CN101065624A - 具有可控热回收的制冷系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种从制冷剂回路提供可控回收热量的方法，包括以下步骤：提供包括通过制冷剂流动管线而串联连接起来的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器的冷却回路；提供包括热回收热交换器的热回收回路，其中热回收回路与冷却回路连接，使得热回收热交换器与冷凝器并联，热回收热交换器基于终端用户对热量的需求而与待加热的流体形成热交换关系；以及使制冷剂选择性地流过制冷回路的冷凝器和热回收回路的热回收热交换器，从而将流体的温度保持在终端用户提供的在设定值附近的温度带内。

Description

具有可控热回收的制冷系统和方法
            对临时专利申请的交叉引用
本申请要求享有于2004年9月30日提交的、共同待决并共同拥有的临时专利申请No.60/615440的优先权。
                 发明背景
本发明涉及一种用于按终端用户要求基于灵活原则来提供的热回收制冷系统和方法。
制冷装置的冷却回路通常包括热回收装置，其允许将压缩机排出制冷剂的热量用于加热其它流体。这类系统应用的一个示例是为了满足大厦热水需求而对水进行加热。该装置有利地利用这类热量来满足其它的能源需要。
各种不同大厦或其它终端用户关于从制冷剂回路中提供给其它流体热量的需求因终端用户的不同而不同，该需求对于任何终端用户还可随时间的变化而明显不同。
令人遗憾的是，具有热回收回路的制冷系统不能提供足够的灵活性来满足不同终端用户的各种需求，以及单个终端用户随时间而改变的需求。
本发明的主要目的是提供一种满足这些需求的系统和方法。
本发明的其它目的和优点将在下文中体现。
                    发明概要
根据本发明，已经容易地获得了前述的目的和优点。
根据本发明，提供了一种从制冷剂回路提供可控回收热量的方法，该方法包括以下步骤：提供包括有通过制冷剂流动管线串联地连接的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器的冷却回路；提供包括热回收热交换器的热回收回路，其中，热回收回路与冷却回路连接，使得热回收热交换器与冷凝器并联(in parallel)，热回收热交换器与终端用户需要热量的流体具有热交换关系；以及选择性地使制冷剂流过制冷回路的冷凝器和热回收回路的热回收热交换器，从而使流体的温度保持在终端用户设置的设定值附近的温度带内。
本发明的系统可进一步包括多个冷却回路和多个热回收回路，并且所述选择性地使制冷剂流动步骤可以适当地包括，选择性地使制冷剂流过一个或多个热回收回路的热回收热交换器。
上述的系统和方法允许利用热回收热交换器来灵活地加热流体，从而利用单个系统来满足不同终端用户的不同的和变化的热回收需求。
                    附图简介
下面参考附图详细地描述了本发明的优选实施例。
图1示意性描述了根据本发明的适于冷却和热回收操作的单个回路；
图2示意性描述了根据本发明的多个回路的系统实施例；
图3描述了根据本发明的系统的操作，该操作利用本发明的系统的热回收操作将流体温度保持在特定的温度带内。
                    详细描述
本发明涉及一种包括至少一个热回收回路的制冷系统。该系统可以在传统冷却模式和热回收模式下选择性地运转，其中，在热回收模式下实现热量从已加热的制冷剂流体传递给期望加热的流体。该流体的一个示例是满足终端用户对热水需求的水，例如大厦的热水需求。本发明的系统可以用于加热诸如这类水的流体，并以同一系统来满足广泛变化的需求的这种方式起作用。具体而言，该系统可以用于提供较宽范围的不同温度设定值的加热流体，该流体温度处于设定值的选择范围内。
图1显示了包括制冷回路的系统10，该制冷回路包括压缩机12、冷凝器14、膨胀装置16和蒸发器18。尽管连接这些不同元件的管线将在下面进一步讨论，但是应当易于理解的是，这些串联地运转的元件限定了典型的制冷回路。来自压缩机12的压缩制冷剂顺序地通过冷凝器14和膨胀装置16而到达蒸发器18，其中制冷剂按要求而冷却空气流。从蒸发器18来的制冷剂然后回到压缩机12，完成循环。从压缩机流出的制冷剂具有足够高的温度，使得热量可以有效地传递到其它流体上去，例如传递到必须加热到足够温度来满足典型的室内、商用或个人热水需求的水中。
