CN100523662C - 去除湿度的空调设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种从空气中去除湿度的方法，其包括步骤：提供空调系统，其包括连续回路，通过连续回路，冷却剂从压缩机流出，通过冷凝器，通过热交换器，通过膨胀装置，通过蒸发器，并返回到所述的压缩机；提供旁通阀门，通过此阀门一部分冷却剂旁通通过所述热交换器；提供旁通回路，通过此回路一部分冷却剂从所述冷凝器上游点流出，在所述冷凝器下游点与所述冷却剂混合；提供排气阀，用以控制所述冷却剂的一部分通过所述的旁通回路流动；测量室外温度和相对湿度；确定冷却阶段；以及基于所述室外温度，所述相对湿度和所述的冷却阶段，操作所述旁通阀和所述排气阀，用以从所述空气中去除一部分所述湿度。

Description

两相或过冷再热系统
技术领域
本申请是2004年1月30日提交的美国专利申请号10/769,198的部分继续申请案。
本发明涉及到一种方法，其用以增加采用湿度去除的空调系统的灵活性。
背景技术
相关技术描述：传统空调系统包括三个基本部件，它们共同作用提供冷却。这三个系统部件包括压缩机，冷凝器，蒸发器。参考图1，图中示意了在本领域内已知的空调系统10。空调系统10经连续闭环网络23，通过这些运行部件，以连续运行循环移动一种工作液体或冷却剂。该冷却剂通常由氟利昂组成，但是可以由例如酒精或类似的任何液体组成，当它的温度升高和降低时，以及当它的状态在气体与液体之间改变时，能够吸收和释放热能。
冷却剂作为低压和低温气体进入压缩机11并被压缩。压缩之后，冷却剂作为高温和高压气体离开压缩机11。
冷却剂以其气体状态移动到冷凝器13。在冷凝器13，接收到的冷却剂气体在恒定压力下减少能量，当其离开冷凝器时变得完全过冷。其后，液体冷却剂继续运行到蒸发器17。
在蒸发器17处，冷却剂压力已被膨胀装置16降低。在蒸发器中，能量从空气气流获得，并且冷却剂以气体状态离开。在蒸发器17，例如将被冷却的空气最初设置在大约80华氏温度，这样的空气被风扇吹动通过蒸发器17，并被冷却到大约50到55华氏温度或者更低。
经常性地，当空气需要更大的湿气去除，提供热交换器15以进一步过冷(subcool)冷却剂。在热交换器被驱动条件下，通过蒸发器17上面的空气表现出更多潜性和显性(sensible)冷却。然而，通过热交换器15从冷却剂移走的能量，在空气离开蒸发器17后返回到空气流。这样，与热交换器15不被驱动的条件相比，空气在热交换器15被驱动的条件下在较高的干球温度(较少显性)和低集中湿度(更加潜性)离开。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种方法，用以增加采用湿度去除的空调系统的灵活性。
根据本发明，从空气中去除湿度的方法包括步骤：提供包含连续回路的空调系统，通过此回路冷却剂从压缩机流出，经过冷凝器，经过热交换器，通过膨胀装置，经过蒸发器并返回到压缩机；提供旁通阀，通过该阀一部分冷却剂旁通通过热交换器；提供旁通回路，通过该回路一部分冷却剂从冷凝器的上游点流过，在冷凝器下游点与冷却剂混合；提供排气阀，用以控制冷却剂的一部分通过该旁通回路流动；测量室外温度和相对湿度；确定冷却阶段；基于室外温度，相对湿度和冷却阶段，操作旁通阀和排气阀以从空气中去除部分湿度。
根据本发明，空调设备包含连续回路，通过该回路，冷却剂从压缩机流出，经过冷凝器，经过热交换器，通过膨胀装置，经过蒸发器并返回到压缩机；旁通阀，通过该阀一部分冷却剂旁通通过热交换器；旁通回路，通过该回路一部分冷却剂从冷凝器的上游点流过，在冷凝器下游点与冷却剂混合；排气阀，用以控制一部分冷却剂通过旁通回路流动；控制模块，用以接收室外温度，相对湿度，和回流空气温度，并控制压缩机，排气阀和旁通阀的运行。
该发明一个或更多实施例的细节在下面描述和附图中阐述。从描述和附图以及权利要求中，该发明的其它特征，目的和优点将显而易见。
附图说明
图1是本领域中已知的空调系统示意图。
