CN111928512B - 一种冷热联用多级压缩循环系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冷热联用多级压缩循环系统及控制方法，包括低温级热泵单元与高温级热泵单元，高温级热泵单元至少两个且串联在低温级热泵单元上，低温级热泵单元采用CO2作为冷媒，至少一个高温级热泵单元采用R134a冷媒，在采用R134a冷媒的高温级热泵单元的高温冷凝器与低温级热泵单元的低温蒸发器之间设化霜组件；在采用R134a冷媒的高温级热泵单元高温冷凝器的高温侧与用热空间之间设热量传输组件。通过在低温级热泵单元上复叠至少两个高温级热泵单元，实现对制冷效率的提高；同时，通过设置化霜组件使得低温蒸发器的霜层在工作中进行化霜操作，提高效率，保证机组的能效；采用热量传输组件进行热量传输并使用，提高能源的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种冷热联用多级压缩循环系统及控制方法。
背景技术
目前在工业领域中，在产品的生产流程中各个工艺步骤需要的温度不同，部分需要低温，而部分需要高温，普遍采用的方法是采用制冷机组供给冷量，采用市政蒸汽、锅炉、电加热作为热水的来源供给热量；而在低温部分，为了达到更低的温度，通常采用复叠式制冷技术，复叠式制冷技术通常由两个单独的热泵系统组成，分别称为高温级及低温级部分，高温级部分使用中温制冷剂，低温级部分使用低温制冷剂。高温级部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温级部分系统中制冷剂冷凝，用一个冷凝蒸发器将两部分联系起来，它既是高温部分的蒸发器，又是低温部分的冷凝器；而在低温级部分长时间制冷，其蒸发器底部容易结霜，目前对于除霜主要有两种方式，第一种机组停机通过高压水进行冲刷，需要停机操作，而且霜层越厚其除霜时间越长，生产效率降低；第二种利用低温级部分换向化霜，此方法导致冷侧末端温度浮动幅度增大，影响末端使用。
随着社会节能意识不断加强，对于热泵循环，目前普遍只单独使用蒸发侧冷量或冷凝侧热量，浪费严重、投资高、系统复杂、维护成本高；如何在保证系统机组正常运行时，同时使用冷热两侧负荷成为行业需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高制冷效果的同时可以使用其热量的冷热联用多级压缩循环系统及控制方法。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种冷热联用多级压缩循环系统，包括低温级热泵单元与高温级热泵单元，所述的高温级热泵单元至少两个且串联在低温级热泵单元上，所述的低温级热泵单元采用CO2作为冷媒，至少一个所述的高温级热泵单元采用R134a作为冷媒，在采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元的高温冷凝器与低温级热泵单元的低温蒸发器之间设置一化霜组件，所述的化霜组件将采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元的高温冷凝器产生的液态冷媒输送至低温级热泵单元的低温蒸发器底部进行化霜操作；在采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元高温冷凝器的高温侧与用热空间之间设置热量传输组件，热量传输组件将高温冷凝器产生的热量传输至用热空间进行加热操作。
进一步具体的，所述的低温级热泵单元由冷凝组件与蒸发组件组成，所述的冷凝组件由低温压缩机、低温油分器、高温级热泵单元的蒸发冷凝换热器、储液罐以及回气换热器串联而成，在所述的低温油分器的液体出口与低温压缩机之间依次串联低温油冷却器以及低温油循环泵；所述的蒸发组件由液态循环泵、低温节流器、低温蒸发器、循环桶以及回气换热器串联而成；在冷凝组件中冷媒依次经过低温压缩机、低温油分器、高温级热泵单元的蒸发冷凝换热器、储液罐以及回气换热器后进入循环桶内；在蒸发组件中冷媒从循环桶依次经过液态循环泵、低温节流器、低温蒸发器后回到循环桶，变为气态的冷媒进入回气换热器内进入冷凝组件进行循环。
