一种实现高精度控温的冷却系统及其控制方法与流程

本发明涉及冷却系统技术领域，特别涉及一种高精度控温冷却系统及其控制方法。

背景技术：

随着工业生产水平的不断提高，对工艺设备以及生产条件的要求也越来越高。许多工业设备的生产过程中需要冷水对加工材料或设备进行冷却，目前常用的冷却方式是使用冷却系统提供一定温度的工艺冷却水进行冷却，水温控制已成为工业生产、科研活动中很重要的一个环节，如集成电路、精密仪表、电子设备等工艺生产过程中，均对冷却水温有着较高的精度要求，能否成功地将温度控制在所需的范围内关系到产品的质量与效率。

现有的工艺冷却水系统，大多采用冷热抵消的方式将水温波动维持在较小范围内，易于控制，但造成了能源的浪费。同时，由于系统难以长期维持运行或停止状态，在设备启停与加、减载的过程中，冷却系统的负荷发生阶跃，水温受负荷变化影响发生大的波动，易对生产过程造成不可逆的影响。在这类负荷大、且易发生负荷阶跃的系统中，如何避免冷热抵消，且在控制水温精度的同时保持其稳定性，对提高工艺设备生产效率、保证系统安全可靠运行具有重要意义。

因此，如何为工艺设备生产过程提供高精度的冷却水，如何在解决水温精度和稳定性问题的同时实现能源的节约，设计出一种高精度控温的冷却系统成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种控温冷却系统及其控制方法，能够保证水温稳定性与精度，该冷却系统具有高精度、低能耗的优点，能够将目标温度控制在±0.05℃范围内波动。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种实现高精度控温的冷却系统，该系统包括降温用换热器、储水箱、工艺冷却水泵、控温用换热器、第一制冷机、第二制冷机、缓冲水箱、冷冻水泵、第三阀门、降温用换热器水流量控制装置、控温用换热器水流量控制装置、第四阀门、第五阀门和第六阀门，

降温用换热器、储水箱、工艺冷却水泵和控温用换热器构成工艺冷却水回路，其中，来自用户侧的工艺冷却水回水管路连接降温用换热器的第一输入端，降温用换热器第一输出端连接储水箱第一输入端，储水箱输出端连接工艺冷却水泵的输入端，工艺冷却水泵的输出端与控温用换热器的第一输入端相连，工艺冷却水经控温用换热器的第一输出端输送至用户侧；且

第一制冷机、第二制冷机、缓冲水箱、冷冻水泵、第三阀门、降温用换热器、降温用换热器水流量控制装置、控温用换热器、控温用换热器水流量控制装置、第四阀门、第五阀门和第六阀门构成冷冻水回路，其中，第一制冷机的输出端和第二制冷机的第一输出端汇合后与缓冲水箱的第一输入端相连，缓冲水箱的输出端连接冷冻水泵的输入端，冷冻水泵的输出端分成两路：一路连接控温用换热器的第二输入端和控温用换热器水流量控制装置的第二输入端，控温用换热器的第二输出端连接控温用换热器水流量控制装置的第一输入端；冷冻水泵输出端的另一路连接第三阀门的输入端，第二制冷机的第二输出端连接第四阀门的输入端，第三阀门的输出端与第四阀门的输出端汇合后连接降温用换热器的第二输入端和降温用换热器水流量控制装置的第二输入端，降温用换热器的第二输出端连接降温用换热器水流量控制装置的第一输入端，降温用换热器水流量控制装置的输出端连接第五阀门的输入端和第六阀门的输入端，第五阀门的输出端与控温用换热器水流量控制装置的输出端汇合后分成两路分别连接第一制冷机的第一输入端和第二制冷机的第一输入端，第六阀门的输出端连接第二制冷机的第二输入端。

