CN103363749A - 饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的方法 - Google Patents

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陶乐仁
范丽娜
王乐民
李庆普
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Abstract

本发明提供了一种饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的方法，对制冷系统的制冷剂流量进行控制，将蒸发器出口的制冷剂干度控制在0.95～0.98之间。此工况下蒸发器内部全部为两相换热区，提高了换热器的传热系数降低了传热温差和蒸发温度，因此也提高了系统的制冷量和能效比，并显著降低了压缩机排气温度，而且该控制方法不需要增加额外的传感器和零部件，不会增加制冷系统的成本。本发明阐述的控制方法可应用于抗湿压缩性能较好的回转式压缩机系统中，如涡旋机、螺杆机和滚动转子式压缩机。

Description

饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的方法
技术领域
本发明适用于蒸汽压缩制冷系统，该系统利用电子膨胀阀或电动阀调节系统的制冷剂流量，在最大化系统性能的同时应防止蒸发器内未完全蒸发的大量液体进入压缩机内部，造成压缩机液击或缺油等损坏。
背景技术
制冷行业的可持续发展面临环境和能源的双重压力，现今市场和法规对制冷和空调系统的效率要求越来越高。传统的制冷系统的制冷剂控制是基于吸气过热度控制原理的，如图8所示，通过测量制冷压缩机的吸气口的压力和温度来得到过热度，并将过热度控制到系统设定的最小稳定过热度上。然而，这导致干式蒸发器由于存在过热度最小稳定信号，小于此过热度或者处于两相状态时，常规的压力/温度测量方式将无法识别蒸发器出口的制冷剂状态。因此制冷系统不得不维持在5K～10K的过热度，从而干式蒸发器后部将存在着较长的过热区。这个过热区使得蒸发器的传热面积没有得到充分利用，降低了蒸发器的换热效率、系统的制冷量和能效比。
在高压比的制冷系统和新型环保制冷剂R32等空调系统中，存在着压缩机排气温度高的现象。过高的排气温度（超过120℃）将会使润滑油变性、并加快压缩机中树酯材料的劣化以及降低润滑油的黏度使轴承的磨损加大，这将严重影响到制冷系统运行的可靠性，因此必须采取可靠措施来降低压缩机的排气温度。一般常用的降低排气温度的方法是液体喷液冷却或双级压缩这两种方式。但这两种技术都会造成系统成本的增加和运行控制的复杂性和不稳定性。
与活塞压缩机不同的是，螺杆、转子及涡旋等回转式压缩机由于没有吸气阀，它们对液击不太敏感或具有一定的抗湿压缩能力。少量的小粒径制冷剂液体进入高温的压缩腔内将迅速闪发，而不会造成压缩机液击损坏。
因此将压缩机的吸气状态控制在少量吸气带液，可充分利用蒸发器的换热面积，提高系统的制冷量和能效系数COP，并有效降低压缩机排气温度。
发明内容
针对上述问题，本发明提供的一种饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的方法以达到提高制冷系统中换热器的传热系数，降低传热温差和蒸发温度，提高制冷系统制冷量和能效比，并显著降低了压缩机排气温度，并且不需要增加额外的传感器和零部件，不增加制冷系统的成本。可应用于抗湿压缩性能较好的回转式压缩机系统中，如涡旋机、螺杆机和滚动转子压缩机。
为了达到上述目的，可以使用以下方案：
本发明提供了一种饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的方法，对制冷系统的制冷剂流量进行控制，制冷系统的制冷剂控制流量部分包括：压缩机，两个压力传感器，分别为第一压力传感器和第二压力传感器，温度传感器，计算芯片，节流阀以及可编程控制器，其特征在于，具有以下步骤：（1）将第一压力传感器安装在压缩机的吸气口，获得吸气压力数据，并将吸气压力数据发送到计算芯片，计算芯片根据吸气压力数据计算相对应的饱和蒸汽状态的比熵；（2）将第二压力传感器安装在压缩机的排气口，获得排气压力数据，并将排气压力数据发送到计算芯片，计算芯片根据排气压力和比熵计算得到饱和等熵压缩排气温度；（3）将温度传感器安装在压缩机的排气口用于测量排气温度，将排气温度数据发送到计算芯片，通过计算芯片计算排气温度和等熵压缩排气温度的差值，得到排气温差；（4）将排气温差发送到可编程控制器，当排气温差大于零时，可编程控制器控制节流阀开度增大使得增加制冷剂流量，当排气温差等于零时，可编程控制器控制节流阀开度不变使得保持制冷剂流量，当排气温差小于零时，可编程控制器控制节流阀开度减小使得减少制冷剂流量，并将压缩机吸气口控制到干度为0.95～0.98的少量吸气带液状态。
发明的作用与效果
本发明所涉及的一种饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的方法，对于抗湿压缩性能较好的回转式压缩机系统，将压缩机排气温度控制在饱和等熵压缩计算排气温度（即排气温差为0），可提高系统能效并有效降低排气温度。同时控制排气温差所需的吸排气压力和温度传感器在常规的制冷系统中也需要配置，相比于用喷液冷却和两级压缩来降低排气温度的方式，控制排气温差的方法仅需要改变系统的控制逻辑，并不会增加系统的成本和复杂性，也不会降低系统运行的可靠性，是一种既简单又节能的可靠设计方案。并使得压缩机的吸气状态控制在少量吸气带液，可充分利用蒸发器的换热面积，提高系统的制冷量和能效系数COP，并有效降低压缩机排气温度。
