一种制冷风冷机组及其控制方法与流程

本发明属于制冷技术领域，具体涉及一种制冷风冷机组及其控制方法。

背景技术：

现有市场上的超低温制冷风冷机组，由于环境温度低，若采用水作为载冷剂，极容易冻坏作为蒸发器的壳管压力容器，因此，多采用乙二醇水溶液作为载冷剂，如附图1所示，蒸汽压缩式制冷循环与自然冷却循环互为两套独立系统，不共用制冷剂，共用一个蒸发器给末端输送冷量。该技术的优点在于蒸发器不易冻坏，可靠性较高，但缺点在于：1)乙二醇溶液需在室内末端循环，有泄漏的危险；2)乙二醇水溶液的换热效率较低，在夏季高温运行时能耗较大。

由于现有技术中的超低温制冷风冷机组无法同时兼顾壳管蒸发器防冻和制冷效率等技术问题，因此本发明研究设计出一种制冷风冷机组及其控制方法。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的制冷风冷机组存在无法同时兼顾蒸发器防冻和制冷效率的缺陷，从而提供一种制冷风冷机组及其控制方法。

本发明提供一种制冷风冷机组，其包括：

由压缩机、冷凝装置、膨胀阀、蒸发器连接而成的蒸汽压缩循环回路，

还包括由制冷剂泵、所述冷凝装置和所述蒸发器连接形成自然冷却循环回路；

所述蒸发器中的载冷剂为水；所述冷凝装置包括多个并联设置的冷凝器，且所述自然冷却循环回路中包括多个所述冷凝器中的至少一个。

优选地，在所述自然冷却循环回路中，所述制冷剂泵并联设置于所述膨胀阀两端，且还包括一端连至所述压缩机和所述冷凝装置之间、另一端连至所述蒸发器中的支路，且所述支路的所述一端连至多个所述冷凝器中的至少一个。

优选地，所述支路的所述一端连接至多个所述冷凝器中的任一个的进口端。

优选地，每个所述冷凝器上均设置有用于调节冷凝效果的变频风机。

优选地，所述压缩机与所述蒸发器之间的管路上设置有第一阀、所述支路上设置有第二阀。

优选地，在多个所述冷凝器中的至少一个所在的管路上，和/或，在所述支路的所述一端与所述压缩机之间的管路上，设置有用于防止制冷剂向所述压缩机方向回流的单向阀；

和/或，在所述压缩机的出口端设置有用于防止制冷剂向所述压缩机方向回流的止回阀。

优选地，所述蒸发器上还设置有加热装置。

优选地，所述加热装置为电加热装置。

优选地，所述冷凝器为翅片管式换热器，和/或，所述蒸发器为壳管式蒸发器。

优选地，所述制冷风冷机组为低温制冷机组或超低温制冷机组。

本发明还提供一种制冷风冷机组的控制方法，其使用前述的制冷风冷机组，对所述蒸发器的防冻进行控制。

优选地，在自然冷却循环时，且当所述机组包括支路时，调节减小与所述支路相连的多个并联设置的冷凝器的数量。

优选地，当所述冷凝器上还设置有变频风机时，调节与所述支路相连的所述冷凝器上的变频风机的频率降低，降低其产生的风量。

优选地，在机组待机及启动状态下，且当具有第一阀和第二阀时，关闭第一阀和第二阀，使得蒸发器中的制冷剂不能蒸发到冷凝装置中。

优选地，当所述蒸发器上设置有加热装置时，控制所述加热装置工作，维持蒸发器的进口制冷剂温度。

优选地，当检测到冷凝装置中的温度低于第一预设温度T1时，开启制冷剂泵及第二阀；

当检测到冷凝装置中的温度高于第二预设温度T2时，关闭制冷剂泵和第二阀。

优选地，在自然冷却循环启动时，且当所述机组包括支路时，控制所述支路的所述一端连接至全部所述冷凝器中的部分冷凝器，；

当机组待机或停机时，且当还包括所述第一阀和所述第二阀时，关闭所述第一阀和所述第二阀。

本发明提供的一种制冷风冷机组及其控制方法具有如下有益效果：

1.本发明的制冷风冷机组及其控制方法，通过将载冷剂选择为水，能够有效地提高机组的制冷效率，且通过将自然冷却循环回路中包括多个冷凝器中的至少一个，能够根据蒸发器中的进口温度选择合适的冷凝器进行冷凝，在需要防冻时减小参与冷凝的冷凝器个数，从而有效降低自然冷却循环的冷凝面积、进而降低冷凝装置的出口温度，有效地防止蒸发器被冻坏，实现了同时兼顾蒸发器防冻和维持制冷效率的目的和效果；

