CN101842646B - 基于排放时制冷剂状况的吸入过热控制 - Google Patents

Abstract

在离开压缩机的制冷剂的排放状况与吸入过热或制冷剂品质之间建立关系。通过依靠测量和控制排放状况，本发明能够实现非常低的吸入过热值。将工作控制到非常低的吸入过热值引起制冷系统性能的增强。

Description

基于排放时制冷剂状况的吸入过热控制

背景技术

本发明涉及制冷剂过热控制，以增强系统性能和改善压缩机可靠性，其依靠排放时的制冷剂热力学状况来提供可靠的吸入过热控制。

在空气调节、热泵和制冷系统中，需要精密地控制离开蒸发器的制冷剂的过热。正常来说，制冷剂在其实际温度高于相应的饱和温度的过热的热力学状态下离开蒸发器(过热被定义为这两个温度之差)。通常需要一定的(正的)过热以确保很少的液态制冷剂或没有液态制冷剂进入压缩机并且系统工作稳定。如果显著量的液态制冷剂进入压缩机，那么公知为“溢流(flooding)”的不期望状况将会发生。溢流会导致损坏或破坏压缩元件的“液击(liquid hammer)”状况、会稀释润滑油并将其从轴承表面洗刷掉、会将润滑油从压缩机油盘泵出、并最终会劣化制冷系统的性能和工作。

另一方面，已知的是，为了确保制冷系统的最高性能(效率和能力)，应将离开蒸发器的制冷剂保持接近于零过热值。此外，通过降低吸入过热，也能改善向压缩机的回油，因为油通常累积在蒸发器的过热部分。此外，油的粘度随着过热降低而减小，因为在更低过热值的情况下有更多的制冷剂在油中被稀释，并且到较小程度，因为饱和吸入温度升高。相反，当过热值升高时，制冷剂从油中汽化出来，从而增大油的粘度并使油更易瘀滞在蒸发器的出口部分或者瘀滞在将蒸发器连接至压缩机的管道中。当然，改善回油是制冷系统设计者的一个目标，因为这通过防止油滞留在蒸发器和相关联管道中而增强压缩机的可靠性并改善系统性能。而且，在某些工作条件下，较高的吸入过热值会导致升高的排放温度、工作范围的减少、潜在的油分解和压缩元件的热变形。

尽管已知期望将过热降低至可能的最小值，但迄今为止，大多数制冷系统充其量不过是在蒸发器出口处的过热值处于5至10°F范围内的情况下工作。同时发生在制冷系统内的以下因素通常给进一步减小过热设定设置了实践障碍：因温度传感器的测量公差、校准和分辨率而引起的测量误差可能；系统构件的制造可变性；对系统工作的环境影响；负载需求波动及相关联的瞬时现象。

如上所述，由于相关联的可靠性问题，不期望在压缩机中具有显著的溢流。因此，制冷系统设计者在“应用足够的过热值以消除在整个工作条件范围内发生这种溢流的任何可能性”方面做过了头。如上所述，不受控的溢流导致压缩机能力和效率大幅降低，并且还可能对压缩机造成严重的损坏。

发明内容

本发明利用了以下事实：吸入过热的给定变化将引起离开压缩机的制冷剂的排放温度(或过热)的预期变化。也就是说，在吸入过热与离开压缩机的制冷剂的排放温度(或过热)之间存在近似线性的关系。这种关系在任何给定的系统工作吸入和排放压力下均是基本线性的。

因此，通过监测排放温度(或过热)并基于排放温度改变/控制离开蒸发器或进入压缩机的制冷剂的状况(过热或品质)，可以使系统在所期望的低吸入过热下可靠地工作或者系统可具有极少的受控量的液态制冷剂进入压缩机吸入口。例如，可以通过改变膨胀阀或吸入调制阀的开度来实现基于排放温度(或过热)的对吸入过热的控制。

可通过实验确定或者可通过分析得到排放温度(或过热)与吸入过热之间的关系。而且，在工作过程中可以定期测试/检验所述关系以确保所述关系仍然成立，或者基于这些定期测试需要对这种关系进行任何小的调整。

