CN102171520B - 跨临界制冷系统的高侧压力控制 - Google Patents
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Abstract
为了适应具有覆盖大范围热源温度的作业范围的跨临界蒸气压缩系统，高侧压力被维持在通过不仅冷凝器处而且蒸发器处的操作条件而确定的水平。控制器被提供以响应于在冷凝器和蒸发器处感测的制冷剂条件的各种组合来改变膨胀装置，以便维持期望的高侧压力。
Description
技术领域
本发明一般涉及运输制冷系统，并且更具体地涉及用于优化具有大范围蒸发压力的CO2蒸气压缩系统中的系统高侧压力的方法和设备。
背景技术
以CO2作为制冷剂的蒸气压缩系统的操作的特征在于CO2的处于大约31 ℃的低临界温度。在许多操作条件下，CO2的临界温度低于热沉的温度，这导致蒸气压缩系统的跨临界操作。在跨临界操作中，在高于临界压力的压力时发生排热，并且在低于临界压力的压力时发生吸热。该操作模式的最重要的结果是排热过程期间的压力和温度不被相变过程联系。这与常规蒸气压缩系统明显不同，在常规蒸气压缩系统中，冷凝压力关联到冷凝温度，而冷凝温度由热沉温度确定。在跨临界蒸气压缩系统中，排热期间的制冷剂压力可独立于热沉温度而被自由地选择。然而，假设一组边界条件（热沉和源的温度、压缩机性能、换热器尺寸以及管线压降），存在第一“优化”排热压力，系统的能量效率在该第一“优化”排热压力时达到其对于该组边界条件而言的最大值。还存在第二“优化”排热压力，系统的冷却容量在该第二“优化”排热压力时达到其对于该组边界条件而言的最大值。所存在的这些优化压力已经记载在公开文献中。例如，美国专利6568199和7000413中可得到最大能量效率，美国专利7051542中可得到最大加热容量，所有这些文献都转让给本发明的受让人。
假设一组边界条件（热源温度、压缩机性能、换热器尺寸以及管线压降），优化排热压力的值主要取决于热沉的温度。CO2系统的常规控制方案采用处于排热换热器出口处的制冷剂温度或者热沉温度或者这些温度的任何指示来作为控制输入，以控制排热过程。然而，在设计用于覆盖大范围热源温度（例如-20 F至57 F）的作业范围（operating envelope）的系统中，例如运输制冷单元，将优化高侧压力仅关联到热沉温度可能是不够的。
发明内容
根据本发明的一个方面，在具有相对大范围热源温度的系统中，对于CO2蒸气压缩系统中的系统高侧压力的控制不仅取决于高压力侧（即，冷却器中）上的制冷剂的条件，而且取决于低压力侧（即，蒸发器处）上的制冷剂的条件。
通过本发明的另一方面，除了在冷却器处感测温度条件之外，还可以以各种组合方式来使用蒸发器处的各种感测压力或温度，以确定优化的系统高侧压力。
虽然已经参照如附图所示的优选模式具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员将会理解在不偏离本发明如权利要求限定的精神和范围的情况下，可在本发明中实现各种细节上的变化。
附图说明
图1是本发明的一个实施例并入跨临界制冷系统中的示意图。
图2是其另一个实施例的示意图。
图3是其又一个实施例的示意图。
图4是本发明的过程的方框图示。
具体实施方式
现在参见图1-3，本文将结合用于运输易腐物品的制冷集装箱、拖车或卡车的温度受控货物空间11的制冷来描述制冷剂蒸气压缩系统10。然而应当理解，这种系统也可结合制冷空气使用以便供应到制冷的显示售卖机或与超市、便利店、餐厅或其他商业机构相关联的冷气室，或者用于调节被供应到住宅、办公建筑、医院、学校、餐厅或其他设施的气候受控舒适区域的空气。制冷剂蒸气压缩系统10包括压缩装置12、通过称为冷凝器或气体冷却器13的制冷剂排热换热器、膨胀装置14以及制冷剂吸热换热器或蒸发器16，所有这些都以闭环、串联制冷剂流动布置相连。
主要出于环境的原因，“天然”制冷剂，二氧化碳，被用作蒸气压缩系统10中的制冷剂。由于二氧化碳具有低临界温度，所以蒸气压缩系统10被设计成用于在跨临界压力体系中操作。也就是说，运输制冷蒸气压缩系统所具有的空气冷却的制冷剂排热换热器在外界空气温度超过二氧化碳临界温度31.1 ℃（88 ℉）的环境中操作，该运输制冷蒸气压缩系统必须操作于超过二氧化碳临界压力7.38 MPa（1070 psia）的压缩机排放压力，并且因此将以跨临界循环操作。因此，排热换热器13操作成气体冷却器而非冷凝器，并且操作于超过制冷剂临界点的温度和压力，而蒸发器16操作于亚临界范围内的制冷剂温度和压力。
重要的是调节跨临界蒸气压缩系统的高侧压力，因为高侧压力对于系统的容量和效率有很大影响。因此，本系统包括蒸气压缩系统10中的各种传感器，以感测各种位置处的制冷剂的条件并随后控制系统以获得期望的高侧压力，从而获得增大的容量和效率。
如图1的实施例所示，传感器S1、S2和S3被提供以感测蒸气压缩系统10中的各种位置处的制冷剂的条件，所感测的值然后被送至控制器17以便确定理想高侧空气压力，将其与实际感测的高侧压力进行比较，并且采取适当的措施以降低或消除它们之间的差异。传感器S1感测冷凝器13的出口温度TCO并且向控制器17传送代表性信号。传感器S2感测蒸发器出口压力PEO并且向控制器17传送代表性信号。从这两个值，控制器17从查找表或者从等式/函数Pl＝f(TS1, PS2)获得理想高侧压力。与此同时，传感器感测实际排放或高侧压力PS并且将其传送给控制器17。控制器17然后将理想压力PI与感测的压力PS进行比较并调整膨胀装置14使得这两个值之间的差异减小。简单而言，如果感测的压力PS低于理想压力PI，则膨胀装置14被移动朝向关闭位置，并且如果感测的压力PS高于理想压力PI，则其被移动朝向打开位置。
