CN104823007B - 制冷剂系统的压力控制 - Google Patents

Abstract

一种系统(10)包括冷凝器(32)和蒸发器(66)。冷凝器(32)配置成冷凝工作流体，并且蒸发器(66)配置成蒸发工作流体。该系统(10)还包括配置成使工作流体在冷凝器(32)和蒸发器(66)之间循环的管道。此外，该系统包括配置成收集冷凝后的工作流体的低点(20，46，68)。控制器(30)配置成基于低点(20，46，68)的工作流体压力而选择性地使收集在低点(20，46，68)中的冷凝后的工作流体进行加热。

Description

制冷剂系统的压力控制

背景技术

本公开宽泛地涉及制冷剂系统，并且更具体地，涉及制冷剂系统内的压力控制系统和方法。

制冷剂被用于在流体之间传递热量并且可以应用于多种应用，例如加热、通风、空气调节以及制冷(HVAC&R)系统，热泵，或者在有机朗肯循环(ORC)中发电。制冷剂通常在制冷剂管道系统内被运送，制冷剂管道系统包括管道，管道配件，阀等等。制冷剂管道系统在HVAC&R系统内的各个容器和设备之间运送制冷剂，例如压缩机，涡轮机，泵，蒸发器，冷凝器等等。现在已经发现在制冷剂管道系统，容器，或者设备中存在的泄露可能使空气进入HVAC&R系统，由此如果这种泄露发生在制冷剂回路中压力低于大气压力的部分则会降低HVAC&R系统的效率和操作性。这种泄露可能发生在热泵或ORC系统中，尤其是在系统没有运行的时候。此外，空气中的水分可能腐蚀HVAC&R系统，使泄露加重。

附图说明

图1为依据本技术的各个方面的具有的制冷剂管道系统和压力控制系统的热泵系统的一个实施例的示意图；

图2为依据本技术的各个方面的图1的热泵系统的第一部分的一个实施例的示意图；

图3a为依据本技术的各个方面的图1的热泵系统的第二部分的一个实施例的示意图；

图3b为依据本技术的各个方面的图1的热泵系统的第二部分的一个实施例的示意图；

图4为依据本技术的各个方面的图1的热泵系统的第三部分的一个实施例的示意图；并且

图5为依据本技术的各个方面的图2-4的制冷剂管道系统和热泵部分内的压力控制方法的流程图的一个实施例。

具体实施方式

本公开涉及制冷剂系统的压力控制系统和方法。如这里使用的，术语“制冷剂系统”包括任意的使用工作流体(例如，制冷剂)来吸收和/或传递能量的热力系统。因此，制冷系统可以为HVAC&R系统，热泵系统，ORC系统，等等。

如之前所述，在制冷剂系统的制冷剂管道系统，容器，或设备中存在的泄露可能会导致空气进入，尤其是当制冷剂压力低于环境压力时。空气进入降低了制冷剂系统的效率和操作性并且可能引起制冷剂管道系统，容器，和/或设备的腐蚀。此外，当空气进入制冷剂回路时，希望能够把空气排出制冷剂系统。不幸的是，排出空气可能引起不希望的制冷剂从制冷剂系统泄露出去。

现在已经意识到的是可以对制冷剂压力进行控制以减少空气进入制冷剂系统的可能性。也就是说，制冷剂压力可以维持在环境压力之上，由此减少空气进入制冷剂系统的驱动力。具体地，制冷剂系统包括一个或多个设计成收集液体制冷剂的低点。例如，重力可以拉动液体制冷剂朝向制冷剂系统的该一个或多个低点。可以采用加热源来加热收集在该一个或多个低点中的液体制冷剂，由此使制冷剂压力维持在环境压力之上并且减小空气进入制冷剂系统的可能性。

现在参照附图，图1示出具有配置成减小空气进入热泵系统10的可能性的压力控制系统12的一个制冷剂系统(例如，热泵系统10)的实施例。该制冷剂系统包括压缩机16(例如，螺杆式压缩机)和与压缩机16的运行相关联的其它设备，例如油分离器18和/或过热器60。应该注意到的是热泵系统10仅仅是给出示例方式，本公开可以应用于多种制冷剂系统，例如有机朗肯循环(ORC)系统，冷却器，等等。此外，热泵系统10的部件可以视具体情况而定(implementation-specific)。也就是说，热交换器的流动结构和类型，压缩机的数量和类型，泵，阀等等在不同实施例中可以在较宽的范围内变化。