优选地，所述降温用换热器和所述控温用换热器是板式换热器。

优选地，所述第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门是电磁阀。

优选地，所述降温用换热器水流量控制装置和控温用换热器水流量控制装置是电动三通阀。

在另一实施例中，本发明提供一种根据以上技术方案的冷却系统的控制方法，其包括：当室外环境温度高于设定值时，使第一制冷机和第二制冷机均处于运行状态，开启冷冻水回路中的第三阀门和第五阀门，关闭第四阀门和第六阀门，所述冷冻水回路形成常规模式冷冻水回路，其中第一制冷机输出端和第二制冷机的第一输出端的低温冷冻水汇合后进入缓冲水箱，与缓冲水箱内的水混合，缓冲水箱输出端的冷冻水流经冷冻水泵后分成两路，一路流经第三阀门后进入降温用换热器的第二输入端，与工艺冷却水进行第一次换热后流入降温用换热器水流量控制装置，另一路进入控温用换热器的第二输入端，与工艺冷却水进行第二次换热后流入控温用换热器水流量控制装置，降温用换热器水流量控制装置输出端的冷冻水流经第五阀门后与控温用换热器水流量控制装置输出端的冷冻水混合，流回第一制冷机和第二制冷机。

在另一实施例中，本发明提供一种根据以上技术方案的冷却系统的控制方法，其包括：当室外环境温度低于设定值时，使第一制冷机处于运行状态，第二制冷机处于停机状态，关闭冷冻水回路中的第三阀门和第五阀门，开启第四阀门和第六阀门，所述冷冻水回路形成免费供冷模式冷冻水回路和免费供冷模式免费冷水回路，

在所述免费供冷模式冷冻水回路中，第一制冷机输出端的低温冷冻水进入缓冲水箱，与缓冲水箱内的水混合，缓冲水箱输出端的冷冻水流经冷冻水泵后进入控温用换热器的第二输入端，与工艺冷却水进行换热后流入控温用换热器水流量控制装置，控温用换热器水流量控制装置输出端的冷冻水流回第一制冷机；且

在所述免费供冷模式免费冷水回路中，第二制冷机第二输出端的免费冷水流经第四阀门后进入降温用换热器的第二输入端，与工艺冷却水回水进行换热后经第二输出端流出，与降温用换热器水流量控制装置所旁通的免费冷水混合后，流经第六阀门，进入第二制冷机的第二输入端。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提出的高精度控温冷却水系统及其控制方法，利用两级换热器在工艺冷却水回路中的串联连接与冷冻水回路中的并联连接，将降温与控温分开调节，实现工艺冷却水温度的二级调节，并利用储水箱和缓冲水箱分别稳定控温用板式换热器的工艺冷却水进口水温和冷冻水进口水温，可将目标水温精度控制在±0.05℃，避免了常规冷却系统为实现高精度控温采用冷热抵消的方式所造成的能源浪费，实现了在负荷大、且易发生负荷阶跃的冷却系统中进行高精度控温的目标，保证该控温冷却系统供水温度的稳定性。同时利用阀门切换，在环境温度较低时启用免费供冷模式，大幅降低冷却系统的能耗，实现系统的节能运行。

附图说明

图1是本发明高精度控温冷却系统的示意图。

其中：第一制冷机1；第一制冷机输入端1a；第一制冷机输出端1b；第二制冷机2；第二制冷机第一输入端2a；第二制冷机第一输出端2b；第二制冷机第二输入端2c；第二制冷机第二输出端2d；缓冲水箱3；缓冲水箱第一输入端3a；缓冲水箱第二输入端3c；缓冲水箱输出端3b；冷冻水泵4；控温用板式换热器5；控温用板式换热器第一输入端5a；控温用板式换热器第一输出端5b；控温用板式换热器第二输入端5c；控温用板式换热器第二输出端5d；工艺冷却水泵6；降温用板式换热器7；降温用板式换热器第一输入端7a；降温用板式换热器第一输出端7b；降温用板式换热器第二输入端7c；降温用板式换热器第二输出端7d；储水箱8；储水箱第一输入端8a；储水箱第二输入端8c；储水箱输出端8b；第一电磁阀9；第二电磁阀10；第三电磁阀11；第四电磁阀12；第五电磁阀13；第六电磁阀14；第一电动三通阀15；第一电动三通阀第一输入端15a；第一电动三通阀第二输入端15b；第一电动三通阀输出端15c；第二电动三通阀16；第二电动三通阀第一输入端16a；第二电动三通阀第二输入端16b；第二电动三通阀输出端16c。

