一种应用经济器的冷水机的制作方法

1.本发明涉及激光冷水机技术领域，尤其涉及一种应用经济器的冷水机。


背景技术：

2.随着激光应用场景的使用越来越广泛，且激光器的冷却部分是冷水机，这也就对激光冷水机的需求也越来越多，要求也越来越高。同样的机器系统配置能够发挥更大的制冷能力将是一种发展趋势。
3.冷水机的核心部分就是制冷系统，目前冷水机的制冷系统一般是压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器等组成的回路，制冷剂在此循环中运转实现冷水机的制冷，为提高系统蒸发器的制冷量，通常是加大个系统部件或者或者经济器和专用的曾焓压缩机配套使用，曾焓压缩机除了排气和回气管外，有单独的一个补气口。经济器有板换式经济器和闪发式经济器，都是起到提高系统制冷能力的作用。
4.现有的冷水机中都是单制冷系统，虽然增加经济器可以提高冷水机的制冷能力，但经济器使用对于低温工况的制冷系统提高明显，而冷水机的蒸发温度接近20℃的超工况，直接使用现有的经济器系统来提升制冷能力，会受到运行工况和成本大幅增加的限制，且经济器的分流配比、主路过冷度、经济器大小和经济器入口取点位置等都无法确定的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种相对于含曾焓压缩机的过冷冷水机系统结构更加简单，使用和维护成本更低，制冷效果更稳定的应用经济器的冷水机。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
7.一种应用经济器的冷水机，包括压缩机1、冷凝器2、蒸发器4，压缩机1出口经过高压高温回路l0连接至冷凝器2，蒸发器4通过高温低压回路l1连接至压缩机1入口，还包括第一节流装置3、第二节流装置5、经济器6；冷凝器2输出经过第一支路l2和第二支路l3分别连接至蒸发器4入口和压缩机1入口，一支路l2和第二支路l3回路通过经济器6进行热交换，所述第一节流装置3、第二节流装置5设置于两个支路上，连接至蒸发器4入口的支路为放热回路，连接至压缩机1入口的支路为吸热回路。
8.对前述应用经济器的冷水机的进一步改进或者优选实施方案，第一支路l2从冷凝器2出口分流后经第二节流装置5接入经济器6进行吸热后汇合蒸发器4回流返回至压缩机1入口；第二支路l3从冷凝器2出口分流后进入经济器6中放热过冷后经过第一节流装置3进入蒸发器。
9.对前述应用经济器的冷水机的进一步改进或者优选实施方案，第一支路l2从冷凝器2出口分流后经第二节流装置5接入经济器6进行吸热后汇合蒸发器4回流返回至压缩机1入口；第二支路l3从冷凝器2出口分流后经过第一节流装置3进入经济器6中放热过冷后进入蒸发器。
10.对前述应用经济器的冷水机的进一步改进或者优选实施方案，第一支路l2由第二支路l3接入经济器6进行过冷后分路形成，第二支路l3的分路一路经第一节流装置3进入蒸发器4，另一路构成第一支路l2经第二节流装置5进入经济器6进行放热。
11.对前述应用经济器的冷水机的进一步改进或者优选实施方案，所述第二节流装置5的流量远小于节流装置3，经济器6的换热效率远小于蒸发器4。
12.其有益效果在于：
13.本技术的应用经济器的冷水机相对于现有的各类冷水机，通过利用更加简单的过冷系统以及更多方便的控制方式，能够实现提高系统逐鹿过冷能力，简化系统过冷控制方式的目的，相较于现有的増熵方案相比，成本大幅下降，对原有结构的改动内容较少，且控制方式更为简单快捷，实现降本增效的目的。
附图说明
14.图1是传统冷水机的系统结构示意图；
