单向阀(V4)的出口端相连；所述出罐单向阀(V4)的进口端连接三通管件C的第一个出口，该三通管件C的进口与气液分离罐S的顶部气相出口端相通；所述可控工质出罐阀(V3)的进口端与储液罐S底部出口端连接；所述可控工质出罐阀(V3)的出口端与回热换热器单元(3)的低压管路进口连通；所述可控低压出罐阀(V5)的进口端连接三通管件C的第二个出口，可控低压出罐阀(V5)的出口端与制冷机低压回路管路连通；所述的三通管件A的进口端与冷凝冷却器单元(2)的高压制冷剂侧出口端相连；所述的三通管件B的出口端与回热换热器单元(3)高压制冷剂侧进口端相连；所述回热换热器单元(3)的低压制冷剂侧进口端与蒸发器单元(5)的出口端相连；所述蒸发器单元(5)进口端与节流单元(4)出口端相连；所述节流单元(4)进口端与回热换热器单元(3)高压制冷剂侧出口端相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许雄文，李日新，刘金平，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44