热泵系统10包括制冷剂管道系统14，其在热泵系统10的各个部件之间运送工作流体(例如，制冷剂，例如R-245fa或者R-236fa)。例如，制冷剂进入压缩机16，其压缩和加压制冷剂。加压后的制冷剂接着流入油分离器18，其使制冷剂从压缩机16的润滑油中分离。应该注意到的是热泵系统10的某些实施例可以不包括压缩机16。例如，有机朗肯循环(ORC)系统可以采用泵替代压缩机16来加压和运送液体制冷剂。此外，某些实施例可以不采用油分离器18。换句话说，制冷剂可以从压缩机16的出口直接流入到阀22或冷凝器32而不经过油分离器18。

如图所示，油分离器18被设置在热泵系统10的低点20。也就是说，油分离器18设置在压缩机16和阀22之间的局部最低位。因此，液体制冷剂通过重力流动被排放到油分离器18中，尤其在热泵系统没有运行时。如前面讨论的，需要监控并且控制低点20内的制冷剂的压力以减小空气进入热泵系统10的可能性。

在润滑油被分离出去以后，制冷剂流过阀22到达冷凝器32，制冷剂在这里被冷凝成液相。冷凝器32也被设置在位于阀22和过热器60之间的热泵系统10中的低点46。当需要时，可以采用控制器30来控制对收集在冷凝器32(即，低点46)内部的液体制冷剂的加热。如图所示，冷凝器32包括管束34，其被连接到冷却剂管道系统36。冷却剂管道系统36从水源38向回水40运送冷却剂(例如，水)。例如，水从水源38流过管34，在这里水从制冷剂吸收热量，由此使得制冷剂冷凝成液相。接着，温水流到回水40，在这里温水流向下游设备，例如冷却塔等等。

冷凝的制冷剂离开冷凝器32并且流过过热器60，阀62，以及热膨胀阀64，其为一个计量装置。膨胀阀64计量冷凝后的制冷剂进入蒸发器66的流量，蒸发器66使制冷剂蒸发成气相。然而，某些实施例可以不包括热膨胀阀64。制冷剂可以从冷凝器32自由地流向蒸发器66是可取的。例如，ORC系统可以包括设置在蒸发器66和冷凝器32之间的涡轮机，而没有热膨胀阀64。

如图所示，蒸发器66也设置在膨胀阀64和过热器60或截止阀78之间的热泵系统10中的低点68。可以意识到的是，在热泵系统10的正常运行中，蒸发器66的运行条件可以使制冷剂维持在气相。然而，当热泵系统10不运行时，制冷剂的温度会逐渐降低，导致制冷剂冷凝成为液相。液体制冷剂可以通过重力流动排放到蒸发器66和低点68中。再一次，需要对低点68中的制冷剂的压力进行监控和控制以减小空气进入热泵系统10的可能性，尤其是当热泵系统10没有运行时(例如，由于过程混乱引起的短期或在关闭时的较长时期)。

如图所示，蒸发器66包括管束70，其被连接到附加的冷却剂管道系统72。蒸发器66的冷却剂管道系统72与冷凝器32的冷却剂管道系统36类似。也就是说，冷却剂管道系统72从水源74运送冷却剂(例如水)通过管道70，在这里水向制冷剂排放热量，由此使制冷剂蒸发。冷却的水接着流到回水76，在这里冷却后的水流向下游的设备，例如空调器等等。

来自蒸发器66的蒸发的制冷剂流动进入过热器60，在这里蒸发制冷剂被来自冷凝器32的冷凝后的制冷剂加热。过热的制冷剂接着流过吸入阀78到达压缩机16，在这里热泵循环基本上可以再次开始。应该注意到的是，热泵系统10的某些实施例可以不包括过热器60。也就是说，蒸发的制冷剂可以从蒸发器66的出口直接流到吸入阀78或压缩机16而不经过过热器60。

如图所示，阀22，62和78可以被用于将热泵系统10分割成三个部分80，82和84。部分80，82和84中的每一个均被设计成具有至少一个低点(例如，低点20，46和68)来通过重力流动收集液体制冷剂。尽管油分离器18，冷凝器32，以及蒸发器66被示出作为各自的低点20，46和68，然而热泵系统10可以被设计成在其它位置具有低点，例如过热器60，压缩机16，或者热泵系统10内部其它指定的液体容器。例如，制冷剂管道系统14可以包括被设计成通过重力流动收集液体制冷剂的U形容器。控制器30可以被用于控制低点20，46和68中的液体制冷剂的加热。