具体实施方式

本发明中，常规模式冷冻水回路中降温用板式换热器与控温用板式换热器为并联连接，实现工艺冷却水降温与控温的分开调控。第一制冷机第一出口的冷冻水依次进入缓冲水箱、冷冻水泵，冷冻水泵出口的冷冻水分成两路，一路进入控温用板式换热器，另一路流经第三电磁阀进入降温用板式换热器的第二输入端，从第二输出端流出，并经过第五电磁阀与控温用板式换热器第二输出端的冷冻水混合，进入空调制冷机的第一回水口。

本发明中，工艺冷却水回路中的降温用板式换热器与控温用板式换热器串联连接，来自工艺设备的工艺冷却水回水先进入降温用板式换热器第一输入端进行降温，第一输出端的工艺冷却水流经储水箱、冷冻水泵后进入控温用板式换热器的第一输入端，在控温用板式换热器进行第二次降温，将工艺冷却水控制在目标温度允许范围内，并通过控温用板式换热器的第一输出端流出。工艺冷却水经控温用板式换热器的第一输出端输送至工艺设备。工艺冷却水先后流经降温用板式换热器和控温用板式换热器，实现水温的两级调节，是水温精度控制的关键环节。

本发明中，通过控制第一电动三通阀、第二电动三通阀，来调节进入降温用板式换热器和控温用板式换热器的流量，实现对降温用板式换热器第一输出端和控温用板式换热器第一输出端的工艺冷却水水温的调控。若降温用板式换热器第一输出端的出水温度过高，第一电动三通阀的开度将相应增大，从而增加进入降温用板式换热器的冷冻水流量，增加冷冻水与工艺冷却水的换热量，进而降低降温用板式换热器第一输出端的出水温度。若控温用板式换热器第一输出端的出水温度过高，第二电动三通阀的开度将相应增大，从而增加进入控温用板式换热器的冷冻水流量，增加冷冻水与工艺冷却水的换热量，进而调节控温用板式换热器第一输出端的出水温度。

本发明中，若冷源设备发生启停状态的切换，导致冷冻水温大范围波动，为保证进入控温用板式换热器的冷冻水温保持稳定，在第一制冷机输出端、第二制冷机第一输出端汇合处与冷冻水泵之间设置缓冲水箱，保证进入控温用板式换热器第二输入端的冷冻水温处于稳定状态。若系统负荷发生阶跃，工艺冷却水的水温大范围波动，为保证进入控温用板式换热器的工艺冷却水温度保持稳定，在降温用板式换热器和工艺冷冻水泵之间设置储水箱，保证进入控温用板式换热器第一输入端的冷冻水温处于稳定状态。储水箱与缓冲水箱起到恒定水温的作用，水箱大小根据水温运行波动大小与允许波动时间进行选型。

本发明中，免费供冷模式冷冻水回路与免费供冷模式免费冷水回路通过第三电磁阀和第五电磁阀连接，第三电磁阀与第五电磁阀控制免费供冷模式与常规模式的切换。

本发明中，利用储水箱和缓冲水箱的恒定水温的作用，以及降温用板式换热器和控温用板式换热器的二级调节，解决了在负荷大、且易发生负荷阶跃的冷却系统中进行高精度控温的问题，同时利用环境低温提供免费冷水，大幅降低冷却系统能耗，实现系统的节能运行。

