深冷混合工质节流制冷系统变工况运行的控制方法技术方案

本发明专利技术涉及的深冷多元混合工质制冷系统变工况运行的控制方法，该制冷系统包括润滑油分离装置的压缩机单元、冷却器、回热单元、节流控制单元组、蒸发器单元，控制单元；控制单元的输入参数为制冷系统压缩机吸气压力和排气压力值，和／或蒸发器出口温度值，输出参数为节流控制单元组开启和关闭的指令。所述的节流控制单元组，包括可控主节流元件Ａ，可控辅助节流元件Ｂ和可控旁通节流元件Ｃ组成；对于深冷混合工质节流制冷系统不同运行工况，该控制方法根据预先设定值与输入参数的比较，通过控制节流元件的开闭或通量，实现对循环工质流量的控制，最终实现制冷机在不同工况之间的稳定、可靠、高效的运行。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及低温制冷技术，特别涉及到一种，以实现混合工质节流制冷系统在变工况情况下高效可靠的运行。
技术介绍
传统单级蒸汽压缩制冷循环最低有效制冷温度一般在-40℃左右，要实现更低的制冷温度，往往需要采用多级压缩及多级外部复叠循环，但是这种措施显然使制冷系统变得十分复杂，可靠性降低，目前较多采用的是采用两级压缩实现-60℃左右的制冷温度，采用两级复叠循环实现-80℃左右的制冷温度。当制冷温度再低时很少再使用上述方法。采用回热方式的多元混合工质制冷机可以有效降低运行压力，并且可以利用普冷领域广泛应用的单级油润滑压缩机驱动，因而成为一种高效实现从-40℃(232K)至-196℃(液氮温度80K)这一广阔温区的制冷方式。混合工质节流制冷机可以在制冷系统硬件不做大的改动情况下通过充配不同混合物工质实现从液氮温度(80K)到230K(传统单级蒸汽压缩制冷循环的有效制冷温度的下限)的制冷温度范围。随着生物工程、医药医学、能源、通讯以及军工等高科技领域的迅速发展，对制冷温度处在上述温区的需求越来越多。由于这种制冷机可以采用普冷领域广泛采用的单级油润滑商用压缩机，使得该种制冷机成本降低、可靠性大大增强，容易实现规模化生产。因此，多元混合工质节流制冷技术具有重要的现实意义。但是由于制冷系统中混合工质与普冷制冷工质在物性上具有很大的区别，在采用普冷领域油润滑压缩机时，会导致压缩机运行参数与采用普冷工质有很大变化。对普冷运行工况时，由于温区跨度相对较小及工质本身的特性，当环境温度确定，压缩机冷凝压力(排气压力)就已经确定，当达到制冷温度时，蒸发压力也就确定，因此系统在整个运行过程中压力工况(排气压力值和压比)变化不大。但是对于深冷混合工质制冷系统，由于强非共沸工质的采用，整个过程中工质在冷凝器内基本为气相放热(可能会出现少量液体工质)，运行高压已基本不受环境温度控制，而基本由工质充注量和系统结构参数决定。在制冷机启动过程初期，整个系统基本均处于较高温度，系统内工质绝大部分为气相，随着制冷温度的降低，制冷系统中在除冷凝器外的其它部件内工质的液相含量则会逐步增加，当制冷温度达到极限值时，整个制冷系统内的工质液相含量达到最高。一方面汽液相比容相差很大，另一方面，对于固定通道面积的节流元件(如常用的毛细管)，其气相工质的通过能力显然没有液相工质大，因此对于一个容积固定的制冷系统，在一定工质充注量的情况下，必然会导致压力(高压、吸气压力值和压比)变化很大。大的压力变化会导致这样的情况一种是当实际工质充注量是为满足在较低温度正常运行工况时，通常会导致压缩机在启动运行工况(制冷系统降温过程)运行压比过大，排气压力值过高，吸气压力值很低，同时大的运行压比，会使压缩机排气温度很高，此时很容易导致压缩机过载，排气压力和排气温度过高均会导致压缩机无法正常运行，甚至引起损坏。