附图说明
图1是利用等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的流程图；
图2是三种压缩过程压焓原理图；
图3是制冷系统实验装置图；
图4是制冷量随吸气干度的变化图；
图5是COP随吸气干度的变化图；
图6是50Hz时排气温度的变化趋势图；
图7是70Hz时排气温度的变化趋势图；
图8是传统的利用过热度控制制冷剂流量的流程图。
具体实施例
以下结合附图对本发明所涉及的一种基于回转式压缩机的制冷系统的优选实施例做详细阐述，但本发明不仅限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下发明的优选实施例中说明了具体细节。
图1为利用等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的流程图。
如图1所示，本发明所涉及的饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的方法，根据理想的蒸汽压缩式制冷循环总是尽量将压缩机101吸气口控制在饱和状态，并尽量减少压缩过程的不可逆损失使其接近等熵过程。压缩机101排气温度与压缩机吸气口（即蒸发器105出口）的制冷剂状态密切相关。饱和等熵压缩是理想的压缩过程，但在实际运行中不可逆损失无法避免，且蒸发器105出口过热度太小时将出现吸气温度振荡的现象，所以实际的压缩过程总是偏离饱和等熵压缩过程。
通过测量吸气压力和排气压力得到饱和等熵压缩排气温度，并尽量将排气温差控制为0，制冷系统的制冷剂控制流量部分包括：压缩机101，两个压力传感器，分别为第一压力传感器102和第二压力传感器103，计算芯片，节流阀104，温度传感器106，以及可编程控制器107，具有以下步骤对制冷系统100中压缩机101的制冷剂流量进行控制：
步骤S1-1001:
将第一压力传感器102安装在压缩机101的吸气口，获得吸气压力数据，并将吸气压力数据发送到计算芯片，计算芯片根据吸气压力数据计算相对应的饱和蒸汽状态的比熵。
因为在实际制冷系统中，相比于温度测量，我们更容易得到准确的压力测量值。
步骤S1-1002:
将第二压力传感器103安装在压缩机101的排气口，获得排气压力数据，并将排气压力数据发送到计算芯片，计算芯片根据排气压力和比熵计算得到饱和等熵压缩排气温度。
无论是吸气过热、饱和还是带液时，我们均可以假设一个饱和等熵压缩过程，即以测得的吸气压力计算对应的饱和状态的熵，结合排气压力即可得到一个计算的饱和等熵压缩排气温度。
步骤S1-1003:
将温度传感器106安装在压缩机101的排气口用于测量排气温度，将排气温度数据发送到计算芯片，通过计算芯片计算排气温度和等熵压缩排气温度的差值，得到排气温差。将实际排气温度与该饱和等熵排气温度的差称作饱和等熵排气温差，简称排气温差。
步骤S1-1004:
将排气温差发送到可编程控制器107，当排气温差大于零时，可编程控制器控制节流阀104开度使得增加制冷剂流量，当排气温差等于零时，可编程控制器107控制节流阀104开度使得保持制冷剂流量，当排气温差小于零时，可编程控制器107控制节流阀104开度使得减少制冷剂流量，并将压缩机吸气口控制到干度为0.95～0.98的少量吸气带液状态。
图2为三种压缩过程压焓原理图。
如图2所示，在相同的蒸发压力和排气压力下，不同的吸气状态对排气温度和等熵压缩排气温度的影响。图中CB为假设的饱和等熵压缩过程，A′B′为吸气过热时的实际压缩过程，此时压缩机排气温差大于0；AB为排气温差为0时的实际压缩过程，由于不可逆损失的存在，A点一定在两相区；A″B″为继续降低吸气干度时的实际压缩过程，此时排气温差小于0。由图和分析可知，排气温差的值不仅反映了吸气状态过热度的大小，也反映了压缩过程中不可逆损失的度。
当压缩机的排气温差为0时，
m(he,v–he)=(1‐η)W‐Φ    (1）
m为制冷剂的质量流量，he和he,v为蒸发器出口制冷剂的比焓和蒸发压力对应的制冷剂饱和蒸汽比焓，η为压缩机的电效率，W为压缩机耗功，Φ为压缩机机壳散热量。由于压缩机的功率损失并不大，而且机壳采用强制对流散热可以降低一部分排气温升，但制冷剂的蒸发潜热值很大，因此仅需少量的吸气带液就可以弥补不可逆压缩损失所造成的排气温度升，使得排气温差为0。在大部分工况和运转频率下，当排气温差为0时，压缩机处于干度较高的吸气状态（0.95<x<0.98）。这个干度值是比较合理的，小液滴将在高温压缩腔内迅速闪蒸，不会发生液击危险。
图3为制冷系统实验装置图。
如图3所示，在本实施例搭建了滚动转子压缩制冷系统试验台100，进行了利用饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的实验，滚动转子压缩机101是回转式压缩机的一种。利用可编程控制器107对制冷系统实验台100的控制逻辑顺序做相应的改变，即能够将基于传统的过热度控制转换到基于饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的方法，可编程控制器107优选了西门子PLC可编程控制器，结合三维力控程序采集和控制制冷系统参数。将三维力控制程序与NIST的REFPROP软件的相互通讯，可实现计算芯片根据压力计算对应的饱和蒸汽状态的比熵，以及根据排气压力和比熵计算得到饱和等熵压缩排气温度，最后由计算芯片根据温度传感器106计算得到排气温差。
