一种跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及制冰技术，具体涉及一种跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统及其控制方法。

背景技术

随着我国对冷链的客观需求不断提升，制冰行业将随着人们生活方式的改变而逐渐拥有广阔的市场前景。目前制冰系统的两个重要方面是环境角度和能源成本。一些对环境有害的传统制冷剂已被排除在市场之外，二氧化碳(CO

由于传统制冷剂HCFCs、HFCs、CFCs对臭氧层有破坏，都将逐渐面临淘汰以及更替，天然工质CO

CO

发明内容

针对目前制冰行业中传统常用R22、R134a和R404A等制冷剂对环境不友好问题，以及二氧化碳低温制冰循环效率低下的不足，本发明提出了一种跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统及其控制方法。

本发明的一个目的在于提出一种跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统。

本发明的跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统包括：压缩机、油分离器、气体冷却器、液体接收器、干燥器、回热器、喷射器、二氧化碳气液分离器、第一节流阀、第二节流阀、第一至第十电磁阀、第一至第四单向阀、第一组制冰蒸发器以及第二组制冰蒸发器；其中，压缩机的出口通过管道连接至油分离器的入口，油分离器的油出口通过回油管连接至压缩机的回油口，油分离器的气体出口通过管道连接至气体冷却器的入口，在油分离器与气体冷却器之间的管道上设置第十电磁阀；气体冷却器的出口通过管道连接至液体接收器的入口，液体接收器的气相出口通过管道连接至干燥器的入口；干燥器的出口通过管道连接至回热器的低温端入口；回热器的低温端出口通过管道连接至喷射器的主流体入口；液体接收器的液相出口通过管道连接至喷射器的次流体入口；喷射器的出口通过管道连接至二氧化碳气液分离器的入口；二氧化碳气液分离器位于顶端的气相出口通过回热管道连接至回热器的高温端入口，回热器的高温端出口连接至压缩机的入口；二氧化碳气液分离器位于底端的液相出口通过管道分成两路并联的支路管道，第一支路管道连接至第一组制冰蒸发器，在第一支路管道上依次设置第一电磁阀、第一节流阀和第一单向阀；第二支路管道连接至第二组制冰蒸发器，在第二支路管道上依次设置第二电磁阀、第二节流阀和第二单向阀；二氧化碳气液分离器位于顶端的气体出口还连接旁路管道，与二氧化碳气液分离器位于底端的液体出口的管道合路；第一组制冰蒸发器的出口和第二组制冰蒸发器的出口通过管道，与连接液体接收器的液相出口的管道合路，连接至喷射器的次流体入口，在管道上位于第一组制冰蒸发器的出口处设置第五电磁阀，在管道上位于第二组制冰蒸发器的出口处设置第六电磁阀；油分离器的出口还通过管道分别连接至第一组制冰蒸发器和第二组制冰蒸发器的出口，在连接油分离器的出口至第一组和第二组制冰蒸发器的管道上，位于油分离器的出口处设置第九电磁阀，位于第一组制冰蒸发器的出口处设置第七电磁阀，位于第二组制冰蒸发器的出口处设置第八电磁阀；第一组制冰蒸发器和第二组制冰蒸发器的入口还通过管道连接至气体冷却器的入口，在管道上位于第一组制冰蒸发器的入口处依次设置第三电磁阀和第三单向阀，在管道上位于第二组制冰蒸发器的入口处依次设置第四电磁阀和第四单向阀。

第一组制冰蒸发器包括一个或多个并联的制冰蒸发器；第二组制冰蒸发器包括一个或多个并联的制冰蒸发器。

在二氧化碳气液分离器的顶端气体出口设置了旁路管道，从而保证进入压缩机的流量恒定不变。

本发明采用电磁阀，电磁阀连接至逻辑电路，逻辑电路控制电磁阀的开闭，电磁阀来配合逻辑电路控制制冷剂CO

液体接收器用来储存在脱冰模式下制冰蒸发器所残留的CO

干燥器用来收集、去除制冷剂管路中的水分，同时过滤管路中的杂质，保障制冰稳定运行。

由于本发明所提出跨临界二氧化碳循环属于高压循环，压缩机可采用活塞式压缩机；油分离器可采用离心式油分离器；二氧化碳气体冷却器可依据环境温度采用不同的形式，即环境温度相对较高时采用水冷式气体冷却器，环境温度相对较低时可采用风冷式气体冷却器；喷射器采用可调节喷嘴高压喷射器；气液分离器可采用立式气液分离器；制冰蒸发器根据实际需求的冰种及冰厚进行设计。