在所公开的实施例中，本发明允许在比过去可以可靠地实现的5至10°F范围内的过热水平明显更低的过热水平下工作。采用本技术，离开蒸发器时的过热水平可低至1到2°F，或者通过合适的控制，可允许极小量的液态制冷剂进入压缩机吸入口。

从下面的说明书和附图中可以最好地理解本发明的这些和其它特征，以下是附图说明。

附图说明

图1是包含了本发明的制冷系统的视图。

图2是示出作为吸入过热的函数的排放温度变化的曲线图。

图3示出相对于吸入过热和排放温度的系统效率。

具体实施方式

图1中示出基本的制冷系统20，该制冷系统20包含用于将受压缩的制冷剂向下游输送至散热式换热器24(用于亚临界应用的冷凝器和用于跨临界应用的气体冷却器)的压缩机22。膨胀装置26优选为电子膨胀装置，并且在本产业中是普遍公知的。已通过膨胀装置26的制冷剂按顺序流过蒸发器28、可选的吸入调制阀30、以及吸入管线38，回到压缩机22。如在此图中所示，温度传感器46设置在离开压缩机的排放管线之上或之内。温度传感器46也可定位成用于测量压缩机壳体上或压缩机壳体内的排放温度。温度传感器46与电子控制器32通信，电子控制器32继而控制电子膨胀装置26和/或可选的吸入调制阀30以调节和控制吸入过热。在膨胀装置26与压缩机22之间还设置有用于测量吸入过热值的传感器56。更优选地，传感器56在吸入管线38上设置在蒸发器28的出口与压缩机22的入口之间。传感器56可以是直接测量过热(在大致相同的位置处实际制冷剂温度与饱和制冷剂温度之差)的传感器。可替代地，传感器56可以是温度传感器。例如，温度传感器56可以是热电偶型或热敏电阻类型。在温度传感器56的后一种情形中，可在蒸发器28内(在制冷剂流中或在蒸发器表面的外部)在两相区内设置额外温度传感器58以确定蒸发器中的饱和制冷剂温度。由温度传感器56和58提供的这两个温度测量值之差将确定吸入过热值。作为利用蒸发器内的温度型传感器58的替代，可以使用压力型传感器60，其将确定在要获得过热值的位置(例如，制冷系统20的吸入侧)处或该位置附近的制冷剂压力。在通过压力传感器60测量到制冷剂的压力值之后，该压力值可被转换为相对应的饱和温度值，如所公知的。然后通过从所测量到的实际制冷剂温度中减去所获得的饱和制冷剂温度而容易地计算出吸入过热值。如上所述，温度传感器56和58可以安装在管道系统、压缩机、换热器等的外表面(例如，空气侧)上。这些传感器还可以安装在内部或安装在制冷剂流中(所谓的“流内传感器”)。在后一种情况下，“流内传感器”将直接测量制冷剂的温度。如果温度传感器安装在外部，则它们优选地与周围环境隔离或避开周围环境以减小测量误差。

本发明通过依赖图2所示的关系，允许在制冷剂进入压缩室之前针对该制冷剂实现非常低的过热值或受控的溢流状况。如图2所示，针对特定的工作条件绘制了作为吸入过热的函数的排放温度。此外，图3所示的数据示出相对于吸入过热和排放温度的系统热力学效率。如在图2中可见，吸入过热的变化基本上引起排放温度的线性变化，直至压缩机开始经受溢流状况。溢流状况由起始于点“O”并向下延伸的竖直线表示。当溢流量增加时，排放温度继续降低，而吸入过热值保持为零(当过热为零时，制冷剂的实际温度等于饱和温度)。如图2和图3所示，在位于图中所示点“C”和点“G”之间的区域内实现最有效率的压缩机、蒸发器和整个制冷系统的工作。点“C”对应于大约4°F的吸入过热，点“G”对应于轻微的压缩机溢流状况。

