CO2跨临界两级压缩循环冷柜系统及其控制方法与流程

本发明属于制冷，尤其涉及一种co2跨临界两级压缩循环冷柜系统及其控制方法。

背景技术：

1、商用制冷领域中，传统含氟制冷剂因环境影响逐步受限，采用天然制冷剂的制冷技术成为行业重要发展方向。co2作为天然制冷剂，具有gwp=1、odp=0、无毒、不可燃、化学性质稳定等特性，是商用制冷领域极具应用前景的替代工质。目前co2制冷技术已在大型集中式制冷系统中得到应用，但在中小型分布式商用冷柜场景中仍存在技术瓶颈，难以实现高效稳定运行。

2、co2的临界温度为31.1℃、临界压力为7.37mpa，当环境温度高于其临界温度时，制冷系统需运行于跨临界循环模式，高压侧工作压力可达9-10mpa，排气温度可超过100℃。单级压缩系统在该工况下压缩比过高，一方面排气温度过高易造成润滑油碳化、压缩机阀片密封失效，缩短压缩机使用寿命；另一方面压缩过程损失增大，系统能效比显著降低。

3、两级压缩技术是缓解上述问题的常用技术手段，但现有两级压缩co2制冷系统仍存在多方面缺陷：一是多采用两台独立压缩机串联设置，整体结构体积大、管路连接复杂，紧凑性不足；二是中间冷却方式效率有限，中间换热器、闪蒸罐、回热器等现有结构分别存在冷却效果不足、结构复杂、冷却量受限等问题；三是跨临界运行模式下排气压力难以精准调控，无法匹配对应环境温度的最优排气压力以实现系统能效最大化。因此，亟需开发结构紧凑、冷却效率高且能效可优化的co2跨临界两级压缩制冷系统，以适配商用冷柜的全工况运行需求。

技术实现思路

1、针对相关技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种co2跨临界两级压缩循环冷柜系统及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种co2跨临界两级压缩循环冷柜系统，包括压缩机、气体冷却器、经济器、高压阀、储液罐、电子膨胀阀、蒸发器、调节阀、传感检测单元以及控制单元；

4、压缩机包含一级压缩腔与二级压缩腔；

5、气体冷却器的入口连通二级压缩腔的排气端，气体冷却器的出口连通经济器的高压侧入口；

6、经济器的高压侧出口分为支路与干路，其中，支路经调节阀接入经济器的低压侧入口，干路经高压阀接入储液罐的入口；

7、经济器的低压侧出口与一级压缩腔的排气端共同连通至二级压缩腔的吸气端；

8、储液罐的出口经电子膨胀阀接入蒸发器的入口，蒸发器的出口连通一级压缩腔的吸气端；

9、传感检测单元用于采集系统运行的压力参数、温度参数与质量流量参数并传输至控制单元，控制单元根据采集参数调节各阀门开度，以实现支路的中间冷却流量动态调节与系统高压侧压力调控。

10、在其中一些实施例中，传感检测单元包括压力传感器，压力传感器共四个，分别设置于蒸发器的出口、二级压缩腔的吸气端、二级压缩腔的排气端及储液罐的出口。

11、在其中一些实施例中，传感检测单元还包括温度传感器，温度传感器共十三个，分别设置于蒸发器的入口、蒸发器的出口、一级压缩腔的吸气端、一级压缩腔的排气端、二级压缩腔的吸气端、二级压缩腔的排气端、气体冷却器的入口、气体冷却器的出口、经济器的高压侧入口、经济器的高压侧出口、经济器的低压侧入口、经济器的低压侧出口，以及高压阀的出口。

12、在其中一些实施例中，传感检测单元还包括质量流量计，质量流量计共两个，分别设置于气体冷却器的出口及电子膨胀阀的入口。

13、在其中一些实施例中，控制单元包括plc控制器和物性计算模块，plc控制器和物性计算模块通过rs485通讯连接；

14、物性计算模块封装有制冷剂物性计算程序，可根据压力参数计算对应饱和温度，根据压力参数与温度参数计算制冷剂焓值；

15、plc控制器根据计算得到的饱和温度与温度参数计算对应测点的制冷剂过热度，根据计算得到的焓值与质量流量参数计算系统换热部件的换热量与制冷性能系数，并依据过热度、排气压力与制冷性能系数调节调节阀、高压阀与电子膨胀阀的开度。

16、在其中一些实施例中，plc控制器通过pid算法分别对调节阀、高压阀与电子膨胀阀的开度进行闭环调节。

17、一种co2跨临界两级压缩循环冷柜系统的控制方法，应用于上述co2跨临界两级压缩循环冷柜系统，系统具有亚临界运行模式与跨临界运行模式，控制方法包括如下步骤：

18、亚临界运行模式下，控制高压阀保持全开，根据二级压缩腔的吸气过热度调节调节阀开度以调整支路的中间冷却流量，根据蒸发器的出口过热度调节电子膨胀阀开度以控制蒸发器的供液量；