图2是本发明的空调系统示意图。
图3是现有技术的冷却剂流动的压力与焓对应曲线图。
图4是本发明冷却剂流动的压力与焓对应曲线图。
图5是本发明的显示控制模块实施例的示意图。
在各种附图中类似的参考数字和指示表示类似的元件。
具体实施方式
因此，本发明的内容是提供一种方法和一种应用该方法的系统，以利用在空调系统中以前损耗的热量来消除显性冷却的不理想的影响。
有时候值得提供非显性冷却并仅仅去除湿气。在这样的情形下，通过驱动排气阀19把增加的热量加到空气中，参考图2所示，该阀门使一部分流旁通通过冷凝器13。这样做，热交换器15变成了双相混合输入的冷凝器，以及冷却剂离开热交换器15之前的过冷器。
这样根据这个方案，各种级别的湿气去除和显性冷却是可用的。
参考图2，图中示意了该发明的空调系统。最值得注意的是包括了用以使一部分排出气体旁通通过冷凝器的回路，以及沿该回路定位的排气阀19。当打开时，排气阀19允许一部分离开压缩机的热气旁通冷凝器13，当需要除去湿气时其提供了增强的灵活性。当空间的相对湿度超过需要的值时，除去湿气是经常需要的。在优选实施例中，排气阀19是螺线管。
如以上所指出的，现有技术实现使用了热交换器15，其中的热交换器15配置包含过冷单元，或者也包含绕组，在正常运行期间无需去除湿气，使用旁通阀旁通过冷器绕组。当需要去除湿气出现时，通常开着的旁通阀21(优选地为螺线管)关闭并且热交换器15中过冷绕组开启，以产生增加的潜性容量和较少的显性容量。
参考图3，图中示意了当冷却剂通过空调系统10的闭合回路时，现有技术系统的冷却剂的焓与压力对应图。点4表示到压缩机11的入口。从点4移动到点1，冷却剂在压力和能量方面增加。从点1移动到点2，冷却剂移动通过冷凝器13并且在焓方面减少，然而保持近似不变的压力。冷却剂压力然后降低，直到进入蒸发器，在此焓增加同时保持近似不变压力，直到在点4返回到压缩机
当螺线管21闭合时，冷却剂从点2到点3进一步冷却，在较低焓处进入蒸发器。蒸发器然后从空气中吸收更多的能量。然而，在空气经由热交换器15通过时，该能量返回到空气中，这样提供了更多潜性和更少显性容量(capacity)。如以上所指出的，该发明包括排气阀19，当其打开时，允许一部分热气离开压缩机以旁通冷凝器13。旁通气体与离开冷凝器的液体冷却剂混合。合成的混合物，现在为双相，进入热交换器15并被冷凝和过冷。
参考图4，图中示意了当排气阀打开时，冷却剂经过本发明回路时焓与压力的对应图。冷却剂在点5进入和离开压缩机，并且继续到点1，在此一部分冷却剂继续经过冷凝器，而余下的一部分冷却剂旁通冷凝器并继续通过排气阀19。该旁通气体从点1移动到点3。在点1通过冷凝器的冷却剂在点2离开冷凝器，与旁通气体混合，并继续运动到点3，在此进行冷却剂冷凝和过冷以及空气的再热。然后冷却剂继续进入和退出蒸发器并返回到冷凝器。
结果，热气体冷却剂和从冷凝器13离开的冷却剂混合的增加，增加了图4中的点3到点4的距离，这大于图3中的点2到点3的距离。在本发明中热量增加到冷却剂消除了显性冷却。优选地，控制流经排气阀19的冷却剂的量以产生零显性容量，即是进入蒸发器的干球温度(bulk temperature)等于离开蒸发器的干球温度。
确定打开，或开启排气阀19主要依据待冷却空间中去除湿气的需要，外面的空气温度，以及在热交换器15中执行过冷的能力。当需要去除湿气而无需冷却时，空调系统10运行排气阀19打开以提供旁路，并且关闭旁通阀21。如果需要去除湿气和冷却并且外面的空气温度为低，必须确定节约装置(economizer)模式的可用性，因此打开节气阀(damper)让外面的冷空气进入。如果节约装置是可用的，它被启动，并且打开排气阀19以提供旁通，而旁通阀21则关闭。如果需要去除湿气和冷却并且外面的空气温度是温暖的，排气阀19关闭，节约装置关闭，热交换器15运行在过冷模式。当不要求去除湿气而需要冷却时，关闭排气阀19，打开旁通阀21。采用“冷”和“暖”，含义是外面的空气分别低于或高于空调系统10要冷却的空气的所需温度或焓。
