冷却系统、控制方法以及空调机组与流程

1.本发明涉及冷却系统技术领域，尤其涉及冷凝器和冷媒泵联合供液的冷却系统、控制方法以及空调机组。


背景技术：

2.对于空调机组来说，电机等发热部件在使用中随运行时间的累计，运行负荷的增加会产生大量热量，因此需要有效的冷却方案来保证电机运行的可靠性。目前常规的冷却方案是从冷凝器取高压液态冷媒，经电子膨胀阀降温降压后，利用冷凝器内冷媒的冷凝压力与蒸发器内冷媒的压力差，将液态冷媒送至发热部件处，吸收热量蒸发后的冷媒进入蒸发器，从而达到冷却发热部件的目的。但由于机组运行工况的不同，冷凝器和蒸发器之间的压差变化较大，很容易由于压差的减少，导致工况切换前后的冷却供液量变化较大，继而导致发热部件的冷却量供应过剩或不足，影响发热部件和机组的正常运行。
3.现有技术中已经出现针对工况切换前后适应性差的方案，其通过将冷却支路分别连接到闪发器和蒸发器，依靠切换流路通断状态和调整节流阀的开度来加大或减少冷却支路的冷却供液量，避免冷却过剩或冷却不足。然而，节流阀对冷媒流量的调节能力非常有限，无法有效保证冷媒供液量，在机组运行过程中，仍然会出现由于压差的减少引发冷媒供液量不足的情况。
4.因此，如何设计有效提高冷却能力的冷却系统、控制方法以及空调机组是业界亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有空调机组压差调节范围有限、冷却输出能力不足的缺陷，本发明提出冷却系统、控制方法以及空调机组，通过在蒸发流路增设冷媒泵，当蒸发流路被接通后，冷媒经过冷媒泵的增压，使得冷却支路前后端压差增大，以此提升冷却能力，避免冷却不足。
6.本发明采用的技术方案是，设计冷却系统，包括：主回路和用于冷却发热部件的冷却支路，主回路具有依次相连的压缩机、冷凝器、闪发器以及蒸发器，冷却支路的一端通过冷却节流阀连接到冷凝器，冷却支路的另一端设置有可切换通断状态的闪发流路和蒸发流路，闪发流路连接到闪发器，蒸发流路连接到蒸发器，蒸发流路安装有冷媒泵。
7.进一步的，冷却系统还包括：用于检测冷却系统的冷媒供液量的第一检测模块，冷媒泵和第一检测模块均连接于冷却系统的控制器；当蒸发流路被接通时，控制器开启冷媒泵并且根据冷媒供液量控制冷媒泵的工作状态。
8.在一些实施例中，第一检测模块采用液位传感器或者流量计，液位传感器安装在冷凝器或者蒸发器中，流量计安装在冷却支路或者主回路上。
9.进一步的，主回路设有一级节流阀和二级节流阀，一级节流阀串联在冷凝器和闪发器之间，二级节流阀串联在闪发器和蒸发器之间。
10.进一步的，冷却系统还包括：用于检测主回路和冷却支路的温度参数的第二检测模块，一级节流阀、二级节流阀以及第二检测模块均连接于冷却系统的控制器，控制器根据温度参数同步调节一级节流阀和二级节流阀的开度。
11.进一步的，温度参数包括：发热部件的实际温度、流经发热部件前后的冷媒温度、蒸发器的蒸发温度以及从蒸发器流出的冷冻水出水温度。
12.本发明还提出了上述冷却系统的控制方法，包括以下步骤：
13.检测发热部件的实际温度；
14.根据实际温度的大小切换闪发流路和蒸发流路的通断状态；
15.在蒸发流路被接通后，根据冷却系统的冷媒供液量控制冷媒泵的工作状态。
16.进一步的，根据冷媒供液量控制冷媒泵的工作状态包括：
17.当冷媒供液量达到设定供液量以上时，维持冷媒泵的当前开度；
18.当冷媒供液量低于设定供液量时，加大冷媒泵的开度。
19.在一些实施例中，冷媒供液量为冷凝器的实际液位，设定供液量为冷凝器的设定液位；冷媒泵加大后的开度通过设定函数模型计算得到，设定函数模型为：开度＝(实际液位
×
0.3
×
额定流量)/100。
20.进一步的，根据实际温度的大小切换闪发流路和蒸发流路的通断状态包括：
21.当实际温度低于设定下限阈值时，接通闪发流路、关闭蒸发流路；
22.当实际温度高于设定上限阈值时，关闭闪发流路、接通蒸发流路。
23.进一步的，控制方法还包括：当实际温度处于目标温度区间之内时，一级节流阀的开度和二级节流阀的开度保持不变；
24.当实际温度处于目标温度区间之外时，检测主回路和冷却支路的温度参数，根据温度参数同步调节一级节流阀的开度和二级节流阀的开度。