2.本发明的制冷风冷机组及其控制方法，通过设置变频风机能够通过调节其风量实现对冷凝器冷凝程度的调节，在需要防冻时减小变频风机的频率，减小风量、减小冷凝效果，降低冷凝装置的出口温度，进一步起到了有效地控制防止蒸发器被冻坏的目的和效果；

3.本发明的制冷风冷机组及其控制方法，通过设置第一阀和第二阀，能够在控制蒸汽压缩循环回路和自然冷却循环回路的开启和关闭的同时，还能控制机组在关机或待机状态下通过关闭两个阀，使得蒸发器中的制冷剂不能蒸发到冷凝器中，从而维持蒸发器中的压力一直在较高的状态，进而有效降低制冷剂在蒸发器中蒸发吸热的概率，进一步起到了控制防止蒸发器被冻坏的目的和效果；

4.本发明的制冷风冷机组及其控制方法，通过在蒸发器上设置加热装置，能够在机组待机机或停机状态下控制器其工作，从而维持蒸发器的进口制冷剂温度，起到了进一步控制防止蒸发器被冻坏的目的和效果；

5.本发明的制冷风冷机组及其控制方法，在机组待机或停机状态下，当检测到翅片液管温度低于第一预设温度T1时，开启制冷剂泵及第二阀，由于在蒸发器中制冷剂流动与相对较高温度的水换热，使得蒸发器进口制冷剂温度升高，从而实现了蒸发器的自动防冻功能，起到了进一步控制防止蒸发器被冻坏的目的和效果；

6.本发明的制冷风冷机组及其控制方法，在自然冷却循环启动时，通过不使用全部的翅片冷凝器，能够使得蒸发器中有足够的液态制冷剂，同时关闭第一阀和第二阀能够使得冷凝器中存在少量气态制冷剂，从而保证了制冷剂泵在开启时在泵前和泵后都具有制冷剂液体，进而有效地保证了自然冷却循环回路启动时循环能够正常地建立，实现正常的自然冷却循环。

附图说明

图1是现有技术中的制冷风冷机组的结构示意图；

图2是本发明的制冷风冷机组的结构示意图。

图中附图标记表示为：

1—压缩机，2—冷凝装置，21—冷凝器，22—变频风机，3—膨胀阀，4—蒸发器，5—制冷剂泵，6—支路，7—第一阀，8—第二阀，9—单向阀，10—止回阀。

具体实施方式

如图2所示，本发明提供一种制冷风冷机组(优选为低温制冷风冷机组或超低温制冷风冷机组，一般按温度范围划分为以下几个领域：120K以上，普冷；120～0.3K，低温；0.3K以下，超低温)，其包括：

压缩机1、冷凝装置2、膨胀阀3、蒸发器4以及由上述部件串联而成的蒸汽压缩循环回路，

且还包括并联设置于所述膨胀阀3两端的制冷剂泵5，以及一端连至所述压缩机1和所述冷凝装置2之间、另一端连至所述蒸发器4中的支路6，通过所述制冷剂泵5、所述冷凝装置2、所述蒸发器4和所述支路6连接形成自然冷却循环回路；

所述蒸汽压缩循环回路与所述自然冷却循环回路共用制冷剂，所述蒸发器4中的载冷剂为水；所述冷凝装置2包括多个并联设置的冷凝器21，且所述支路6的所述一端连至多个所述冷凝器21中的至少一个。

本发明的制冷风冷机组，通过将载冷剂选择为水，能够有效地提高机组的制冷效率，且通过将自然冷却循环回路中包括多个冷凝器中的至少一个(即将支路连接至多个冷凝器中的至少一个)，能够根据蒸发器中的进口温度选择合适的冷凝器进行冷凝，在需要防冻时减小参与冷凝的冷凝器个数，从而有效降低自然冷却循环的冷凝面积、进而降低冷凝装置的出口温度，有效地防止蒸发器被冻坏，实现了同时兼顾蒸发器防冻和维持制冷效率的目的和效果。

优选地，所述支路6的所述一端连接至多个所述冷凝器21中的任一个的进口端。这是本发明的自然冷却回路连接冷凝器的最佳优选的实施方式，通过将支路连接至一个冷凝器，能够使得自然冷却回路中的冷凝面积降至最小，从而最大程度地降低冷凝装置的出口温度，最大程度地防止蒸发器被冻坏，实现了同时兼顾蒸发器防冻和维持制冷效率的目的和效果。

