CN101617183A - 制冷剂系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种制冷剂系统，设置成交替地运行在节能模式和标准模式中。控制系统响应于确定的效率而使所述制冷剂系统在节能模式和标准模式之间切换，确定的效率反映以下效率中的至少两个的组合：压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和与模式有关的循环效率。在旁路模式中，来自于中间端口的旁路制冷剂流可以返回至吸气端口。类似地，切换到旁路模式中的控制可以基于确定的效率。

Description

制冷剂系统和控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及冷却和加热。更具体地，本发明涉及节能式空气调节、热泵或制冷系统。
背景技术
[0002]美国专利No.6,955,059公开了具有不同卸载模式的节能式蒸汽压缩系统。此外，共同转让的美国专利No.4,938,666公开了通过气体旁通而卸载气缸组中的一个气缸和通过切断吸气而卸载整个气缸组。共同转让的美国专利No.4,938,029公开了压缩机的全部级的卸载和节能器的使用。共同转让的美国专利No.4,878,818公开了带阀的公共端口的使用，公共端口提供与吸气端的连通以用于卸载或者提供与排气端的连通以用于体积指数(Vi)控制，这里的Vi等于在吸气端捕获的气体的体积(VS)与在释放给排气端之前保留压缩包中的捕获气体的体积的比。在采用这些不同方法时，阀结构通常是全开的、全闭的，或者阀开度被调整，从而保持在某个固定位置。共同转让的美国专利No.6,047,556(该556专利，该专利详细阐述的全部内容作为参考引入)，公开了电磁阀的使用，电磁阀在全开位置和全闭位置之间快速循环以提供容量控制。循环的电磁阀能够设置在压缩机吸气管路中、压缩机节能器管路中和/或压缩机旁路管路中，这压缩机旁路管路将节能器管路与吸气管路连接。阀打开的时间百分比确定要实现的调整程度。美国专利No.6,619,062公开了仅仅基于涡旋式压缩机压力比操作对涡旋式压缩机卸载机构的控制。
[0003]尽管如此，本领域仍存在进一步改进的空间。
发明内容
[0004]本发明的一个方面涉及一种制冷剂系统，该制冷剂系统设置成交替地运行在节能模式和标准模式中。控制系统响应于确定的效率而使所述制冷剂系统在节能模式和标准模式之间切换，确定的效率反映以下效率中的至少两个的组合：压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和与模式有关的循环效率。在旁路模式中，来自于中间端口的旁路制冷剂流可以返回至吸气端口。类似地，切换到旁路模式中的控制可以基于确定的效率。
[0005]本发明的一个或更多实施例的细节在附图和下文的描述中阐述。本发明的其它特征、目的和益处通过所述描述和附图以及权利要求将是显而易见的。
附图说明
[0006]图1是采用本发明的节能式制冷或空气调节系统的示意图。
[0007]图2是图1的系统的压缩机等熵效率相对于密度比的一系列曲线。
[0008]图3是理想EER相对于密度比的一系列曲线。
[0009]图4是冷凝器温度差相对于质量流速的一系列曲线。
[0010]图5是蒸发器温度差相对于质量流速的一系列曲线。
[0011]图6是冷凝器效率相对于质量流速的一系列曲线。
[0012]图7是蒸发器效率相对于质量流速的一系列曲线。
[0013]图8是马达效率相对于负荷的曲线。
[0014]图9是变频驱动器效率相对于负荷的曲线。
[0015]在各个附图中，相同的附图标记和名称表示相同的元件。
具体实施方式
[0016]图1示出了示例性封闭制冷或空气调节系统20。这系统具有压缩机22，压缩机22具有吸气(入口)和排气(出口)端口24和26，在它们之间限定压缩路径。该压缩机还包括沿着压缩路径的中间位置处的中间端口28。示例性压缩机包括马达29。示例性马达是电动马达。替代性的马达可以包括内燃机。其它变型包括由内燃机发电机提供动力的电动马达。示例性压缩机配置是螺杆式压缩机(但是可以使用包括涡旋式压缩机、离心式压缩机和往复式压缩机在内的其它压缩机)。压缩机可以是封闭式的、半封闭式的或者开启式的(open drive)(其中，马达不在压缩机壳体内)。
