一种制冷系统和控制方法与流程

本发明属于空调技术领域，具体涉及一种制冷系统和控制方法。

背景技术：

制冷空调行业内，热气旁通技术很多时候用于除霜或者调整蒸发温度；在数码涡旋压缩机上，热气旁通主要起到负荷卸载作用，以降低能力输出。绝大部分的蒸汽压缩式热泵/制冷机组都不需要在停机时特意进行高低压的平衡处理，主要是机组本身可以通过一段时间的停机放置而达到高低压平衡，通常在几分钟即可达到高低压平衡状态，压缩机重新启动不会带压启动。

在一些精密控制需求温度的冷水机组或者油冷机组中，热气旁通直接把部分高温高压制冷剂通入节流后即蒸发器的进口端，与原来节流后的低温低压制冷剂液体混合，从而提高蒸发器入口的压力和温度，进一步影响到被冷却液体的出口温度。这种做法通常会造成制冷系统的波动，稳定时间过长，相应地被冷却液体的出口温度(也就是控制目标)也会出现波动影响，甚至有时候还不如原来的控制稳定性。

为了解决这种相互影响的波动，有些精密机组采用辅助电加热技术把被冷却液体的温度提升到目标温度范围，通过可控硅等设计对辅助电加热实施精密的加热能力输出，这种方法可以快速实现目标温度并且不会影响到制冷系统的稳定性。但缺点是需要耗费额外的电能、电加热的安全性比较差、可控硅对控制器的硬件设计和软件控制比较复杂。

由于现有技术中的制冷系统存在被冷却介质的温度调节存在波动，不稳定，甚至引起制冷系统的波动，稳定时间过长，相应地被冷却液体的出口温度(也就是控制目标)也会出现波动影响，无法快速实现被冷却介质达到目标温度并且不会影响到制冷系统的稳定性，需要耗费额外的电能、电加热的安全性比较差、可控硅对控制器的硬件设计和软件控制比较复杂等技术问题，因此本发明研究设计出一种制冷系统和控制方法。

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系统存在无法同时实现被冷却介质快速稳定达到目标温度并且不会影响到制冷系统的稳定性，且不需要耗费额外的电能的缺陷，从而提供一种制冷系统和控制方法。

本发明提供一种制冷系统，其包括：

压缩机，冷凝器，电子膨胀阀和蒸发器；

冷却介质管路，其中通有被冷却介质，且所述冷却介质管路通入所述蒸发器中、使得制冷剂和被冷却介质在所述蒸发器中进行换热；

控温器，设置在所述冷却介质管路上；

制冷旁通支路，所述制冷旁通支路一端连在所述压缩机的排气端，所述制冷旁通支路另一端连接在所述冷凝器的出口端与所述电子膨胀阀之间或连在所述冷凝器的进口端；且所述制冷旁通支路贯通所述控温器以使得制冷剂和所述被冷却介质在所述控温器中进行换热。

优选地，

所述控温器设置在所述冷却介质管路上且位于沿被冷却介质流动方向、所述蒸发器的下游段。

优选地，

在所述制冷旁通支路上还设置有旁通阀。

优选地，

在所述冷却介质管路上位于所述控温器的进口端设置有第一温度传感器。

优选地，

在所述冷却介质管路上位于所述控温器的出口端设置有第二温度传感器。

优选地，

当包括第一温度传感器时，所述第一温度传感器为感温包；当包括第二温度传感器时，所述第二温度传感器为感温包。

优选地，

所述控温器为壳管式换热器或翅片式换热器。

优选地，

所述被冷却介质为水，水通入所述冷却介质管路先经过所述蒸发器中被冷却、然后再进过所述控温器中以能够被加热。

本发明还提供一种制冷系统的控制方法，其使用前述的制冷系统，对被冷却介质的温度实现精确控制。

优选地，

当包括第一温度传感器和第二温度传感器时，通过所述第一温度传感器检测出所述控温器的冷却介质进口温度为tb，通过所述第二温度传感器检测出所述控温器的冷却介质出口温度为ta；设定被冷却介质的目标温度为ts；

