CN103868300B - 一种双制冷控制系统的节能恒温水冷机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了制冷技术领域内的一种双制冷控制系统的节能恒温水冷机控制方法，其主要利用接入制冷系统的两台额定制冷量大致相当的压缩机一和压缩机二，其中压缩机二可旁通运行。根据温度控制压缩机一、压缩机二负载运行，或仅压缩机二负载运行，或仅压缩机二旁通运行。使得水箱中的温度尽量稳定在波动较小的范围内，其水箱体积可减小到完全单机运行时的50%，就能满足温度恒温控制，且压缩机停机不少于3分钟的要求。该方法可避免压缩机空载运行的功耗，达到良好的节能效果，该方法适用于变热载的场合，尤其是适用在激光器的水冷，可提供恒温的冷却水。

Description

一种双制冷控制系统的节能恒温水冷机控制方法

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，特别涉及一种恒温的水冷机组。

背景技术

恒温水冷机是一种可提供较高温控精度（通常±1℃）的循环水冷设备，主要用于激光加工设备、精密机加设备、制药设备和彩色印刷设备等热载的恒温冷却。

水冷机的制冷系统与其热载间的换热是借助置于机内的贮水箱的水分别与系统的换热器和机外的热载进行热交换实现的。水箱水温通过制冷压缩机的启停控制，即水温升至设定的温度区间上限时，压缩机开启制冷降温，水温降至设定温度区间的下限时，压缩机停止制冷，因此压缩机的启停间隔是水箱热容量、水温区间和热载功率所决定的。由于压缩机启停间隔要求大于或等于3min（保护需求），因此对于恒温水冷机，水箱的体积按额定制冷量计算（热载功率与额定制冷量相等时，理论上无需压缩机停机，水箱可最小，但实际应用中很难实现），则会相对较大，即单机运行即可满足要求。水箱较大会限制整机结构小型化，延长启机后的预运行时间，浪费价格较高的防锈等所用的添加剂，并增加换水的困难性。

现有技术中，为解决上述技术问题，有一种智能化节能型恒温水冷机及水冷控制方法，申请号：201110069321.3申请日：2011-03-22，公开号：102183102A，公开日：2011-09-14；该装置包括压缩机一和压缩机二；压缩机一的出口连接冷凝器一的进口，冷凝器一的出口经膨胀阀一连接蒸发器一的进口；蒸发器一的出口连接压缩机一的进口；压缩机二的出口连接冷凝器二的进口，冷凝器二的出口经膨胀阀二连接蒸发器二的进口；蒸发器二的出口连接压缩机二的进口；所述蒸发器一和蒸发器二设置在蒸发换热器内，蒸发换热器和水箱之间经内循环水泵和内循环换热管道相连；所述水箱和热载之间经外循环水泵和外循环换热管道相连；所述膨胀阀二的进口和冷凝器二的出口之间设置有截止阀，所述截止阀的阀前管路和膨胀阀二的阀后管路之间设置有相串联的旁通阀和节流通道。该装置还包括有控制系统，所述控制系统根据热载大小，控制压缩机一和/或压缩机二的起停，及控制截止阀和旁通阀的开关。压缩机一和压缩机二的功率比为1：2。

工作时，该装置按如下步骤进行：

A预运行

A-1．起动内循环水泵和外循环水泵工作；

A-2．检测到水箱内的温度在设定温度的上限值以上，压缩机一和压缩机二自动起动，截止阀开启，旁通阀关闭，膨胀阀一和膨胀阀二工作；当水箱温度达到设定温度的下限值时，压缩机一停止运行，截止阀关闭，旁通阀开启，使压缩机二旁通运行；

A-3．当水箱内的温度上升到设定温度下限值以上⊿T1时，截止阀开启，旁通阀关闭，压缩机二进入负载运行，如水箱温度再次下降到下限值时，压缩机二再次旁通运行；压缩机二进行本步骤中上述循环工作3min后，压缩机二维持旁通运行；

A-4．当水箱温度上升到（上限值－⊿T2）时，压缩机二进入负载运行；直到水箱温度降低到（下限值＋⊿T1）时，压缩机二进入旁通运行；压缩机二在本步骤内循环运行，直到压缩机二在负载运行和旁通运行之间的间隔时间稳定或水温直接上升至上限值以上，进入下一步骤；

