一种双变容热泵冷热联供系统的制作方法

本实用新型涉及交替或同时运转的加热和制冷组合系统，尤其涉及一种用于食品加工的热泵式冷热联供系统和该系统的控制方法。

背景技术：

在食品加工行业，食品加工工艺流程对温度和湿度有着严格的要求。而传统的工艺辅助调温装置却相对落后。对于需要干燥的产品，通过蒸汽加热或是化石燃料的燃烧供给相应的热量(例如：菌菇类烘干等)；对于需要制冷的生产工艺则单纯的采用制冷装置来满足生产需求(例如：深海鱼类的加工)。以图1所示的巧克力加工工艺为例，各个工艺环节对温度有着严格的要求。中国发明专利申请“一种巧克力连续调温机”(发明专利申请号：201310480384.7，公开号：CN103583764A)公开了一种巧克力连续调温机，包括：箱体、调温中心、冷热水循环管路系统、电机、送浆泵和保温缸；所述电机在箱体的内顶部；所述调温中心为热交换器,位于电机的正下方，由三层带夹套的夹层热交换筒叠加而成，各筒层的两侧分别设有水嘴,与冷热水循环管路系统相连接，热交换器的内部装有立式刮板搅拌器，热交换器的上部和底部分别开有一进料口和出料口；所述保温缸位于箱体的外部；所述送浆泵位于保温缸的上部，送浆泵通过输浆管一端与保温缸相连，另一端与热交换器上部的进料口相连。中国发明专利“巧克力结晶流水线的控制方法及装置”(发明专利号：200910053066.6，授权公告号：CN 101923338B)公开了一种巧克力结晶流水线的控制方法及装置，该控制方法包括：对冷却管路10个温度控制点的PID调节控制；控制保温回路走向的2个三通阀门的连锁切换控制；对转子泵和结晶器电机进行变频调速控制；实时监测冷却管路10个温度控制点，及4个压力点工况数据以及转子泵及结晶器电机电流。该发明专利针对巧克力结晶工艺的多点精细温控具有反应灵敏、状态跟踪性好的特点，在不影响流水线匀速节拍的前提下，将10个温度调控点的温度调节到最佳工艺要求状态。但是，传统的温度控制一般通过电加热、蒸汽加热或是燃烧锅炉供给热量，而对不同温度要求得工艺往往是通过不同的供热方式来实现，这就增加了企业的运营成本且降低了工作效率，同时不能实现智能控制，需要大量人力投入。

另一方面，近年来，随着环保议题的日益突出，需要对原有的耗能生产工艺流程进行改造，以达到既节约能源又能减少或是杜绝污染物的排放的目的。因此，需要研发能够满足食品加工工艺要求的加热和制冷的联合系统。中国发明专利“饭店后厨热泵系统多模式运行控制方法及其控制装置”(发明专利号：201410478406.0，授权公告号：CN104197584B)公开了一种饭店后厨热泵系统多模式运行控制方法及其控制装置，涉及加热和制冷的联合系统的控制，尤其涉及一种适用于饭店后厨的热水供应、降温除湿和冷藏保鲜的热泵综合系统的控制方法及设备，控制装置通过检测和比较运行模式参数的实测值和设定值，控制多模式制冷剂循环回路切换机构改变制冷剂的循环路径，控制饭店后厨热泵系统按照预设的运行模式运行，实现自动多模式运行。

技术实现要素：

本实用新型的目的是要提供一种双变容热泵冷热联供系统，用于解决食品加工工艺采用热泵加热和制冷的联合系统取代传统蒸汽加热或燃烧化石燃料加热方式的技术问题。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种双变容热泵冷热联供系统，包括热泵机组，送风子系统和冷热水子系统，以及用于实现冷热联供系统微处理器控制的控制装置；其特征在于：

所述的送风子系统是多控温区串联变容送风子系统，包括主控温区和至少一个辅助控温区，所述的主控温区和各个辅助控温区按照其送风温度自低至高顺序串联，每个控温区分别设置一个可独立控制运行的变频风机；

