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CN115127253B - 一种极低温区复合制冷系统及其控制方法 - Google Patents

一种极低温区复合制冷系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种极低温区复合制冷系统及其控制方法，系统包括预冷制冷机、针阀、真空计和通过高压管依次连接的压缩机、质量流量计、压力传感器、第一级间壁式换热器、预冷换热器、第二级间壁式换热器、节流装置及蒸发器；预冷换热器与蒸发器还设有连接两者的旁路管且旁路管上设有针阀，蒸发器、第二级间壁式换热器、第一级间壁式换热器及真空计通过低压管依次连接，预冷换热器热耦合连接有预冷制冷机且预冷换热器上设有第一温度传感器。本发明的系统，整体结构简单且合理，借助旁通针阀，在不改变原有工况条件下，针对极低温区复合制冷系统内部运行参数进行适当的调控，能够赋予其更宽的调控性能，极具应用前景。

Description

一种极低温区复合制冷系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及制冷与低温工程技术领域，涉及一种复合制冷机，特别涉及一种极低温区复合制冷系统及其控制方法。
背景技术
复合制冷系统是由回热式制冷机耦合JT制冷机(Joule-Thomson Cooler)组成，在前级回热式制冷机预冷条件下，可以作为实现1～4K极低温区制冷的重要手段。其前级预冷可采用GM制冷机、斯特林制冷机、GM型脉冲管制冷机或者斯特林型脉冲管制冷机等来预冷，在低温制冷领域有着重要和广泛的应用。
现有的极低温区复合制冷系统由于质量流量较小，尤其在降温初期通过小孔的质量流量更是可以忽略不计，采用常规纯导热方式进行前级预冷，难免会导致前期预冷时间过长，影响极低温区复合制冷系统的响应速度。同时，预冷不充分，还有可能导致极低温区复合制冷系统无法实现节流降温。采用热开关结构将极低温区复合制冷系统末端蒸发器等结构与预冷机相连，虽然在一定程度上缩短了降温时间，但是复杂的热开关结构增加了极低温区复合制冷系统结构的复杂性，同时也给极低温区复合制冷系统带来额外的热容。此外，目前极低温区复合制冷系统仅能通过压缩机对制冷温度和制冷量的进行调节，且调节的幅度有限。
因此，开发一种调控手段丰富且性能调控范围更大的极低温区复合制冷系统极具现实意义。
发明内容
由于现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种调控手段丰富且性能调控范围更大的极低温区复合制冷系统，克服了现有极低温区复合制冷系统调控手段单一、性能调控范围较小且难以满足更广阔的应用需求的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种极低温区复合制冷系统，包括压缩机、质量流量计、压力传感器、第一级间壁式换热器、预冷换热器、第二级间壁式换热器、针阀、节流装置、蒸发器以及真空计；
所述压缩机、质量流量计、压力传感器、第一级间壁式换热器、预冷换热器、第二级间壁式换热器、节流装置及蒸发器通过高压管依次连接，所述预冷换热器与蒸发器还设有连接两者的旁路管且旁路管上设有针阀；
所述蒸发器、第二级间壁式换热器、第一级间壁式换热器及真空计通过低压管依次连接；
所述预冷换热器热耦合连接有预冷制冷机且预冷换热器上设有第一温度传感器。
本发明的极低温区复合制冷系统，整体结构简单但设计合理，在预冷换热器与蒸发器还设有连接两者的旁路管且旁路管上设有针阀，借助旁通针阀，在不改变原有工况条件下，针对极低温区复合制冷系统内部运行参数进行适当的调控(即可合理配置极低温区复合制冷系统在降温过程中的质量流量，增强极低温区复合制冷系统内部流动传热，改善现有极低温区复合制冷系统降温速度慢、制冷量与制冷温度的调控性差等问题，不仅大大缩短了极低温区复合制冷系统降温时间，提高极低温区复合制冷系统的响应速度，同时也改善了极低温区复合制冷系统对制冷温度和制冷量的调控范围)，能够使得极低温区复合制冷系统在制冷温度以及制冷量上具有更宽的调控性能，从而满足更广阔的应用需求，极具应用前景。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种极低温区复合制冷系统，所述蒸发器上设有第二温度传感器。