当室外环境温度高于设定值时，系统运行常规模式：开启第三电磁阀、第五电磁阀，关闭第四电磁阀、第六电磁阀，第一制冷机和第二制冷机均处于运行状态，第一制冷机输出端和第二制冷机的第一输出端的低温冷冻水汇合后进入缓冲水箱，与缓冲水箱内的水混合，若进入水箱的冷冻水温波动过大，由于缓冲水箱内的水量远大于流经缓冲水箱的冷冻水量，其温度波动可被缓冲水箱抵消，获得恒定的缓冲水箱出口冷冻水温。缓冲水箱输出端的冷冻水流经冷冻水泵后分成两路，一路流经第三电磁阀后进入降温用板式换热器的第二输入端，与工艺冷却水进行第一次换热，降低工艺冷却水温度。另一路进入控温用板式换热器的第二输入端，与工艺冷却水进行第二次换热，通过调节第二电动三通阀来精确控制控温用板式换热器第一输出端的工艺冷却水温度。降温用板式换热器出口的冷冻水依次流经第一电动三通阀与第五电磁阀后与控温用板式换热器出口流经第二电动三通阀的冷冻水混合，流回第一制冷机和第二制冷机。此时来自用户侧的工艺冷却水流经降温用板式换热器降低水温，并通过第一电动三通阀控制降温用板式换热器出口工艺冷却水的温度。工艺冷却水从降温用板式换热器出来后进入储水箱中，若末端负荷发生阶跃导致工艺冷却水温发生较大波动，进入储水箱的工艺冷却水温偏离设定温度，可通过储水箱将出口的工艺冷却水温恒定在设定范围内。工艺冷却水从储水箱出口出来后被工艺冷却水泵吸入，经工艺冷却水泵加压后，进入控温用板式换热器，在控温用板式换热器中放出热量，利用第二电动三通阀将控温用板式换热器出口的工艺冷却水温控制在设定温度与设定范围内，从而获得温度精度高、稳定性好的工艺冷却水，供给工业生产设备使用。

当室外环境温度低于设定值时，系统运行免费供冷模式：免费供冷模式下，关闭第三电磁阀、第五电磁阀，开启第四电磁阀、第六电磁阀，第一制冷机处于运行状态，为控温用板式换热器提供冷冻水，第二制冷机处于停机状态，为降温用板式换热器提供免费冷水。免费冷水从第二制冷机第二输出端流出，流经第四电磁阀后进入降温用板式换热器的第二输入端，与工艺冷却水回水进行第一次热交换后经第二输出端流出，与第一电动三通阀所旁通的免费冷水混合后，流经第六电磁阀，进入第二制冷机的第二输入端。冷冻水从第一制冷机输出端流出，依次流经缓冲水箱、冷冻水泵，进入控温用板式换热器第二输入端，与工艺冷却水回水进行第二次热交换后经控温用板式换热器第二输出端流出，与第二电动三通阀所旁通的冷冻水混合后，返回第一制冷机的输入端。降温用板式换热器出口的免费冷水依次流经第一电动三通阀与第六电磁阀后流回第二制冷机，控温用板式换热器出口的冷冻水流经第二电动三通阀后流回第一制冷机。此时来自用户侧的工艺冷却水流经降温用板式换热器降低水温，并通过第一电动三通阀控制降温用板式换热器出口工艺冷却水的温度。工艺冷却水从降温用板式换热器出来后进入储水箱中，若末端负荷发生阶跃导致工艺冷却水温发生较大波动，进入储水箱的工艺冷却水温偏离设定温度，可通过储水箱将出口的工艺冷却水温恒定在设定范围内。工艺冷却水从储水箱出口出来后被工艺冷却水泵吸入，经工艺冷却水泵加压后，进入控温用板式换热器，在控温用板式换热器中放出热量，利用第二电动三通阀将控温用板式换热器出口的工艺冷却水温控制在设定温度与设定范围内，从而获得温度精度高、稳定性好的工艺冷却水，供给工业生产设备使用。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的一种高精度控温冷却系统包括工艺冷却水回路和冷冻水回路。通过调节阀门，冷冻水回路构成常规模式冷冻水回路、免费供冷模式免费冷水回路、免费供冷模式冷冻水回路。