在该示例中，如果基于排放温度控制压缩机的工作，并且特别在160°F处，则其将对应于大致落入最有效率的工作区域的中间处的状况，即点“E”。点“E”大致位于由点“C”和点“G”所限定的区域的中间处。此外，在图2和图3中排放温度的测量误差公差带被限定于点“D”和点“F”之间。由于测量误差公差带落入最有效率的工作区域中，因此可以得出这样的结论：通过基于排放温度控制吸入过热，制冷系统20可以始终工作在最有效率的点处或该点附近。此外，在该具体示例中，制冷系统20可以利用排放温度控制而舒适地工作在点“E”处，其中点“E”对应于仅仅1°F的吸入过热。

另一方面，如在现有技术中所做的，如果对吸入过热的控制是通过直接测量吸入过热值来进行的，则必须将吸入过热设定到至少5°F，如图2中由点“B”所示，以确保不发生不受控的溢流情况(“不受控的溢流”代表到达压缩机吸入口的大量液态制冷剂)。例如，如果过热值被设定成低于5°F，则由于潜在的测量误差，实际工作点可能远低于点“H”，而点“H”对应于压缩机的严重溢流状况及其潜在的损坏。因此，对于该示例而言，利用现有技术的吸入过热的最小可接受设定值为5°F的值。

如在图3中可见，在点“B”处的工作不如在点“E”处的工作那样有效率。例如，对于载重挂车或海运集装箱应用中的典型冷冻模式工作条件而言，当吸入过热值从1°F增大到5°F时，这将转变为(反映为)系统性能(能力和效率)降低2％。应该指出的是，如果采用现有技术，例如如果实际过热值被设在点“A”处，则由于测量误差和可靠性问题，制冷系统的性能实际上可能会降低更多。换句话说，本发明通过利用“基于排放温度的测量值限定吸入过热值”的这样一种关系允许使用排放温度传感器来精确地控制吸入过热。例如，在使用这种关系时，如果排放温度被设定为162°F，则制冷系统可在1°F的吸入过热下工作，而没有到达点“H”的任何危险，其中点“H”对应于会损坏压缩机的严重溢流状况的区域的起始点。制冷系统20的控制器32可以利用所感测到的排放温度来预测为达到期望的吸入过热值排放温度所必须被改变的量。在所公开的实施例中，控制器32将随后控制膨胀装置26和/或吸入调制阀30以改变排放温度，从而调节到达压缩机的制冷剂的吸入过热。在所公开的实施例中，可将吸入过热降低至2°F以下的值，并可以将吸入过热保持在大约1°F处。

可以通过将吸入过热从较低水平提升至较高水平，然后测量排放温度变化与吸入过热之间的相互关系，以保证预期变化仍会发生，来定期测试制冷系统以确保图2中的关系依然成立。这可发生在足够大的吸入过热值处，以便可以可靠地测量吸入温度。作为示例，可将吸入过热从1°F改变到16°F，并且可在16°F的过热区域处测量相对应的排放温度变化。因此，制冷系统可以以自学习或自适应的方式工作从而实现可能的最高工作性能。

虽然图2所示的曲线图针对特定的吸入和排放压力示出排放温度与吸入过热之间的关系，但针对其它的工作条件可以得到相似的曲线图。然后可将这些曲线图用于控制在任何预期工作条件下的吸入过热。作为形成多幅曲线图的替代，可将结果集合成查询表，然后根据需要针对吸入和排放压力的实际值进行插值。此外，作为利用查询表或曲线图的替代，针对给定的吸入和排放压力可以形成将吸入过热与排放温度相关联的方程。

如上所述，制冷系统可以自学习，使得在系统工作期间，针对给定的吸入和排放压力，排放温度可以间歇地变化以在排放温度与吸入过热之间建立关系。换句话说，制冷系统在工作期间可以自己得到图2的曲线图。然后作为吸入和排放压力的函数的相应的曲线图值可被存储在制冷系统控制器的存储器中，之后由控制器根据需要从存储器中取回。