进一步具体的，在所述的低温压缩机的进口处设置有低温侧压力探头与低温侧温度探头，在所述的低温蒸发器的后端设置一控制电磁阀。
进一步具体的，所述的高温级热泵单元由高温压缩机、高温油分器、高温冷凝器、高温节流器以及蒸发冷凝换热器串联而成，在所述的高温油分器的液体出口与高温压缩机的入口之间依次串联高温油冷却器以及高温油循环泵。
进一步具体的，在所述的高温压缩机的进口处设置有高温侧压力探头与高温侧温度探头，在所述的高温油分器的气体出口处设置有油分压力探头与油分温度探头。
进一步具体的，所述的化霜组件由设置于低温级热泵单元低温蒸发器底部的盘管、单向阀、毛细管件串联而成，液态冷媒由高温冷凝器输出并经过化霜组件后，输出至蒸发冷凝换热器前端回到采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元内继续循环。
进一步具体的，在所述的盘管的前端设置一高温电磁阀。
进一步具体的，至少一个所述的高温级热泵单元采用R717作为冷媒。
一种冷热联用多级压缩循环系统的控制方法，该控制方法为，
S1、开启低温级热泵单元进行制冷；
S2、判断制冷温度是否达到所需温度，若是则低温压缩机的频率保持不变；若否则提高低温压缩机的频率，继续循环步骤S2，直至低温压缩机满频运行后进入步骤S3；
S3、开启不采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元继续降温；
S4、判断制冷温度是否达到所需温度，若是则高温压缩机的频率保持不变；若否则提高高温压缩机的频率，继续循环步骤S4，直至达到所需温度。
进一步具体的，当有化霜需求时，开启采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元并开启化霜组件向低温蒸发器传输液体冷媒；同时根据采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元制冷效率，降低不采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元的制冷效率。
本发明的有益效果是：通过在低温级热泵单元上复叠至少两个高温级热泵单元，实现对制冷效率的提高；同时，通过设置化霜组件使得低温蒸发器的霜层在工作中进行化霜操作，提高效率，保证机组的能效；采用热量传输组件进行热量传输并使用，提高能源的利用率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中： 1、高温压缩机； 2、高温油分器； 3、高温冷凝器； 4、高温节流器； 5、高温油冷却器； 6、高温油循环泵； 8、低温压缩机； 9、低温油分器； 10、蒸发冷凝换热器； 11、储液罐； 12、回气换热器； 13、低温油冷却器； 14、低温油循环泵； 15、液态循环泵； 16、低温节流器； 17、低温蒸发器； 18、循环桶； 19、控制电磁阀； 20、盘管； 21、单向阀； 22、毛细管件； 23、高温电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示一种冷热联用多级压缩循环系统，包括低温级热泵单元与高温级热泵单元，所述的高温级热泵单元至少两个且串联在低温级热泵单元上，所述的低温级热泵单元采用CO2作为冷媒，至少一个所述的高温级热泵单元采用R134a作为冷媒，在采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元的高温冷凝器3与低温级热泵单元的低温蒸发器17之间设置一化霜组件，所述的化霜组件将采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元的高温冷凝器3产生的液态冷媒输送至低温级热泵单元的低温蒸发器17底部进行化霜操作；在采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元高温冷凝器3的高温侧与用热空间之间设置热量传输组件，热量传输组件将高温冷凝器3产生的热量传输至用热空间进行加热操作；用热空间可以为多种的封闭环境，例如商场、车间、写字楼、住宅楼、学校以及医院等场所。