工艺冷却水回路中，来自用户侧的工艺冷却水回水管路连接降温用板式换热器7的第一输入端7a，降温用板式换热器第一输出端7b连接储水箱第一输入端8a，储水箱8输出端连接工艺冷却水泵6的输入端，工艺冷却水泵6的输出端与控温用板式换热器5的第一输入端5a相连，工艺冷却水经控温用板式换热器的第一输出端5b输送至用户侧。

常规模式冷冻水回路中，第一制冷机1的输出端1b和第二制冷机2的第一输出端2b汇合后与缓冲水箱的第一输入端3a相连，缓冲水箱的输出端3b连接冷冻水泵4的输入端，冷冻水泵4的输出端分成两路：一路连接控温用板式换热器的第二输入端5c和第二电动三通阀16的第二输入端16b，控温用板式换热器的第二输出端5d连接第二电动三通阀的第一输入端16a；冷冻水泵4输出端的另一路连接第三电磁阀11的输入端，第三电磁阀11的输出端分成两路分别连接降温用板式换热器7的第二输入端7c和第一电动三通阀15的第二输入端15b，降温用板式换热器的第二输出端7d连接第一电动三通阀的第一输入端15a，第一电动三通阀的输出端15c分成两路，分别连接第五电磁阀13的输入端和第六电磁阀14的输入端，第五电磁阀13的输出端与第二电动三通阀的输出端16c汇合后分成两路分别连接第一制冷机1的第一输入端1a和第二制冷机2的第一输入端2a。

免费供冷模式免费冷水回路中，第二制冷机的第二输出端2d连接第四电磁阀12输入端，第四电磁阀12的输出端分成两路，一路连接第三电磁阀11的输入端，另一路再次分成两路，分别连接降温用板式换热器的第二输入端7c和第一电动三通阀的第二输入端15b。降温用板式换热器的第二输出端7d连接第一电动三通阀的第一输入端15a，第一电动三通阀的输出端15c同时连接第五电磁阀13的输入端和第六电磁阀14的输入端，第六电磁阀14的输出端连接第二制冷机的第二输入端2c。

免费供冷模式冷冻水回路中，第一制冷机1的输出端1b连接缓冲水箱第一输入端3a，缓冲水箱的输出端3b连接冷冻水泵4的输入端，冷冻水泵4的输出端分成两路，一路连接第三电磁阀11的输入端，另一路同时连接控温用板式换热器5的第二输入端5c和第二电动三通阀的第二输入端16b。控温用板式换热器的第二输出端5d连接第二电动三通阀16的第一输入端16a，第二电动三通阀的输出端16c与第五电磁阀13的输出端汇合后连接第一制冷机1的输入端1a。

储水箱8、缓冲水箱3各设有补水管路：自来水补水连接第一电磁阀9的输入端，第一电磁阀9的输出端与储水箱的第二输入端8c相连；自来水补水连接第二电磁阀10的输入端，第二电磁阀10的输出端与缓冲水箱的第二输入端3c相连。