[0017]压缩机排气管路30从排气端口26向下游延伸到散热式热交换器(例如，冷凝器或气体冷却器)32。中间管路的干线34从冷凝器向下游延伸。主支路36从干线34延伸到节能器热交换器(节能器)40的第一分支(leg)38。支路36从节能器40延伸到第一膨胀装置42。支路36从第一膨胀装置42延伸到吸热式热交换器(例如，蒸发器)44。支路36从蒸发器44延伸回到吸气端口24。第二支路50从干线34向下游延伸到第一阀52。支路50从第一阀52延伸到第二膨胀装置54。这支路从第二膨胀装置54延伸到节能器40的第二分支56，第二分支56靠近第一分支38并与第一分支38进行热交换。支路50从节能器40向下游延伸到中间端口28。设置有旁通阀62的旁路管道60在所述支路之间(例如，在蒸发器和吸气端口之间的主支路36上的第一位置和节能器与中间端口之间的第二支路50上的第二位置之间)延伸。可选地，所述吸气调整阀(SMV)64可以位于蒸发器的下游(例如，在蒸发器和旁路管道60与吸气管路的接合处之间)。
[0018]示例性膨胀装置42和54是电子膨胀装置(EEV)，且示出为联接到控制/监测系统70(例如，基于微处理器的控制器)，以分别经由控制线路72和74接收控制输入。替代地，一个或两个膨胀装置可以是热力膨胀阀(TXV)。类似地，示例性阀52和62是电磁阀且示出为分别经由控制线路76和78联接到控制系统。替代地，如果膨胀装置54是EEV，它也可以用作阀52(例如，切断通过支路50的流)。控制系统也可以经由控制线路79控制SMV64。
[0019]压缩机马达29可以经由控制线路80联接到控制系统70。控制系统70可以经由合适的机构来控制马达速度。例如，马达可以是多速马达。替代地，马达可以是由变频驱动器(VFD)驱动的可变速度马达。替代地，开启式压缩机可以由具有可变发动机速度的发动机(马达)直接驱动。示例性控制系统可以从一个或多个温度传感器82和84接收输入，如温度输入。其它温度传感器可以处于温度受控环境中或者可以放置成测量热交换器的状况(例如，分别在热交换器32和44上的传感器86和88)。附加的或替代的传感器可以包括指示压缩机吸气和排气位置处的压力的传感器和/或指示蒸发器和/或冷凝器入口或出口处的压力的传感器。控制系统可以从一个或多个输入装置(例如恒温器90)接收外部控制输入。然而，可以包括其它的传感器(例如，测量驱动器电压或频率或压缩机负荷)。
[0020]在用于冷却时，蒸发器44可以置于要被冷却的空间中或者在流向该空间的空气流的流动路径中。冷凝器可以放置在外部(例如，室外)或者沿通向外部位置的流动路径放置。在加热配置中，所述情况应颠倒。在可以提供两种配置的热泵系统中，一个或多个阀(例如，四路反位阀，未示出)可以选择性地引导制冷剂，以允许每个热交换器结构交替地用作冷凝器和蒸发器。
[0021]示例性系统具有多个操作模式。为了便于参考，第一模式是标准非节能式(标准)模式。实质上，在该模式中，两个阀52和62都关闭，使得：通过第二支路50和从而通过节能器第二分支56的制冷剂流受到限制(例如，阻断)；通过旁路管道60的制冷剂流也受到限制(例如，阻断)。因而，通过中间端口28的制冷剂流最小或者不存在。大多数(如果不是全部)的制冷剂：从排气端口26流向冷凝器32；通过冷凝器32；通过节能器第一分支38(没有热交换效果，因为没有通过第二分支的流)；通过第一膨胀装置42；通过蒸发器44；回到吸气端口24，然后沿压缩路径被再次压缩。用于加热或冷却应用的示例性压缩机通常在与固有压缩机体积比相对应的系统操作点处具有峰值效率。在该点附近，压缩结束处的压缩包中的压力等于或几乎等于排气增压压力。当这些压力相等时，没有过压缩或欠压缩损失。该点在系统密度比(系统高压测的制冷剂密度ρD除以系统低压测的制冷剂密度ρS)等于压缩机固有体积比(压缩机吸气体积除以排气体积)时发生。在确定最佳压缩机操作时，与使用系统压力比(高压侧的压力除以低压侧的压力)相比，使用系统密度比可能是更有效的。系统压力比可能与压缩机体积比相关程度较少。对于给定的压缩机操作模式，取决于吸气和/或排气温度，可以有多个压力比与固有体积比相对应，而只有单个密度比与固有体积比相对应。
[0022]最佳压缩机体积比可以根据压缩机操作模式变化。如果压缩机以卸载模式操作，在该卸载模式中，来自于沿着压缩路径的中间位置的制冷剂的一部分旁通回到吸气状况，那么相对于标准模式操作最佳体积比可以减小。类似地，如果附加的制冷剂在中间位置处返回到压缩机，那么相对于标准模式最佳体积比值通常较高。图2示出了标准模式操作的压缩机等熵效率η等熵_压缩机(％)相对于密度比的曲线200。
[0023]第二操作模式是节能模式。通常，在节能模式中，第一阀52开启且第二阀62关闭。来自于压缩机的流被分开，主要部分流经主支路36，如标准模式那样。然而，节能器部分流经第二支路50，经过阀52和节能器第二分支56，在节能器第二分支56中，制冷剂与第一分支38中的制冷剂进行热交换。在该模式中，节能器40给沿第一分支38的制冷剂提供附加的过冷却。附加的过冷却增加了系统容量，从而在冷却模式中提供更多的系统冷却(例如，被冷却的空间)且在加热模式中提供更多的加热。节能器流从第二分支56返回到中间端口28，并被喷射(作为蒸汽)到压缩路径的下游部分并再次压缩。图2还示出了节能模式的压缩机等熵效率相对于密度比的曲线202。在大约密度比504之上，节能模式比标准模式具有更高的压缩机效率。