15.图2是本技术提供的第一型传统冷水机的系统结构示意图；
16.图3是本技术提供的第二型传统冷水机的系统结构示意图；
17.图4是本技术提供的第三型传统冷水机的系统结构示意图；
18.图5是本技术提供冷水机的系统控制方案示意图；
19.图6是冷水机使用经济器后制冷系统的压焓图；
20.图7是第一型传统冷水机的换热原理示意图；
21.图8是第二型传统冷水机的换热原理示意图；
22.图9是第三型传统冷水机的换热原理示意图；
23.图10是实施例中经济器喷气比与制冷量关系示意图；
24.图11是实施例中经济器喷气比与主路过冷度关系示意图。
具体实施方式
25.以下结合具体实施例对本发明作详细说明。
26.现有的冷水机的制冷系统如附图1，由基本的压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器等几个主要部件组成，本发明的经济器制冷系统如附图2、图3、图4所示，由压缩机1、冷凝器2、节流装置3、蒸发器4、电子膨胀阀5、经济器6、用于检测冷凝器2输出温度pm的第一温度传感器t1、用于检测蒸发器输入温度pn的第二温度传感器t2用于控制控制阀5的电控单元；
27.与现有的基于増熵压缩机来实现过冷的制冷系统不同，本发明基于经济器而以及双控制阀来建立过冷系统，利用电子膨胀阀5实现制冷系统主蒸发器制冷量的提升，其中，主路进入蒸发器的液体在经济器中再次冷却，增加主路的过冷度，降低进入主蒸发器前制冷剂的焓值，实现主蒸发器制冷量提升，本发明的经济器系统中压缩机为非增焓压缩机，经济器的出口直接连接到压缩机的回气管中，其控制方式如图5所示。
28.以某型产品为例，在实际实施时，蒸发器4为氟——水的热交换，水路32℃进28℃出的情况，选取的制冷剂为r32和r410a,蒸发温度选取约20℃，冷水机的高温运行环境温度40℃左右，根据冷凝温度高于环境温度15～20℃的情况，在保证系统能承受压力情况下冷凝压力选取3.8～4.0mpa，对应冷凝温度60℃左右，通过测试得到其压熵图如图6所示，可以
看出冷水机的运行工况明显超出压缩机的测试工况环境温度35℃，蒸发温度7.2℃，冷凝温度45℃，液体管温度36.7℃，吸气温度18.3℃，测试风速1m/s等，不同压缩机会有不同运行条件，冷水机工况下压缩机是超工况运行，制冷量也会变化，为便于对系统进行更更高效的控制，优化系统内部热循环方式，同时便于快速确定产品型号参数等，提高系统制冷效率，基于本技术的基本结构，进行测试和生产分析，确定的最优使用结构和工艺参数如下：
29.压缩机的额定制冷量的数学公式：压缩机r410a额定制冷量＝冷水机需求制冷量
÷
1.45～1.55；在不增加经济器的情况下，压缩机额定制冷量确定：r410a：冷水机需求制冷量
÷
1.20～1.25；r32：冷水机需求制冷量
÷
1.25～1.40，根据上述的公式就可以选取合适的压缩机。
30.冷凝器换热量的数学公式：冷凝器散热量＝1.144～1.188*(压机名义制冷量+压机名义功率)，换算设计面积，冷凝器散热量＝[设计面积
÷
a]
÷
(压机名义制冷量+压机名义功率)，其中，当冷水机需求制冷量25kw及以下时a＝0.503m2/kw；当冷水机需求制冷量40kw及以上a＝0.861m2/kw，其他的取中间值；冷凝器的设计面积是指换热面积。
[0031]
冷凝器的散热和风机是紧密关联的，风机大小和冷凝器的大小共同决定了冷凝器的散热量，本专利就根据数学计算找到冷凝器和风机的平衡点，不至于风机或冷凝器过大造成成本富余，风机参数数学公式：风机性能曲线对应风量20pa＝0968～1.102*[(300～400m3/h/kw)