所述制冷系统启动时，调节压缩机频率和/或电子膨胀阀开度和/或冷凝风机转速，使得tb的温度达到tb≤ts+△t，所述△t为第一精度误差。

优选地，

当ts-△t-△t1≤tb≤ts+△t时，维持所述压缩机、所述电子膨胀阀和所述冷凝风机的当前运行状态，其中所述△t1为第二精度误差。

优选地，

当tb＜ts-△t-△t1时，且当包括旁通阀时，则开启所述旁通阀，以通过所述控温器对所述被冷却介质进行加热升温，直到重新满足ts-△t-△t1≤tb≤ts+△t。

优选地，

判断所述冷却介质出口温度ta是否满足-△t≤ts-ta≤△t，如满足，则维持现有旁通阀开度；

当ts-ta＞△t时，则加大旁通阀开度，并且ts-ta的差值越大旁通阀的开度越大，直到ta达到-△t≤ts-ta≤△t，此时维持旁通阀开度；

当ts-ta＜-△t时，则关闭所述旁通阀，并且调节所述压缩机频率增大、所述电子膨胀阀的开度增大和所述冷凝风机的转速增大中的至少一个，增大制冷量。

本发明提供的一种制冷系统和控制方法具有如下有益效果：

1.本发明通过设置控温器和制冷旁通支路，控温器设置在所述冷却介质管路上；制冷旁通支路一端连在所述压缩机的排气端、另一端连接在所述冷凝器的出口端与所述电子膨胀阀之间或连在所述冷凝器的进口端；且所述制冷旁通支路贯通所述控温器以使得制冷剂和所述被冷却介质在所述控温器中进行换热，能够通过制冷旁通支路引入高温高压的制冷剂、以在控温器中对冷却介质管路中的被冷却介质进行加热升温，采用热气旁通加热冷冻介质，降温冷却后的旁通制冷剂流入到节流元件之前，不会造成蒸发器内制冷剂状态的明显波动，从而提高了制冷系统的稳定性，利用冷凝废热用于加热冷冻介质到目标温度范围，无需安全性差的电加热，降低设计难度的同时提升了系统性能和可靠性、安全性。

2.本发明通过第一和第二温度传感器以及旁通阀的设置，能够根据蒸发器内的冷冻介质出口温度与目标温度的偏差量，可以估算所需的热气旁通制冷剂量，从而精准控制旁通的制冷剂热气，实现制冷系统的精准和快速稳定。

附图说明

图1是本发明的制冷系统的实施例1的结构示意图；

图2是本发明的制冷系统的实施例2的结构示意图。

图中附图标记表示为：

1、压缩机；2、冷凝器；21、冷凝风机；3、电子膨胀阀；4、蒸发器；5、冷却介质管路；6、控温器；7、制冷旁通支路；8、旁通阀；91、第一温度传感器；92、第二温度传感器。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明提供一种制冷系统，其包括：

压缩机1，冷凝器2，电子膨胀阀3和蒸发器4；

冷却介质管路5，其中通有被冷却介质，且所述冷却介质管路5通入所述蒸发器4中、使得制冷剂和被冷却介质在所述蒸发器4中进行换热；

控温器6，设置在所述冷却介质管路5上；

制冷旁通支路7，所述制冷旁通支路7一端连在所述压缩机1的排气端，所述制冷旁通支路7另一端连接在所述冷凝器2的出口端与所述电子膨胀阀3之间(本发明的实施例1，如图1所示)或连在所述冷凝器2的进口端(本发明的实施例2，如图2所示)；且所述制冷旁通支路7贯通所述控温器6以使得制冷剂和所述被冷却介质在所述控温器6中进行换热(本发明的控温器实质上起到的是换热器的作用，使得制冷剂和被冷却介质在其中进行热交换，这里的控温器不局限于具体结构，即，使得制冷旁通支路和冷却介质管路进行换热的部分段都可以称作控温器)。

