CN102434991A - 跨临界蒸气压缩系统的控制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了跨临界蒸气压缩系统的控制。一种跨临界蒸气压缩系统包括：压缩机，其用于压缩制冷剂；第一热交换器，其用于冷却该制冷剂；膨胀装置，其用于降低制冷剂的压力；第二热交换器，其用于将热吸到制冷剂内；以及，控制器，其被编程以计算跨越第二热交换器的第一能量差和跨越压缩机的第二能量差；通过将第一能量差除以第二能量差来计算能量比；比较该能量比与先前计算的能量比；以及，基于该能量比相对于先前计算的能量比的比较来调整该系统的操作参数。

Description

跨临界蒸气压缩系统的控制
技术领域
本发明涉及对跨临界蒸气压缩系统的控制。
背景技术
通常，跨临界蒸气压缩系统受到控制以优化性能系数(COP)。已知控制方法包括测量各种参数和比较所测量的参数与所存储的代表高效系统的值。举例而言，如果所测量的参数显著地高于所存储的值，那么该系统低效操作，因此调整操作参数。
发明内容
在一方面，本发明提供一种跨临界蒸气压缩系统。该跨临界蒸气压缩系统包括：压缩机，其用于压缩制冷剂；第一热交换器，其用于冷却该制冷剂；膨胀装置，其用于降低制冷剂的压力；第二热交换器，其用于将热吸到制冷剂内；以及，控制器，其被编程以计算跨越第二热交换器的第一能量差和跨越压缩机的第二能量差；通过将第一能量差除以第二能量差来计算能量比，比较该能量比与先前计算的能量比；以及，基于该能量比相对于先前计算的能量比的比较来调整系统的操作参数。
在另一方面，本发明提供一种控制跨临界蒸气压缩系统的方法。该方法包括：提供压缩机，其用于压缩制冷剂；提供第一热交换器，其用于冷却该制冷剂；提供膨胀装置，其用于降低制冷剂的压力；提供第二热交换器，其用于将热吸到制冷剂内；计算跨越第二热交换器的第一能量差；计算跨越压缩机的第二能量差；通过将第一能量差除以第二能量差来计算能量比；比较该能量比与先前计算的能量比；以及，基于该能量比相对于先前计算的能量比的比较来调整系统的操作参数。
在另一方面，本发明提供一种跨临界蒸气压缩系统。该跨临界蒸气压缩系统包括：压缩机，其用于压缩制冷剂；第一热交换器，其用于冷却该制冷剂；膨胀装置，其用于降低制冷剂的压力；第二热交换器，其用于将热吸到制冷剂内；第一风机，其用于在第一热交换器上导向第一流体；第二风机，其用于在第二热交换器上导向第二流体；第一温度传感器和第一压力传感器，其位于压缩机的入口附近以分别测量温度和压力；第二温度传感器和第二压力传感器，其位于压缩机的出口附近以分别测量温度和压力；第三温度传感器，其位于第二热交换器的入口附近以测量温度；第四温度传感器，其位于第二热交换器的出口附近以测量温度；第三压力传感器，其位于第二热交换器的入口和出口之一附近以测量压力，以及，控制器。控制器被编程以基于对温度和压力的测量来计算压缩机的入口、压缩机的出口、第二热交换器的入口和第二热交换器的出口附近的制冷剂的内部能量；通过从第二热交换器的出口附近的制冷剂的内部能量减去第二热交换器的入口附近的制冷剂的内部能量来计算第一能量差；通过从压缩机的出口附近的制冷剂的内部能量减去压缩机的入口附近的制冷剂的内部能量来计算第二能量差；通过将第一能量差除以第二能量差来计算能量比；比较该能量比与先前计算的能量比；以及，基于该能量比与先前计算的能量比的比较来调整下列中的至少一个：第一风机的速度，第二风机的速度，压缩机的速度，以及，膨胀装置的开口。
附图说明
通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将会变得显然。
图1是根据本发明的跨临界蒸气压缩系统的示意图。
图2是图1所示的跨临界蒸气压缩系统的内部能量和压力的图。
