[发明专利]一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统及控制方法

说明书

本发明公开一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统及控制方法，制冰系统中闪蒸罐的底部出口经管路和第一节流阀与制冰盘管的一端连接，制冰盘管的另一端经管路与低压级压缩机的入口连接，低压级压缩机的出口经管路与中温气冷器的入口连接，中温气冷器的出口与闪蒸罐的上部出口经管路一并与高压级压缩机的入口连接；高压级压缩机的出口通过管路依次与高温气冷器、第二节流阀及闪蒸罐的入口连接；闪蒸罐的上部出口与高压级压缩机连接的管路上设有第三节流阀；中央控制器与低压级压缩机、高压级压缩机、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀连接。

技术领域

本发明涉及制冷制冰系统领域，具体是一种基于动态最优运行压力的跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统及控制方法。

背景技术

主流制冷系统包括压缩式制冷和吸收式制冷，前者具备工况响应快、性能系数高等优点，后者适用工况范围宽，耗电少，运行稳定。现今冰雪运动产业规模也在快速发展壮大，其中速度滑冰、冰壶等冰上运动项目存在人工冰场需求。对于制冰需求(0℃以下低温制冷)来说，压缩式制冷是更好的选择。传统制冷系统通常采用人工合成制冷剂(如R22、R134a等卤代烃)来实现较高的制冷效率，但是由于其GWP(全球变暖潜能值)较高，系统环保性能较差。在《蒙特利尔议定书基加利修正案》和《巴黎协定》等全球应对气候变化一系列公约的签署实施背景下，传统制冷剂的生产和应用逐渐受到限制。相比之下，二氧化碳作为一种自然工质，具有低GWP和低价格等优点，而且具备与传统制冷剂相当的制冷能力，因此，可以将二氧化碳用于制冷(冰)系统。二氧化碳制冷技术包括以二氧化碳为载冷剂的制冷循环、二氧化碳亚临界制冷系统和二氧化碳跨临界制冷系统等，二氧化碳的临界温度在30.98℃，跨临界二氧化碳制冷系统压缩机排气出口高温二氧化碳可以在较高环境温度下冷却，而且具备热量回收能力，进而实现冷热能量综合利用的最大化。因此，跨临界二氧化碳制冷系统凭借工况适用性强、能源利用率高等优点受到广泛关注。

大量制冷领域学者的研究表明，跨临界二氧化碳压缩制冷系统双级压缩构型相比单级压缩构型在制冷系数(COP，coefficient of performance，制冷量/耗电量)上可提升20％以上。但是，双级压缩制冷系统包含有较多的运行参数，如低压级排气压力、高压级排气压力和高压级排气温度、补气系数等，而且系统实际运行过程中环境温度和制冷需求等会发生变化，当前系统控制一般依据工程师经验进行盲目粗略的调整，缺乏相应的优化运行策略和控制技术指导进行精细化的操作，无法保证系统运行状态处于最优能效水平。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有制冰系统运行控制技术中的不足，提供一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统及控制方法，通过使制冰系统运行在动态最优运行压力(中间压力、最高压力)，从而提升制冰系统在宽广工作区域内的冷热综合能量利用效率，冷热综合能量利用效率的计算方式为：(制冷量+热回收量)/耗电量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统，包括低压级压缩机、高压级压缩机、中温气冷器、高温气冷器、制冰盘管、闪蒸罐和中央控制器，所述闪蒸罐的底部出口经管路和第一节流阀与制冰盘管的一端连接，制冰盘管的另一端经管路与所述低压级压缩机的入口连接，低压级压缩机的出口经管路与所述中温气冷器的入口连接，中温气冷器的出口与闪蒸罐的上部出口经管路一并与高压级压缩机的入口连接；高压级压缩机的出口通过管路依次与高温气冷器、第二节流阀及闪蒸罐的入口连接；所述闪蒸罐的上部出口与高压级压缩机连接的管路上设有第三节流阀；所述中央控制器与低压级压缩机、高压级压缩机、第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀连接；

本发明还提供了一种跨临界二氧化碳双级压缩制冰系统的控制方法，中央控制器内嵌有中间压力、最高压力计算算法；制冰系统工作过程中通过中央控制器监测制冰系统的运行状态参数和边界条件，通过内嵌的算法计算制冰系统的最优运行压力，并判断制冰系统是否达到最优运行压力，若制冰系统没有达到最优运行压力，通过中央控制器调整第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀的开度及低压级压缩机、高压级压缩机的转速，直到制冰系统达到最优运行压力；制冰系统的工作过程如下：