本发明通过设置控温器和制冷旁通支路，控温器设置在所述冷却介质管路上；制冷旁通支路一端连在所述压缩机的排气端、另一端连接在所述冷凝器的出口端与所述电子膨胀阀之间或连在所述冷凝器的进口端；且所述制冷旁通支路贯通所述控温器以使得制冷剂和所述被冷却介质在所述控温器中进行换热，能够通过制冷旁通支路引入高温高压的制冷剂、以在控温器中对冷却介质管路中的被冷却介质进行加热升温，采用热气旁通加热冷冻介质(即被冷却介质，下同)，降温冷却后的旁通制冷剂流入到节流元件之前，不会造成蒸发器内制冷剂状态的明显波动，从而提高了制冷系统的稳定性，利用冷凝废热用于加热冷冻介质到目标温度范围，无需安全性差的电加热，降低设计难度的同时提升了系统性能和可靠性、安全性。

优选地，

所述控温器6设置在所述冷却介质管路5上且位于沿被冷却介质流动方向、所述蒸发器4的下游段。这是本发明的控温器的优选设置位置，即将其设置于蒸发器的下游段能够使得被冷却介质先进入蒸发器中被冷却降温后、再通过该控温器对被冷却介质进行加热升温，进而对被冷却介质的温度进行精确控制或微调，从而实现对被冷却介质的温度的精确和稳定的控制。前者进行大幅度降温处理，后者进行轻微的升温调节处理到目标温度。

常规降温处理方法通过直接调节电子膨胀阀以调节进入蒸发器中的冷媒量的方法，其到达目标温度范围时系统的稳定速度非常慢。本发明在此基础上能快速到达目标温度，但通过对过冷的冷冻水进行升温处理速度更快，并且能够实现快速稳定控制、替代电加热的升温处理的节能性，避免冷冻水温度过低影响机床，常规方法中通过制冷机组的各种波动控制后再达到新的稳定过程需要比较长的时间，冷冻水温度过高时要达到新的稳定控制也是一个长时间的稳定控制过程，这是常规控温技术的不足之处。

优选地，

在所述制冷旁通支路7上还设置有旁通阀8。通过在制冷旁通支路上设置旁通阀的结构形式能够对制冷旁通支路进行控制作用，以根据实际需求控制被冷却介质是否被控温器加热，实现智能控制。从压缩机排气口引出部分高温制冷剂蒸汽，由旁通阀控制旁通流量，然后进入控温器对低温冷冻水进行精准的升温调整，冷却后的制冷剂气体引回到冷凝器出口与电子膨胀阀进口之间(并联热气旁通循环，实施例1)、或者引回到引出点与冷凝器进口之间(跨越管式串联循环，实施例2)。由于旁通的制冷剂主要是显热交换，压力变化不大，故对制冷系统的稳定性影响比较小。

优选地，

在所述冷却介质管路5上位于所述控温器6的进口端设置有第一温度传感器91；在所述冷却介质管路5上位于所述控温器6的出口端设置有第二温度传感器92。通过在控温器的进口端设置第一温度传感器能够对被冷却介质进入控温器之前的温度实现检测作用，通过在控温器的出口端设置第二温度传感器能够对被冷却介质进入控温器之后的温度实现检测作用；通过蒸发器出口的冷冻介质温度(低温冷冻水)与控温目标进行对比，根据偏差量计算所需要的加热量，进而准确控制旁通阀，使得控温器内的冷冻介质被精确加热到目标温度，实现快速稳定的控温目标；控温器内为显热交换、分级控温有利于系统稳定。

本发明通过第一和第二温度传感器以及旁通阀的设置，能够根据蒸发器内的冷冻介质出口温度与目标温度的偏差量，可以估算所需的热气旁通制冷剂量，从而精准控制旁通的制冷剂热气，实现制冷系统的精准和快速稳定；根据感温包a(出口温度)与设定温度之差，决定旁通阀的开度调节旁通制冷剂的流量，也就是控制“控温器”内的热量交换大小，从而可以精准地对低温冷冻水进行升温调整。

优选地，

当包括第一温度传感器91时，所述第一温度传感器91为感温包；当包括第二温度传感器92时，所述第二温度传感器92为感温包。这是本发明的第一和第二温度传感器的优选结构形式。

优选地，

所述控温器6为壳管式换热器或翅片式换热器。这是本发明的控温器的优选结构形式。

优选地，

所述被冷却介质为水，水通入所述冷却介质管路5先经过所述蒸发器4中被冷却、然后再进过所述控温器6中以能够被加热。这是本发明的被冷却介质的优选种类，能够通过水被控制达到精确温度后对精密零件进行冷却降温，提高冷却效果。