19、跨临界运行模式下，保持调节阀与电子膨胀阀的过热度闭环调节，同时根据二级压缩腔的排气压力与制冷性能系数动态调节高压阀开度，以将系统高压侧压力调整至对应当前工况的目标值。

20、在其中一些实施例中，过热度的计算步骤为：通过传感检测单元采集对应测点的压力参数和温度参数，由控制单元根据压力参数计算得到对应饱和温度，再将该测点的温度参数与饱和温度进行差值计算，得到该测点的制冷剂过热度。

21、在其中一些实施例中，跨临界运行模式下，实时计算系统的制冷性能系数，通过逐步调节高压阀开度，在预设压力范围内遍历不同的系统高压侧压力工况，依据制冷性能系数的变化趋势确定当前工况下系统高压侧压力的目标值。

22、在其中一些实施例中，制冷性能系数的计算步骤为：通过传感检测单元采集制冷剂质量流量参数以及系统换热部件进出口的压力参数与温度参数，由控制单元根据压力参数与温度参数计算得到对应位置的制冷剂焓值，结合质量流量参数计算得到系统换热量，再结合压缩机运行功率计算得到系统的制冷性能系数。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、1、本发明提供的co2跨临界两级压缩循环冷柜系统，采用两级压缩配合带调节阀的经济器支路结构，可实现高效中间冷却，降低二级压缩吸气温度，保障压缩机运行安全；通过高压阀独立调控高压侧压力，适配co2跨临界循环特性，管路布局清晰合理，便于集成于冷柜设备，兼顾运行可靠性与能效提升潜力。

25、2、本发明提供的co2跨临界两级压缩循环冷柜系统的控制方法，包括亚临界与跨临界双运行模式，可以适配不同环境温度与负荷工况；通过过热度闭环控制保障系统基础运行稳定，同时结合制冷性能系数动态调整高压侧压力目标值，实现全工况自适应能效寻优，有效兼顾运行安全性与能效水平。

1.一种co2跨临界两级压缩循环冷柜系统，其特征在于，包括压缩机、气体冷却器、经济器、高压阀、储液罐、电子膨胀阀、蒸发器、调节阀、传感检测单元以及控制单元；

2.根据权利要求1所述的co2跨临界两级压缩循环冷柜系统，其特征在于，所述传感检测单元包括压力传感器，所述压力传感器共四个，分别设置于所述蒸发器的出口、所述二级压缩腔的吸气端、所述二级压缩腔的排气端及所述储液罐的出口。

3.根据权利要求1所述的co2跨临界两级压缩循环冷柜系统，其特征在于，所述传感检测单元还包括温度传感器，所述温度传感器共十三个，分别设置于所述蒸发器的入口、所述蒸发器的出口、所述一级压缩腔的吸气端、所述一级压缩腔的排气端、所述二级压缩腔的吸气端、所述二级压缩腔的排气端、所述气体冷却器的入口、所述气体冷却器的出口、所述经济器的高压侧入口、所述经济器的高压侧出口、所述经济器的低压侧入口、所述经济器的低压侧出口，以及所述高压阀的出口。

4.根据权利要求1所述的co2跨临界两级压缩循环冷柜系统，其特征在于，所述传感检测单元还包括质量流量计，所述质量流量计共两个，分别设置于所述气体冷却器的出口及所述电子膨胀阀的入口。

5.根据权利要求1所述的co2跨临界两级压缩循环冷柜系统，其特征在于，所述控制单元包括plc控制器和物性计算模块，所述plc控制器和物性计算模块通过rs485通讯连接；

6.根据权利要求5所述的co2跨临界两级压缩循环冷柜系统，其特征在于，所述plc控制器通过pid算法分别对所述调节阀、高压阀与电子膨胀阀的开度进行闭环调节。

7.一种co2跨临界两级压缩循环冷柜系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的co2跨临界两级压缩循环冷柜系统，所述系统具有亚临界运行模式与跨临界运行模式，所述控制方法包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的co2跨临界两级压缩循环冷柜系统的控制方法，其特征在于，所述过热度的计算步骤为：通过传感检测单元采集对应测点的压力参数和温度参数，由控制单元根据压力参数计算得到对应饱和温度，再将该测点的温度参数与饱和温度进行差值计算，得到该测点的制冷剂过热度。

9.根据权利要求7所述的co2跨临界两级压缩循环冷柜系统的控制方法，其特征在于，跨临界运行模式下，实时计算系统的制冷性能系数，通过逐步调节高压阀开度，在预设压力范围内遍历不同的系统高压侧压力工况，依据制冷性能系数的变化趋势确定当前工况下系统高压侧压力的目标值。

10.根据权利要求9所述的co2跨临界两级压缩循环冷柜系统的控制方法，其特征在于，所述制冷性能系数的计算步骤为：通过传感检测单元采集制冷剂质量流量参数以及系统换热部件进出口的压力参数与温度参数，由控制单元根据压力参数与温度参数计算得到对应位置的制冷剂焓值，结合质量流量参数计算得到系统换热量，再结合压缩机运行功率计算得到系统的制冷性能系数。