实现高精度控温的冷却系统，其运行模式分为两种：常规模式和免费供冷模式。

当室外环境温度高于设定值时，系统运行常规模式：开启第三电磁阀11、第五电磁阀13，关闭第四电磁阀12、第六电磁阀14，第一制冷机1输出端1b和第二制冷机2的第一输出端2b的低温冷冻水汇合后进入缓冲水箱3，与缓冲水箱3内的水混合，若进入缓冲水箱3的冷冻水温波动过大，由于缓冲水箱3内的水量远大于流经缓冲水箱3的冷冻水量，其温度波动可被缓冲水箱3抵消，获得恒定的缓冲水箱3出口冷冻水温。缓冲水箱输出端3b的冷冻水流经冷冻水泵后分成两路，一路流经第三电磁阀11后进入降温用板式换热器的第二输入端7c，与工艺冷却水进行第一次换热，降低工艺冷却水温度。另一路进入控温用板式换热器的第二输入端5c，与工艺冷却水进行第二次换热，通过调节第二电动三通阀16来精确控制控温用板式换热器第一输出端5b的工艺冷却水温度。降温用板式换热器第二输出端7d的冷冻水依次流经第一电动三通阀15与第五电磁阀13后与第二电动三通阀输出端16c的冷冻水混合，流回第一制冷机1和第二制冷机2。此时来自用户侧的工艺冷却水流经降温用板式换热器7降低水温，并通过第一电动三通阀15控制降温用板式换热器第一输出端7b工艺冷却水的温度。工艺冷却水从降温用板式换热器第一输出端7b出来后进入储水箱8中，若末端负荷发生阶跃导致工艺冷却水温发生较大波动，进入储水箱8的工艺冷却水温偏离设定温度，可通过储水箱8将出口的工艺冷却水温恒定在设定范围内。工艺冷却水从储水箱输出端8b出来后被工艺冷却水泵6吸入，经工艺冷却水泵6加压后，进入控温用板式换热器5，在控温用板式换热器5中放出热量，利用第二电动三通阀16将控温用板式换热器第一输出端5b的工艺冷却水温控制在设定温度与设定范围内，从而获得温度精度高、稳定性好的工艺冷却水，供给工业生产设备使用。

当室外环境温度低于设定值时，系统运行免费供冷模式：免费供冷模式下，关闭第三电磁阀11、第五电磁阀13，开启第四电磁阀12、第六电磁阀14，第一制冷机1处于运行状态，为控温用板式换热器5提供冷冻水，第二制冷机2处于停机状态，为降温用板式换热器7提供免费冷水。免费冷水从第二制冷机第二输出端2d流出，流经第四电磁阀12后进入降温用板式换热器的第二输入端7c，与工艺冷却水回水进行热交换后经第二输出端7d流出，与第一电动三通阀15所旁通的冷冻水混合后，流经第六电磁阀14，进入第二制冷机的第二输入端2c。冷冻水从第一制冷机1输出端流出，依次流经缓冲水箱3、冷冻水泵4，进入控温用板式换热器第二输入端5c，与工艺冷却水回水进行热交换后经控温用板式换热器第二输出端5d流出，与第二电动三通阀16所旁通的冷冻水混合后，返回第一制冷机1的输入端。降温用板式换热器第二输出端7d的免费冷水依次流经第一电动三通阀15与第六电磁阀14后流回第二制冷机2，控温用板式换热器第二输出端5d的冷冻水流经第二电动三通阀16后流回第一制冷机1。此时来自用户侧的工艺冷却水流经降温用板式换热器7降低水温，并通过第一电动三通阀15控制降温用板式换热器7出口工艺冷却水的温度。工艺冷却水从降温用板式换热器7出来后进入储水箱8中，若末端负荷发生阶跃导致工艺冷却水温发生较大波动，进入储水箱8的工艺冷却水温偏离设定温度，可通过储水箱8将出口的工艺冷却水温恒定在设定范围内。工艺冷却水从储水箱8出口出来后被工艺冷却水泵6吸入，经工艺冷却水泵6加压后，进入控温用板式换热器5，在控温用板式换热器5中放出热量，利用第二电动三通阀16将控温用板式换热器第一输出端5b的工艺冷却水温控制在设定温度与设定范围内，从而获得温度精度高、稳定性好的工艺冷却水，供给工业生产设备使用。

上述实例仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和同等替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。