具体实施方式
在详细地解释本发明的任何实施例之前，应了解本发明的应用并不限于在下文的描述中所陈述或附图所图示的构件构造和布置的细节。本发明能有其它实施例且能以各种方式来实践或实施。
图1示出跨临界蒸气压缩系统10。跨临界蒸气压缩系统10为优选地利用二氧化碳(CO2)作为制冷剂的闭合回路单级蒸气压缩循环，但也可采用适合于跨临界蒸气压缩系统的其它制冷剂，如本领域中已知的那样。该系统10包括串联连接的压缩机14、气体冷却器18、膨胀阀22、蒸发器26和储罐30。温度传感器42a-42e和压力传感器46a-46e分别位于压缩机入口1、压缩机出口2、气体冷却器出口3、蒸发器入口4和蒸发器出口5处。
在图示构造中，CO2制冷剂作为被加热气体离开蒸发器盘管26且被抽吸到压缩机(诸如变速压缩机)14的吸入端口内。分别由温度传感器42a和压力传感器46a在压缩机入口1处测量CO2制冷剂的温度和压力。压缩机14使被加热CO2制冷剂气体加压且排放到气体冷却器18内。分别由温度传感器42b和压力传感器46b在压缩机出口2处测量被加热的CO2制冷剂的温度和压力。在气体冷却器18或热交换器中，被加热CO2制冷剂由于在气体冷却器18上流动且由风机36(诸如变速风机)生成的强制空气流34而冷却为更低温度气体。气体冷却器18可包括一个或多个热交换器盘管，其具有任何合适构造，如本领域中已知的那样。分别由温度传感器42c和压力传感器46c在气体冷却器出口3处测量被冷却的CO2制冷剂的温度和压力。然后，通过膨胀阀22(诸如电子膨胀阀)来节流被冷却的CO2且被冷却的CO2作为液体-蒸气混合物以减小的压力被朝向蒸发器盘管26导向。分别由温度传感器42d和压力传感器46d在蒸发器入口4处测量被冷却CO2制冷剂的温度和压力。在蒸发器盘管26或热交换器中，被冷却的CO2制冷剂由于风机40(诸如变速风机)所生成的强制空气流38而加热到更高温度气体。换言之，通过蒸发器盘管26传递的CO2从空气流38吸热使得空气流38被冷却。蒸发器盘管26可包括一个或多个热交换器盘管，其具有任何合适构造，如本领域中已知的那样。由温度传感器42e在蒸发器出口5处测量被加热CO2制冷剂的温度且视情况由压力传感器46e来测量压力。由于在蒸发器26的入口4和出口5处的压力大致相同，仅需要压力传感器46d、46e中的一个。
在图示构造中，CO2制冷剂在跨临界CO2制冷循环中并不变相为液体。换言之，CO2制冷剂在跨临界CO2制冷循环中表现为单相制冷剂，这与反郎肯制冷循环（reverse-Rankine refrigeration cycle）中制冷剂的两相行为相反。为了从CO2制冷剂或所用的其它制冷剂得到合乎需要的制冷特征，跨临界制冷循环需要比反郎肯制冷循环更高的操作压力。在气体冷却器18中的制冷剂的压力在制冷剂的超临界区域中，即，在或高于制冷剂的临界温度和临界压力。举例而言，CO2的临界点出现在大约7.38MPa(1070psia)和大约31.1摄氏度(88华氏度)。在图示构造中，在气体冷却器18中的制冷剂压力为大约8.5MPa(1233pisa)。在蒸发器26中的制冷剂压力也高于在反郎肯制冷循环中经历的压力。在图示构造中，在蒸发器26中的制冷剂压力为大约2.7MPa(392pisa)。因此，气体冷却器18和蒸发器盘管26采用重型构造来耐受更高压力。在图示构造中，气体冷却器18被建置成耐受至少7.38MPa(1070pisa)的压力且蒸发器26被建置成耐受至少2.7MPa(392psia)的压力。
如在图1中示意性地示出，由控制器50来控制跨临界蒸气压缩系统10。控制器50控制膨胀阀22的开口，风机36、40的速度和压缩机14的速度且从温度传感器42a-42e和压力传感器46a-46e接收输入信号，如将在下文中更详细地描述。