在本发明的另一个实施例中，提供一种方法确定什么时候开启压缩机11，以及打开和关闭排气阀19，旁通阀21，以实现所需要的特性。通过这个方法确定在什么情况下打开和关闭排气阀19和旁通阀21，接下来的表格限定了该方法。
Figure C200580016571D00111
上面的表格限定了压缩机模式，其中本发明的空调系统10在该模式中基于一定范围的变量操作。这些变量包括冷却阶段，室外温度，待冷却空间内的相对湿度，室外空气要求。冷却阶段分解为三种情况。在第一个冷却阶段，标签为“没有”，当系统的回流空气温度在冷却设置点之下时无需冷却。这个冷却设置点可以设置在任何需要的温度，不过一般在华氏70度到华氏80度之间，优选地，近似在华氏75度。第二个冷却阶段，标签为“第一”，包括的情况是，回流空气温度在前述冷却设置点之上，但是在冷却设置点加差量之下。不过可以选择该差量以实现所需要的范围，第一冷却阶段运行在此范围，一个典型差量是近似正或负华氏3度。最后，在标签为“第二”的冷却阶段，回流空气温度是在冷却设置点加前述差量之上。
对于上述说明的每一个冷却阶段，上面表格包括的内容显示了每种可能的组合，即低或高室外温度与预调节空间内的低或高相对湿度的组合。压缩机设置通过冷却阶段，室外温度读值和相对湿度读值的组合而确定。可能的压缩机设定包括关闭，再热，标准，以及过冷模式。基于冷却阶段，室外温度，相对湿度值，当压缩机“关闭”模式适宜时，排气阀19或螺线管21是否打开或关闭无关紧要，并且压缩机11没有开启。当确定压缩机“再热”模式适宜时，排气阀19打开，并且螺线管21关闭。当压缩机“过冷”模式适宜时，排气阀19如同螺线管21一样关闭。最后，压缩机“标准”模式适宜时，排气阀19关闭而螺线管21打开。除了“关闭”模式外，压缩机在所有其它模式中都是开启的。
参考图5，图中显示了本发明具有控制模块51的空调系统。控制模块51适合接收包括室外温度，回流空气温度，相对湿度，冷却阶段的输入，并且基于这些输入来开启或关闭压缩机11，还有打开和关闭排气阀19和螺线管21，用以有选择地操作系统工作于以上讨论的模式中。控制模块51是任何电子的，数字或模拟的适合设备，例如，通过适当的编程和/或软件来接收输入数据并向螺线管21，排气阀19和压缩机11发出控制信号。
如可从表格中明显看出的，在每一个冷却阶段模式，室外温度可以是“低”或“高”。然而“低”或“高”的值可以以任何方式限定以实现对排气阀19和螺线管21进行所需操作，低室外温度一般限定低于冷却设置点华氏3度，而高室外温度类似限定高于冷却设置点华氏3度。另外，在每一冷却阶段，对于给定的室外温度，有两个可能的相对湿度设置或变量值，特别地是“低”和“高”。可以选择相对湿度的实际值(在该值之下认为相对湿度为低而在该值之上认为相对湿度为高)以产生所需的压缩机设置。一般地，认为低相对湿度是任何低于55％相对湿度，相反，认为高相对湿度是高于55％相对湿度。当运行在节约模式时，有时候可能用室外空气代替压缩机冷却。在这样模式中，依靠室外空气要求，可以应用最小量或最大量室外空气。其后，基于对冷却阶段，室外温度，以及相对湿度的测量值，确定空调系统10的所需压缩机模式。一旦建立压缩机模式，排气阀19和旁通阀21的操作位置就限定了。
本发明的一个或更多实施例已被描述。然而，可以理解各种改进可以实现而没有离开本发明的本质和范围。有根据地，其它实施例在下面权利要求范围之内。

Claims (23)

1.一种用于从空气中去除湿度的方法，包括步骤：
提供包括连续回路的空调系统，通过所述回路，冷却剂从压缩机流出，通过冷凝器，通过热交换器，通过膨胀装置，通过蒸发器，并返回到所述的压缩机；
提供旁通阀门，通过所述阀门所述冷却剂的一部分旁通通过所述热交换器；
提供旁通回路，通过所述回路所述冷却剂的一部分从所述冷凝器上游的某点处流出，以在所述冷凝器下游的某点处与所述冷却剂混合；
提供排气阀，以用于控制所述冷却剂的所述部分通过所述的旁通回路流动；
测量室外温度和相对湿度；