B负载运行

控制系统检测水箱内的温度变化信号，判断热载的增加量，在压缩机二负载运行的前提下，选择性进入如下步骤：

B-1．温度上升到上限值以上时，压缩机一和压缩机二同时进入负载运行；直到温度降低到（下限值＋⊿T1）时，压缩机一停机，当温度上升到（上限值－⊿T2）时，压缩机一再次起动，使温度维持在（下限值＋⊿T1）和（上限值－⊿T2）之间；

B-2．预运行中，当单独的压缩机二在负载运行和旁通运行之间的间隔时间稳定时，压缩机一投入运行，直到水箱温度下降到（下限值＋⊿T1）时，压缩机二停止运行；水箱温度上升到（上限值－⊿T2）时，压缩机二再次投入负载运行；

B-3．在B-2步骤中，压缩机二停止运行后，如温度继续下降到下限值以下时，压缩机一也停机，待温度上升到（上限值－⊿T2）时，压缩机一起动并进入负载运行。

上述工作过程中，需要不断判断压缩机一和压缩机二的状态及外界的温度变化，其控制过程相对复杂，运行中的探测点多，容易发生故障。在热负荷突变的情况下，不能保证压缩机停机3分钟的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种双制冷控制系统的节能恒温水冷机控制方法，使其能在简化控制方式的情况下，保证水箱的体积较小，同时，达到节能效果。

本发明的目的是这样实现的：一种双制冷控制系统的节能恒温水冷机控制方法，包括如下步骤：

1）当水箱中水的温度大于T₀+⊿1时，关闭压缩机二的旁通支路，启动额定制冷量大致相等的压缩机一和压缩机二，压缩机一和压缩机二并联运行给水箱中的水降温；所述压缩机一的出口连接冷凝器一的进口，冷凝器一的出口经膨胀阀一连接蒸发器一的进口，蒸发器一的出口连接压缩机一的进口；压缩机二的出口连接冷凝器二的进口，冷凝器二的出口经膨胀阀二连接蒸发器二的进口，蒸发器二的出口连接压缩机二的进口；所述蒸发器一和蒸发器二设置在水箱内；所述旁通支路设置在冷凝器二的进口和蒸发器二的进口之间，旁通支路绕过膨胀阀二，该旁通支路上设置有相串联的旁通电磁阀和节流通道；其中，T₀为设定的基准温度，⊿1为设定的温度偏移量；

2）若温度保持在T₀-⊿2以上，则压缩机一和压缩机二保持负载运行；若温度下降至T₀-⊿2时，压缩机一停机，仅保留压缩机二负载运行；其中，⊿2为设定的动作偏差值，⊿2满足如下公式0＜⊿2＜⊿1；

3）压缩机一停机后，若水箱中的水温度上升到T₀+⊿2，则压缩机一启动；若水箱中的水温度继续下降则执行下一步；

4）当水箱中的水温下降到T₀-⊿1时，膨胀阀二关闭，同时压缩机二的旁通支路开启，压缩机二进入旁通运行；其一，若温度继续下降，则压缩机二停机，待水温上升到T₀-⊿2时，压缩机二开启再次进入负载运行；其二，若温度上升到T₀-⊿2时，膨胀阀二开启，压缩机二的旁通支路关闭，压缩机二进入负载运行；

5）压缩机二进入负载运行后，若水箱中的温度下降到T₀-⊿1时，则执行步骤4）；若温度上升到T₀+⊿2，则执行步骤3）。

上述过程中，压缩机二基本处于常开状态，通过其旁通支路开启或关闭进行制冷或空载运行的。压缩机一则依据实时热载的大小间歇制冷。当变功率热载小于缩机二的制冷量时，压缩机二则在T₀–Δ₂和T₀–Δ₁之间通过旁通闭或开的方式制冷或空载运行。当热载等于旁通压缩机二的制冷量时，则旁通压缩要二以无空载的方式在T₀–Δ₂温度线附近运行。当热载大于旁通压缩机二时，压缩机二以负载运行的方式在T₀–Δ₂和T₀+Δ₂区间常开制冷运行，同时压缩机一则在T₀+Δ₂、T₀–Δ₂区间以间歇运行制冷。在热载的热量不小于压缩机二的额定制冷量时，双制冷系统的制冷中可完全消除压缩机旁通空载耗电运行。当双压缩机的制冷量相等时，对实际使用功率不小于其额定功率50%（使用功率通常大于其额定功率50%）的热载，实现了双系统无旁通空载节能制冷工作，并在将水箱的热容量减小到单机制冷时的50%，仍可满足3min停机保护要求，与现有的单压缩机旁通制冷技术相比，降低了压缩机旁通空载能耗，达到良好的节能效果。该方法适用于变热载场合，尤其适合激光器的水冷。通常激光器以其额定功率50%～75%使用，其节电可达50%～25%。