如图所示，控制器30包括执行逻辑来加热液体制冷剂的各种部件。具体地，控制器30包括一个或多个处理器86和/或其它数据处理线路，例如存储器88，来执行能够选择性地加热收集在低点20，46和68中的液体制冷剂的指令。可以在软件程序中对这些指令进行编码，这些软件程序被一个或多个处理器86所执行。此外，这些指令可以存储在实体的，永久的(即，不仅仅是信号)，计算机可读介质中，例如存储器88。

在某些实施例中，可以对各种运行参数和阈值进行编码并且存储在存储器88中以便随后通过一个或多个处理器88进行访问。例如，环境压力传感器90可以探测热泵系统10周围的环境压力。如下面更加详细的描述，处理器86可以基于环境压力计算阈值压力，并且该阈值压力可以存储在存储器88中用于随后的使用来加热低点20，46和68。控制器30可以独立地控制每个部分80，82和84中的液体制冷剂的加热。应该注意到的是某些实施例可以不包括环境传感器90。可以意识到的是，与制冷剂系统内部的压力波动相比，环境压力的波动很小。因此，环境压力可以被假设为不变的，由此使得控制器30可以不需要环境压力传感器90而运行。然而，在某些实施例中，例如处于高海拔处的热泵系统，需要具有环境压力传感器90，并且压力阈值可以相应地进行调整。

图2示出热泵系统10中阀78和22之间的部分80。阀78和22可以被关闭以使部分80与热泵系统10的其余部分隔离。如前面解释的，尤其当热泵系统10没有运行时，液体制冷剂可以收集在油分离器18(即，低点20)中并且在油中被稀释。需要对收集在油分离器18中的油和液体制冷剂的混合物进行加热以减小空气进入部分80的可能性。因此，热源(例如，电加热器或加热线圈26)被连接到油分离器18。如图所示，加热线圈26浸没到油和液体制冷剂混合的池28中，并且加热线圈26可以将热直接供给给该混合物。在某些实施例中，可以使用另外的或替代的热源来加热混合物。例如，从外部连接到油分离器18的伴热48(例如，蒸汽伴热或电伴热)可以加热油分离器18，由此加热油分离器18中的液体制冷剂。

控制器30可以使用加热线圈26，伴热48，或者两者都有来基于部分80的运行条件(例如，压力)选择性地能够加热油分离器18。如图所示，压力传感器24被连接到油分离器18。压力传感器24探测油分离器18中的压力来作为制冷剂压力的指示。在当前预期的实施例中，控制器30可以将通过压力传感器24探测到的压力与存储在存储器88中的阈值压力进行对比以确定是否需要对混合的油和液体制冷剂进行加热。例如，当探测到的压力位于阈值压力之下时，控制器30可以选择性地使加热线圈26，伴热48，或者两者都有能够加热制冷剂和油的混合物从而减小空气进入部分80的可能性。在某些实施例中，阈值压力可以至少一部分地基于可以被假设为不变或者通过环境压力传感器90探测到的环境压力。例如，阈值压力可以位于大约环境压力的100到300，110到250，150到200的百分比之间，以及其间的所有子范围。

除了上面描述的基于压力的控制算法之外，控制器30可以执行各种逻辑来加热液体制冷剂和油的混合物。例如，控制器30可以基于制冷剂的压力，热泵系统未运行的时间量，或者两者的组合来选择性地使加热线圈26，伴热48，或者两者都有能够进行加热。基于温度和基于时间的控制算法将参照图3和4进行更详细的描述。

图3a和3b示出阀22和62之间的部分82。阀22和62可以被关闭以使部分82与热泵系统10的其余部分隔离。在某些实施例中，阀62相对于图3a中的阀62可以占据更低的位置(如图3b所示)。当阀62关闭时，高度可能影响过热器60和管道系统中积聚的制冷剂的量。另外地或替代地，旁通阀83可以使制冷剂旁能够通过热器60，其同样在图3b中示出。

同样，由于冷凝器32位于低点46，液体制冷剂可以通过重力流动收集在冷凝器32中。然而，在某些实施例中，来自过热器60的制冷剂由于“瓶颈”效应而不会被排放到冷凝器32中。例如，过热器60可以为具有一个或多个挡板的管壳式换热器，其可以在热泵系统10不运行时留存住冷凝的制冷剂。另外地或替代地，液体(例如，冷凝的制冷剂)的静压头可以维持过热器60中的液位。不过，如下面所述，冷凝器32通常包含有足够量的液体来实现热泵系统10中的压力控制。