如上所述的一种极低温区复合制冷系统，所述预冷制冷机为GM制冷机、斯特林制冷机或者脉冲管制冷机且其预冷温度在25K以下。
如上所述的一种极低温区复合制冷系统，所述节流装置采用毛细管、小孔或者可调节的针阀。
此外，本发明还提供了如上所述的一种极低温区复合制冷系统的控制方法，包括启动程序及控制程序；
所述启动程序包括以下步骤：
A.预冷制冷机进行制冷运行；
B.监测第一温度传感器的温度是否小于等于80K；如果是，执行控制程序；否则，执行步骤A。
作为优选的技术方案：
如上所述的控制方法，所述控制程序包括以下步骤：
a.打开针阀，启动并调节压缩机，监测质量流量计的数据在8-10mg/s，运行一定时间；
b.监测第二温度传感器的温度数据，并与第一温度传感器温度数据比较，温差是否小于5K；如果是，执行步骤c；否则，执行步骤a；
c.调节针阀的开度，监测质量流量计数据至2-3mg/s，运行一段时间；
d.监测第二温度传感器的温度数据是否小于等于25K，如果是，执行步骤e；否则，执行步骤c；
e.关闭针阀，调节压缩机，监测压力传感器示数至最大值，运行一段时间；
f.监测第二温度传感器温度数据波动是否小于0.1K/min，如果是，执行调节程序；否则，执行程序d。
如上所述的控制方法，所述调节程序包括以下步骤：
I.调节压缩机，并监测真空计真空示数，直至真空示数达到极低温区制冷系统所要求温度的饱和压力，监测第二温度传感器，温度示数达到饱和压力对应的蒸发温度Tc；
II.增大压缩机的输入功，并监测真空计的真空示数，可以进一步降低极低温区复合制冷系统的最低制冷温度；
III.减小压缩机的输入功，并监测真空计的真空示数，可以提高极低温区复合制冷系统的最低制冷温度；
IV.调节针阀的开度，并监测质量流量计的示数和真空计的示数，两者均增大，则可以提高极低温区复合制冷系统的最低制冷温度和制冷量。该调节程序通过调节针阀的开度，合理配置极低温区复合制冷系统在降温过程中的质量流量，增强极低温区复合制冷系统内部流动传热，改善现有极低温区复合制冷系统降温速度慢、制冷量与制冷温度的调控性差等问题，不仅大大缩短了极低温区复合制冷系统降温时间，提高极低温区复合制冷系统的响应速度，同时也改善了极低温区复合制冷系统对制冷温度和制冷量的调控范围。
如上所述的控制方法，所述第一温度传感器所测的温度为预冷换热器的温度，所述第二温度传感器所测的温度为蒸发器的温度。
如上所述的控制方法，所述质量流量计所测的流量为压缩机出口质量流量；所述压力传感器所测的压力为压缩机出口的压力值；所述真空计所测的真空度为压缩机入口出的压力。
上述发明具有如下优点或者有益效果：
(1)现有技术中由GM制冷机作为前级预冷的极低温区复合制冷系统从降温到稳定时间一般需要10小时以上，由斯特林制冷或者脉冲管制冷机作为预冷的极低温区复合制冷系统降温更是长达30小时以上，而本发明通过在极低温区复合制冷系统末级设计旁通针阀，并合理调节针阀开度能增大JT环路中的质量流量，从而增强了极低温区复合制冷系统中对流传热，极大地缩短了极低温区复合制冷系统的降温时间；
(2)现有技术中，极低温区复合制冷系统在固定的工况下运行，缺乏对制冷系统本身制冷温度和制冷量的调控，对于极低温区复合制冷系统的实际应用有很大的局限性，本发明设计的旁通针阀，在节流降温阶段，合理调控针阀开度，不仅能发挥针阀节流降温的作用，同时能增加极低温区复合制冷系统中质量流量，从而增大极低温区复合制冷系统制冷量，结合压缩机的调控，可以极大地提高极低温区复合制冷系统对制冷温度以及制冷量的调控幅度，扩大极低温区复合制冷系统制冷温区和制冷量范围；
综上，本发明对于复合制冷系统在极低温区以及航空航天等特殊领域的应用具有非常积极的意义，大大降低了极低温区复合制冷系统的降温时间且增大了其性能调控范围，极具应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明的极低温区复合制冷系统的结构示意图；