优选地，每个所述冷凝器21上均设置有用于调节冷凝效果(或称提升换热效果)的变频风机22。通过设置变频风机能够通过调节其风量实现对冷凝器冷凝程度的调节，在需要防冻时减小变频风机的频率，减小风量、减小冷凝效果，降低冷凝装置的出口温度，进一步起到了有效地控制防止蒸发器被冻坏的目的和效果。

优选地，所述压缩机1与所述蒸发器4之间的管路上设置有第一阀7(优选为电动阀)、所述支路6上设置有第二阀8(也优选为电动阀)。通过设置第一阀和第二阀，能够在控制蒸汽压缩循环回路和自然冷却循环回路的开启和关闭的同时，还能控制机组在关机或待机状态下通过关闭两个阀，使得蒸发器中的制冷剂不能蒸发到冷凝器中，从而维持蒸发器中的压力一直在较高的状态，进而有效降低制冷剂在蒸发器中蒸发吸热的概率，进一步起到了控制防止蒸发器被冻坏的目的和效果。

优选地，所述蒸发器4上还设置有加热装置。通过在蒸发器上设置加热装置，能够在机组待机机或停机状态下控制器其工作，从而维持蒸发器的进口制冷剂温度，起到了进一步控制防止蒸发器被冻坏的目的和效果。

优选地，所述加热装置为电加热装置，进一步优选为伴热带。这是本发明的制冷风冷机组的加热装置的优选种类和结构形式。

优选地，在多个所述冷凝器21中的至少一个所在的管路上，和/或，在所述支路5的所述一端与所述压缩机1之间的管路上，设置有用于防止制冷剂向所述压缩机1方向回流的单向阀9；

和/或，在所述压缩机1的出口端设置有用于防止制冷剂向所述压缩机1方向回流的止回阀10。

通过在多个所述冷凝器中的至少一个所在的管路上、以及支路的所述一端与所述压缩机1之间的管路上设置单向阀的结构形式，以及在所述压缩机的出口端设置止回阀，均能够有效地防止制冷剂向压缩机回流，从而防止循环回路异常工作的情况的方式、有效地保证机组安全、可靠地运行。

优选地，所述冷凝器21为翅片管式换热器，和/或，所述蒸发器4为壳管式蒸发器。这是本发明的制冷风冷机组的冷凝器的具体种类和结构形式，以及蒸发器的具体种类和结构形式。

优选地，所述制冷风冷机组为低温制冷机组或超低温制冷机组。一般按温度范围划分为以下几个领域：120K以上，普冷；120～0.3K，低温；0.3K以下，超低温，当然也还有别的分法，不过低温制冷机组和超低温制冷机组相对于普通的制冷机组而言，能够适应更低的温度环境，并在该低温环境下工作，而不被冻坏，其具有更加优异的适应性能，对于本发明的防冻保护更加适用。

本发明还提供一种制冷风冷机组的控制方法，其使用前述的制冷风冷机组，对所述蒸发器的防冻进行控制。本发明的制冷风冷机组的控制方法，通过使用前述的制冷风冷机组，采用将载冷剂选择为水，能够有效地提高机组的制冷效率，且通过将自然冷却循环回路中的支路连接至多个冷凝器中的至少一个，能够根据蒸发器中的进口温度选择合适的冷凝器进行冷凝，在需要防冻时减小参与冷凝的冷凝器个数，从而有效降低自然冷却循环的冷凝面积、进而降低冷凝装置的出口温度，有效地防止蒸发器被冻坏，实现了同时兼顾蒸发器防冻和维持制冷效率的目的和效果。

优选地，在自然冷却循环时，且当所述机组包括支路6时，调节减小与所述支路相连的多个并联设置的冷凝器的数量。通过这样的控制方式和调节步骤，能够在自然冷却循环时，能够有效地减小冷凝面积，从而达到降低冷凝效果，提升冷凝器出口温度的目的。

优选地，当所述冷凝器21上还设置有变频风机22时，调节与所述支路6相连的所述冷凝器21上的变频风机22的频率降低，进而降低其产生的风量。通过调节变频风机频率降低，能够降低其产生的风量，进而在自然冷却循环时达到进一步降低冷凝效果，提升冷凝器出口温度的效果和目的。

优选地，在机组待机及启动状态下，即关机或待机时，且当具有第一和第二阀(均优选为电动阀)时，关闭第一阀和第二阀，使得蒸发器中的制冷剂不能蒸发到冷凝装置中。通过关闭第一和第二阀，能够使得壳管蒸发器中的制冷剂不能蒸发到冷凝装置中，从而维持壳管蒸发器中的压力一直在较高的数值状态，进而有效地提高蒸发器中的饱和蒸发温度，使得制冷剂的蒸发吸热概率得到降低，在机组待机及启动状态下起到了控制防止蒸发器被冻坏的目的和效果。