另一种是如果仅满足启动过程运行要求进行工质充注，则往往达不到正常使用工况时工质循环量的需求，随制冷温度降低，运行压力会显著下降，以致无法提供足够的制冷量，无法实现预期目标。另外，当制冷机设计运行温区较宽时也会存在同样的问题，即制冷机在不同工况运行存在矛盾，传统混合工质制冷系统无法兼顾高效和可靠性。具体如高低温度实验设备，其运行温度通常在-110℃至120℃之间，在这样大的温区变化范围，需要合理控制制冷系统，才能确保系统正常运行，并确保在正常制冷温区内高效运行。因此需要采取相应的控制措施，确保制冷机能够实现不同运行工况的正常、高效和可靠地运行。目前针对深冷混合工质制冷系统变工况运行控制技术的公开报道(文章、专利)非常少。只有美国专利申请(申请号US09/870385，公开号US2002/0017106A1)报道了一种深冷混合工质制冷系统的除霜循环，其具体采用了从压缩机出口的热气旁通至蒸发器，实现对蒸发器的加热，同时返流气体不经过换热器而回到压缩机的一个旁通回路来完成蒸发器的除霜过程，并通过一种开环控制方式实现压缩机正常运行，避免在连续除霜过程的压缩机过载。该专利申请描述的循环比较复杂，有多达几十个可控阀门来实现除霜过程，同时在除霜时制冷系统(换热器部分)没有制冷工质提供持续冷却，必然存在温度上升，造成下一次降温过程时间增大，即系统恢复延迟。另外，采用压缩机出口高温排气不经过冷凝器直接进入蒸发器放热实现除霜的方式，已经是普冷领域成熟的技术，称为热气除霜(川平睦义，封闭式制冷机，北京轻工业出版社，1987，pp.387-411)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够使深冷混合工质节流制冷系统在变工况情况下高效可靠运行的；本专利技术的技术方案如下本专利技术提供的，该制冷系统包括带有润滑油分离装置的压缩机单元1、冷却器2、回热单元3、节流控制单元组4、蒸发器单元5和控制单元6；该制冷系统联接方式是压缩机单元1出口连接冷却器2入口，冷却器2出口连接回热单元3高压进口HHI，回热单元3高压出口HHO连接节流控制单元组4进口，节流控制单元组4出口连接蒸发器单元5入口，蒸发器单元5出口连接回热单元3低压入口HLI，回热单元3低压出口HLO连接压缩机单元入口；所述控制单元6的输入参数为制冷系统压缩机单元1的吸气压力值601和排气压力值602，和/或蒸发器单元5的出口温度值603；所述控制单元6的输出参数为节流控制单元组4的开启/关闭指令；所述的节流控制单元组4包括并联的可控主节流元件A，可控辅助节流元件B和可控旁通节流元件C；其特征在于，该深冷混合工质节流制冷系统变工况运行的控制步骤如下一、对于受控降温工况开启可控主节流元件A，关闭可控旁通节流元件C；在控制单元6满足以下条件之一时，开启可控辅助节流元件B(1)控制单元6的输入参数中的压缩机单元1的排气压力值602在设定值1.5MPa至2.5MPa范围内；(2)控制单元6的输入参数中的压缩机单元1的吸气压力值601在设定值0.2MPa至0.7MPa范围内；(3)控制单元6的输入参数中的排气压力值602与吸气压力值601的压差在0.8MPa至2.3MPa设定值范围内；(4)控制单元6的输入参数中的排气压力值602与吸气压力值601的压比在设定值3至6范围内；(5)蒸发器单元5的出口温度值603在设定值150K至250K范围内；二、对于维持制冷工况开启主节流元件A，关闭可控辅助节流元件B和旁通节流元件C；三、对于受