图2是示出在跨临界蒸气压缩系统10的整个循环中CO2的饱和液体线54，CO2的饱和蒸气线58和CO2制冷剂的内部能量与压力之间的关系的图。该控制器50被编程以本领域中熟知的方式从相应温度传感器42a-42e和压力传感器46a-46e的相应温度和压力测量计算压缩机入口1、压缩机出口2、气体冷却器出口3、蒸发器入口4和蒸发器出口5中每一个处的制冷剂内部能量。另外，控制器50被编程以计算跨越蒸发器26的能量变化(ΔE蒸发器)和跨越压缩机14的能量变化(ΔE压缩机)，如图2所示。跨越蒸发器26的能量变化(ΔE蒸发器)被计算为在蒸发器出口5计算的内部能量与在蒸发器入口4处计算的内部能量之间的差。跨越压缩机14的能量变化(ΔE压缩机)被计算为在压缩机出口2计算的内部能量与在压缩机入口1处计算的内部能量之间的差。另外，控制器50被编程以通过跨越蒸发器的能量变化(ΔE蒸发器)除以跨越压缩机的能量变化(ΔE压缩机)来计算在蒸发器26与压缩机14上的能量比。
另外，控制器50被编程以比较该能量比与先前能量比，更具体而言，与刚计算的先前能量比相比较。那么，控制器被编程以基于该能量比且更具体而言基于在当前能量比与先前能量比之间的比较来调整操作参数，诸如膨胀阀22的开口，压缩机14的压缩机速度和风机36、40的风机速度。具体而言，该控制器50被编程以调整这些操作参数来优化能量平衡，即，达到跨临界蒸气压缩系统10的所需效率。该控制器50被编程以重复上述步骤以基于在当前能量比与先前能量比之间的差来连续调整操作参数(如上文所述)以便维持系统10的效率。
因此，除了别的以外，本发明提供一种跨临界蒸气压缩系统和其控制器，该控制器被编程以基于跨越蒸发器和压缩机的能量比来调整系统的操作参数。本发明的各种特征和优点在权利要求中陈述。

Claims (11)

1.一种跨临界蒸气压缩系统，包括：
压缩机，其压缩制冷剂；
第一热交换器，其用于冷却所述制冷剂；
膨胀装置，其用于降低所述制冷剂的压力；
第二热交换器，其用于将热吸到所述制冷剂内；以及
控制器，其被编程以计算跨越所述第二热交换器的第一能量差和跨越所述压缩机的第二能量差；通过将所述第一能量差除以所述第二能量差来计算能量比；比较所述能量比与先前计算的能量比；以及，基于所述能量比相对于先前计算的能量比的比较来调整所述系统的操作参数。
2.根据权利要求1所述的跨临界蒸气压缩系统，其特征在于还包括：
第一风机，其用于在所述第一热交换器上导向第一流体；以及
第二风机，其用于在所述第二热交换器上导向第二流体；
其中所述控制器被编程以基于所述能量比相对于所述先前计算的能量比的比较来调整下列中的至少一个：第一风机的速度，第二风机的速度，压缩机的速度，以及膨胀装置的开口。
3.根据权利要求1所述的跨临界蒸气压缩系统，其特征在于还包括：
第一温度传感器和第一压力传感器，其位于所述压缩机的入口附近以分别测量温度和压力；
第二温度传感器和第二压力传感器，其位于所述压缩机的出口附近以分别测量温度和压力；
第三温度传感器，其位于所述第二热交换器的入口附近以测量温度；
第四温度传感器，其位于所述第二热交换器的出口附近以测量温度；
第三压力传感器，其位于所述第二热交换器的入口和出口之一附近以测量压力。
4.根据权利要求3所述的跨临界蒸气压缩系统，其中所述控制器被编程以基于所述温度和压力的测量来计算所述压缩机的入口、所述压缩机的出口、所述第二热交换器的入口和所述第二热交换器的出口附近的制冷剂的内部能量。
5.根据权利要求4所述的跨临界蒸气压缩系统，其中所述控制器被编程以通过从所述第二热交换器的出口附近的制冷剂的内部能量减去所述第二热交换器的入口附近的制冷剂的内部能量来计算第一能量差，且其中所述控制器被编程以通过从所述压缩机的出口附近的制冷剂的内部能量减去所述压缩机的入口附近的制冷剂的内部能量来计算第二能量差。