[0024]第三模式是旁路模式。通常，在旁路模式中，阀52关闭且阀62开启。此外，在所示实施例中，中间压力释放旁路流将离开中间端口28且通过旁路管道60以返回吸气端口24。图2还示出了旁路模式的压缩机等熵效率相对于密度比的曲线204。在密度比506之下，旁路模式比标准和节能模式具有更高的压缩机等熵效率。在示例性实施例中，密度比506小于密度比504，因而在这些密度比之间，标准模式比旁路和节能模式具有更高的压缩机效率。
[0025]为了确定给定系统操作状况的最有效的操作模式，考虑除了压缩机等熵效率之外的其它因素。图3示出了在恒定排气压力下理想循环效率(例如，压缩机、马达或其它相关部件中没有损失，且具有无限大的热交换器盘管)随密度比的变化。曲线210、211和212分别表示标准、节能和旁路模式。理想系统效率用EER(压缩机以100％效率操作时理想系统容量除以压缩机功率)表示。节能模式在高于密度比510的高密度比范围内具有最高的循环效率。旁路模式在较低密度比范围(例如，低于比510)内具有最高的效率。在该示例中，标准模式效率从未高于旁路和节能模式效率中的较高者。然而，其它变型可能与此不同。
[0026]此外，在确定最有效的模式时，可以考虑通过热交换器的制冷剂的质量流速
Figure A20078005188500121
图4和5分别表示环境温度和所调节的环境都为固定温度时经过冷凝器和蒸发器的温度差ΔT。
[0027]ΔT是在热交换器中的制冷剂的饱和温度和热交换器下游的空气温度之间的绝对温度差。图4示出了温度差随通过冷凝器的制冷剂质量流速
Figure A20078005188500122
的变化。曲线220示出了标准模式的ΔT，曲线221示出了节能模式，曲线222示出了旁路模式。例如通过以不同操作速度驱动压缩机可以改变质量流速
Figure A20078005188500123
[0028]图5示出了温度差随通过蒸发器的质量流速的变化。曲线225示出了标准模式的蒸发器ΔT，曲线226示出了节能模式，曲线227示出了旁路模式。该示出了用于特定压缩机操作速度的温度差。如图所示，例如图4，对于选定的操作速度，在旁路模式时经过冷凝器的质量流速是标准模式的～60％，在节能模式时的质量流速是标准模式的～140％(为了图示目的仅显示不同模式时的质量流率之间的差，因为准确的百分比将随具体压缩机类型和系统操作状况变化)。类似地，对于图5，对于相同的操作速度，在旁路模式时经过蒸发器的质量流速是节能模式的～60％，在标准模式时的质量流速是节能模式的～105％。
[0029]较高的温度差与较低效率的热交换器或者较低效率的操作相关联。例如，理想的热交换器的效率将是100％，且具有无限大的热交换表面、零温度差和零压降损失。图6和7分别示出了对于固定环境温度和所调节环境的固定温度而言冷凝器和蒸发器的热交换器效率，其中效率相对于制冷剂质量流量绘出。在图6中，曲线230、231和232分别与标准、节能和旁路模式相关联。类似地，在图7中，曲线235、236和237表示标准、节能和旁路模式的蒸发器效率。每种模式的效率也针对选定的具体压缩机操作速度示出。环境温度和所调节环境的温度的每种组合将具有与图4-7类似的独特曲线。在设置控制器程序(例如，硬件、软件或输入设置中的一个或更多)时，系统设计者可以针对每个环境温度和所调节环境的温度来分析这些曲线，以选择最有效的操作模式，同时考虑所需系统容量的约束。控制器可以编程或设置成操作系统使该系统响应于确定的效率在所述模式之间切换，确定的效率反映包括上述效率和下文讨论的效率在内的效率分量的组合。
[0030]如上述示例所示，当经过热交换器的质量流速增加(热交换器“超载”以及由于制冷剂质量流速增加而引入附加的压降损失)时，热交换器以较低效率操作。
[0031]其它因素可以包括与马达(例如，电动马达及其变频驱动器)有关的损失。图8示出了马达效率η马达随负荷(额定负荷的％)变化的曲线250。三种示例性模式(标准；节能和旁路)中的每一种将使马达得到不同地负载。点251、252和253分别表示与标准、节能和旁路模式有关的负荷。
[0032]图9示出了变频驱动器效率ηVFD随VFD负荷(额定VFD负荷的％)变化的曲线260。额定VFD负荷可以与额定马达负荷相对应或者可以不与额定马达负荷相对应。对应性将取决于VFD和马达负荷特性如何匹配以及匹配得如何。点261、262和263分别表示与标准、节能和旁路模式有关的负荷。如果压缩机由发动机驱动(直接或者间接)，那么对于不同操作模式，可以取代马达效率或者连同马达效率一起考虑发动机效率。此外，有效循环损失也可以考虑。例如，所表示的操作模式可以经历不同程度的循环，且循环可以对每种模式具有不同的影响。例如，在节能模式中，预期系统循环要比旁路模式更频繁。这是因为在节能模式操作中比标准模式或旁路模式产生更多的冷却容量。因而，为了使得产生的容量与所需容量匹配，在节能模式中系统将需要比旁路模式更频繁地接通和切断。因而，可以考虑循环效率因素η循环。例如，如果系统连续操作，循环效率是100％。因而，总EER值可以基于由上述各种效率修正的理想EER值计算。