置于主控温区的翅片式蒸发器连接到热泵机组的制冷剂管路，来自主控温区变频风机的新风经翅片式蒸发器吸热降温，为主控温区提供基础风温；

置于后一控温区的变频风机依次把前一控温区的气流送入本控温区，与补充新风混合形成送风温度符合本控温区要求的送风气流；

所述的控制装置通过控制主控温区变频风机和各辅助控温区变频风机的运转频率，调节各控温区的风量，控制送风子系统各控温区的送风温度，实现多控温区串联变容送风。

本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的一种较佳的技术方案，其特征在于所述热泵机组的制冷剂循环管路从压缩机的排气口开始，依次通过螺旋管式换热器、储液器和过滤器之后，再经由并联连接的翅片式蒸发器支路和冷水制取支路到达气液分离器，最后经气液分离器回到压缩机的吸气口；所述的翅片式蒸发器支路包括串联连接的第二电子膨胀阀和翅片式蒸发器；所述的冷水制取支路包括串联连接的电子流量阀、第一电子膨胀阀和套管式换热器。

本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的一种更好的技术方案，其特征在于所述的冷热水子系统包括连接到螺旋管式换热器循环水路的热水循环泵，连接到套管式换热器循环水路的冷水循环泵，置于螺旋管式换热器出水口的热水温度传感器，以及置于套管式换热器出水口的冷水温度传感器。

本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的一种改进的技术方案，其特征在于所述的冷热水子系统还包括通过热水调节阀连接到螺旋管式换热器出水口的热水支管，以及通过冷水调节阀连接到套管式换热器出水口的冷水支管；所述的冷热水子系统通过控制热水调节阀和冷水调节阀的开度，提供满足水温要求的调温工艺用水。

本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的一种进一步改进的技术方案，其特征在于所述的热泵机组还包括喷液电磁阀和喷液毛细管串联组成的喷液支路，所述的喷液支路连接在螺旋管式换热器的制冷剂出口和气液分离器的入口之间，通过喷液电磁阀控制喷液降低压缩机的排气温度。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的双变容热泵冷热联供系统，通过设置依送风温度自低至高顺序串联的控温区，控制变频风机的运行频率调节各控温区的风量，实现多控温区串联变容送风；通过翅片式蒸发器支路和冷水制取支路制冷剂并联循环，结合流量阀和电子膨胀阀的互动调节，实现冷剂的变容量调节和生产工艺流程中温度自动控制，使冷热联供系统在不同冷热负荷下低耗稳定运行，达到高效节能运行的目的。

2、本实用新型的双变容热泵冷热联供系统，根据产品加工工艺需求配置冷热水温度和送风温度控制参数，根据预设控制参数选择机组运行模式，满足食品加工各个工艺环节对加工温度和环境温度的严格控制要求。

附图说明

图1是巧克力加工工艺流程图；

图2是本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的系统原理图；

图3是双变容热泵冷热联供系统的送风子系统示意图；

图4是双变容热泵冷热联供系统的冷热水子系统示意图；

图5是双变容热泵冷热联供系统的控制装置原理图；

图6是双变容热泵冷热联供系统的控制方法流程图。

以上图中各部件的附图标记：1为压缩机，2为四通阀，3为螺旋管式换热器，31为热水循环泵，32为热水温度传感器，33为热水调节阀；4为储液器，5为电子流量阀，6为第一电子膨胀阀，61为第一温度传感器，7为第二电子膨胀阀，71为第二温度传感器，8为套管式换热器，81为冷水循环泵，82为冷水温度传感器，83为冷水调节阀；91为第一单向阀，92为第二单向阀，11为翅片式蒸发器，12为过滤器，13为喷液电磁阀，14为喷液毛细管，15为气液分离器，16为检修阀，17为高压开关，18为低压开关，10为主控温区变频风机，20为第二变频风机，30为第三变频风机，100为热泵机组，200为送风子系统，210为主控温区，211为冷却包装设备，220为第二控温区，221为第二调温设备，230为第三控温区，231为第三调温设备，300为冷热水子系统，310为精磨设备，320为浇铸成型设备，500为控制装置，510为运行参数设定模块，520为冷热水温监控模块，530为送风温度监控模块，531为送风温度传感器组，540为变频风机控制器，550为热泵机组控制器，560为循环泵控制器。

具体实施方式

为了能更好地理解本实用新型的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。图2、图3和图4是本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的一个实施例，包括热泵机组100，送风子系统200和冷热水子系统300，以及用于实现冷热联供系统微处理器控制的控制装置500；