本发明的另一个目的在于提出一种跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统的控制方法。

本发明的跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统的控制方法，包括四个模式依次循环：

1)第一组制冰蒸发器制冰同时第二组制冰蒸发器空闲的模式：

打开第十电磁阀并关闭第九电磁阀，打开第一电磁阀、第一节流阀和第一单向阀并关闭第二电磁阀、第二节流阀和第二单向阀，打开第五电磁阀并关闭第六电磁阀，关闭第三电磁阀和第三单向阀以及第四电磁阀和第四单向阀，关闭第七电磁阀和第八电磁阀；

a)制冷剂经压缩机压缩为高温高压的超临界CO

b)从喷射器出射的低温低压CO

c)二氧化碳气液分离器中的低温低压CO

d)二氧化碳气液分离器的低温低压CO

e)第一组制冰蒸发器内的低温低压CO

2)第一组制冰蒸发器脱冰同时第二组制冰蒸发器制冰的模式：

关闭第十电磁阀并打开第九电磁阀，关闭第一电磁阀、第一节流阀和第一单向阀并打开第二电磁阀、第二节流阀和第二单向阀，关闭第五电磁阀并打开第六电磁阀，打开第三电磁阀和第三单向阀并保持第四电磁阀和第四单向阀的关闭状态不变，打开第七电磁阀并保持第八电磁阀的关闭状态不变；

a)制冷剂经压缩机压缩为高温高压的超临界气体，通过管道进入油分离器进行油气分离，制冷剂中混入的润滑油从油出口出来经回油管返回到压缩机的回油口，分离后纯净的CO

b)喷射器出射的低温低压CO

c)二氧化碳气液分离器中的低温低压CO

d)二氧化碳气液分离器的低温低压CO

e)第二组制冰蒸发器内的低温低压CO

3)脱冰时间小于制冰时间，第一组制冰蒸发器脱冰完成处于空闲同时第二组制冰蒸发器依旧制冰的模式：

打开第十电磁阀并关闭第九电磁阀，保持第一电磁阀、第一节流阀和第一单向阀的关闭状态不变并保持第二电磁阀、第二节流阀和第二单向阀的打开状态不变，保持第五电磁阀的关闭状态不变并保持第六电磁阀的打开状态不变，关闭第三电磁阀和第三单向阀并保持第四电磁阀和第四单向阀的关闭状态不变，关闭第七电磁阀并保持第八电磁阀的关闭状态不变；

a)制冷剂经压缩机压缩为高温高压的超临界CO

b)喷射器出射的低温低压CO

c)二氧化碳气液分离器中的低温低压CO

d)二氧化碳气液分离器的低温低压CO

e)第二组制冰蒸发器内的低温低压CO

4)第一组制冰蒸发器制冰同时第二组制冰蒸发器脱冰的模式：

关闭第十电磁阀并打开第九电磁阀，打开第一电磁阀、第一节流阀和第一单向阀并关闭第二电磁阀、第二节流阀和第二单向阀，打开第五电磁阀并关闭第六电磁阀，保持第三电磁阀和第三单向阀的关闭状态不变并打开第四电磁阀和第四单向阀，保持第七电磁阀的关闭状态不变并打开第八电磁阀；

a)制冷剂经压缩机压缩为高温高压的超临界CO

b)喷射器出射的低温低压CO

c)二氧化碳气液分离器中的低温低压CO

d)二氧化碳气液分离器的低温低压CO

e)第一组制冰蒸发器内的低温低压CO

脱冰时间小于制冰时间，当第二组制冰蒸发器脱冰完成后，第一组制冰蒸发器依旧处于制冰状态，重复步骤1)～4)的模式，进行制冰和脱冰连续循环工作。

制冰时间根据制冰循环控制系统的功率大小、由工艺要求的所要制取的冰块厚度而定；脱冰时间依据所制取冰块的体积及厚度确定，一般在脱冰时与蒸发器接触面形成水膜即可完成脱冰，脱冰时间自然小于制冰时间。

本发明的优点：

(1)提出了适合二氧化碳的带有喷射器及回热器的制冰循环，适用于直冷块冰机、板冰机等需用热气脱冰的场合，可使得二氧化碳跨临界循环在低温制冷区域的COP(Coefficient of performance)大幅提高；

(2)所提出适合二氧化碳的制冰循环控制系统在低温制冰性能COP方面接近甚至高于目前传统常用制冰制冷剂R404A，随着往后制冷剂使用趋向环保以及二氧化碳制冷技术的成熟，二氧化碳能够很好的替代传统制冷剂；