图2为本发明的极低温区复合制冷系统的控制方法启动程序图；
图3为本发明的极低温区复合制冷系统的控制方法控制程序图；
图4为本发明的极低温区复合制冷系统的控制方法调节程序图；
其中，1为压缩机，2为质量流量计，3为压力传感器，4为第一级间壁式换热器，5为预冷换热器，6为预冷制冷机，7为第一温度传感器，8为第二级间壁式换热器，9为针阀，10为节流装置，11为蒸发器，12为第二温度传感器，13为真空计，T1为第一温度传感器示数，T2为第二温度传感器示数，ΔT为第一温度传感器和第二温度传感器温度差，ξT为第二温度传感器每分钟内温度波动。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明中的结构作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
一种极低温区复合制冷系统，如图1所示，包括压缩机1、质量流量计2、压力传感器3、第一级间壁式换热器4、预冷换热器5、第二级间壁式换热器8、针阀9、节流装置10(其采用毛细管、小孔或者可调节的针阀)、蒸发器11、针阀9以及真空计13；
压缩机1、质量流量计2(质量流量计2所测的流量为压缩机1出口质量流量)、压力传感器3(压力传感器3所测的压力为压缩机出口的压力值)、第一级间壁式换热器4、预冷换热器5、第二级间壁式换热器8、节流装置10及蒸发器11通过高压管依次连接，预冷换热器5与蒸发器11还设有连接两者的旁路管且旁路管上设有针阀9；
蒸发器11、第二级间壁式换热器8、第一级间壁式换热器4及真空计13(真空计13所测的真空度为压缩机1入口出的压力)通过低压管依次连接；
预冷换热器5热耦合连接有预冷制冷机6(具体为GM制冷机、斯特林制冷机或者脉冲管制冷机且其预冷温度在25K以下)且预冷换热器5上设有第一温度传感器7(第一温度传感器7所测的温度为预冷换热器5的温度)，蒸发器11上设有第二温度传感器12(第二温度传感器12所测的温度为蒸发器11的温度)。
上述极低温区复合制冷系统的控制方法，包括如图2所示的启动程序、如图3所示的控制程序及如图4所示的调节程序。
启动程序如图2所示，包括以下步骤：
A.预冷制冷机进行制冷运行；
B.监测第一温度传感器7的温度是否小于等于80K；如果是，执行控制程序；否则，执行步骤A。
控制程序如图3所示，包括以下步骤：
a.打开针阀9，启动并调节压缩机1，监测质量流量计2的数据在8-10mg/s，运行一定时间；
b.监测第二温度传感器12的温度数据，并与第一温度传感器7温度数据比较，温差是否小于5K；如果是，执行步骤c；否则，执行步骤a；
c.调节针阀9的开度，监测质量流量计数据至2-3mg/s，运行一段时间；
d.监测第二温度传感器12的温度数据是否小于等于25K，如果是，执行步骤e；否则，执行步骤c；
e.关闭针阀9，调节压缩机1，监测压力传感器3示数至最大值，运行一段时间；
f.监测第二温度传感器12温度数据波动是否小于0.1K/min，如果是，执行调节程序；否则，执行程序d。
调节程序如图4所示，包括以下步骤：
I.调节压缩机1，并监测真空计13真空示数，直至真空示数达到极低温区制冷系统所要求温度的饱和压力，监测第二温度传感器12，温度示数达到饱和压力对应的蒸发温度Tc；
II.增大压缩机1的输入功，并监测真空计13的真空示数，可以进一步降低极低温区复合制冷系统的最低制冷温度；
III.减小压缩机1的输入功，并监测真空计13的真空示数，可以提高极低温区复合制冷系统的最低制冷温度；
IV.调节针阀9的开度，并监测质量流量计2的示数和真空计13的示数，两者均增大，则可以提高极低温区复合制冷系统的最低制冷温度和制冷量。