控升温工况开启主节流元件A，继续向蒸发器单元5，提供制冷量；关闭辅助节流元件B，开启旁通节流元件C；四、对于快速升温工况同时关闭主节流元件A和辅助节流元件B，开启旁通节流元件C；所述的节流控制单元组4中的可控辅助节流元件B由并联的可控辅助节流元件B1和可控辅助节流元件B2组成，该深冷混合工质节流制冷系统变工况运行的控制步骤如下一、对于受控降温工况开启主节流元件A，关闭可控旁通节流元件C1)控制单元6满足以下条件之一时，同时开启可控辅助节流元件B1和B2(1)压缩机单元1的排气压力值602在设定值1.8MPa至2.5MPa范围内；(2)压缩机单元1的吸气压力值601在设定值0.4MPa至0.7MPa范围内；(3)压缩机单元1的排气压力值602与吸气压力值601的压差在设定值1.2MPa至2.1MPa范围内；(4)压缩机单元1的排本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深冷混合工质节流制冷系统变工况运行的控制方法，该制冷系统包括带有润滑油分离装置的压缩机单元（１）、冷却器（２）、回热单元（３）、节流控制单元组（４）、蒸发器单元（５）和控制单元（６）；该制冷系统联接方式是：压缩机单元（１）出口连接冷却器（２）入口，冷却器（２）出口连接回热单元（３）高压进口（ＨＨＩ），回热单元（３）高压出口（ＨＨＯ）连接节流控制单元组（４）进口，节流控制单元组（４）出口连接蒸发器单元（５）入口，蒸发器单元（５）出口连接回热单元（３）低压入口（ＨＬＩ），回热单元（３）低压出口（ＨＬＯ）连接压缩机单元入口；所述控制单元（６）的输入参数为制冷系统压缩机单元（１）的吸气压力值（６０１）和排气压力值（６０２），和／或蒸发器单元（５）的出口温度值（６０３）；所述控制单元（６）的输出参数为节流控制单元组（４）的开启／关闭指令；所述的节流控制单元组（４）包括并联的可控主节流元件（Ａ），可控辅助节流元件（Ｂ）和可控旁通节流元件（Ｃ）；其特征在于，该深冷混合工质节流制冷系统变工况运行的控制步骤如下：　　　　一、对于受控降温工况：开启可控主节流元件（Ａ），关闭可控旁通节流元件（Ｃ）；在控制单元（６）满足以下条件之一时，开启可控辅助节流元件（Ｂ）：　　　　１）控制单元（６）的输入参数中的压缩机单元（１）的排气压力值（６０２）在设定值１．５ＭＰａ至２．５ＭＰａ范围内；　　　　２）控制单元（６）的输入参数中的压缩机单元（１）的吸气压力值（６０１）在设定值０．２ＭＰａ至０．７ＭＰａ范围内；　　　　３）控制单元（６）的输入参数中的排气压力值（６０２）与吸气压力值（６０１）的压差在０．８ＭＰａ至２．３ＭＰａ设定值范围内；　　　　４）控制单元（６）的输入参数中的排气压力值（６０２）与吸气压力值（６０１）的压比在设定值３至６范围内；　　　　５）蒸发器单元（５）的出口温度值（６０３）在设定值１５０Ｋ至２５０Ｋ范围内；　　　　二、对于维持制冷工况：开启主节流元件（Ａ），关闭可控辅助节流元件（Ｂ）和旁通节流元件（Ｃ）；　　　　三、对于受控升温工况：开启主节流元件（Ａ），继续向蒸发器单元（５）提供制冷量；关闭辅助节流元件（Ｂ），开启旁通节流元件（Ｃ）；　　　　四、对于快速升温工况：同时关闭主节流元件Ａ和辅助节流元件Ｂ，开启旁通节流元件（Ｃ）。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴剑峰，公茂琼，罗二仓，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]