优选地，当所述蒸发器上设置有加热装置时，可在壳管蒸发器的液管处包裹伴热带，在待机或停机状态下控制所述加热装置工作，伴热带开始工作，维持蒸发器的进口制冷剂温度。通过在在机组待机机或停机状态下控制蒸发器上的加热装置使其工作，能够有效地维持或提高蒸发器的进口制冷剂温度，起到了进一步控制防止蒸发器被冻坏的目的和效果。

优选地，增加壳管自动防冻功能，当检测到冷凝装置中的温度(优选翅片液管的温度，检测的温度是环境温度，即冷凝器的进风温度)低于第一预设温度T1时，开启制冷剂泵及第二阀；由于制冷剂流动与蒸发器中相对较高温度的水换热，阀开启的短时间内，壳管进口的制冷剂温度会降低，运行稳定后会上升，从而使得壳管蒸发器进口制冷剂温度升高，

当检测到冷凝装置中的温度(优选翅片液管的温度)高于第二预设温度T2时，关闭制冷剂泵和第二阀。

T1和T2的选择依据是压缩机的运行范围，当检测到的温度太低时会超出压缩机的运行范围，且T1＜T2；两者不采用相同的温度是为了避免温度波动时出现阀的频繁开停。理论上[T1，T2]范围越大运行越稳定。

检测温度T＜T1时，运行冷媒泵(自然冷却)；T＞T2时，运行压缩机；T1＞T＞T2时，维持当前运行状态。

在机组待机或停机状态下，当检测到翅片液管温度低于第一预设温度T1时，开启制冷剂泵及第二阀，由于在蒸发器中、通过制冷剂流动与相对较高温度的水换热，阀开启的短时间内，壳管进口的制冷剂温度会降低，运行稳定后会上升，从而使得蒸发器进口制冷剂温度升高，从而实现了蒸发器的自动防冻功能，起到了进一步控制防止蒸发器被冻坏的目的和效果。

优选地，在自然冷却循环启动时，且当所述机组包括支路6时，控制所述支路的所述一端连接至全部所述冷凝器中的部分冷凝器，从而不使用全部的翅片冷凝器，使得壳管侧有足够的液态制冷剂；

当机组待机或停机时，且当还包括所述第一阀和所述第二阀时，关闭所述第一阀和所述第二阀，使得冷凝装置(翅片)中存在少量气态制冷剂。

由于自然冷却循环建立需要在制冷剂泵开启时在泵前和泵后需要有制冷剂液体，因总系统的制冷剂总量是不变的，所以在自然冷却循环启动时，通过不使用全部的翅片冷凝器，能够使得蒸发器中有足够的液态制冷剂，同时关闭第一阀和第二阀能够使得冷凝器中存在少量气态制冷剂，从而保证了制冷剂泵在开启时在泵前和泵后都具有制冷剂液体，进而有效地保证了自然冷却循环回路启动时循环能够正常地建立，实现正常的自然冷却循环。

下面介绍一下本发明的工作原理和优选实施例

本文提出了一种解决低温制冷的方案，同样采用了压缩机蒸汽制冷循环与自然冷却循环的方式。与市场上常用方式不同的是，本方案两种不同制冷循环模式共用制冷剂，且采用水作为载冷剂，同时兼顾壳管蒸发器防冻和制冷效率。

解决的技术问题：

1、超低温自然冷却循环机组运行时，通过变冷凝器面积、冷凝侧风量控制解决超低温自然冷却循环运行时，蒸发压力低、冷凝压力低、壳管进口温度低问题；

2、增加相关阀门及电加热装置解决机组，设置自动防冻功能，当壳管进口液管较低时，开启制冷剂泵，提升进口温度，解决机组超低温待机与启动时壳管蒸发器冻裂问题；

3、增加相关阀门解决机组自然冷却开机启动循环无法建立问题。

有益效果：

1、压缩机循环、与自然冷却循环自动切换，实现-40℃～46℃宽范围制冷，提高制冷效率；

2、超低温自然冷却循环高效节能；

3、采用水作为制冷剂，易维护，成本低。

本发明：

1.实现了自然冷却循环时，变翅片冷凝面积，从而在低温制冷循环下提升冷凝压力(提升冷凝压力的效果即为提升冷凝器出口温度)。保证机组运行可靠，并进行制冷循环能力调整。