如图3所示，所述的送风子系统200是多控温区串联变容送风子系统，包括主控温区210和至少一个辅助控温区，所述的主控温区210和各个辅助控温区按照其送风温度自低至高顺序串联，每个控温区分别设置一个可独立控制运行的变频风机；在图3所示的实例中，所述的辅助控温区为第二控温区220和第三控温区230，对应的变频风机包括主控温区变频风机10，第二变频风机20和第三变频风机30。

置于主控温区210的翅片式蒸发器11连接到热泵机组100的制冷剂管路，来自主控温区变频风机10的新风经翅片式蒸发器11吸热降温，为主控温区210提供基础风温；

置于后一控温区的变频风机依次把前一控温区的气流送入本控温区，与补充新风混合形成送风温度符合本控温区要求的送风气流；

所述的控制装置500通过控制主控温区变频风机10和各辅助控温区变频风机的运转频率，调节各控温区的风量，控制送风子系统200各控温区的送风温度，实现多控温区串联变容送风。

根据图2所示的本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的实施例，所述热泵机组100的制冷剂循环管路从压缩机1的排气口开始，依次通过螺旋管式换热器3、储液器4和过滤器12，再经由并联连接的翅片式蒸发器支路和冷水制取支路到达气液分离器15，最后经气液分离器15回到压缩机1的吸气口；所述的翅片式蒸发器支路包括串联连接的第二电子膨胀阀7和翅片式蒸发器11；所述的冷水制取支路包括串联连接的电子流量阀5、第一电子膨胀阀6和套管式换热器8。

根据图4所示的本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的实施例，所述的冷热水子系统300包括连接到螺旋管式换热器3循环水路的热水循环泵31，连接到套管式换热器8循环水路的冷水循环泵81，置于螺旋管式换热器3出水口的热水温度传感器32，以及置于套管式换热器8出水口的冷水温度传感器82。

根据图4所示的本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的实施例，所述的冷热水子系统300还包括通过热水调节阀33连接到螺旋管式换热器3出水口的热水支管，以及通过冷水调节阀83连接到套管式换热器8出水口的冷水支管；所述的冷热水子系统300通过控制热水调节阀33和冷水调节阀83的开度，提供满足水温要求的调温工艺用水。

在图2所示的本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的实施例中，所述的热泵机组100还包括喷液电磁阀13和喷液毛细管14串联组成的喷液支路，所述的喷液支路连接在螺旋管式换热器3的制冷剂出口和气液分离器15的入口之间，通过喷液电磁阀13控制喷液降低压缩机1的排气温度。

根据本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的一个实施例，所述的控制装置500通过控制电子流量阀5、第一电子膨胀阀6和第二电子膨胀阀7的开关状态及其开度，改变热泵机组的制冷剂循环管路的流量分配，配合热水循环泵31、冷水循环泵81和各变频风机的运行控制，实现冷热联供系统的动态多模式运行；所述的动态多模式运行包括以下运行模式：

热水冷风模式：电子流量阀5关闭，第二电子膨胀阀7打开，制冷剂通过翅片式蒸发器支路建立循环；热水循环泵31启动，冷水循环泵81停止，冷热水子系统300通过螺旋管式换热器3制取热水，并且根据冷热水子系统300的热负荷变化，实时控制热水循环泵31的运行频率；各个控温区的变频风机启动，送风子系统200执行多控温区串联变容送风，并且根据送风子系统200的冷负荷变化，实时控制各变频风机的运行频率；

冷热水模式：电子流量阀5和第一电子膨胀阀6打开，第二电子膨胀阀7关闭，制冷剂通过冷水制取支路建立循环；热水循环泵31和冷水循环泵81启动，冷热水子系统300在通过螺旋管式换热器3制取热水的同时，通过所述的套管式换热器8制取冷水，并且根据冷热水子系统300的冷热负荷变化，实时控制热水循环泵31和冷水循环泵81的运行频率；各个控温区的变频风机停止，送风子系统200停止送风；

冷热水冷风模式：电子流量阀5、第一电子膨胀阀6和第二电子膨胀阀7打开，制冷剂同时通过翅片式蒸发器支路和冷水制取支路建立并联循环；热水循环泵31和冷水循环泵81启动，冷热水子系统300在通过螺旋管式换热器3制取热水的同时，通过所述的套管式换热器8制取冷水，并且根据冷热水子系统300的冷热负荷变化，实时控制热水循环泵31和冷水循环泵81的运行频率；各个控温区的变频风机启动，送风子系统200执行多控温区串联变容送风，并且根据送风子系统200的冷负荷变化，实时控制各变频风机的运行频率；