在本方案中高温级热泵单元有两个分别为第一高温级热泵单元A与第二高温级热泵单元B，第一高温级热泵单元A采用R717作为冷媒，R717为NH3，NH3具有较高的制冷效率，第二高温级热泵单元B采用R134a作为冷媒，R134a为四氟乙烷，其在高温侧能提供较高的加热温度；低温级热泵单元通过低温蒸发器17进行降温操作，第一高温级热泵单元A是在低温热泵单元降温效率不够的情况下开启并加强降温效率；第二高温级热泵单元B起到三个作用，第一通过化霜组件对低温蒸发器17进行化霜，第二向用热空间提供热量，第三与低温级热泵单元配合实现降温。
低温级热泵单元由冷凝组件与蒸发组件组成，所述的冷凝组件由低温压缩机8、低温油分器9、高温级热泵单元的蒸发冷凝换热器10、储液罐11以及回气换热器12串联而成，在所述的低温油分器9的液体出口与低温压缩机8之间依次串联低温油冷却器13以及低温油循环泵14；所述的蒸发组件由液态循环泵15、低温节流器16、低温蒸发器17、循环桶18以及回气换热器12串联而成；在冷凝组件中，气态冷媒首先进入低温压缩机8内进行压缩变为高压高温的气态冷媒，进入低温油分器9进行气液分离，气态冷媒进入蒸发冷凝换热器10，液体冷媒进入低温油冷却器13并通过低温油循环泵14重新进入低温压缩机8内进行压缩；进入蒸发冷凝换热器10的气态冷媒与高温级热泵单元进行换热，气态冷媒变为液态冷媒之后进入储液罐11内，液体冷媒通过储液罐11后进入回气换热器12，在回气换热器12内与即将进入低温压缩机8的气态冷媒进行换热，气态冷媒温度降低，进入低温压缩机8后降低其能耗；此时液态冷媒有一小部分会变为气态，气态与液态混合的冷媒进入蒸发组件的循环桶18内，液态冷媒在循环桶18底部，气态冷媒从循环桶18顶部进入回气换热器12进行换热后进入低温压缩机8，继续压缩循环；在蒸发组件中，液态冷媒从循环桶18底部经过液体循环泵15后进入低温节流器16，之后进入低温蒸发器17进行换热操作，换热后的液态冷媒变为气态，此时在气态冷媒中还混有液态冷媒，混合的冷媒回流至循环桶18，在循环桶18内液态冷媒与气态冷媒分离，液态冷媒向下继续参与蒸发组件内的循环，而气态冷媒向上进入回气换热器12后进入低温压缩机8参与冷凝组件内的循环；在所述的低温压缩机8的进口处设置有低温侧压力探头与低温侧温度探头，在所述的低温蒸发器17的后端设置一控制电磁阀19，在食品速冻行业中，不可避免的低温蒸发器17表面附着油膜，本系统保证一小段时间液态循环泵15高频运行，加大对低温蒸发器17表面冲刷，保证系统回油正常。此外，液态循环泵15也根据低温压缩机8进口处的低温侧温度探头及低温压缩机8进口处的低温侧压力探头监控吸气过热情况自动变频，防止液击及排气温度过高出现。
第一高温级热泵单元A与第二高温级热泵单元B的结构一致，其冷媒循环的情况也一致，高温级热泵单元由高温压缩机1、高温油分器2、高温冷凝器3、高温节流器4以及蒸发冷凝换热器10串联而成，在所述的高温油分器2的液体出口与高温压缩机1的入口之间依次串联高温油冷却器5以及高温油循环泵6；第一高温级热泵单元A的蒸发冷凝器10与第二高温级热泵单元B的蒸发冷凝器10同时串联在低温级热泵单元的冷凝组件的回路上；首先气态冷媒进入高温压缩机1内进行压缩，压缩后的气态冷媒变为高压高温的气态冷媒之后进入高温油分器2，进行气液分离，气态冷媒进入高温冷凝器3，液态冷媒进入高温油冷却器5并通过高温油循环泵6重新进入高温压缩机1内进行压缩循环；高温冷凝器3将气态冷媒冷却变为液态冷媒后通过高温节流器4，高温节流器4将低温的液态冷媒送至蒸发冷凝换热器10内与低温级热泵单元进行换热，换热之后的冷媒变为气态（或者气态与液态混合），之后进入高温压缩机1进行压缩循环；在所述的高温压缩机1的进口处设置有高温侧压力探头与高温侧温度探头，在所述的高温油分器2的气体出口处设置有油分压力探头与油分温度探头；所述的高温油循环泵6采用变频泵，由于本系统为复叠系统，而低温蒸发器17可提供不同温度，故蒸发冷凝换热器10中两侧压力变化多，幅度大，高温油循环泵6可在高温级热泵单元处于高蒸发温度工况下，自动加频，保证回油顺利；而当高温级热泵单元处于低蒸发温度工况下，自动降频，防止因为气态冷媒回至高温压缩机1中，从而减少高温压缩机1的有效吸气量。