EER总＝EER理想循环·η等熵_压缩机·η蒸发器·η冷凝器·η马达·ηVFD·η循环
[0033]这些因素及其相关分量中的一些对系统设计者来说可能是未知的。例如，在设计/选择压缩机时，具体变频驱动器效率可能是未知的。这种未知因素可以被忽略或者仅仅被估计。在基本示例中，仅仅考虑压缩机等熵效率且忽略其它效率。该基本示例得到示例性操作方法，包括以下述方式操作系统：低于密度比506，以旁路模式操作；在密度比506和504之间，以标准模式操作；高于密度比504，以节能模式操作。一个实施例的粗略示例性值包括分别为约2.9和约3.25的密度比506和504。
[0034]已经描述了本发明的一个或多个实施例。然而，应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种修改。例如，当用作现有系统的改造或者再设计时，现有系统的细节可能很大程度上影响实施方式的细节。因此，其它实施例属于以下权利要求的范围。

Claims (21)

1.一种设备(20)，包括：
压缩机(22)，所述压缩机具有吸气端口(24)、排气端口(26)和中间端口(28)；
冷凝器(32)；
蒸发器(44)；
节能器热交换器(40)；
管道系统，所述管道系统：
将所述冷凝器联接到所述排气端口；
将所述节能器热交换器联接到所述冷凝器；
与所述节能器热交换器和所述蒸发器协作以在所述节能器热交换器和所述吸气端口之间限定第一流路；
与所述节能器热交换器协作以在所述节能器热交换器和所述中间端口之间限定第二流路，该第二流路绕过所述蒸发器；
具有一个或多个阀，用于选择性地阻断和接通所述第二流路；
和
控制系统(70)，所述控制系统：
联接到所述一个或多个阀，且设置成以多种模式交替地操作所述设备，所述多种模式包括：
标准模式，在该标准模式中，来自于冷凝器的制冷剂流沿着第一流路流动而不沿第二流路流动；和
节能模式，在该节能模式中，制冷剂流分成：
沿着第一流路流动的第一部分；和
延伸通过第二流路部分以返回至中间端口的第二部分；以及
配置成响应确定的效率而使所述设备在所述模式之间切换，所述确定的效率反映以下效率中的至少两个的组合：
压缩机等熵效率；
冷凝器效率；
蒸发器效率；
机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和
与模式有关的循环效率。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述控制系统设置成确定反映以下所述效率中的至少三个的组合的效率：
压缩机等熵效率；
冷凝器效率；
蒸发器效率；
机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和
与模式有关的循环效率。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述多个模式还包括：
旁路模式，在该旁路模式中，制冷剂流沿着第一流路流动，来自于中间端口的旁路制冷剂流返回至吸气端口。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
机械地提供动力给压缩机的硬件的所述效率包括电动马达效率和变频驱动器效率的组合。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述控制器设置成确定制冷剂密度比率并响应于确定的制冷剂密度比率来确定所述压缩机等熵效率。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：
所述控制器设置成基于以下参数的组合来确定所述制冷剂密度比率：压缩机吸气温度；压缩机吸气压力；压缩机排气温度；和压缩机排气压力。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述一个或多个阀中的至少第一个是电磁阀。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述一个或多个阀是双稳态的。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述压缩机是螺杆式压缩机。
10.一种操作冷却系统的方法，所述系统具有：
压缩机，所述压缩机具有吸气端口、排气端口和中间端口；
冷凝器，所述冷凝器具有入口和出口，冷凝器入口联接到所述排气端口；
蒸发器，所述蒸发器具有入口和出口，蒸发器出口联接到压缩机吸气端口；和