动态制冷剂变容运行模式：打开电子流量阀5、第一电子膨胀阀6和第二电子膨胀阀7，启动热水循环泵31和冷水循环泵81，制冷剂通过翅片式蒸发器支路和冷水制取支路建立并联循环；若冷负荷增加需要降低制冷剂循环温度，则打开喷液电磁阀13，通过喷液支路执行喷液降温；根据送风子系统200或冷水制取支路的冷负荷变化，调节电子流量阀5的开度，使套管式换热器8和翅片式蒸发器11出口的制冷剂温度变化，制冷剂温度的变化引发第一电子膨胀阀6和第二电子膨胀阀7执行开度自动调节，实现随冷负荷动态变化的制冷剂变容量运行模式。

本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的控制装置500的一个实施例如图5所示，包括用于配置冷热水温度和送风温度控制参数的运行参数设定模块510，用于检测和监控冷热水子系统温度的冷热水温监控模块520，用于检测和监控送风温度的送风温度监控模块530，用于驱动风阀的变频风机控制器540，用于控制压缩机和控制电磁阀的热泵机组控制器550，以及用于控制热水循环泵31和冷水循环泵81的循环泵控制器560；所述冷热水温监控模块520的输入端，连接到运行参数设定模块510、冷水温度传感器82和热水温度传感器32；所述冷热水温监控模块520的输出端连接到热泵机组控制器550和循环泵控制器560；热泵机组控制器550的输出端连接到压缩机和制冷剂管路中的控制电磁阀；循环泵控制器560的输出端连接到热水循环泵31和冷水循环泵81；所述送风温度监控模块530的输入端，连接到运行参数设定模块510和送风温度传感器531；所述送风温度监控模块530的输出端连接到变频风机控制器540和热泵机组控制器550，变频风机控制器540的输出端连接到各个控温区的变频风机。所述的控制电磁阀包括连接在制冷剂管路中的电子流量阀5、第一电子膨胀阀6、第二电子膨胀阀7和喷液电磁阀13。

根据本实用新型的双变容热泵冷热联供系统的一个实施例，所述的控制装置500采用具有多路A/D转换接口和多路PWM输出接口的单片微处理器实现程序控制，所述的运行参数设定模块510、冷热水温监控模块520和送风温度监控模块530是微处理器提供的软件功能模块；所述的冷水温度传感器82、热水温度传感器32和送风温度传感器531，通过微处理器的A/D转换接口连接到单片微处理器；所述的控制装置500利用微处理器的PWM输出，为变频风机控制器540和循环泵控制器560提供变频控制输出信号；所述的控制装置500利用微处理器的PIO端口编程输出电磁阀和压缩机的开关输出信号，通过热泵机组控制器550对系统中的压缩机和电磁阀执行开关控制。

图6是本实用新型的双变容热泵冷热联供系统控制方法的一个实施例，包括以下步骤：

S100：配置冷热水温度和送风温度控制参数；

S200：检测监控冷热水温度和各控温区的送风温度；

S300：根据冷热水温度和送风温度控制参数选择机组运行模式；

S400：根据选择的机组运行模式控制热泵机组、热水循环泵、冷水循环泵和各变频风机的状态，执行动态多模式运行。

实施例：

本实用新型的冷热双联供变容量系统的一个实施例是针对图1所示的巧克力加工工艺的特殊性专门设计的。在本实施例中，主控温区210为包装车间，第二控温区220和第三控温区230分别为第二调温工艺室和第三调温工艺室；产线生产原料经过混合融化、精磨、精炼、过筛、保温、调温、浇模成型和冷却硬化最后包装成产品。