确定冷却阶段；以及
基于所述室外温度，所述相对湿度和所述的冷却阶段，操作所述旁通阀和所述排气阀，用以从所述空气中去除一部分所述湿度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的确定冷却阶段包括步骤：
当回流空气温度低于冷却设置点时，确定无冷却阶段；
当所述回流空气温度高于所述冷却设置点但是低于所述冷却设置点加上差量时，确定第一冷却阶段；以及
当所述回流空气温度高于所述冷却设置点加上所述差量时，确定第二冷却阶段。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述冷却设置点是在华氏70度和华氏80度之间，所述差量近似是华氏3度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当所述室外温度低于冷却设置点华氏3度，所述相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上，并且无冷却阶段被确定时，所述操作旁通阀和排气阀的步骤包括打开排气阀和关闭旁通阀。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当所述室外温度高于冷却设置点华氏3度，所述相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上，并且无冷却阶段被确定时，所述操作旁通阀和排气阀的步骤包括打开排气阀和关闭旁通阀。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当所述室外温度低于冷却设置点华氏3度，所述相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上，并且确定为所述第一冷却阶段时，所述操作旁通阀和排气阀的步骤包括打开排气阀和关闭旁通阀。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当所述室外温度高于冷却设置点华氏3度，所述相对湿度在一选定的相对湿度实际值之下，并且确定为所述第一冷却阶段时，所述操作旁通阀和排气阀的步骤包括关闭排气阀和打开旁通阀。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当所述室外温度低于冷却设置点华氏3度，所述相对湿度在一选定的相对湿度实际值之下，并且确定为所述第二冷却阶段时，所述操作旁通阀和排气阀的步骤包括关闭排气阀和打开旁通阀。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当所述室外温度高于冷却设置点华氏3度，所述相对湿度在一选定的相对湿度实际值之下，并且确定为所述第二冷却阶段时，所述操作旁通阀和排气阀的步骤包括关闭排气阀和打开旁通阀。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当所述室外温度高于冷却设置点华氏3度，所述相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上，并且确定为所述第一冷却阶段时，所述操作旁通阀和排气阀的步骤包括关闭排气阀和关闭旁通阀。
11.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当所述室外温度低于冷却设置点华氏3度，所述相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上，并且确定为所述第二冷却阶段时，所述操作旁通阀和排气阀的步骤包括关闭排气阀和关闭旁通阀。
12.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当所述室外温度高于冷却设置点华氏3度，所述相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上，并且确定为所述第二冷却阶段时，所述操作旁通阀和排气阀的步骤包括关闭排气阀和关闭旁通阀。