图1进一步显示了热回收热交换器20，其定位成用于接受系统10的制冷剂，并将热量从制冷剂交换到单独的流体流上(如图2所示，将在下面描述)，从而按要求加热该流体。该流体可以是满足大厦热水需求的水，或是可以有利地利用从制冷剂传递来的热量的任何其它流体。
图1还显示了用于控制系统10在各种不同模式下运转的控制单元22，这些模式将在下面进一步讨论。
为了按本发明要求那样运转，可以控制系统10使得制冷剂从压缩机12流向冷凝器14或热回收热交换器20。当制冷剂从压缩机12流向热回收热交换器20时，高温制冷剂按要求而有利地将热量通过热交换器20传递给要加热的流体。
一系列的阀24、26、28和30沿系统10的管线设置并由控制单元22控制，以便控制制冷剂从压缩机12流向冷凝器14或热回收热交换器20，同时还按要求来引导从这些元件流出的流。因此，从压缩机12流出的流经过压缩机排出管线32，到达延伸穿过阀24的第一支路34而到达冷凝器14，并且流过延伸通过阀28的第二支路36到达热回收热交换器20。从冷凝器14流出的排出流经过冷凝器排出管线38并经过流至膨胀装置16的第一支路40，并且经过流经阀26和管线44到蒸发器18的第二支路42。从蒸发器18流出的流经过管线46到达压缩机12。
图1还显示了单向阀54、56，其有利地用来按要求保持流体流经系统10的管线。
于2005年9月30日提交的、共同待决并共同拥有的美国专利申请No.10/957181的公开了一种用于管理图1所示系统中制冷剂容量的方法，并公开了一些方法，其中存储在任一个处于待用状态的冷凝器14和热回收热交换器20中的制冷剂用于保持过冷温度或饱和温度处于设定值的范围内。该申请(序列号No.10/957181)通过引用而整体地结合于本文中。
该系统在冷却模式中如上述那样运转，其中阀设定在当没有流体流过热回收热交换器20时运转。在该操作过程中，当冷凝器14释放热量到众所周知的外部特定区域时，热交换器20存储制冷剂，同时蒸发器18冷却待冷却的空气流，这是众所周知的。
在热回收模式中，从压缩机12流出的流经过管线36到开启的阀28，使得制冷剂进入热回收热交换器20。在热交换器20中，制冷剂释放热量给待加热的流体、例如水。从热交换器20来的流流到冷凝器排出管线48，并从那里经过管线52到达膨胀装置16并再到蒸发器18。传感器58可以有利地沿制冷剂管线设置，其优选刚好设置在膨胀装置16的上游，并被用来测定该点处的制冷剂的性能。
控制单元22不但与阀24、26、28和30中的每一个操作式地连接，而且与传感器58和膨胀装置16连接，如图1中虚线所示。对控制单元22有利地进行编程，以便基于传感器58的反馈信息的位置控制上述各种阀，并从而判定各种阀的位置，以便在无热回收热交换器的冷却模式下或热回收模式下运转，并按要求在这些模式之间循环。通过本发明在冷却模式和热回收模式之间的循环，0％～100％的系统容量的期望热量可以传递给要加热的流体。在图2所示的将在下面讨论的实施例中，同样优选使用控制单元22并以类似模式来连接和编程，从而提供期望的回收热量。在该实施例中，控制单元22的编程应当优选进一步包括在热回收模式下实现步进式或其它可控方式的变化的量。换句话说，图2实施例中的控制单元22可以进行编程，以便每次改变或循环一个回路，从而保持受热流体的期望温度。
阀26、30用于选择性地回收存储在待用的冷凝器14或热交换器20中的充填的制冷剂。该充填的制冷剂可以帮助控制由传感器58测定的制冷剂过冷温度或饱和温度。当从冷凝器14中回收充填的制冷剂时，开启阀26，以允许充填的制冷剂流经管线42、44到蒸发器18，当从热交换器20中回收充填的制冷剂时，开启阀30，以允许充填的制冷剂从热交换器20流过管线50到达蒸发器18。
图2显示了本发明的另一个系统，其另外显示了两个不同的回路10A和10B，每一个回路选择性地与蒸发器18和热回收热交换器20连接。在该实施例中，各个回路10A和10B均流向同一蒸发器18和同一热回收热交换器20，但是其它的配置也是可能的，并完全属于本发明的广义范围内。
图2的系统可利用两个独立操作的回路10A和10B来操作，其方式与图1所示系统的操作方式类似。各个回路10A和10B具有与针对图1如上所述相同类型的元件。因此，这些元件的进一步描述在这里就不重复。
图2显示了具有热交换管线60的热回收热交换器20，其中热交换管线60将流体带到提供热量的地方。
应当易于理解，根据终端用户的需求，图2的系统中可以使其中的一个或两个回路运转在热回收模式下，并且这会用来更好地给终端用户提供期望的回收热。