(3)提出了双蒸发器并联，实现在第一制冰蒸发器脱冰同时，第二制冰蒸发器无间隔连续制冰，与目前热气脱冰相比，消除了在脱冰期间制冷剂冷量未利用的现象，且缩短了制冰时间，提高了单位时间制冰产量；

(4)本发明的压缩机进气是由气液分离器的气相出口出来的二氧化碳气体，没有液态，避免了现有技术脱冰时少部分热气在蒸发器中放热液化,聚集的液体会进入压缩机,对压缩机造成液击。

因此，与现有技术相比，本发明能够显著解决传统制冰机制冷剂环保更替、二氧化碳低温制冷效率低等问题，克服旁通热气脱冰时制冷剂冷量浪费和易造成压缩机液击等缺点，实现连续制冰，使制冰效率提高，与现有技术相比制冰时间缩短15％-20％，单位时间制冰产量提高20％左右，同时减小能耗。

附图说明

图1为本发明的跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统的一个实施例的示意图；

图2为本发明的跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统的一个实施例的逻辑控制方法的流程图；

图3为本发明的跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统的一个实施例的周期循环示意图，其中，(a)～(d)分别为四个模式下的循环示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统包括：压缩机1、油分离器2、气体冷却器4、液体接收器5、干燥器6、回热器7、喷射器8、二氧化碳气液分离器9、第一节流阀101、第二节流阀102、第一至第十电磁阀31～310、第一至第四单向阀111～114、第一组制冰蒸发器121以及第二组制冰蒸发器122；其中，压缩机1的出口通过管道连接至油分离器的入口，油分离器的油出口通过回油管连接至压缩机的回油口；油分离器的气体出口通过管道连接至气体冷却器4的入口，在油分离器与气体冷却器之间的管道上设置第十电磁阀310；气体冷却器4的出口通过管道连接至液体接收器的入口5，液体接收器5的气相出口通过管道连接至干燥器6的入口；干燥器6的出口通过管道连接至回热器7的低温端入口；回热器的低温端出口通过管道连接至喷射器8的主流体入口；液体接收器5的液相出口通过管道连接至喷射器8的次流体入口；喷射器8的出口通过管道连接至二氧化碳气液分离器9的入口；二氧化碳气液分离器9位于顶端的气相出口通过回热管道连接至回热器7的高温端入口，回热器7的高温端出口连接至压缩机1的入口；二氧化碳气液分离器9位于底端的液相出口通过管道分成两路并联的支路管道，第一支路管道连接至第一组制冰蒸发器121，在第一支路管道上依次设置第一电磁阀31、第一节流阀101和第一单向阀111，第一组制冰蒸发器包括一个制冰蒸发器；第二支路管道连接至第二组制冰蒸发器122，在第二支路管道上依次设置第二电磁阀32、第二节流阀102和第二单向阀112，第二组制冰蒸发器包括一个制冰蒸发器；二氧化碳气液分离器9位于顶端的气体出口还连接旁路管道，与二氧化碳气液分离器9位于底端的液体出口的管道合路；第一组制冰蒸发器的出口和第二组制冰蒸发器的出口通过管道，与连接液体接收器5的液相出口的管道合路，连接至喷射器8的次流体入口，在管道上位于第一组制冰蒸发器的出口处设置第五电磁阀35，在管道上位于第二组制冰蒸发器的出口处设置第六电磁阀36；油分离器的出口还通过管道分别连接至第一组制冰蒸发器和第二组制冰蒸发器的出口，在连接油分离器的出口至第一组和第二组制冰蒸发器的管道上，位于油分离器的出口处设置第九电磁阀39，位于第一组制冰蒸发器121的出口处设置第七电磁阀37，位于第二组制冰蒸发器的出口处设置第八电磁阀38；第一组制冰蒸发器和第二组制冰蒸发器的入口还通过管道连接至气体冷却器4的入口，在管道上位于第一组制冰蒸发器的入口处依次设置第三电磁阀33和第三单向阀113，在管道上位于第二组制冰蒸发器的入口处依次设置第四电磁阀34和第四单向阀114。

图2中，黑色表示阀门打开，白色表示阀门关闭。

由于本发明所提出跨临界二氧化碳循环属于高压循环，压缩机1可采用活塞式压缩机，高压侧压力在9～10.5Mpa；油分离器2可采用离心式油分离器；气体冷却器4可依据环境温度采用不同的形式，环境温度最高不超过43℃，最低不小于5℃，即环境温度相对较高时采用水冷式气体冷却器，环境温度相对较低时可采用风冷式气体冷却器；喷射器8采用可调节喷嘴高压喷射器，喷射器8夹带率在0.5左右；二氧化碳气液分离器9可采用立式气液分离器；第一组和第二组制冰蒸发器121和122根据实际需求的冰种及冰厚进行设计，蒸发温度-20℃～-15℃，进水温度最低不小于5℃，最高不超过35℃。