如图1和图2所示，压缩机、冷凝器(本方案以风冷翅片管冷凝器为图示)、节流元件(本方案以电子膨胀阀为例)和蒸发器顺次连接，制冷剂流向与此顺序方向相同并形成基本制冷循环。

图1在上述基本制冷循环的基础上，在压缩机出口排气管的点o引出旁通管道opm，其中引出点o位于压缩机出口与冷凝器进口之间，引回点m位于冷凝器出口与电子膨胀阀之间。同时，引出管opm上顺次连接旁通阀和控温器(辅助冷凝器)，点p为旁通阀的出口与控温器的制冷剂进口连接点，此系统为并联热气旁通循环。

图2在上述基本制冷循环的基础上，在压缩机出口排气管的点o引出旁通管道opn，其中引出点o位于压缩机出口与冷凝器进口之间，引回点n位于引出点o和冷凝器进口之间。同时，引出管opn上顺次连接旁通阀和控温器(辅助冷凝器)，点p为旁通阀的出口与控温器的制冷剂进口连接点，此系统为跨越管式串联循环。需要说明的是，此系统循环对跨越管on的制冷剂流通阻力设计有一定的要求，主要根据在点o分配制冷剂流量的比例进行阻力平衡计算；或者在点o采用电动比例调节阀替代旁通阀，调节分配on和op的制冷剂流量；或者在设计时使得“opn+旁通阀全开”的阻力与on管路阻力大致相等。

上述图1和图2具备有相同的水系统：高温进水进入蒸发器冷却降温后形成低温水，低温水进入控温器后进行微调升温形成目标温度下的高精度控温出水。蒸发器和控温器的出水管路上分别布置有感温包b(第一温度传感器91)和感温包a(第二温度传感器92)，用于检测水温是否符合设定目标温度，从而控制电子膨胀阀和旁通阀的调节开度、压缩机的运行频率和/或冷凝风机的风速。

优选的，高温进水管上有感温包c，用于检测高温进水的温度(图中未示出)。

本发明还提供一种制冷系统的控制方法，其使用前任一项所述的制冷系统，对被冷却介质的温度实现精确控制。通过设置控温器和制冷旁通支路，控温器设置在所述冷却介质管路上；制冷旁通支路一端连在所述压缩机的排气端、另一端连接在所述冷凝器的出口端与所述电子膨胀阀之间或连在所述冷凝器的进口端；且所述制冷旁通支路贯通所述控温器以使得制冷剂和所述被冷却介质在所述控温器中进行换热，能够通过制冷旁通支路引入高温高压的制冷剂、以在控温器中对冷却介质管路中的被冷却介质进行加热升温，采用热气旁通加热冷冻介质，降温冷却后的旁通制冷剂流入到节流元件之前，不会造成蒸发器内制冷剂状态的明显波动，从而提高了制冷系统的稳定性，利用冷凝废热用于加热冷冻介质到目标温度范围，无需安全性差的电加热，降低设计难度的同时提升了系统性能和可靠性、安全性。

优选地，

当包括第一温度传感器91和第二温度传感器92时，通过所述第一温度传感器91检测出所述控温器6的冷却介质进口温度为tb，通过所述第二温度传感器92检测出所述控温器6的冷却介质出口温度为ta；设定被冷却介质的目标温度为ts；

所述制冷系统启动时，调节压缩机频率和/或电子膨胀阀开度和/或冷凝风机转速，使得tb的温度达到tb≤ts+△t，所述△t为第一精度误差。优选以最快的速度(通常采用记忆状态下的运行参数进行启动运行，记忆状态下有机组的最佳运行组合参数)。

这是本发明的根据冷却介质进口温度的启动制冷系统的优选控制方法，能够使得通过蒸发器将被冷却介质降温冷却到目标温度ts的误差范围以下，这样能够使得被冷却介质的温度降至目标温度范围的误差范围以下，以便于进一步的升温以使其水温达到目标温度的误差范围以内。