化霜组件由设置于低温级热泵单元低温蒸发器17底部的盘管20、单向阀21、毛细管件22串联而成，液态冷媒由高温冷凝器3输出并依次经过盘管20、单向阀21、毛细管件22后，毛细管件22起到节流的作用，输出至蒸发冷凝换热器10前端回到第二高温级热泵单元B内继续循环，同时，在所述的盘管20的前端设置一高温电磁阀23，根据低温蒸发器17底部结霜的具体情况开启高温电磁阀23，使得化霜组件进行化霜操作；第二高温级热泵单元B的高温冷凝器3输出的液体冷媒的温度在30~50℃之间，而低温级热泵单元的低温蒸发器17底部的温度较低，通过热交换实现对低温蒸发器17底部的冰冻层解冻，而化霜组件内的液态冷媒温度降低通过毛细管件22降温后回到循环回路中。
热量传输组件包括传输热量的管道，该管道形成循环，在这循环管道上接收第二高温级热泵单元B内的高温冷凝器3的高温侧热量传输至用热空间，该管道内可以为热水或者热风；当为热水时，通过水泵实现循环，此时可提供不低于55℃的热水；当为热风时，通过风机实现循环。
基于上述系统，提供一种冷热联用多级压缩循环系统的控制方法，该控制方法为，
S1、开启低温级热泵单元进行制冷，冷媒CO2循环在低温蒸发器17处进行制冷，并通过环境温度探头检测工艺间的温度并实时传输至该系统的控制端。
S2、控制端接收到环境温度信号并与内置的温度阈值进行对比，判断制冷温度是否达到所需温度，若是则低温压缩机8的频率保持不变，继续制冷；若否则提高低温压缩机8的频率，进一步降低温度，同时采集环境温度信号继续循环步骤S2，直至低温压缩机8满频运行后进入步骤S3。
S3、开启第一高温级热泵单元A，使得第一高温级热泵单元A与低温级热泵单元形成冷热联用多级压缩循环系统，继续对工艺间降温，同时通过环境温度塔头检测工艺间的温度传输至控制端。
S4、判断制冷温度是否达到所需温度，若是则高温压缩机1与低温压缩机8的频率保持不变；若否则提高高温压缩机1的频率，继续循环步骤S4，直至达到所需温度。
上述步骤为整体降温的操作步骤，均通过对环境温度的采集进行自动调整控制；而当有化霜或者加热需求时，开启第二高温级热泵单元B并开启化霜组件向低温蒸发器17传输液态冷媒，热量传输组件向用热空间传输热量；化霜中通过低温级热泵单元的温度与第二高温级热泵单元B的温度之间的差值实现化霜；由于第二高温热泵单元B的液态冷媒与低温级热泵单元的低温蒸发器17之间进行了热量交换，在化霜的同时使得第二高温热泵单元B的液态冷媒温度降低，再次回到循环回路后，过冷度增加，第二高温级热泵单元B制冷效率明显提高；在化霜及加热过程中可以根据第二高温级热泵单元B的制冷效率，相应地可以降低第一高温级热泵单元A的制冷效率；第一高温级热泵单元A与第二高温级热泵单元B内的压缩机均为变频压缩机，共同分配蒸发冷凝器10的热负荷，在满足机组制冷量前提下，尽量提高第二高温热泵单元B的负荷比例，以提高对末端有效热量供给；负荷分配通过低温蒸发温度及吸气过热度自动分配。
综上，通过在低温级热泵单元上复叠至少两个高温级热泵单元，实现对制冷效率的提高；同时，通过设置化霜组件使得低温蒸发器的霜层在工作中进行化霜操作，提高效率，保证机组的能效；采用热量传输组件进行热量传输并使用，提高能源的利用率。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种冷热联用多级压缩循环系统，包括低温级热泵单元与高温级热泵单元，其特征在于，所述的高温级热泵单元至少两个且串联在低温级热泵单元上，所述的低温级热泵单元采用CO2作为冷媒，至少一个所述的高温级热泵单元采用R134a作为冷媒，在采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元的高温冷凝器（3）与低温级热泵单元的低温蒸发器（17）之间设置一化霜组件，所述的化霜组件将采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