CN101253374A - 使用变速压缩机的热泵水加热系统 - Google Patents
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Abstract
跨临界制冷系统包括压缩机、气体冷却器、膨胀装置以及蒸发器。制冷剂循环通过闭合回路系统。最好是，二氧化碳用作制冷剂。变速装置控制流过压缩机的制冷剂的速度。改变流过压缩机的制冷剂的速度改变系统内制冷剂的质量流量，以便优化性能系数。
Description
技术领域
本发明总体涉及一种包括变速压缩机的热泵或制冷系统，变速压缩机改变流过压缩机的制冷剂的速度，以便优化系统的性能系数，该性能系数通常限定为加热能力与压缩机和风扇电功率消耗的比例。
二氧化碳是通常用于制冷系统中的环保制冷剂。二氧化碳具有低的临界点，并且利用二氧化碳作为制冷剂的大多数制冷系统跨临界或部分在临界点之上运行。次临界流体的压力是饱和状态下温度的函数(在具有液体和蒸气时)。但是，流体温度高于临界温度或者是超临界时，压力变成流体密度的函数。
热泵系统可在宽范围的状态下操作。室外空气温度可从冬天的大约-20°F到夏天的大约120°F。因此，制冷剂蒸发温度可以从冬天的大约-20°F到夏天的大约100°F。因此，夏天二氧化碳在压缩机抽吸口处的密度比冬天二氧化碳在压缩机抽吸口处的密度大八到十倍。但是，制冷系统的加热负载不能随着室外空气温度变化而改变多少。
为了避免热交换器系统的尺寸过大，加热能力和制冷剂的质量流量应该保持大致恒定。质量流量是压缩机抽吸口处的制冷剂密度与容积流量的乘积。由于夏天的制冷剂抽吸口密度增加，夏天的容积流量应该显著低于冬天的容积流量。
变速压缩机用来调节容积流量，以便在不同工作条件下保持制冷剂的质量流量。在一个系统中，压缩机速度与室外空气温度相关。在室外温度接近最高设计温度时，压缩机在最小速度下操作，并且在室外温度接近最低设计温度时，压缩机在最大速度下操作。这在压缩机速度和室外空气温度之间需要一定预设关系，以便调节制冷剂的容量流量。在另一系统中，压缩机速度取决于蒸发器负载。在蒸发器的冷却负载最高时，压缩机在最小速度下操作，并且在冷却负载最低时，压缩机在最高速度下操作。
在这些系统中，冬天压缩机速度较低，以便保持几乎恒定的加热能力。但是，对于某个室外空气温度来说预设压缩机速度不是实现性能最佳系数的最佳压缩机速度。另外，预设压缩机速度不能适应系统部件长时间之后退化造成的COP的任何变化。
因此，需要一种包括变速压缩机的热泵或制冷系统，变速压缩机适用于并能够改变压缩机速度，以便在所有操作条件下实现最佳性能系数。
发明内容
热泵或制冷系统包括压缩机、气体冷却器、膨胀装置以及蒸发器。制冷剂循环通过闭合回路系统。最好是，二氧化碳用作制冷剂。二氧化碳具有低临界点，并且利用二氧化碳作为制冷剂的系统通常跨临界运行。
制冷剂在压缩机内压缩并且接着在气体冷却器内冷却。气体冷却器内的制冷剂将热量排出到例如水的流体介质，加热水。制冷剂接着经过膨胀装置，并且膨胀成低压。在膨胀之后，制冷剂流过蒸发器并且通过周围室外空气加热。制冷剂接着被压缩，完成循环。
变速驱动器控制流过压缩机的制冷剂的速度。改变制冷剂流过压缩机的速度改变系统内制冷剂的质量流量，并且影响气体冷却器和蒸发器的性能。减小制冷剂质量流量造成制冷剂更加缓慢地流过热交换器，增加每单位制冷剂流量的能量交换，并且改善热交换器的性能。但是，在质量流量降低时，在蒸发器线圈内，每单位流量的风扇功率增加。在每单位流量的风扇功率增加时，性能系数降低。对于任何环境情况，存在用于压缩机的最佳的操作速度，以便实现最佳性能系数。通常，室外温度越高，获得最佳性能系数的压缩机的最佳速度越低。
将从以下说明书和附图中最佳地理解本发明的这些和其它特征。
附图说明
本领域的普通技术人员从当前优选实施例的详细描述中清楚本发明的多种特征和优点。伴随详细描述的附图可以如下简单描述：
图1示意表示采用变速压缩机的制冷系统的视图。
具体实施方式
图1表示包括压缩机22、气体冷却器24、膨胀装置26和蒸发器28的跨临界制冷系统20。制冷剂循环通过闭合回路系统20。最好是，二氧化碳用作制冷剂。虽然描述了二氧化碳，可以使用气体制冷剂。二氧化碳具有低临界点，并且采用二氧化碳作为制冷剂的系统通常跨临界运行。