优选地，

当ts-△t-△t1≤tb≤ts+△t时，维持所述压缩机、所述电子膨胀阀和所述冷凝风机的当前运行状态，其中所述△t1为第二精度误差。这是本发明的根据被冷却介质的进口温度在目标温度的误差范围内时的具体控制方式，ts-△t-△t1≤tb≤ts+△t说明被冷却介质的入口温度已达到目标设定温度的误差范围内，这时只需要维持压缩机、电子膨胀阀和冷凝风机的当前状态，便能维持被冷却介质的温度在目标温度范围内，满足所需要求。优选△t＝0.5℃，△t1＝0.5℃。

优选地，

当tb＜ts-△t-△t1时，且当包括旁通阀时，则开启所述旁通阀8，以通过所述控温器6对所述被冷却介质进行加热升温，直到重新满足ts-△t-△t1≤tb≤ts+△t。根据主机控制逻辑重新调整上述负载的运行状态减小制冷量输出，优选△t＝0.5℃，△t1＝0.5℃。

这是本发明的被冷却介质的入口温度小于目标设定值误差范围内时的优选控制方式，即tb＜ts-△t-△t1说明被冷却介质的入口温度小于目标设定值误差范围，需要对其进行加热升温，此时打开旁通阀以通过控温器中的制冷剂对被冷却介质实现加热升温的效果，实现对介质的精确控温的作用。

优选地，

判断所述冷却介质出口温度ta是否满足-△t≤ts-ta≤△t，如满足，则维持现有旁通阀开度；

当ts-ta＞△t时，则加大旁通阀开度，并且ts-ta的差值越大旁通阀的开度越大，直到ta达到-△t≤ts-ta≤△t，此时维持旁通阀开度；

当ts-ta＜-△t时，则关闭所述旁通阀，并且调节所述压缩机频率增大、所述电子膨胀阀的开度增大和所述冷凝风机的转速增大中的至少一个，增大制冷量。

这是本发明的根据冷却介质出口温度来进行控制的优选控制方式，即-△t≤ts-ta≤△t说明出口温度在目标设定温度误差范围内时，则保持旁通阀开度不变，对介质进行该状态下的继续持续加热；ts-ta＞△t说明介质出口温度过低，此时需要对介质进行增大制热量的方式进行控制，因此此时加大旁通阀的开度，以增大对介质的制热量，旁通阀开度的大小与温差(ts-ta)的大小呈正比，能够最快速度地提升介质的温度；ts-ta＜-△t说明介质出口温度过高，此时需要对介质进行停止制热、转而进行制冷的方式进行控制，此时关闭所述旁通阀，并且调节所述压缩机频率增大、所述电子膨胀阀的开度增大和所述冷凝风机的转速增大中的至少一个，从而能够有效地降低介质的温度，以使其达到目标温度范围内，满足使用需求。

具体地，控温器内的制冷剂状态主要是高温过热蒸汽，与另外一侧的低温冷冻介质进行显热交换，有利于制冷系统的稳定运行。机组水系统目标温度的具体的主要控制步骤如下：

1)运行时，根据设定温度ts，调节压缩机频率和/或电子膨胀阀开度和/或冷凝风机转速，以最快的速度(通常采用记忆状态下的运行参数进行启动运行，记忆状态下有机组的最佳运行组合参数)使得tb≤ts+△t(△t为用户设定控温精度，如设定控制精度为±0.5℃，则△t＝0.5，其余类同)；当ts-△t-0.5≤tb≤ts+△t时，维持上述负载的运行状态；

2)当tb＜ts-△t-0.5时，则根据主机控制逻辑重新调整上述负载的运行状态减小制冷量输出，直到重新满足ts-△t-0.5≤tb≤ts+△t；

a)判断出口温度-△t≤ts-ta≤△t是否成立。如是，则维持现有旁通阀开度；

b)当ts-ta＞△t时，则加大旁通阀开度，并且ts-ta的差值越大旁通阀的开度越大，直到-△t≤ts-ta≤△t时维持旁通阀开度；

c)当ts-ta＜-△t时，则关闭旁通阀，转为调节制冷系统的负载使得系统的制冷量加大，重新进入步骤1)。

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。