节能器第一和第二流路部分；
所述方法包括：
确定多个模式中的最有效模式，所述确定包括确定与以下效率中的至少两个有关的效率因素：
压缩机等熵效率；
冷凝器效率；
蒸发器效率；
机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和
与模式有关的循环效率；以及
响应于所述确定，在不同时间：
使系统以节能模式运行，其中，来自于排气端口的制冷剂流前进基本通过冷凝器，该制冷剂流分成第一部分和第二部分，第一部分延伸通过第一流路部分和蒸发器以返回至吸气端口，第二部分延伸通过第二流路部分以返回至中间端口；以及
使系统以非节能模式运行，在该非节能模式中，来自于排气端口的制冷剂流前进基本通过冷凝器、第一流路部分和蒸发器以返回至吸气端口。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
使系统以旁路模式运行，在该旁路模式中，来自于排气端口的制冷剂流前进基本通过冷凝器、第一流路部分和蒸发器以返回至吸气端口，且来自于中间端口的旁路制冷剂流返回至吸气端口。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：
所述确定包括确定至少三个所述效率因素。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
检测选自包括以下参数的组的至少一个操作参数：
饱和蒸发温度；
饱和蒸发压力；
进入或离开蒸发器的空气温度；
饱和冷凝温度；
饱和冷凝压力；
进入或离开冷凝器的空气温度；
压缩机电流；
压缩机电压；和
压缩机功率；以及
响应于所述至少一个操作参数选择所述模式中的一种。
14.一种系统，包括：
压缩机；
冷凝器；
蒸发器；
节能器；
第一装置，所述第一装置将蒸发器和节能器与压缩机和冷凝器联接，用于使系统交替操作在以下述模式中：
标准模式；和
节能模式；以及
第二装置，用于确定标准模式和节能模式的相应效率，且联接到所述第一装置，以响应于所述的确定的效率在所述标准模式和所述节能模式之间切换。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于：
所述第二装置设置成控制所述第一装置，以使所述系统交替地操作在所述标准模式、所述节能模式和一种旁路模式中。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于：
所述第二装置设置成确定反映以下效率中的至少两个的组合的所述相应效率：
压缩机等熵效率；
冷凝器效率；
蒸发器效率；
机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和
与模式有关的循环效率。
17.根据权利要求14所述的系统，其特征在于：
所述第二装置设置成确定反映以下效率中的至少两个的组合的所述相应效率：
压缩机等熵效率；
冷凝器效率；
蒸发器效率；
机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和
与模式有关的循环效率。
18.根据权利要求14所述的系统，其特征在于：
所述第二装置设置成确定反映以下效率中的至少三个的组合的所述相应效率：
压缩机等熵效率；
冷凝器效率；
蒸发器效率；
机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和
与模式有关的循环效率。
19.根据权利要求14所述的系统，其特征在于：
所述第二装置设置成确定反映以下效率中的至少四个的组合的所述相应效率：
压缩机等熵效率；
冷凝器效率；
蒸发器效率；
机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和
与模式有关的循环效率。
20.根据权利要求14所述的系统，其特征在于：
所述第二装置设置成确定反映以下效率中的至少全部的组合的所述相应效率：
压缩机等熵效率；
冷凝器效率；
蒸发器效率；
机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和
与模式有关的循环效率。
21.一种制冷系统控制器，该控制器：
设置成使所述制冷系统交替地操作在多个模式中，所述多个模式包括：
非节能的标准模式；和
节能模式；以及
设置成响应于确定的效率而使所述制冷系统在所述模式之间切换，所述确定的效率反映以下效率中的至少两个的组合：
压缩机等熵效率；
冷凝器效率；
蒸发器效率；
机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和
与模式有关的循环效率。
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