经验证，本发明的极低温区复合制冷系统，整体结构简单但设计合理，在预冷换热器与蒸发器还设有连接两者的旁路管且旁路管上设有针阀，借助旁通针阀，在不改变原有工况条件下，即可合理配置极低温区复合制冷系统在降温过程中的质量流量，增强极低温区复合制冷系统内部流动传热，改善现有极低温区复合制冷系统降温速度慢、制冷量与制冷温度的调控性差等问题，不仅大大缩短了极低温区复合制冷系统降温时间，提高极低温区复合制冷系统的响应速度，同时也改善了极低温区复合制冷系统对制冷温度和制冷量的调控范围，从而满足更广阔的应用需求，极具应用前景。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种极低温区复合制冷系统的控制方法，其特征在于：所述极低温区复合制冷系统包括压缩机(1)、质量流量计(2)、压力传感器(3)、第一级间壁式换热器(4)、预冷换热器(5)、第二级间壁式换热器(8)、针阀(9)、节流装置(10)、蒸发器(11)以及真空计(13)；
所述压缩机(1)、质量流量计(2)、压力传感器(3)、第一级间壁式换热器(4)、预冷换热器(5)、第二级间壁式换热器(8)、节流装置(10)及蒸发器(11)通过高压管依次连接，所述预冷换热器(5)与蒸发器(11)还设有连接两者的旁路管且旁路管上设有针阀(9)；
所述蒸发器(11)、第二级间壁式换热器(8)、第一级间壁式换热器(4)及真空计(13)通过低压管依次连接；
所述预冷换热器(5)热耦合连接有预冷制冷机(6)且预冷换热器(5)上设有第一温度传感器(7)；
所述控制方法包括启动程序及控制程序；
所述启动程序包括以下步骤：
A.预冷制冷机进行制冷运行；
B.监测第一温度传感器(7)的温度是否小于等于80K；如果是，执行控制程序；否则，执行步骤A；
所述控制程序包括以下步骤：
a.打开针阀(9)，启动并调节压缩机(1)，监测质量流量计(2)的数据在8-10mg/s，运行一定时间；
b.监测第二温度传感器(12)的温度数据，并与第一温度传感器(7)温度数据比较，温差是否小于5K；如果是，执行步骤c；否则，执行步骤a；
c.调节针阀(9)的开度，监测质量流量计数据至2-3mg/s，运行一段时间；
d.监测第二温度传感器(12)的温度数据是否小于等于25K，如果是，执行步骤e；否则，执行步骤c；
e.关闭针阀(9)，调节压缩机(1)，监测压力传感器(3)示数至最大值，运行一段时间；
f.监测第二温度传感器(12)温度数据波动是否小于0.1K/min，如果是，执行调节程序；否则，执行程序d。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述蒸发器(11)上设有第二温度传感器(12)。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述预冷制冷机(6)为GM制冷机、斯特林制冷机或者脉冲管制冷机且其预冷温度在25K以下。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述节流装置(10)采用毛细管、小孔或者可调节的针阀。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述调节程序包括以下步骤：
I.调节压缩机(1)，并监测真空计(13)真空示数，直至真空示数达到极低温区制冷系统所要求温度的饱和压力，监测第二温度传感器(12)，温度示数达到饱和压力对应的蒸发温度Tc；
II.增大压缩机(1)的输入功，并监测真空计(13)的真空示数，可以进一步降低极低温区复合制冷系统的最低制冷温度；
III.减小压缩机(1)的输入功，并监测真空计(13)的真空示数，可以提高极低温区复合制冷系统的最低制冷温度；
IV.调节针阀(9)的开度，并监测质量流量计(2)的示数和真空计(13)的示数，两者均增大，则可以提高极低温区复合制冷系统的最低制冷温度和制冷量。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一温度传感器(7)所测的温度为预冷换热器(5)的温度，所述第二温度传感器(12)所测的温度为蒸发器(11)的温度。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述质量流量计(2)所测的流量为压缩机(1)出口质量流量；所述压力传感器(3)所测的压力为压缩机出口的压力值；所述真空计(13)所测的真空度为压缩机(1)入口出的压力。
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