在水加热模式下操作时，制冷剂在高压和高热函下离开压缩机22。制冷剂流过气体冷却器24，并且损失热量，在低热函和高压下离开气体冷却器24。例如水的流体介质流过气体冷却器24的散热器30，并且与制冷剂交换热量。水泵32将流体介质流过散热器30。冷流体34在散热器入口或返回部36处进入散热器30，并且在与制冷剂流动方向相反的方向上流动。在从制冷剂接收热量之后，被加热的水38在散热器出口或供应部40处离开。制冷剂在制冷剂入口62处进入气体冷却器24并且在制冷剂出口64处离开。
制冷剂在膨胀装置26内膨胀成低压。膨胀装置26可以是电子膨胀阀(EXV)或者其它类型的膨胀装置。制冷剂在低压和低热函下离开膨胀装置。
在膨胀之后，制冷剂流过蒸发器28并且从室外空气接收热量。室外空气44流过散热器46并且将热量排出到经过蒸发器28的制冷剂。室外空气经由散热器入口或返回部48进入散热器46，并且在与制冷剂流动方向相反的方向上流动。风扇54运动蒸发器28之上的周围空气，并且控制蒸发器28上运动的空气的速度。在与制冷剂交换热量之后，被冷却的室外空气50经由散热器出口或供应部52离开散热器46。制冷剂在制冷剂入口68处进入蒸发器28，并且在制冷剂出口66处离开。制冷剂在高热函和低压下离开蒸发器28。
压缩机22的速度被调节，以便对于任何室外空气44温度来说实现最佳性能系数。性能系数限定为系统20的加热能力除以系统的功率输入。系统20的加热能力是气体冷却器24内的热传递量，并且系统20的功率输入是压缩机22的功加上在蒸发器28上吹送空气的风扇54的功。
变速驱动器70控制流过压缩机22的制冷剂的速度。改变流过压缩机22的制冷剂的速度改变系统20内制冷剂的质量流量，并且影响气体冷却器24和蒸发器28的热传递性能。
减小质量流量造成制冷剂更加缓慢地流过气体冷却器24和蒸发器28，增加制冷剂的每单位流量的能量交换，并且改善气体冷却器24和蒸发器28的性能。但是，在质量流量降低时，每单位流量的风扇54的功率增加。因此，在每单位流量的风扇54的功率增加时，性能系数增加。通常室外温度44越高，压缩机22的最佳速度越低。
传感器74检测系统20的性能系数，并且将此数值发送到控制器72。控制器72被编程，以便确定被检测的性能系数是否是最佳性能系数。控制器74相应地改变压缩机22的速度，以便提供最佳性能系数。
通过改变流过压缩机22的制冷剂速度，系统20可动态地适用于不同的环境情况和系统退化，以便总是实现最佳性能系数。对于每个环境情况压缩机22具有实现最佳性能系数的最佳操作速度。
此系统可以单独使用，或者与其它系统操作方法结合使用。
以上描述只是本发明原理的示例性说明。在以上教导的启示下本发明可以进行多种变型和改型。已经披露了本发明的优选实施例，但是，本领域普通技术人员将理解到某些变型会在本发明的范围内。因此，应该理解到在所附权利要求的范围内，本发明可以特别描述以外的方式实施。为此，应该阅读下面的权利要求来确定本发明的真实范围和内容。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1. 一种跨临界制冷系统，包括：
将制冷剂压缩到高压的压缩装置；
以可变速度将所述制冷剂运动经过所述压缩装置以便优化系统性能系数的变速装置；
监测系统的性能系数的传感器；以及
控制变速装置的控制器，其中在控制器确定由传感器检测的性能系数不是最佳性能系数时，控制器使用变速装置来调节制冷剂的质量流量。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，制冷剂是二氧化碳。
3. 如权利要求12所述的系统，其特征在于，还包括在所述热量接收热交换器之上吹送流体的风扇。
4. 如权利要求3所述的系统，其特征在于，性能系数与系统的加热能力以及压缩装置的功的量加上风扇功的量相关，其中系统的加热能是热量排出热交换器内热量传递的量。
5. 如权利要求12所述的系统，其特征在于，还包括吹送空气流的风扇，其中减小制冷剂的质量流量增加制冷剂的每单位质量流的风扇功率。
6. 一种跨临界制冷系统，包括：
将制冷剂压缩到高压的压缩装置；
冷却所述制冷剂的热量排出热交换器；
将所述制冷剂降低到低压的膨胀装置；
蒸发所述制冷剂的热量接收热交换器，其中流体在所述热量接收热交换器内与所述制冷剂交换热量；
在所述热量接收热交换器之上吹送流体的风扇；
以可变速度将所述制冷剂运动经过所述压缩机以便优化系统性能系数的变速装置；
监测系统的性能系数的传感器；以及
控制变速装置的控制器，其中在控制器确定性能系数不是最佳性能系数时，控制器通过变速装置调节制冷剂的质量流量。
7. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，性能系数与系统的加热能力以及压缩装置的功的量加上风扇功的量相关，其中系统的加热能是热量排出热交换器内热量传递的量。
8. 一种优化跨临界制冷系统的性能系数的方法包括如下步骤：
将制冷剂压缩到高压；
检测系统的性能系数；
确定系统的性能系数是否最佳；以及
如果确定步骤确定性能系数不是最佳，调节流过压缩装置的制冷剂速度，以便优化系统性能系数。
9. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统跨临界运行。
10. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于冷却所述制冷剂的热量排出热交换器。
11. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于将所述制冷剂降低到低压的膨胀装置。
12. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于蒸发所述制冷剂的热量接收热交换器，其中空气流在所述热量接收热交换器内与所述制冷剂交换热量。
13. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括冷却制冷剂的步骤。
14. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将制冷剂膨胀到低压的步骤。
15. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括蒸发制冷剂的步骤。
Claims (11)
1. 一种跨临界制冷系统，包括：
将制冷剂压缩到高压的压缩装置；
冷却所述制冷剂的热量排出热交换器；
将所述制冷剂降低到低压的膨胀装置；
蒸发所述制冷剂的热量接收热交换器，并且空气流在所述热量接收热交换器内与所述制冷剂交换热量；以及
以可变速度将所述制冷剂运动经过所述压缩机以便优化系统性能系数的变速装置。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，制冷剂是二氧化碳。
3. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括在所述热量接收热交换器之上吹送流体的风扇。
4. 如权利要求3所述的系统，其特征在于，性能系数与系统的加热能力以及压缩装置的功的量加上风扇功的量相关，其中系统的加热能是热量排出热交换器内热量传递的量。
5. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，变速装置调节经过压缩装置的制冷剂的质量流量。
6. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，减小制冷剂的质量流量增加了制冷剂的每单位流量的风扇功率。
7. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括监测系统的性能系数的传感器。
8. 如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括控制变速装置的控制器，并且在传感器确定性能系数不是最佳性能系数时，控制器通过变速装置调节制冷剂的质量流量。
9. 一种跨临界制冷系统，包括：
将制冷剂压缩到高压的压缩装置；
冷却所述制冷剂的热量排出热交换器；
将所述制冷剂降低到低压的膨胀装置；
蒸发所述制冷剂的热量接收热交换器，并且空气流在所述热量接收热交换器内与所述制冷剂交换热量；
在所述热量接收热交换器之上吹送流体的风扇；
以可变速度将所述制冷剂运动经过所述压缩机以便优化系统性能系数的变速装置；
监测系统的性能系数的传感器；以及
控制变速装置的控制器，并且在传感器确定性能系数不是最佳性能系数时，控制器通过变速装置调节制冷剂的质量流量。
10. 如权利要求9所述的系统，其特征在于，性能系数与系统的加热能力以及压缩装置的功的量加上风扇功的量相关，其中系统的加热能是热量排出热交换器内热量传递的量。
11. 一种优化跨临界制冷系统的性能系数的方法包括如下步骤：
将制冷剂压缩到高压；
冷却制冷剂；
将制冷剂膨胀到低压；
蒸发制冷剂；检测系统的性能系数；以及
根据系统性能系数，调节流过所述压缩机的制冷剂的速度。
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