×
(压机名义制冷量+压机名义功率)]。
[0032]
蒸发器参数的确定：设计面积＝设计制冷量*1.0384～1.0736*0.030m2/kw，板换设计面积＝单片面积*总片数-2。
[0033]
板换经济器的参数确定：经济器的设计面积＝设计制冷量*12％*0.12
㎡
，经济器的参数确定使冷水机制冷量增幅最大同时，使用最小经济器能够满足，经济器过大就会造成成本上的富余浪费，过小冷水机制冷量增幅会减小。
[0034]
本专利经济器系统中的主路和辅路流量配比参数，见附图9，根据能量守恒定律，经济器两路的换热量相等，h3-h4*i(主)＝h5-h3’*i(辅)，i(主)/i(辅)＝h5-h3’/h3-h4,式中h为焓值，i为制冷剂的流量，每一点的焓值可以根据实际情况的压力、温度和制冷剂的物性参数查到，以此确定经济器流量和主路分配比例，根据计算和测试辅路流量为主路流量12.377％时，冷水机制冷量最大，如附图10、图11。
[0035]
经济器大小确定后，主路过冷度是根据电子膨胀阀调节主、辅两路的流量配比来调节的：根据制冷循环和冷水机工况，te＝20℃，tc＝60.77℃，确定压机排量，主路冷凝器过冷度，回气过热度，可以再根据制冷系统原理计算系统各个点的参数温度、压力、焓值、质量流量、比容等，再选取经济器流量分配和主路过冷度确定最佳参数点，如附图2计算出来的最佳工况点压焓图附图10，可以确定辅路流量为主路流量12.377％,主路过冷度11.5℃时，主板换制冷能力最大。附图6是冷水机使用经济器后制冷系统的压焓图，原理图是附图2，制1～6是制冷剂在制冷系统每个原件上的压力和焓值的状态点，tc是冷凝温度和冷凝温度一一对应，如tc＝60.77，压力为3.9mpa,,te是蒸发温度，主蒸发器和经济器因节流不一样导致蒸发温度不一样，从压焓图中就可以直观看出主蒸发器制冷为h6-h4*流量。
[0036]
本发明经济器系统控制两个节流装置的流量比例，经济器的电子膨胀阀5由电控单元控制，电控单元根据主路过冷度tm-tn进行控制膨胀阀5的开启大小，实现最佳配比时的主蒸发器的制冷量增大，常规螺杆压缩机使用经济器时，通过改变。
[0037]
本发明主路经济器连接主路进出口端都有温控探头tm和tn，探头检测是温度反馈给电控板，电控板根据过冷度tm-tn来输出信号给电子膨胀阀5，及时调整经济器系统的最大化制冷量。
[0038]
本发明运用的是制冷系统的函数计算，根据冷水机制冷剂和运行的工况，检测出相对应的温度点和压力数值，同时调用refprop软件的制冷剂物性参数函数数据建立的经济器制冷系统各个点的关联数学模型，将结果范围写入电控中，电控根据系统中检测的温度tm、tn和压力数据pm、pn，来调整电子膨胀阀5的开合度，实现经济器系统最佳流量分配达到制冷量的最大化。控制逻辑如附图5，电控中设定过冷度为t011～13℃,与实际检测
△
t比较，当
△
t＜t0下限，电子膨胀阀5开度增大，当
△
t＞t0上线，电子膨胀阀5开度减小。
[0039]
跟经济器辅路进口取液方式决定经济器的大小和主路更大的过冷度，本发明经济器系统改变经济器进口取液点的位置来增大制冷系统的蒸发器的制冷量，同时板换经济器6本身的大小也会有一定的变化。附图2和附图4的经济器的进口取液位置点都不一样，相同条件工况下，经济器的换热量不一样，如获取相同过冷度tm-tn，附图4的经济器的比附图2的要小，具体见附图7，则系统的制冷量系统配置和各工况点相同:
[0040]
如附图2经济器的换热量原理图见附图7推导：
[0041]
冷凝器散热量：(q+i)*(h3-h4)