为使得该装置能满足激光器的冷却，要求其温差波动不大于±1℃，因此，使⊿1满足0℃＜⊿1≤1℃。通过压缩机一和压缩机二的协同工作，可保证温度在T₀±1℃范围内。

附图说明

图1为实现本发明的制冷系统结构图。

图2为本发明的温度-时间控制相位图。

图3为本发明的控制流程图。

其中，1冷凝器一，2压缩机一，3压缩机二，4冷凝器二，5旁通电磁阀，6电磁阀一，7节流通道，8膨胀阀二，9蒸发器二，10水箱，11蒸发器一，12膨胀阀一。

具体实施方式

如图1所示，为一种实现本发明的制冷系统，其包括压缩机一2和压缩机二3；压缩机一2和压缩机二3的功率比为1：1；压缩机一2的出口连接冷凝器一1的进口，冷凝器一1的出口经膨胀阀一12连接蒸发器一11的进口；蒸发器一11的出口连接压缩机一2的进口；压缩机二3的出口连接冷凝器二4的进口，冷凝器二4的出口经电磁阀一6、膨胀阀二8连接蒸发器二9的进口；蒸发器二9的出口连接压缩机二3的进口；蒸发器一11和蒸发器二9设置在水箱10内；冷凝器二4的进口和蒸发器二9的进口之间设有绕过膨胀阀二8的旁通支路，该旁通支路上设置有相串联的旁通电磁阀5和节流通道7。

该系统用于激光器的制冷，其工作时，按如下步骤进行：

1）当水箱中水的温度大于T₀+⊿1时，关闭压缩机二的旁通支路，启动压缩机一和压缩机二，压缩机一和压缩机二并联运行给水箱中的水降温；其中，T₀为设定的基准温度，⊿1为设定的温度偏移量，优选为0℃＜⊿1≤1℃；

2）若温度保持在T₀-⊿2以上，则压缩机一和压缩机二保持负载运行；若温度下降至T₀-⊿2时，压缩机一停机，仅保留压缩机二负载运行；其中，⊿2为设定的动作偏差值，⊿2满足如下公式0℃＜⊿2＜⊿1；

3）压缩机一停机后，若水箱中的水温度上升到T₀+⊿2，则压缩机一启动；若水箱中的水温度继续下降则执行下一步；

4）当水箱中的水温下降到T₀-⊿1时，膨胀阀二关闭，同时压缩机二的旁通支路开启，压缩机二进入旁通运行；若温度继续下降，则压缩机二停机，待水温上升到T₀-⊿2时，压缩机二开启再次进入负载运行；若温度上升到T₀-⊿2时，膨胀阀二开启，压缩机二的旁通支路关闭，压缩机二进入负载运行；

5）压缩机二进入负载运行后，若水箱中的温度下降到T₀-⊿1时，则执行步骤4）；若温度上升到T₀+⊿2，则执行步骤3）。

具体而言，例如对某激光器的冷水水要求水温控制在25±1℃，25℃为设定的基准温度，设定1℃为温度偏移量，设定0.8℃为动作偏差值；其控制按如下步骤进行：

1）当水箱中水的温度大于26℃时，关闭压缩机二的旁通支路，启动压缩机一和压缩机二，缩机一和压缩机二并联负载运行，给水箱中的水降温。

2）压缩机一和压缩机二同时开启后，若温度保持在24.2℃以上，则压缩机一和压缩机二保持负载运行；若温度下降至24.2℃时，压缩机一停机，仅保留压缩机二负载运行。

3）压缩机一停机后，若水箱中的水温度上升到25.8℃，则压缩机一启动；若水箱中的水温继续向24.2℃以下降低则执行下一步。

4）当水箱中的水温下降到24℃时，膨胀阀二关闭，同时压缩机二的旁通支路开启，压缩机二进入旁通运行，此时，蒸发器二中压力增大，制冷剂自身温度较高，蒸发减少，吸热量减少；此时，有两种情况，其一为温度继续下降，则压缩机二停机，待水温上升到24.2℃时，压缩机二开启再次进入负载运行；其二为温度上升，当水温上升到24.2℃时，膨胀阀二开启，压缩机二的旁通支路关闭，压缩机二进入负载运行。