此外，由于排放侧压力或饱和温度可以是已知的，因此可以在吸入和排放过热之间建立类似的关系，该类似的关系可用于制冷系统控制的相同目的。

如上所述，以前利用吸入和排放压力以及排放温度来将吸入过热可靠地控制为极低值的尝试已经失败，因为它们依赖于制冷剂性质和压缩过程多变指数，而这两者均高度依赖于工况和压缩机的设计特性。对于遭受“过压缩”或“欠压缩”条件的具有内在体积比的压缩机而言这变得尤其困难。因此，现有技术的方法仅可用作一阶近似，而不能依靠其来将吸入过热控制为接近于零值。

应该指出的是，在本发明中可使用很多不同的压缩机类型。例如，可采用涡旋式、螺杆式、旋转式或往复式压缩机。

使用了本发明的制冷系统可用在很多不同的应用中，包括但不限于，空气调节系统、热泵系统、海运集装箱单元、制冷载重挂车单元和超市制冷系统。

虽然已经公开了本发明的优选实施例，但本领域普通技术人员将意识到，某些修改将落入本发明的范围内。出于这个原因，应该研究所附权利要求来确定本发明的真实范围和内容。

Claims (13)

1.一种制冷系统，包括：

压缩机，所述压缩机具有吸入入口管线和排放出口管线；

受压缩制冷剂，所述受压缩制冷剂从所述压缩机向下游流至散热式换热器并然后向下游流至膨胀装置；

蒸发器，所述蒸发器定位在所述膨胀装置的下游；以及

传感器，所述传感器用于感测离开所述压缩机的排放制冷剂的状况；以及

控制器，所述控制器用于基于感测到的排放制冷剂的状况，控制在位于所述膨胀装置和所述压缩机之间的位置处的制冷剂热力学状态，所述控制器利用所述感测到的状况与吸入过热之间的函数关系，并且所述控制器控制所述制冷剂热力学状态以确保低的吸入过热值，

其中，在位于所述蒸发器出口和所述压缩机入口之间的位置处的制冷剂品质和吸入过热中的至少一个与排放温度和排放过热中的至少一个之间存在所述函数关系，

其中，通过在制冷系统工作期间改变所述吸入过热的值来定期检验所述函数关系。

2.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述低的吸入过热值是正值。

3.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述低的吸入过热值是零，并且所述压缩机在轻微溢流的条件下工作。

4.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述函数关系基本是线性的。

5.如权利要求1所述的制冷系统，其中，针对吸入压力和排放压力中的至少一个的所述函数关系被存储在系统控制器存储器中。

6.如权利要求5所述的制冷系统，其中，所述函数关系是通过实验确定的。

7.如权利要求5所述的制冷系统，其中，所述函数关系是在制冷系统运行过程中确定的。

8.如权利要求5所述的制冷系统，其中，所述函数关系是通过分析确定的。

9.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述感测到的状况用于实现等于或小于2°F的吸入过热值。

10.如权利要求1所述的制冷系统，其中，基于饱和温度与在所述蒸发器和所述压缩机之间感测到的测量温度之差计算所述吸入过热。

11.一种操作制冷系统的方法，包括以下步骤：

提供压缩机，所述压缩机具有吸入入口管线和排放出口管线；

使受压缩制冷剂从所述压缩机向下游流至散热式换热器并然后向下游流至膨胀装置；

使所述制冷剂流至所述膨胀装置下游的蒸发器；

感测离开所述压缩机的排放制冷剂的状况；

基于感测到的排放制冷剂的状况，控制在位于所述膨胀装置和所述压缩机之间的位置处的制冷剂热力学状态，所述控制利用所述感测到的状况与吸入过热之间的函数关系，并且所述控制控制所述制冷剂热力学状态以确保低的吸入过热值，其中，在位于所述蒸发器出口和所述压缩机入口之间的位置处的制冷剂品质和吸入过热中的至少一个与排放温度和排放过热中的至少一个之间存在所述函数关系；以及

通过在制冷系统工作期间改变所述吸入过热的值来定期检验所述函数关系。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述低的吸入过热值维持为正值。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述低的吸入过热值维持为零，并且所述压缩机在轻微溢流的条件下工作。

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