在热泵系统10的正常运行中，液体制冷剂的压力通常足够高(例如，高于环境压力)来减小空气进入热泵系统10的可能性。然而，当热泵系统10没有运行时，液体制冷剂的温度和压力会逐渐降低，尤其是在环境温度低的环境中。因此，需要对收集在冷凝器32中的液体制冷剂进行加热以减小空气进入部分82的可能性。

可以通过多种热源来提供热量。例如，从外部被连接到冷凝器32的伴热48可以为冷凝器32提供热量，由此加热冷凝器32内部的液体制冷剂。另外地或替代地，冷却剂管道系统36中的水可以对冷凝器32(即，低点46)中的液体制冷剂进行加热。例如，水可以从水源38流动通过管34，向液体制冷剂释放热量。换句话说，热源可以包括换热流体(例如，水)。

如图所示，冷却剂管道系统36还包括控制阀42和44，它们沿着位于水源38和回水40之间的水流路径设置。控制阀42和44可以选择性地放开或阻断流向冷凝器32的水流。例如，需要关闭控制阀42和44以对冷凝器32的管34执行维护。另一方面，冷凝器30可以打开控制阀42和44使水能够流到冷凝器32。在某些实施例中，控制器30可以启动泵92来增加流过冷凝器34的管的水流，由此提高液体制冷剂被加热的速率。

在当前预期的实施例中，需要提高冷却剂管道系统36中的水的温度，这样可以更快地加热低点46中的液体制冷剂。为此，冷却剂管道系统包括泵50和热源(例如，电加热器52)。电加热器52使水变暖，并且泵50运送水通过冷凝器32的管34。在某些结构中，控制器30可以关闭控制阀42和44，使水能够再次循环通过位于电加热器52和管34之间的连续回路54。水的连续再循环和加热可以提高冷却剂管道回路36的效率并且减少热泵系统10的水消耗。

压力传感器56被连接到冷凝器32以使得控制器30可以执行前面描述的基于压力的控制算法。也就是说，控制器30可以基于通过压力传感器56探测到得压力来选择性地使伴热48，冷却剂管道系统36或者两者都有能够加热冷凝器中的制冷剂。如图所示，控制器可以通信联络地连接到压力传感器56，还有伴热48，泵50，以及电加热器52。应该注意到的是在其它实施例中，可以使用另外的或替代的热源(例如，加热线圈)。

除了上面描述的基于压力的控制算法之外，控制器30还可以执行基于时间的控制算法。例如，如果热泵系统10在一段时间没有运行，控制器30可以采用冷却剂管道系统36中的水加热冷凝器32中的液体制冷剂。具体地，控制器30可以打开控制阀42和44并且启动泵92来使水流过冷凝器32的管34。水流可以提高液体制冷剂的温度和压力。然而，在一定的延时之后，如果制冷剂压力仍然位于阈值压力之下，如上所述，控制器30可以使水再循环通过连续回路54。也就是说，控制器30可以关闭控制阀42和44并且随后使电加热器52和泵50能够工作。电加热器52提高了水的温度，由此提高了液体制冷剂被加热的速率。

在某些实施例中，控制器30可以基于水温(即，基于温度的控制)使水能够再循环通过连续回路54。如图所示，温度传感器58被连接到冷却剂管道系统36。温度传感器58探测冷却剂管道系统36中的连续回路54中的水的温度。如果探测到的温度低于阈值温度，需要提高水温来更快地加热液体制冷剂。因此，当探测到的温度低于阈值温度时，控制器30可以使水能够再循环通过连续回路54。阈值温度可以至少一部分地基于液体制冷剂的饱和温度。

图4示出位于阀62和78之间的部分84，以及冷剂管道系统72。蒸发器66的冷却剂管道系统72类似于冷凝器32的冷却剂管道系统36。也就是说，冷却剂管道系统72包括控制阀94和96以选择性地阻断或使水能够流动通过蒸发器66的管70。此外，冷却剂管道系统72包括具有泵100的再循环回路98和电加热器102。此外，冷剂管道系统72包括泵104，压力传感器106，以及温度传感器108来执行如前面描述的基于压力，基于温度，或者基于时间的控制算法，或者它们的组合。应该注意到的是控制算法的压力阈值，温度阈值，或其它参数可以在冷剂管道系统36和72之间变化。例如，冷剂管道系统72的压力阈值可以高于冷剂管道系统36的压力阈值。