25.在一些实施例中，根据温度参数同步调节一级节流阀的开度和二级节流阀的开度包括：
26.d＝d1+d2，dc＝u
×
d；
27.当
│△
tshdt
│
≤设定偏差时，d1＝0；
28.当
│△
tshdt
│
＞设定偏差时，d1＝a_exv1
×
kp_exv1
×△
tshdt+a_exv1
×
ki_exv1
×
(
△
tshdt
‑△
tshdt’)，
△
tshdt＝tshd－tshdt；
29.当tdwc≥a_exv1
×
dwc_exv1时，d2＝a_exv1
×
kp1_exv1
×△
tdwct，
△
tdwct＝tdwc－a_exv1
×
dwc_exv1；
30.当tdwc＜a_exv1
×
dwc_exv1时，d2＝0；
31.其中，d为一级节流阀的开度调节量，dc为二级节流阀的开度调节量，u为比例系数，tshd为实际发热部件温度过热度，tshdt为目标发热部件温度过热度，
△
tshdt为当前周期的发热部件过热度偏差，
△
tshdt’为前一个周期的发热部件过热度偏差，a_exv1为修正系数，kp_exv1与kp1_exv1均为比例系数，ki_exv1为积分系数，tdwc为实际蒸发器端温差，dwc_exv1为目标蒸发器端温差，
△
tdwct为蒸发器端温差偏差。
32.本发明还提出了空调机组，该空调机组采用上述的冷却系统。
33.在一些实施例中，空调机组为离心式冷水机组。
34.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
35.1、通过在蒸发流路增设冷媒泵，当蒸发流路被接通后，冷媒经过冷媒泵的增压，使得冷却支路前后端压差增大，以此保证冷媒供液量，有效提升冷却能力，避免冷却不足；
36.2、控制器根据温度参数同步调节一级节流阀和二级节流阀的开度，以实现冷却系统的冷却能力与发热部件的发热量合理匹配，避免冷却系统的冷量损耗，提高空调机组的运行可靠性。
附图说明
37.下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
38.图1是本发明冷却系统的连接示意图。
具体实施方式
39.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利，并不用于限定本专利。
40.如图1所示，本发明提出的冷却系统适用于空调机组，空调机组包括但不限于离心式冷水机组。冷却系统主要包含主回路和冷却支路，主回路具有依次相连的压缩机5、冷凝器1、闪发器8以及蒸发器13，冷却支路的作用是冷却发热部件6，冷却支路的一端通过冷却节流阀3连接到冷凝器1，冷却支路的另一端连接到冷却系统的低压侧。更详细的说，冷凝器1流出的部分冷媒被送到冷却支路中，冷却支路的另一端并联设置有闪发流路和蒸发流路，闪发流路连接到闪发器8，闪发器8的出气口通过中间补气管路2连接到压缩机5的补气口，闪发器8的出液口连接蒸发器13，蒸发流路连接到蒸发器13，闪发流路安装有闪发控制阀7，蒸发流路安装有蒸发控制阀9，通过闪发控制阀7和蒸发控制阀9实现其所在流路的通断状态能够灵活切换，冷却支路流出的冷媒可以通过闪发流路送到闪发器8，或者通过蒸发流路送到蒸发器13。
41.发热部件包括但不限于电机，以电机为例，冷却系统的设计原理如下：根据流体力学原理及相关研究经验，流过某一节流阀的流体质量流量按下式计算：其中，cd为流量系数，a为节流阀流通面积，它们都只跟节流阀的几何结构有关；δp为节流阀前后压差；ρ1为节流阀前流体密度。
42.根据上述流量公式，忽略冷媒在电机内部或和蒸发器内部的流动损失，在节流阀选型确定(几何结构确定)的情况下，cd和a是确定值，δp为冷凝压力pc与蒸发压力pe(冷却支路接到蒸发器)或冷凝压力pc与闪发压力ps(冷却支路接到闪发器)之差，ρ1为冷却支路前端即冷凝器出口的冷媒液体密度；对相同的设计工况，冷凝器1出口状态是相同的，即ρ1相同。因此，在其他条件相同的情况下，冷却支路接蒸发器13比接闪发器8时压差δp值大，冷却支路的冷媒流量就大。