图3显示了本发明操作的一个示例。如图所示，终端用户将选择用热回收热交换器来进行处理的流体的预期温度设定值。该系统采用合理的公差来设置围绕设定值的温度带，并测定流体的温度。图3显示了该系统中的温度随时间的变化，该图起始于热回收热交换器未使用时。当流体的温度(图3中标为“冷凝器水温”)逐渐下降时，流体的温度将最终到达设定值温度带的下限。对系统进行编程，使得当温度到达下限时，对阀进行控制，使得至少一个回路运转在热回收模式下，从而给流体提供热量，并因此保持流体温度位于该温度带内。图3显示了流体温度在热回收模式下运转后相应地升高。当温度到达设定值范围的上限时，在热回收模式下运转的压缩机回路被关闭，流体的温度再次下降。
重复该循环，当温度达到下限时打开热回收模式，当温度达到该温度带高位时关闭热回收模式。
图3显示了仅具有一个热回收热交换器的系统的简单描述。应当理解，可以提供多回路的系统、在较宽工作范围内的不同范围可适用于促使添加更多的回路到热回收模式中，和/或移除在热回收模式下运转的多个回路中的一个，从而按要求更加灵活地保持被加热的流体的温度。
在这点上，根据本发明，对控制单元22进行编程，使得该系统运转在冷却模式下和热回收或热收回模式下，下面将描述用于两回路系统的合适编程。在该描述中，由于冷凝器14通常由外部空气冷却，因此该冷凝器14被称为空气冷却冷凝器，由于热回收热交换器由在一个实施例中为水的受热流体来冷却，因此热回收热交换器被称为水冷冷凝器。
控制单元22的软件或编程控制从空气冷却操作到回收操作的切换或从回收操作到空气冷却模式操作的切换。在空气冷却操作中，冷凝器14被视为是启用的(active)，这是因为大部分制冷剂从中流过，热回收热交换器20被视为是待用的(inactive)，这是因为仅有偶然量的制冷剂流经该热交换器，例如由于有缺陷的阀所导致。该定义的相反描述同样适用于术语“启用”，也就是说，在热回收模式下，制冷剂的大部分流经热回收热交换器，只有偶然量的制冷剂流到冷凝器14。
从回收操作到空气冷却操作的切换可能由下面所述各项引起：由该控制单元上的本地、远程或其它指令导致的手动回收选择改变。尽管已经选择了回收操作，但是，还可能由热回收温度变化引起切换。根据本发明，提供了一种算法，用于监控进入回收传感器温度并将其与回收设定值比较，从而判定回收是否启用。
如果当前已启用或已经选择了回收功能，那么回收操作将在该进入回收温度低于回收设定值时启用。
基于该进入回收温度与回收设定值之差，控制单元22判定是否需要一个或两个回路来提供热回收容量。在这种模式下，控制单元22保持流体的温度尽可能接近预期的设定值，并同时避免从空气冷却操作到回收操作或从回收操作到空气冷却操作循环的频繁切换。用于控制单元22的编程将参考下表进行进一步描述。
  hr_ewt   回收选择   在回收时回路的数量   在回收时回路数量状况的变化
  -   否   0   -2
  hr_ewt＜rsp-hr_deadb/2   是   -   +2
  rsp-hr_deadb/2＜hr_ewt＜rsp-hr_deadb/4   是   0   +1
  rsp-hr_deadb/2＜hr_ewt＜rsp-hr_deadb/4   是   1   未变化
  rsp-hr_deadb/4＜hr_ewt＜rsp+hr_deadb/4   0   -   未变化
  rsp+hr_deadb/4＜hr_ewt＜rsp+hr_deadb/2   0   1   未变化
  rsp+hr_deadb/4＜hr_ewt＜rsp+hr_deadb/2   0   2   -1
  hr_ewt＞rsp+hr_deadb/2   0   -   -2
根据本发明，周期地使用抽空进程(pumpdown session)来回收存储在待用的热交换器中的制冷剂。进一步根据本发明，优选两个回路不应同时启动抽空进程。因此每一个回路具有其自身的回收功能，下面的描述适用于这两个回路。
对于从非回收操作到回收操作的转换，优选使用下面过程：
验证回路已经在冷却模式下运转超过2分钟。
如果回收选择已启用，则打开回收冷凝器泵。
验证冷凝器流动已经建立：不过不是，则在1分钟延迟后，回收操作将中止，并会显示警告。
检查回收进水是否需要回路转到热回收进程并检查从空气冷却到回收操作的切换的数量是否不高于每小时4次，以及最后一次切换是否在7分钟的延迟内未发生。
等到饱和冷凝温度减去饱和吸入温度大于10华氏度(10℃)。