回热器具有四个端口：低温端入口、低温端出口、高温端入口和高温端出口；对于套管式换热器，包括内管和外管，外管同轴的套在内管外，二者之间不连通，内管的两端分别为低温端入口和低温端出口；外管的两端分别为高温端入口和高温端出口。

本实施例的跨临界二氧化碳连续制冰循环控制系统的控制方法，如图2所示，包括四个模式依次循环：

开机时，控制系统处于第一组制冰蒸发器制冰同时第二组制冰蒸发器空闲的模式；

1)第一组制冰蒸发器制冰同时第二组制冰蒸发器空闲的模式：

如图3(a)所示，打开第十电磁阀并关闭第九电磁阀，打开第一电磁阀31、第一节流阀101和第一单向阀111并关闭第二电磁阀32、第二节流阀102和第二单向阀112，打开第五电磁阀35并关闭第六电磁阀36，关闭第三电磁阀33和第三单向阀113以及第四电磁阀34和第四单向阀114，关闭第七电磁阀37和第八电磁阀38；

a)制冷剂经压缩机1压缩为高温高压的超临界CO

b)从喷射器8出射的低温低压CO

c)二氧化碳气液分离器9中的低温低压CO

d)二氧化碳气液分离器9的低温低压CO

e)第一组制冰蒸发器121内的低温低压CO

2)第一组制冰蒸发器脱冰同时第二组制冰蒸发器制冰的模式：

如图3(b)所示，关闭第十电磁阀并打开第九电磁阀，关闭第一电磁阀31、第一节流阀101和第一单向阀111并打开第二电磁阀32、第二节流阀102和第二单向阀112，关闭第五电磁阀35并打开第六电磁阀36，打开第三电磁阀33和第三单向阀113并保持第四电磁阀34和第四单向阀114的关闭状态不变，打开第七电磁阀并保持第八电磁阀38的关闭状态不变；

a)制冷剂经压缩机1压缩为高温高压的超临界CO

b)喷射器8出射的低温低压CO

c)二氧化碳气液分离器9中的低温低压CO

d)二氧化碳气液分离器9的低温低压CO

e)第二组制冰蒸发器122内的低温低压CO

3)脱冰时间小于制冰时间，第一组制冰蒸发器121脱冰完成处于空闲同时第二组制冰蒸发器122依旧制冰的模式：

如图3(c)所示，打开第十电磁阀并关闭第九电磁阀，保持第一电磁阀31、第一节流阀101和第一单向阀111的关闭状态不变并保持第二电磁阀32、第二节流阀102和第二单向阀112的打开状态不变，保持第五电磁阀35的关闭状态不变并保持第六电磁阀36的打开状态不变，关闭第三电磁阀33和第三单向阀113并保持第四电磁阀34和第四单向阀114的关闭状态不变，关闭第七电磁阀并保持第八电磁阀38的关闭状态不变；

a)制冷剂经压缩机1压缩为高温高压的超临界CO

b)喷射器8出射的低温低压CO

c)二氧化碳气液分离器9中的低温低压CO

d)二氧化碳气液分离器9的低温低压CO

e)第二组制冰蒸发器122内的低温低压CO

4)第一组制冰蒸发器121制冰同时第二组制冰蒸发器122脱冰的模式：

如图3(d)所示，关闭第十电磁阀并打开第九电磁阀，打开第一电磁阀31、第一节流阀101和第一单向阀111并关闭第二电磁阀32、第二节流阀102和第二单向阀112，打开第五电磁阀35并关闭第六电磁阀36，保持第三电磁阀33和第三单向阀113的关闭状态不变并打开第四电磁阀34和第四单向阀114，保持第七电磁阀的关闭状态不变并打开第八电磁阀38；

a)制冷剂经压缩机1压缩为高温高压的超临界CO

b)喷射器8出射的低温低压CO

c)二氧化碳气液分离器9中的低温低压CO

d)二氧化碳气液分离器9的低温低压CO

e)第一组制冰蒸发器121内的低温低压CO

该实施例中，压缩机耗功100KW时，制取1ton冰所需时间大约为33min左右，脱冰时间为1～2min，由于脱冰更容易，脱冰时间自然小于制冰时间，当第二组制冰蒸发器122脱冰完成后，第一组制冰蒸发器121依旧处于制冰状态，重复步骤1)～4)的模式，进行制冰和脱冰连续循环工作。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。