2.实现了停机自然冷却循环时，将制冷剂限制在自然冷却循环所用到的系统流路中。制冷剂无法进入压缩机不用的翅片换热器内，从而避免在自然冷却循环流程中，制冷剂迁移至压缩机及其附属管路内。解决了自然冷却循环时，循环制冷剂泵不足，导致使制冷剂泵前不全是液体制冷剂，从而无法实现正常自然冷却循环。

如图2所示，运行蒸汽压缩式制冷时流程：

压缩机→四片翅片换热器→电子膨胀阀→蒸发器→第一阀(优选为电动阀)→压缩机

蒸汽压缩机式循环时，第一阀7(优选为电动阀)开启，第二阀8(优选为电动阀)关闭，制冷剂泵5关闭，压缩机1开启后，高温高压的制冷剂气态进入4片翅片换热器中冷凝成中温高压的制冷剂液体，液态制冷剂进过单向阀后进入膨胀阀3(优选为电子膨胀阀)，在膨胀阀3节流后进入蒸发器4，在蒸发器4内和冷冻水换热蒸发，变成低温低压制冷剂气体经过止回阀进入压缩机1。

运行制冷剂泵制冷时流程：

制冷剂泵→蒸发器→第二阀(优选为电动阀)→一片翅片换热器→电子膨胀阀

制冷泵自然冷却循环时，第一阀7(优选为电动阀)关闭，第二阀8(优选为电动阀)开启，压缩机1关闭，膨胀阀3关闭，制冷剂泵5开启后，低温液态制冷剂进入蒸发器4和冷冻水换热，蒸发成中温低压的制冷剂气体，经过第二阀8，进入风冷冷凝器中换热变成低温液体制冷剂，然后回到制冷剂泵5。

具体实施方式：

该方案解决的技术问题前2点主要是针对壳管防冻方面，第3点针对自然冷却可行性。

为防止壳管冻裂，主要从两个方面考虑：

1)壳管制冷剂进口温度控制，设计不低于-5℃；

2)蒸发压力对应的饱和温度一直维持在0℃以上。

【问题1】

目的：解决自然冷却循环稳定运行时壳管防冻问题。

措施：自然冷却循环时，在超低温环境下(例如-40℃)，制冷剂在翅片管式冷凝器中的冷凝效果非常好，冷凝器出口的制冷剂温度(即制冷剂泵进口温度)非常低，超低温度的制冷剂通过制冷剂泵进入壳管后与水换热，短时间内产生大量的潜热，很容易冻坏壳管蒸发器中的换热管，因此，在保障制冷量需求的前提下需要控制冷凝器出口温度。

主要从两个方面进行控制，

1)通过使用变频风机调节风量；

2)自然冷却循环时减小冷凝面积，从而达到降低冷凝效果，提升冷凝器出口温度的目的。

【问题2】

目的：解决待机及启动状态下壳管防冻问题。

措施：1)关机或待机时，关闭第一阀7、第二阀8，使得壳管中的制冷剂不能蒸发到冷凝器中，从而维持壳管压力一直维持在较高的状态，进而有效地提高蒸发器中的饱和蒸发温度，使得制冷剂的蒸发吸热概率得到降低；

2)壳管液管处包裹伴热带，待机或停机状态下伴热带开始工作，维持或提高壳管进口制冷剂温度。

3)增加壳管自动防冻功能，当检测到翅片液管温度低于第一预设温度T1时，开启制冷剂泵及第二阀，由于制冷剂流动与相对较高温度的水换热，使得壳管进口制冷剂温度升高，当翅片液管温度高于第二预设温度T2时关闭制冷剂泵和第二阀。T1和T2的选择依据是压缩机的运行范围，当检测到的温度太低时会超出压缩机的运行范围，且T1＜T2；两者不采用相同的温度是为了避免温度波动时出现阀的频繁开停。理论上[T1，T2]范围越大运行越稳定。

检测温度T＜T1时，运行冷媒泵(自然冷却)；T＞T2时，运行压缩机；T1＞T＞T2时，维持当前运行状态。

【问题3】

目的：解决自然冷却循环启动时，循环无法建立问题。

措施：自然冷却循环建立需要在制冷剂泵开启时在泵前和泵后需要有制冷剂液体，因总系统的制冷剂总量是不变的，在自然冷却循环时，不使用全部的翅片冷凝器，使得壳管侧有足够的液态制冷剂。当机组待机和停机时，第一阀和第二阀立即关闭，使得翅片中存在少量气态制冷剂，可保障制冷剂泵前后有足够的液态制冷剂，顺利建立自然冷却循环。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。