通过开启水冷凝器进水阀并在3秒后关闭空气冷凝器阀，来启动空气冷凝器抽空进程。
在持续1分钟之后或一旦过冷超过13华氏度时，执行回收操作。
对于从回收到非回收模式的切换，切换优选按下面步骤进行：
通过开启空气冷凝器进口阀并在3秒后关闭水冷凝器阀，来启动水冷凝器抽空进程。
如果回收选择不再被启用，则关闭冷凝器泵。
根据本发明，优选例如以每3秒的间隔来运行功能，以便在回收操作中正确地调节过冷(不推荐更长的间隔)。
在热回收操作中，太多的制冷剂充填(高过冷)会导致高的冷凝温度，通过开启空气冷凝器进口阀将气体注入空气冷凝器是十分必要的，这是例如通过一次开启阀持续3秒、并每20秒重复来实现的。
在热回收操作中，损失的气体(制冷剂)可能导致不良的加热性能和/或低过冷。为了解决这个问题，通过开启留下的空气冷凝器排气阀一次持续3秒、并每20秒重复，而将气体注入水冷凝器中(这是空气冷凝器抽空，这是因为其容量通常大于回收冷凝器容量，制冷剂仍然留在空气冷凝器内)。只有当空气压力和吸入压力之间的压力差有效时，这种抽空才起作用。如果回收水温较高或者饱和冷凝温度不太高或过热不太低时，则不应进行气体注入。
在这点上，在温度范围的高点和低点之间的波动或差异尤其取决于接受热量的流体的功率容量。换句话说，流经热交换器的水越多，水温度的变化将越平缓。因此，终端用户可以决定需要与流出流体温度相关的稳定性水平，并可以基于相同因素来调节流经热回收热交换器的水量。作为一个非限定性示例，下面的表1陈述了与所需的水的体积相关的一系列不同的稳定性。
  稳定性   体积
  2℃   40l/kw
  3℃   30l/kw
  4℃   20l/kw
  5℃   15l/kw
应当易于理解，本发明的系统和方法为终端用户的加热流体要求有利地提供了非常灵活的规范。
应当理解的是，本发明不限定于这里描述和显示的示例，这些示例被认为仅仅是说明了实施本发明的最佳模式，并且可以容易地对其形式、尺寸、零件布置和操作细节进行修改。本发明旨在包括属于权利要求限定的发明实质和范围内的所有这些修改。

Claims (5)

1.一种用于从制冷剂回路中提供可控的热回收量的方法，包括以下步骤：
提供冷却回路，所述冷却回路包括通过制冷剂流动管线而串联连接起来的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器；
通过包括热回收热交换器的热回收回路，所述热回收回路与所述冷却回路连接，使得所述热回收热交换器与所述冷凝器并联，所述热回收热交换器基于终端用户对热量的需求而与待加热的流体形成热交换关系；
使制冷剂选择性地流过所述制冷回路的冷凝器和所述热回收回路的热回收热交换器，从而将所述流体的温度保持在由所述终端用户提供的在设定值附近的温度带内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括多个冷却回路和多个热回收回路，其中，所述使制冷剂选择性地流动的步骤包括，将流体的温度与流体温度设定值比较，并且当所述流体的温度低于所述流体温度设定值时，增加启用的热回收回路的数量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当所述流体温度高于所述流体温度设定值时减少启用的热回收回路的数量的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括这样的步骤，即使所述热回收回路在启用模式和待用模式之间循环，其中，在所述启用模式下，大部分制冷剂经过所述热回收热交换器并将热量传递给与所述热回收热交换器具有热交换关系的流体，在所述待用模式下，大部分制冷剂流到所述冷凝器。
5.一种具有可控热回收的制冷系统，包括：
冷却回路，其具有通过制冷剂流动管线而串联连接起来的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器；
具有热回收热交换器的热回收回路，所述热回收回路与所述冷却回路连接，使得所述热回收热交换器与所述冷凝器并联，其中，所述热回收热交换器基于终端用户对热量的需求而与待加热的流体形成热交换关系；
控制单元，其被进行编程，以便使制冷剂选择性地流过所述制冷回路的冷凝器和所述热回收回路的热回收热交换器，从而将所述流体的温度保持在由所述终端用户提供的在设定值附近的温度带内。
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