[0042]
蒸发器换热量：q*(h1-h6)
[0043]
经济器换热量：q*(h4-h5)＝i*(h8-h7)
[0044]
式中q、i为流量，h1～h8为焓值。
[0045]
如附图4经济器的换热量原理图件附图8推导：
[0046]
则系统的制冷量系统配置和各工况点相同:
[0047]
冷凝器散热量：(q+i)*(h3-h4)
[0048]
蒸发器换热量：q*(h1-h6)
[0049]
经济器换热量：(q+i*(h4-h5)＝i*(h8-h7)
[0050]
式中可以看到，附图4的取液方式经济器的换热量为(q+i*(h4-h5)大于附图2的换热量q*(h4-h5)，其他条件不变情况下，附图4可以给主蒸发器4更大的过冷度。本发明另外还有见附图3板换经济器6是冷却主路节流阀3闪发后制冷剂，是进入主蒸发器4制冷剂的焓值低，同样是增大制冷量的作用。
[0051]
本发明经济器系统由如下3种取点方式，同样是控制主路的过冷度、经济器的配比和经济器的方法确定各点参数，通过主路在进入经济器前后的过冷度
△
t反馈电控来控制电子膨胀阀的开合度。第一种见附图2是主路冷凝器和节流装置之间管路进入经济器，即给主路液体管降温将焓；第二种见附图3是主路节流装置和蒸发器之间管路进入经济器，即给主路的闪发制冷剂再次降温，降低机内主路的制冷剂的温度；第三种见附图4主路节流装置和蒸发器之间的管路进入经济器，而经济器辅路的进口靠近主路节流管进口端。
[0052]
本发明使用的板换经济器，板换经济器是氟—氟热交换，且板换热交换充分，换热效率高。
[0053]
本发明不是增焓压缩机，经济器的回气管直接和主回气管汇合的方式进入压缩机回气管，增加制冷量的同时会导致回气和排气温度比单系统略高，运用到此经济器系统中能够满足系统和制冷量要求。
[0054]
本经济器的系统结构原理第一种如附图2，系统由压缩机1、冷凝器2、节流阀3、蒸发器4、电子膨胀阀5、板换经济器6和水路7组成，蒸发器与外界激光器循环水进行热交换，压缩机1将高温高压的制冷剂输送到冷凝器2冷凝散热，在冷凝器2出口处分流，一路进入节流阀3后的低压低温的制冷剂在主板蒸发器4中进行热交换，另一路分流到电子膨胀阀5中节流在经济器6中蒸发吸热，给冷凝器出口到节流阀3段降温，使进入节流阀3的制冷剂温度降低，增加此段的过冷度，然后和主板换制冷剂混合进入压缩机1，本系统结构中电子膨胀阀5的流量远小于节流阀3，板换经济器6的大小远小于蒸发器4。
[0055]
本经济器的系统结构原理第二种如附图3，系统结构和第一种一样，经济器6的位置不一样，在冷凝器2出口的制冷剂分流，电子膨胀阀5节流后再经济器6中闪发吸热，给节流阀蒸发的制冷剂再次降温，达到进入主办换蒸发器4的蒸发温度降低，系统中电子膨胀阀5的流量远小于节流阀3，所以节流阀3出口制冷剂的蒸发温度比电子膨胀阀5的低，可以进一步换热，后从经济器6出口端和蒸发器4出口端合并回到压缩机。
[0056]
本经济器的系统结构原理第三种如附图4，系统结构和第一种一样，经济器6的位置不同，在过冷后的管路进入节流阀3前端分流，一路进入节流阀3节流闪发在蒸发器4中换热，另一路经过电子膨胀阀5节流闪发进入经济器6中换热，进入电子膨胀阀5之前的液体制冷剂是已经被冷却过的，减小制冷剂干度，经过电子膨胀阀5后进入经济器6换热后和蒸发器4出口端合并进入压缩机。
[0057]
本发明经济器系统已经应用到其x
[0058]