元的高温冷凝器（3）产生的液态冷媒输送至低温级热泵单元的低温蒸发器（17）底部进行化霜操作；在采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元高温冷凝器（3）的高温侧与用热空间之间设置热量传输组件，热量传输组件将高温冷凝器（3）产生的热量传输至用热空间进行加热操作；所述的低温级热泵单元由冷凝组件与蒸发组件组成，所述的冷凝组件由低温压缩机（8）、低温油分器（9）、高温级热泵单元的蒸发冷凝换热器（10）、储液罐（11）以及回气换热器（12）串联而成，在所述的低温油分器（9）的液体出口与低温压缩机（8）之间依次串联低温油冷却器（13）以及低温油循环泵（14）；所述的蒸发组件由液态循环泵（15）、低温节流器（16）、低温蒸发器（17）、循环桶（18）以及回气换热器（12）串联而成；在冷凝组件中冷媒依次经过低温压缩机（8）、低温油分器（9）、高温级热泵单元的蒸发冷凝换热器（10）、储液罐（11）以及回气换热器（12）后进入循环桶（18）内；在蒸发组件中冷媒从循环桶（18）依次经过液态循环泵（15）、低温节流器（16）、低温蒸发器（17）后回到循环桶（18），变为气态的冷媒进入回气换热器（12）内进入冷凝组件进行循环；所述的高温级热泵单元由高温压缩机（1）、高温油分器（2）、高温冷凝器（3）、高温节流器（4）以及蒸发冷凝换热器（10）串联而成，在所述的高温油分器（2）的液体出口与高温压缩机（1）的入口之间依次串联高温油冷却器（5）以及高温油循环泵（6）；所述的化霜组件由设置于低温级热泵单元低温蒸发器（17）底部的盘管（20）、单向阀（21）、毛细管件（22）串联而成，液态冷媒由高温冷凝器（3）输出并经过化霜组件后，输出至蒸发冷凝换热器（10）前端回到采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元内继续循环。
2.根据权利要求1所述的冷热联用多级压缩循环系统，其特征在于，在所述的低温压缩机（8）的进口处设置有低温侧压力探头与低温侧温度探头，在所述的低温蒸发器（17）的后端设置一控制电磁阀（19）。
3.根据权利要求1所述的冷热联用多级压缩循环系统，其特征在于，在所述的高温压缩机（1）的进口处设置有高温侧压力探头与高温侧温度探头，在所述的高温油分器（2）的气体出口处设置有油分压力探头与油分温度探头。
4.根据权利要求1所述的冷热联用多级压缩循环系统，其特征在于，在所述的盘管（20）的前端设置一高温电磁阀（23）。
5.根据权利要求1所述的冷热联用多级压缩循环系统，其特征在于，至少一个所述的高温级热泵单元采用R717作为冷媒。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的冷热联用多级压缩循环系统的控制方法，其特征在于，该控制方法为，
S1、开启低温级热泵单元进行制冷；
S2、判断制冷温度是否达到所需温度，若是则低温压缩机（8）的频率保持不变；若否则提高低温压缩机（8）的频率，继续循环步骤S2，直至低温压缩机（8）满频运行后进入步骤S3；
S3、开启不采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元继续降温；
S4、判断制冷温度是否达到所需温度，若是则高温压缩机（1）的频率保持不变；若否则提高高温压缩机（1）的频率，继续循环步骤S4，直至达到所需温度。
7.根据权利要求6所述的冷热联用多级压缩循环系统的控制方法，其特征在于，当有化霜需求时，开启采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元并开启化霜组件向低温蒸发器（17）传输液体冷媒；同时根据采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元制冷效率，降低不采用R134a作为冷媒的高温级热泵单元的制冷效率。
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