[發明專利]一種混合工質節流制冷機工況濃度控制系統及其方法

有效

• 申請號: 201410167863.8
• 申請日: 2014-04-24
• 公開（公告）號: CN103954062A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 許雄文;李日新;劉金平
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: F25B1/00
• 分類號: F25B1/00;F25B41/04;F25B49/02
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術領域

本發明涉及工程熱物理與能源利用學科領域，尤其涉及一種混合工質節流制冷機工況濃度控制系統及其方法。

背景技術

利用傳統的蒸汽壓縮制冷技術，單級的循環可以達到的最低有效制冷溫度在-40℃左右，如果要實現更低的制冷溫度則需采用多級壓縮或多級復疊循環。現有的技術中，采用兩級壓縮可以達到-60℃左右的制冷溫度，采用兩級復疊循環可以實現-80℃左右的制冷溫度，但是要實現-100℃甚至更低的制冷溫度就要采取三級以上復疊循環。因此，隨著需求溫度的降低，蒸汽壓縮制冷技術的制冷系統變得更復雜，可靠性降低，調節難度變大。20世紀80年代后，多元混合工質節流制冷技術取得重要的進展，該技術使得只要能夠找到合適的混合工質和工質濃度，即可通過單級壓縮節流制冷達到-100℃～-200℃的低溫，因此，該技術可在-100℃溫區以下替代復疊循環，其具有廣闊的應用前景。

但是，由于混合工質節流制冷技術所采用的混合工質的特性，如果不采用相應的技術手段加以控制的話，會存在以下一些缺陷：(1)多元混合工質深冷制冷系統，由于采用強非共沸工質，工質在冷凝器內基本為氣相放熱，冷凝器出口具有一定干度，不會過冷。系統運行的高壓基本不受環境溫度控制，而由工質充注量和系統結構參數決定。在制冷系統啟動過程初期，整個系統基本均處于較高的溫度，大部分的充灌工質還處于氣相狀態，因此會出現排氣壓力過高的現象；(2)當混合工質制冷系統進入正常制冷工況后，由于大部分的沸點較高的工質已經液化，此時便會出現系統壓力急劇下降，制冷量急劇減少的嚴重現象；(3)混合工質在實際循環過程中存在濃度滑移現象。多元混合工質制冷系統由啟動工況降溫到最低溫度的過程中，由于系統溫度的不斷下降，工質不斷液化，工質液化的特點是由高溫到低溫的過程中高沸點的工質比低沸點的工質更先液化下來，而氣液兩相流速又存在速度滑移的特點，即液相工質流動速度要低于氣相工質流動速度，此時會出現工質液相積存。對于多元混合工質制冷系統由于液相積存現象的存在，制冷系統的工質實際循環濃度就會偏離實際的充灌濃度，即工質濃度滑移。由于此缺點，一方面，混合工質實際循環濃度受實際運行工況、系統大小等因素的影響，實際運行的工質循環濃度難以根據一定的混合工質充灌量和充灌濃度預測，也就是說混合工質的最佳充灌量和濃度難以確定，對于使用三元或三元以上混合工質的制冷系統更難確定其最佳充灌量和充灌濃度，不同型號的系統均需要通過大量的試驗充灌才能得出最終的充灌量和濃度，生產成本高。另一方面，即使相同系統，在不同的溫區工況下，制冷系統需要不同的濃度才能達到該溫區的最佳效率，工質循環濃度偏離該溫區工況最優濃度，就會使得系統效率急劇下降，甚至溫度降不下去。

針對前兩個缺陷，中國發明專利ZL200510042730.9報道了一種具有可切換氣庫的混合工質低溫節流制冷系統，其核心思想是通過電磁閥的通斷以控制與高低壓管路相連的氣庫來調節系統的參與循環工質量來控制高低壓和系統的工況。該方法雖然可以控制高低壓在合理的范圍內，但是由于氣庫的氣體的進出造成實際參與制冷循環的工質濃度發生不可控的變化，會造成制冷系統制冷性能嚴重下降；

中國發明專利ZL201110061458.4報道了一種深冷混合工質節流制冷系統能力、工況調節及控制方法。其核心思想是通過控制高壓氣體進入一個可控通路穩定罐來防止開機工況的壓縮機排氣壓力過高，并通過控制可控通路穩定罐的氣體進出調節低壓，使得低壓在低溫工況下不至于過低；此外該可控通路穩定罐在啟動工況及快速降溫工況時，通過管路旁通以減少制冷系統的制冷劑循環量，在正常制冷工況時可控通路穩定罐的制冷劑參與制冷循環以加大制冷系統的流量，使得功率維持在較高水平，即通過控制該可控通路穩定罐制冷劑的進出可實現制冷系統能力和工況的調節。缺點是切換儲氣罐氣體是否參與循環和調節高低壓的情況下制冷系統的工質循環濃度都會發生一定的變化，這會讓系統在特定的工況下由于工質循環濃度偏離最優循環濃度，導致效率下降，尤其是在快速降溫過程，在這個過程剛開始的時候蒸發溫度較高，在高溫工況下系統的工質循環濃度要求重組分的比例較大才能達到較優的循環濃度。

對于第三個缺點，還沒有報道相關的方法或手段去控制或者利用其向有益的方向發展。