型号的冷水机中，根据建立的数学模型参数，需求制冷量计算出压缩机工况下额定制冷量，快速选用出压缩机、配套的经济器板换大小、不同的流量配比即节流阀3和电子膨胀阀5的流量关系、冷凝器散热量、风机的大小、蒸发器大小、和主路过冷度等参数，进行测试，得到蒸发器4最大制冷量的增幅12％～16％，电子膨胀阀5的流量是节流阀3流量的11％～14％，冷凝器2出口经过经济器冷却后过冷度在10～12℃之间，得出最大的冷水机制冷量。
[0059]
目前的激光冷水机的制冷系统基本上是一套单系统，也就是只有压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器等几个基本部件组成的，而这样的系统制冷量需要进一步的提升，就只能增大压缩机、冷凝器或者蒸发器，并且不能较精确设计出增大的量，成本耗费高，性价比低。本发明的经济器系统目的，通过数学模型推导的计算公式，确定压缩机额定制冷量、冷凝器散热面积、风机风量、不同的经济器接入点和分配制冷剂流量最优比例，自动调节主路供液过冷度达到最佳值，确定灌氟量等核心技术参数，解决经济器使用在冷水机上制冷量大幅提升的问题，通常使用本经济器参数模型，可以是冷水机制冷量增加10～15％。
[0060]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种应用经济器的冷水机，其特征在于，包括压缩机(1)、冷凝器(2)、节流装置(3)、蒸发器(4)、控制阀(5)、经济器(6)；压缩机(1)出口经过高压高温回路(l0)连接至冷凝器(2)，冷凝器(2)输出分出第一支路(l2)和第二支路(l3)；第一支路(l2)经过经济器(6)的蒸发吸热回路后返回压缩机(1)入口，所述控制阀(5)设于第一支路(l2)上用于控制第一支路(l2)的流量；第二支路(l3)经过经济器(6)的冷凝散热回路、蒸发器(4)的蒸发吸热回路后返回压缩机(1)入口；节流装置(3)设于第二支路(l3)上用于控制第二支路(l3)的流量；还包括：用于检测冷凝器(2)输出温度pm的第一温度传感器(t1)、用于检测蒸发器输入温度pn的第二温度传感器(t2)用于控制控制阀(5)的电控单元；电控单元根据主路过冷度
△
t＝tm-tn对控制阀(5)的开启大小进行控制，当主路过冷度不足，则增大控制阀(5)流量，过若主路过冷度超过限值，则减小控制阀(5)流量。2.一种应用经济器的冷水机，其特征在于，包括压缩机(1)、冷凝器(2)、节流装置(3)、蒸发器(4)、控制阀(5)、经济器(6)；压缩机(1)出口经过高压高温回路(l0)连接至冷凝器(2)，冷凝器(2)输出分出第一支路(l2)和第二支路(l3)；第一支路(l2)经过控制阀(5)以及经济器(6)的蒸发吸热回路后返回压缩机(1)入口；所述控制阀(5)设于第一支路(l2)上用于控制第一支路(l2)的流量；第二支路(l3)经过经济器(6)的冷凝散热回路以及蒸发器(4)的蒸发吸热回路后返回压缩机(1)入口；节流装置(3)设于第二支路(l3)上用于控制第二支路(l3)的流量；还包括：用于检测冷凝器(2)输出温度pm的第一温度传感器(t1)、用于检测蒸发器输入温度pn的第二温度传感器(t2)用于控制控制阀(5)的电控单元；电控单元根据主路过冷度
△