5）压缩机二进入负载运行后，若水箱中的温度下降到24℃时，则执行步骤4）；若温度上升到24.8℃，则执行步骤3）。

压缩机的功率是需要根据负载进行选择的，首先要确保其能够将水温控制在某一范围内，因此压缩机一和压缩机二的额定制冷量之和应不小于外界热负荷，因此，正常情况下，水箱水温是可以控制在T₀+⊿1之下。

如图2、图3所示，在时间t₀时，水温大于T₀+⊿1，压缩机一和压缩机二同时负载运行，t₀-t₁之间的折线表示表示外界热负荷产生变化，但通过压缩机一和压缩机二的负载运行仍能保证温度在T＞T₀-⊿2。

时间在t₁时，T=T₀-⊿2，压缩机一停机，压缩机二继续运行，此时，热负荷可能高于压缩机二的额定制冷量，也可能低于压缩机二的额定制冷量。当热负荷高于压缩机二的额定制冷量时，水温会逐渐上升，对应于图2中的虚线a，如水温继续上升到T=T₀+⊿2，则压缩机一投入负载运行；当热负荷低于压缩机二的额定制冷量时，温度会继续下降，如图2中t₁-t₂之间的实线所示；在温度下降到T=T₀-⊿1时，压缩机二旁通运行，基本不制冷，此时若温度继续下降，则延时一段时间后，表明外界热负荷非常低，此时，压缩机二停机。

在设计时，应保证压缩机二旁通运行后，水温会逐渐上升，当水温上升到T=T₀-⊿2时，压缩机二转为负载运行，此时，其一为t₃-t₄所示，水温持续上升，到达T=T₀+⊿2后，压缩机一投入负载运行，将水温降低；其二为如t₅-t_n所示，水温满足T₀-⊿1≤T≤T₀-⊿2，此时，压缩机二在负载运行和旁通运行之间互换。

图3中，P1为压缩机一，P2为压缩机二。在设计时，应保证压缩机二旁通运行后，水温会逐渐上升，因此，双点划线框内的情况在激光器正常使用的情况下不会发生，也就是说压缩机二是常开状态。

上述过程中，压缩机二始终运行（通过设计可避免出现T＜T₀-⊿1的情况出现），压缩机一间歇运行，当压缩机一和压缩机二的额定制冷量基本相当时，其水箱体积只需要为常规设计的50%，即能满足温度恒温控制，且压缩机停机不少于3分钟的要求。压缩机二旁通运行时，其功率余量小，能耗低。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种双制冷控制系统的节能恒温水冷机控制方法，包括如下步骤：

1）当水箱中水的温度大于T₀+⊿1时，关闭压缩机二的旁通支路，启动额定制冷量大致相等的压缩机一和压缩机二，压缩机一和压缩机二并联运行给水箱中的水降温；所述压缩机一的出口连接冷凝器一的进口，冷凝器一的出口经膨胀阀一连接蒸发器一的进口，蒸发器一的出口连接压缩机一的进口；压缩机二的出口连接冷凝器二的进口，冷凝器二的出口经膨胀阀二连接蒸发器二的进口，蒸发器二的出口连接压缩机二的进口；所述蒸发器一和蒸发器二设置在水箱内；所述旁通支路设置在冷凝器二的进口和蒸发器二的进口之间，旁通支路绕过膨胀阀二，该旁通支路上设置有相串联的旁通电磁阀和节流通道；其中，T₀为设定的基准温度，⊿1为设定的温度偏移量；

2）若温度保持在T₀-⊿2以上，则压缩机一和压缩机二保持负载运行；若温度下降至T₀-⊿2时，压缩机一停机，仅保留压缩机二负载运行；其中，⊿2为设定的动作偏差值，⊿2满足如下公式0℃＜⊿2＜⊿1；

3）压缩机一停机后，若水箱中的水温度上升到T₀+⊿2，则压缩机一启动；若水箱中的水温度继续下降则执行下一步；

4）当水箱中的水温下降到T₀-⊿1时，膨胀阀二关闭，同时压缩机二的旁通支路开启，压缩机二进入旁通运行；其一，若温度继续下降，则压缩机二停机，待水温上升到T₀-⊿2时，压缩机二开启再次进入负载运行；其二，若温度上升到T₀-⊿2时，膨胀阀二开启，压缩机二的旁通支路关闭，压缩机二进入负载运行；

5）压缩机二进入负载运行后，若水箱中的温度下降到T₀-⊿1时，则执行步骤4）；若温度上升到T₀+⊿2，则执行步骤3）。

2.根据权利要求1所述的一种双制冷控制系统的节能恒温水冷机控制方法，其特征在于：0℃＜⊿1≤1℃。