43.在某些冷凝、蒸发压差大很多的工况，制冷循环效率较差，为了保证机组较大的输出能力，电机功率要大很多，这使得电机发热量都比常规工况大。为了保证冷却可靠性，冷却系统必须最大发热量来设计节流阀，如果冷却管路单一地连接到蒸发器13或闪发器8，节流阀的调节范围只限定于大负荷工况下的运行范围，而制冷工况的小负荷运行范围偏离大
负荷工况较远，此时电机发热量小很多，此时冷却系统的冷却能力过剩，造成系统的冷量损耗；如果按来设计节流阀，则无法满足大负荷工况下所需的冷却能力，电机会过热，影响使用寿命。
44.基于以上分析，在冷却支路的出口设计闪发流路和蒸发流路，根据发热部件的发热量切换闪发流路和蒸发流路的通断状态，以调整冷媒供液量适应发热部件的发热情况。本发明在闪发流路和蒸发流路的基础上，在蒸发流路安装有冷媒泵，当出现发热部件温度较高时，蒸发流路被接通，冷媒泵10开启工作，冷媒从冷凝器1流出后经过冷媒泵10的增压，使得冷却支路的进出口压差增大，以此保证冷媒供液量，有效提升冷却能力，避免冷却不足。
45.如图1所示，在一些实施例中，冷却系统还包括：液位传感器11，液位传感器11用于检测冷凝器1的实际液位，通过该实际液位准确反映冷却系统的冷媒供液量大小。为了实现冷媒泵的自动化控制，冷媒泵10和液位传感器11均连接于冷却系统的控制器，当蒸发流路被接通时，控制器开启冷媒泵10并根据实际液位控制冷媒泵10的工作状态，即在实际液位偏低时，加大冷媒泵10的开度，提升冷媒供液量。
46.应当理解的是，冷却系统的冷媒供应量是通过第一检测模块进行检测，上述液位传感器仅是第一检测模块的可行实施方案，第一检测模块还可以采用流量计，通过流量计检测冷却支路的冷媒流量反映冷却系统的冷媒供液量大小。由于冷媒会在主回路和冷却支路内循环流动，实际应用中，液位传感器也可以检测蒸发器的液位来反映冷却系统的冷媒供液量大小，流量计检测主回路的冷媒流量同样也能反映冷却系统的冷媒供液量大小，本发明对第一检测模块的具体传感器类型及安装位置不作特殊限制，能够实现反映冷却系统的冷媒供应量大小即可。
47.在一些实施例中，主回路设有一级节流阀4和二级节流阀12，一级节流阀4串联在冷凝器1和闪发器8之间，二级节流阀12串联在闪发器8和蒸发器13之间，通过一级节流阀4和二级节流阀12调节冷却流量。为实现一级节流阀4和二级节流阀12的自动化控制，一级节流阀4和二级节流阀12均连接于冷却系统的控制器，冷却系统还设有第二检测模块，第二检测模块用于检测主回路和冷却支路的温度参数，控制器根据温度参数同步调节一级节流阀4和二级节流阀12的开度。
48.更准确的说，第二检测模块包含多个温度传感器，分别用来检测发热部件的实际温度、流经发热部件前后的冷媒温度、蒸发器的蒸发温度以及从蒸发器流出的冷冻水出水温度，第二检测模块采集冷却支路流经发热部件之前的冷媒温度和流经发热部件之后的冷媒温度，控制器取流经发热部件6前后的冷媒温度之间的温差得到实际发热部件温度过热度，利用该实际发热部件温度过热度计算一级节流阀4的一部分调节量。第二检测模块还采集蒸发器13的蒸发温度和从蒸发器13流出的冷冻水出水温度，控制器取冷冻水出水温度和蒸发温度之间的温差得到实际蒸发器端温差，利用该实际蒸发器端温差计算一级节流阀4的另一部分调节量，将两部分调节量叠加得到一级节流阀4的开度调节量，二级节流阀12的开度跟随一级节流阀4同步调节，通过调节一级节流阀4和二级节流阀12的开度，实现冷却系统的输出能力能够合理匹配发热部件6的发热量和末端设备的负荷需求，提高机组运行稳定性，避免冷量不足或浪费。
49.具体来说，控制器执行的控制方法如下：
50.检测发热部件6的实际温度；
51.根据实际温度的大小切换闪发流路和蒸发流路的通断状态，当实际温度低于设定下限阈值时，接通闪发流路、关闭蒸发流路，当实际温度高于设定上限阈值时，关闭闪发流路、接通蒸发流路；
52.在蒸发流路被接通后，根据冷却系统的冷媒供液量控制冷媒泵10的工作状态。
53.具体来说，冷媒泵10的工作状态调节过程是：冷媒泵10启动时工作在设定初始开度，当当冷媒供液量达到设定供液量以上时，说明冷却系统的冷媒供液量充足，控制器维持冷媒泵10的当前开度，当冷媒供液量低于设定供液量时，说明冷却系统的冷媒供液量不足，控制器加大冷媒泵10的开度，以增大冷却支路的进出口压差，提升冷媒供液量。