滚动转子压缩制冷系统试验台100的制冷系统的制冷剂控制流量部分包含用于测量蒸发器给水系统105的吸气压力的第一压力传感器102，以及压缩机101的排气口排气压力的第二压力传感器103，以及由可编程控制器107根据排气温差的值来控制制冷剂流量的节流阀104的开度，这里节流阀优选了电子膨胀阀104。此外还包括冷凝器给水系统108、高压储液器109、过冷器110、质量流量计111以及可视管112和113等。在冷凝器给水系统108及蒸发器给水系统105处增加使用了温度传感器用于测量冷冻水及冷却水的温度来了解制冷系统试验台100的工况。
实验结果表明，在排气温差为0时，系统的制冷量和COP都有所提高，且吸气口对应的干度在0.95～0.98之间，压缩机在少量吸气带液的情况下长期可靠运行，无液击现象发生。
图4为制冷量随吸气干度的变化图。
如图4所示，根据搭建的滚动转子压缩试验台，利用饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的实验，绘制了基于三种工况的制冷量随吸气干度的变化图，并且在两种工频赫兹‐50Hz和70Hz的条件下各绘制了一条，分别为1#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/32℃;2#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/42℃以及3#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/52℃。从图中显示的实验变化曲线表明，当吸气干度值在0.95‐1.00的区间中，制冷量/Kw的功率比值取得峰值，显示出有较好的制冷量性能，利用饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量方法使得吸气干度值在0.95‐0.98，即控制排气温差等于0的方法，正好使得制冷压缩机101在吸气干度值为0.95‐1.00的范围内工作，保证了制冷量性能。无液击现象发生。
图5为COP随吸气干度的变化图。
如图5所示，绘制了基于三种工况的COP随吸气干度的变化图，并且在两种工频赫兹‐50Hz和70Hz的条件下各绘制了一条，分别为1#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/32℃;2#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/42℃以及3#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/52℃。吸气过热度越大，蒸发器内气相换热区越长，蒸发器的换热温差越大，换热量越小，因此系统制冷量得不到充分发挥。同时吸气过热度大时，系统的高低压压差增大，压缩机的容积效率和等熵压缩电效率变差，COP也降低。而当压缩机吸气干度为0.95～1时，蒸发器内的两相换热区最长，蒸发器的换热量最大。同时良好的换热效果使得蒸发饱和温度升高，系统的高低压的压比减小，提升了系统的能效值COP。同时，无液击现象发生。
图6为50Hz时排气温度的变化趋势图。
如图6所示，根据搭建的滚动转子压缩试验台，利用饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的实验，绘制了基于工频赫兹‐50Hz在三种工况的排气温度/℃随吸气干度的变化图，分别为1#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/32℃;2#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/42℃以及3#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/52℃。由趋势图表明，在排气温度/℃取0左右时，吸气干度保持在0.95‐0.98之间，处于饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量方法的压缩机的工作条件。无液击现象发生。
图7是70Hz时排气温度的变化趋势图。
如图7所示，根据搭建的滚动转子压缩试验台，利用饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的实验，绘制了基于工频赫兹‐70Hz在三种工况的排气温度/℃随吸气干度的变化图，分别为1#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/32℃；2#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/42℃以及3#工况‐冷冻水/冷却水出水温度为12℃/52℃。由趋势图表明，在排气温度/℃取0左右时，吸气干度保持在0.95‐0.98之间，处于饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量方法的压缩机的工作条件。无液击现象发生。