针对精磨、调温、浇模成型和包装工艺的冷热量需求，所述的冷热水子系统300向生产工艺线的精磨设备310提供45℃温水，并根据精磨工艺的热负荷变化，动态调整热水循环泵31的运行频率，通过改变循环水流量满足精磨工艺的恒温需求；所述的冷热水子系统300向浇铸成型设备320提供6℃冷冻水，并根据浇铸成型工艺冷负荷变化，动态调整冷水循环泵81的运行频率，通过改变循环水流量满足浇模成型工艺的恒温需求。送风子系统200为包装车间提供基础风温为12℃的冷风，并根据包装车间的冷负荷变化，调整主控温区变频风机10的运行频率，通过改变主控温区变频风机10的送风量满足包装工艺的恒温需求；当系统检测到包装车间、第二调温工艺室和第三调温工艺室的负荷变化后，所述的送风子系统200通过调整第二变频风机20和第三变频风机30的运行频率，为第二调温工艺室和第三调温工艺室提供满足调温工艺的环境温度，实现三个控温区的串联变容送风。例如：当第二调温工艺室或第三调温工艺室的冷负荷变小时，可以通过对应降低第二变频风机20或第三变频风机30的运行频率，减小变频风机的循环风量，实现节能的功效。

系统依据浇模成型工艺和包装车间的冷负荷需求变化，执行动态制冷剂变容运行模式，以保证系统在该特定的工艺环节稳定运行，并且达到节能高效的目的。

根据图6所示的本实用新型的双变容热泵冷热联供系统控制方法的实施例，所述的步骤S400包括以下控制操作动作：

S420：关闭电子流量阀5，打开第二电子膨胀阀7，启动热水循环泵31，停止冷水循环泵81，进入热水冷风模式；在本模式中，压缩机1压缩后的高温高压制冷剂气体，在螺旋管式换热器3内进行热交换，将热量传递给管外的冷却水，制取45℃的热水送到精磨设备310用于精磨工艺。同时，当精磨工艺热负荷变小时，可以通过改变热水循环泵31的运行频率从而减少热水循环流量，达到节能目的。从螺旋管换热器3出来的常温高压的制冷剂液体，经过第二电子膨胀7节流降压后，进入翅片式换热器11吸收新风的热量蒸发汽化，最后回到压缩机1的吸气口；经翅片式换热器11吸收热量降温产生的12℃冷风，送到包装车间形成送风子系统200的基础风温。

S440：打开电子流量阀5和第一电子膨胀阀6，关闭第二电子膨胀阀7，启动热水循环泵31和冷水循环泵81，进入冷热水模式；在本模式中，从螺旋管换热器出来的常温高压制冷剂液体经过第一电子膨胀阀6节流降压后，进入套管式换热器8吸收循环水路的热量蒸发汽化，最后回到压缩机1的吸气口；经套管式换热器8吸收热量降温产生的6℃冷冻水，送到浇铸成型设备320用于巧克力产品的浇铸成型。

S460：打开电子流量阀5、第一电子膨胀阀6和第二电子膨胀阀7，启动热水循环泵31和冷水循环泵81，进入冷热水冷风模式；本模式在提供用于精磨工艺的45℃热水和用于巧克力产品浇铸成型的6℃冷冻水的同时，还为包装车间提供12℃的冷风，实现满足巧克力生产要求的冷热联供。

S480：打开电子流量阀5、第一电子膨胀阀6和第二电子膨胀阀7，启动热水循环泵31和冷水循环泵81，制冷剂通过翅片式蒸发器支路和冷水制取支路建立并联循环；若冷负荷增加需要降低制冷剂循环温度，则打开喷液电磁阀13，通过喷液支路执行喷液降温；根据送风子系统200或冷水制取支路的冷负荷变化，调节电子流量阀5的开度，进入动态制冷剂变容运行模式。本模式通过控制电子流量阀5的开度和冷剂循环温度，自动调节在并联连接的翅片式蒸发器支路和冷水制取支路两条支路之间循环的制冷剂容量分配，例如：当冷热水子系统300的冷负荷变小，而送风子系统200的冷负荷增大时，通过减小电子流量阀5的开度，第一电子膨胀阀6根据第一温度传感61给出的制冷剂温度调节节流深度，从而减少冷水制取支路的制冷剂流量，以适应冷热水子系统300的冷负荷变化；同时，第二电子膨胀阀7根据第二温度传感71给出的制冷剂温度调节节流深度，翅片式蒸发器支路的制冷剂流量增大，以适应送风子系统200的冷负荷的变化。反之亦然。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的技术方案，而并非用作为对本实用新型的限定，任何基于本实用新型的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本实用新型的权利要求的保护范围内。