13.一种空调设备包括：
连续回路，通过所述回路，冷却剂从压缩机流出，通过冷凝器，通过热交换器，通过膨胀装置，通过蒸发器，并返回到所述压缩机；
旁通阀门，通过所述阀门所述冷却剂的一部分旁通通过所述热交换器；
旁通回路，通过所述回路，所述冷却剂的一部分从所述冷凝器上游的某点处流出，以在所述冷凝器下游的某点处与所述冷却剂混合；
排气阀，以用于控制所述冷却剂的所述部分通过所述的旁通回路流动；以及
控制模块，用以接收室外温度，相对湿度，回流空气温度，以及冷却阶段，并控制所述压缩机，所述排气阀，和所述旁通阀的操作，其中，当回流空气温度低于冷却设置点时，确定无冷却阶段；当所述回流空气温度高于所述冷却设置点但是低于所述冷却设置点加上差量时，确定第一冷却阶段；以及当所述回流空气温度高于所述冷却设置点加上所述差量时，确定第二冷却阶段。
14.根据权利要求13所述的空调设备，其特征在于：当无冷却阶段被确定，所述的室外温度低于冷却设置点华氏3度，以及所述的相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上时，所述的控制模块使排气阀打开并且使旁通阀关闭。
15.根据权利要求13所述的空调设备，其特征在于：当无冷却阶段被确定，所述的室外温度高于冷却设置点华氏3度，以及所述的相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上时，所述的控制模块使排气阀打开并且使旁通阀关闭。
16.根据权利要求13所述的空调设备，其特征在于：当确定第一冷却阶段，所述的室外温度低于冷却设置点华氏3度，以及所述的相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上时，所述的控制模块使排气阀打开并且使旁通阀关闭。
17.根据权利要求13所述的空调设备，其特征在于：当确定第一冷却阶段，所述的室外温度高于冷却设置点华氏3度，以及所述的相对湿度在一选定的相对湿度实际值之下时，所述的控制模块使排气阀关闭并且使旁通阀打开。
18.根据权利要求13所述的空调设备，其特征在于：当确定第二冷却阶段，所述的室外温度低于冷却设置点华氏3度，以及所述的相对湿度在一选定的相对湿度实际值之下时，所述的控制模块使排气阀关闭并且使旁通阀打开。
19.根据权利要求13所述的空调设备，其特征在于：当确定第二冷却阶段，所述的室外温度高于冷却设置点华氏3度，以及所述的相对湿度在一选定的相对湿度实际值之下时，所述的控制模块使排气阀关闭并且使旁通阀打开。
20.根据权利要求13所述的空调设备，其特征在于：当确定第一冷却阶段，所述的室外温度高于冷却设置点华氏3度，以及所述的相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上时，所述的控制模块使排气阀和旁通阀关闭。
21.根据权利要求13所述的空调设备，其特征在于：当确定第二冷却阶段，所述的室外温度低于冷却设置点华氏3度，以及所述的相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上时，所述的控制模块使排气阀和旁通阀关闭。
22.根据权利要求13所述的空调设备，其特征在于：当确定第二冷却阶段，所述的室外温度高于冷却设置点华氏3度，以及所述的相对湿度在一选定的相对湿度实际值之上时，所述的控制模块使排气阀和旁通阀关闭。
23.根据权利要求13所述的空调设备，其特征在于：所述的控制模块适于选择地操作所述系统，在关闭模式下，所述压缩机关闭；在再热模式下，排气阀打开并且旁通阀关闭；在过冷模式下，排气阀和旁通阀关闭；以及在标准模式下，排气阀关闭且旁通阀打开。
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