54.为实现冷媒泵开度的精确控制，在一些实施例中，冷媒供液量为冷凝器的实际液位，设定供液量为冷凝器的设定液位，发明人经过大量实验统计分析得到适合离心式冷水机组的设定函数模型，冷媒泵加大后的开度通过设定函数模型计算得到，设定函数模型为：开度＝(实际液位
×
0.3
×
额定流量)/100，该额定流量为冷媒泵的额定流量。
55.在一些实施例中，控制方法还包括：
56.当实际温度处于目标温度区间之内时，说明发热部件的温度处于合适范围内，冷却系统的冷量供应适当，一级节流阀的开度和二级节流阀的开度保持不变；
57.当实际温度处于目标温度区间之外时，说明发热部件的温度过高或者过低，冷却系统的冷量供应不足或者冷量供应过剩，检测主回路和冷却支路的温度参数，根据温度参数同步调节一级节流阀的开度和二级节流阀的开度。
58.需要指出的是，设定上限阈值和设定下限阈值是根据发热部件的耐热性能设计，以电机为例，设定上限阈值可设计为58℃，设定下限阈值可设计为32℃。目标温度区间是目标温度
±
余量，余量可设计为4℃等，目标温度区间处于设定上限阈值和设定下限阈值之间。设定液位是以机组在最佳运行状态下的液位为设计标准，按照实际使用需要取1/2或者其他比例的最佳液位作为设定液位。
59.在一些实施例中，一级节流阀的开度和二级节流阀的开度的调节方式如下：
60.d＝d1+d2，dc＝u
×
d；
61.当
│△
tshdt
│
≤设定偏差时，说明发热部件的温度得到有效控制，d1＝0；
62.当
│△
tshdt
│
＞设定偏差时，说明冷却支路的冷量供应偏差较大，需要调整节流阀以适应发热部件6的发热量，d1＝a_exv1
×
kp_exv1
×△
tshdt+a_exv1
×
ki_exv1
×
63.(
△
tshdt
‑△
tshdt’)，
△
tshdt＝tshd－tshdt；
64.当tdwc≥a_exv1
×
dwc_exv1时，说明蒸发器的冷量供应偏差较大，需要调整节流阀以适应末端设备的负荷需求，d2＝a_exv1
×
kp1_exv1
×△
tdwct，
△
tdwct＝tdwc－a_exv1
×
dwc_exv1；
65.当tdwc＜a_exv1
×
dwc_exv1时，说明蒸发器的冷量供应合适，d2＝0；
66.其中，d为一级节流阀的开度调节量，dc为二级节流阀的开度调节量，u为比例系数，tshd为实际发热部件温度过热度，tshdt为目标发热部件温度过热度，目标发热部件湿度过热度的计算公式可以通过实验数据拟合得到，或者将目标发热部件温度过热度设计为固定值以简化控制逻辑，
△
tshdt为当前周期的发热部件过热度偏差，
△
tshdt’为前一个周期的发热部件过热度偏差，a_exv1为修正系数，kp_exv1与kp1_exv1均为比例系数，ki_exv1
为积分系数，tdwc为实际蒸发器端温差，dwc_exv1为目标蒸发器端温差，
△
tdwct为蒸发器端温差偏差。在一些实施例中，设定偏差为0.1℃，实际应用中可以根据具体需要设计设定偏差以及a_exv1等系数的具体数值。
67.应当理解的是，一级节流阀和二级节流阀的开大、保持或者关小由d1+d2的正负决定，d1+d2》0时，一级节流阀开大，二级节流阀随之开大，d1+d2《0时，一级节流阀关小，二级节流阀随之关小，d1+d2＝0时，一级节流阀和二级节流阀保持当前开度。在一级节流阀4和二级节流阀12调节过程中，当节流阀已经处于最小开度、而d1+d2《0时，维持节流阀最小开度运行，当节流阀已经处于最大开度、而d1+d2》0时，维持节流阀最大开度运行。
68.需要注意的是，上述所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。上文中出现的“节流阀”可以采用电子膨胀阀，“控制阀”可以采用电磁阀。
69.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
70.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。