现在参见图2，示出了替代实施例，其中，以与图1实施例相同的方式获得S1和S3值，但是S4传感器被放置在蒸发器的入口处，并且获得蒸发器入口压力PEI或蒸发器入口温度TEI的值。如果感测到蒸发器入口压力PEI，则该值被送至控制器17，并且从不同于图1实施例的查找表获得理想高侧压力。然后，以与上文关于图1实施例描述的相同方式来进行后续步骤。
如果感测的S4感测蒸发器入口温度TEI，则该值被送至控制器17，控制器17然后进入查找表以寻找对应的蒸发器入口压力PEI，然后如上文描述地进行剩余步骤。
图3示出了一个进一步的实施例，其中，不是感测冷凝器出口温度TCO，传感器S5和S6被提供以感测进入冷凝器的冷却空气温度TET（即外界温度）以及离开冷凝器13的空气的温度TLT。然后，控制器17基于蒸发器出口压力PEO和冷凝器进入空气温度TET或者基于PEO和冷凝器空气离开温度TLT来确定理想高侧压力PI。然后，以与上文描述的相同方式来进行后续步骤。
图4示出了各种传感器和控制器17的功能方框图。在方框18中，冷凝器出口温度TCO或者冷凝器空气进入温度TET，或者冷凝器空气离开温度TLT被感测并传送到控制器17。在方框19中，蒸发器出口压力PEO或者蒸发器入口压力PEI或者蒸发器入口温度TEI被感测并传送至控制器17。在方框21中，控制器17通过使用上述值中的两个来确定理想高侧压力PI。与此同时，在方框22中，压缩机排放压力或高侧压力PS被感测并传送至控制器17。在方框23中，将感测的压力PS与理想高侧压力PI进行比较，并将差异传送到方框24，其响应性地以上文所述方式调整膨胀装置14。
虽然已经参照如附图所示的优选模式具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员将会理解在不偏离本发明如权利要求限定的精神和范围的情况下，可在本发明中实现各种细节上的变化。
Claims (5)
1.一种跨临界蒸气压缩系统，包括：
压缩装置，以将制冷剂压缩到高压力；
排热换热器，用于接收处于排热换热器入口温度的制冷剂并且排放处于较低的排热换热器出口温度的制冷剂，并且用于接收处于排热换热器进入温度的冷却流体并且排放处于较高的排热换热器离开温度的所述冷却流体；
膨胀装置，用于将所述制冷剂降低到较低压力；
受热换热器，用于加热和蒸发所述制冷剂，所述制冷剂以受热换热器入口压力进入所述受热换热器并且以受热换热器出口压力离开所述受热换热器；和
控制器，以基于所述温度之一与所述压力之一的组合、或基于所述温度之一与指示所述压力之一的感测条件的组合，来确定所述制冷剂的期望高压力。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述温度选自由所述排热换热器出口温度、所述排热换热器进入温度和所述排热换热器离开温度组成的组，并且所述压力选自由所述受热换热器入口压力和所述受热换热器出口压力或指示其的感测条件组成的组。
3.一种在CO2蒸气压缩系统中优化系统高侧压力的方法，包括步骤：
将制冷剂压缩到高压力；
在排热换热器中通过将所述制冷剂中的热送交至热沉中流动的冷却流体而冷却所述制冷剂，所述排热换热器用于接收处于排热换热器入口温度的制冷剂并且排放处于较低的排热换热器出口温度的制冷剂，并且用于接收处于排热换热器进入温度的冷却流体并且排放处于较高的排热换热器离开温度的所述冷却流体；
将所述制冷剂膨胀到低压力；
在受热换热器中蒸发所述制冷剂，所述制冷剂以受热换热器入口压力进入所述受热换热器并且以受热换热器出口压力离开所述受热换热器；
在冷却所述制冷剂之前或之后，测量指示所述排热换热器入口温度、所述排热换热器出口温度、所述排热换热器进入温度或所述排热换热器离开温度的特性；
在蒸发所述制冷剂之前或之后，测量指示所述受热换热器入口压力或所述受热换热器出口压力的特性；
基于所述温度之一与所述压力之一的组合、或基于所述温度之一与指示所述压力之一的感测条件的组合，来确定所述制冷剂的期望高压力；以及
将所述高压力调整到所述期望高压力。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述温度选自由所述排热换热器出口温度、所述排热换热器进入温度和所述排热换热器离开温度组成的组，并且所述压力选自由所述受热换热器入口压力和所述受热换热器出口压力或指示其的感测条件组成的组。
5.一种跨临界制冷系统，包括：
压缩装置，以将制冷剂压缩到高压力；
排热换热器，用于通过向冷却流体送交热而冷却所述制冷剂；
膨胀装置，用于将所述制冷剂降低到较低压力；
受热换热器，用于蒸发所述制冷剂；
温度传感器，用于感测离开所述排热换热器的制冷剂或者进入或离开所述排热换热器的冷却流体的温度；
传感器，以感测指示处于所述受热换热器的入口或出口处的制冷剂的压力的条件；和
控制器，用于基于所述温度之一与指示所述压力之一的感测条件的组合，来确定所述制冷剂的期望高压力，并且相应地调整所述制冷系统。
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