t＝tm-tn对控制阀(5)的开启大小进行控制，当主路过冷度不足，则增大控制阀(5)流量，过若主路过冷度超过限值，则减小控制阀(5)流量。3.一种应用经济器的冷水机，其特征在于，包括压缩机(1)、冷凝器(2)、节流装置(3)、蒸发器(4)、控制阀(5)、经济器(6)；压缩机(1)出口经过高压高温回路(l0)连接至冷凝器(2)，冷凝器(2)输出经过经济器(6)的冷凝散热回路形成第一主路(l4)；第一主路(l4)从经济器(6)穿出后分支为第一支路(l2)和第二支路(l3)；第一支路(l2)经过济器(6)的蒸发吸热回路后返回压缩机(1)入口；所述控制阀(5)设于第一支路(l2)上用于控制第一支路(l2)的流量；第二支路(l3)经过蒸发器(4)的蒸发吸热回路后返回压缩机(1)入口；节流装置(3)设于第二支路(l3)上用于控制第二支路(l3)的流量；还包括：用于检测冷凝器(2)输出温度pm的第一温度传感器(t1)、用于检测蒸发器输入温度pn的第二温度传感器(t2)用于控制控制阀(5)的电控单元；电控单元根据主路过冷度
△
t＝tm-tn对控制阀(5)的开启大小进行控制，当主路过冷度不足，则增大控制阀(5)流量，过若主路过冷度超过限值，则减小控制阀(5)流量。4.据权利要求1或2或3所述的应用经济器的冷水机，其特征在于，建立了经济器系统压缩机参数的数学模型,压缩机(r410a)额定制冷量＝冷水机需求制冷量
÷
(1.45～1.55),；
在不增加经济器的情况下，压缩机额定制冷量确定：r410a：冷水机需求制冷量
÷
(1.20～1.25)；r32：冷水机需求制冷量
÷
(1.25～1.40)，根据上述的公式就可以选取合适的压缩机。5.据权利要求1或2或3所述的应用经济器的冷水机，其特征在于，建立了经济器系统冷凝器参数的数学模型，冷凝器换热量的数学公式：冷凝器散热量＝(1.144～1.188)*(压机名义制冷量+压机名义功率)，换算设计面积，冷凝器散热量＝[设计面积
÷
a]
÷
(压机名义制冷量+压机名义功率)，
①
冷水机需求制冷量25kw及以下a＝0.503m2/kw,
②
冷水机需求制冷量40kw及以上a＝0.861m2/kw，其他的取中间值。冷凝器的设计面积就是与风流接触的面积。6.据权利要求1或2或3所述的应用经济器的冷水机，其特征在于，建立了经济器系统主板换蒸发器参数的数学模型，主板换蒸发器参数的确定：设计面积＝设计制冷量*(1.0384～1.0736)*0.030m2/kw，板换设计面积＝单片面积*(总片数-2)。7.据权利要求1或2或3所述的应用经济器的冷水机，其特征在于，建立了经济器系统板换经济器参数的数学模型，板换经济器的参数确定：经济器的设计面积＝设计制冷量*12％*0.12(
㎡
)。8.根据权利要求1或2或3所述的应用经济器的冷水机，其特征在于，建立经济器系统主路和辅路流量比数据模型，所述控制阀(5)的流量为节流装置(3)流量的11％～14％。9.根据权利要求1或2或3所述的应用经济器的冷水机，其特征在于，建立经济器系统主路过冷度数据模型，所述主路过冷度限值为10～12℃。10.根据权利要求1或2或3所述的应用经济器的冷水机，其特征在于，所述控制阀(5)是指电子膨胀阀。

技术总结
本发明涉及激光冷水机技术领域，尤其涉及一种应用经济器的冷水机。包括压缩机、冷凝器、蒸发器，压缩机出口经过高压高温回路连接至冷凝器，蒸发器通过高温低压回路连接至压缩机入口，还包括两个节流装置、经济器；本申请的应用经济器的冷水机相对于现有的各类冷水机，通过利用更加简单的过冷系统以及更多方便的控制方式，能够实现提高系统制冷量，简化系统过冷控制方式的目的，并且建立了经济器系统的制冷原件数学计算模型，精准选型出匹配的参数，相较于现有的増熵方案相比，成本大幅下降，对原有结构的改动内容较少，且控制方式更为简单快捷，实现降本增效的目的。实现降本增效的目的。实现降本增效的目的。


技术研发人员：柯胜亮 杨晓 祝金运 黄延峰 姜汉
受保护的技术使用者：武汉汉立制冷科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/12