6.一种控制跨临界蒸气压缩系统的方法，所述方法包括：
提供压缩机，其用于压缩制冷剂；
提供第一热交换器，其用于冷却所述制冷剂；
提供膨胀装置，用于降低所述制冷剂的压力；
提供第二热交换器，其用于将热吸到所述制冷剂内；
计算跨越所述第二热交换器的第一能量差；
计算跨越所述压缩机的第二能量差；
通过将第一能量差除以第二能量差来计算能量比；
比较所述能量比与先前计算的能量比；以及
基于所述能量比相对于先前计算的能量比的比较来调整所述系统的操作参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于还包括：
提供第一风机，其用于在所述第一热交换器上导向第一流体；
提供第二风机，其用于在所述第二热交换器上导向第二流体；
基于所述能量比相对于所述先前计算的能量比的比较来调整下列中的至少一个：第一风机的速度，第二风机的速度，压缩机的速度以及膨胀装置的开口。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于还包括：
测量所述压缩机的入口附近的温度和压力；
测量所述压缩机的出口附近的温度和压力；
测量所述第二热交换器的入口附近的温度；
测量所述第二热交换器的出口附近的温度；
测量所述第二热交换器的入口和出口之一附近的压力。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：基于所述温度和压力的测量来计算所述压缩机的入口、所述压缩机的出口、所述第二热交换器的入口和所述第二热交换器的出口附近的制冷剂的内部能量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于还包括：通过从所述蒸发器的出口附近的制冷剂的内部能量减去所述蒸发器的入口附近的制冷剂的内部能量来计算第一能量差，并且通过从所述压缩机的出口附近的制冷剂的内部能量减去所述压缩机的入口附近的制冷剂的内部能量来计算所述第二能量差。
11.一种跨临界蒸气压缩系统，包括：
压缩机，其用于压缩制冷剂；
第一热交换器，其用于冷却所述制冷剂；
膨胀装置，其用于降低所述制冷剂的压力；
第二热交换器，其用于将热吸到所述制冷剂内；
第一风机，其用于在所述第一热交换器上导向第一流体；
第二风机，其用于在所述第二热交换器上导向第二流体；
第一温度传感器和第一压力传感器，其位于压缩机的入口附近以分别测量温度和压力；
第二温度传感器和第二压力传感器，其位于所述压缩机的出口附近以分别测量温度和压力；
第三温度传感器，其位于所述第二热交换器的入口附近以测量温度；
第四温度传感器，其位于所述第二热交换器的出口附近以测量温度；
第三压力传感器，其位于所述第二热交换器的入口和出口之一附近以测量压力；以及
控制器，其被编程以基于所述温度和压力的测量来计算所述压缩机的入口、所述压缩机的出口、所述第二热交换器的入口和所述第二热交换器的出口附近的制冷剂的内部能量；通过从所述第二热交换器的出口附近的制冷剂的内部能量减去所述第二热交换器的入口附近的制冷剂的内部能量来计算第一能量差；通过从所述压缩机的出口附近的制冷剂的内部能量减去所述压缩机的入口附近的制冷剂的内部能量来计算第二能量差；通过将所述第一能量差除以所述第二能量差来计算能量比；比较所述能量比与先前计算的能量比；以及，基于所述能量比相对于先前计算的能量比的比较来调整下列中的至少一个：第一风机的速度，第二风机的速度，压缩机的速度，以及膨胀装置的开口。
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