Claims (1)

1.一种饱和等熵压缩排气温差控制制冷剂流量的方法，对制冷系统的制冷剂流量进行控制，制冷系统的制冷剂控制流量部分包括：压缩机，两个压力传感器，分别为第一压力传感器和第二压力传感器，计算芯片，温度传感器，节流阀以及可编程控制器，其特征在于，具有以下步骤：
（1）将第一压力传感器安装在所述压缩机的吸气口，获得吸气压力数据，并将吸气压力数据发送到计算芯片，所述计算芯片根据吸气压力数据计算相对应的饱和蒸汽状态的比熵；
（2）将第二压力传感器安装在所述压缩机的排气口，获得排气压力数据，并将排气压力数据发送到计算芯片，所述计算芯片根据排气压力和所述比熵计算得到饱和等熵压缩排气温度；
（3）将所述温度传感器安装在所述压缩机的排气口用于测量排气温度，将排气温度数据发送到所述计算芯片，通过计算芯片计算排气温度和等熵压缩排气温度的差值，得到排气温差；
（4）将所述排气温差发送到可编程控制器，当所述排气温差大于零时，所述可编程控制器控制节流阀的开度增大使得增加制冷剂流量，当所述排气温差等于零时，所述可编程控制器控制节流阀的开度不变使得保持制冷剂流量，当所述排气温差小于零时，所述可编程控制器控制节流阀的开度减小使得减少制冷剂流量，同时，使得压缩机吸气口控制到干度为0.95～0.98的少量吸气带液状态。
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Inventor after: Yang Lihui

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