图5示出控制热泵系统10的低点20，46，68中的压力的方法110的一个实施例。压力传感器24，56和106可以探测各个低点20，46和68的压力(块112)。控制器30可以确定探测到的压力是否低于阈值压力(块114)。在某些实施例中，阈值压力可以基于假设的环境压力(例如，不变)或由环境压力传感器90探测到得环境压力。此外，阈值压力可以存储在控制器30的存储器88中。当探测到的压力低于阈值压力时，控制器30可以使用热源(例如，冷却剂管道系统36和72中的水，伴热48，加热线圈26，或者它们的任意组合)能够对收集在低点20，46，68中的液体制冷剂进行加热(块116)。在一定的时间延迟之后，压力传感器24，56和106可以重新探测各个低点的压力(块118)。控制器30接着可以重新确定探测到的压力是否低于阈值压力(块120)。如果探测到的压力仍然小于阈值压力，控制器30可以采用附加的热源(例如，电加热器52和102)进行加热(块120)。如果探测到的压力大于或等于阈值压力，该过程可以基本上重新开始。

尽管仅对本发明的某些特征和实施例进行了图示和描述，但是本领域技术人员可以进行多种改进和修改(例如，各个元件的尺寸，大小，结构，形状和比例，参数值(例如，温度，压力，等等)，安装结构，材料的使用，颜色，方向等等)而实质上不会脱离权利要求所述的主题的新颖性教导和优点。任何过程或方法步骤的顺序或序列根据不同的实施例可以变化或重新排序。因此，可以理解的是所附的权利要求用于覆盖落入本发明的真实精神范围之内的所有的这些改进和修改。此外，为了对典型实施例进行简明的描述，并未对实际的实施方案的所有特征进行描述(即，那些与为了实现本发明而在当前执行的最佳模式不相关的特征，或者那些与实现所要求保护的本发明不相关的特征)。应该意识到的是在任何这些实际实施方案的研发过程中，就像在任何的工程或设计项目中那样，许多实施方案可以视具体情况而定。这种研发的付出是复杂和耗时的，但是对于享有本公开的利益的本领域普通技术人员而言，都是设计，制作和制造的例行任务，无需过度的实验。

Claims (20)

1.制冷剂系统，包括：

配置成冷凝工作流体的冷凝器；

配置成蒸发所述工作流体的蒸发器；

配置成在所述冷凝器和所述蒸发器之间循环所述工作流体的管道；

配置成收集冷凝后的工作流体的低点；以及

控制器，所述控制器配置成基于所述低点的工作流体压力和阈值压力而选择性地使得能够对收集在所述低点中的所述冷凝后的工作流体进行加热；

其中所述系统包括配置成将所述系统细分成第一部分和第二部分的一个或多个阀，所述第一部分包括所述低点。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器配置成使所述低点的所述工作流体压力维持在所述阈值压力之上，并且其中所述阈值压力至少部分地基于环境压力。

3.根据权利要求1所述的系统，包括：

配置成接收来自所述蒸发器的所述工作流体并且压缩所述工作流体的压缩机；以及

配置成接收来自所述冷凝器的所述工作流体并且对进入所述蒸发器的所述工作流体的流量进行计量的计量装置。

4.根据权利要求3所述的系统，包括：

配置成使离开所述冷凝器的所述工作流体和离开所述蒸发器的所述工作流体之间进行热交换的过热器；以及

配置成从所述工作流体中分离润滑油的油分离器。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述低点包括所述蒸发器、所述油分离器、所述过热器、所述压缩机、所述管道的液体容器或者它们的组合。

6.根据权利要求1所述的系统，包括：

配置成测量所述低点的所述工作流体压力的压力传感器；以及

配置成加热所述低点内的所述工作流体的热源，其中所述控制器配置成选择性地启动所述热源。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述热源包括连接到所述低点的电加热器、伴热或者它们的组合。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述热源包括配置成与所述低点内的所述工作流体进行热交换的传热流体。

9.根据权利要求8所述的系统，包括：

配置成加热所述低点内的所述工作流体的附加热源；以及

配置成测量所述传热流体的温度的温度传感器，其中所述控制器配置成至 少部分地基于所述低点的工作流体压力和所述传热流体的温度而选择性地启用所述热源、所述附加热源或者两者以加热所述冷凝后的工作流体。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述附加热源包括配置成提高所述传热流体的温度的电加热器、伴热或者它们的组合。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制器配置成，当所述制冷剂系统在一段时间内不运行时，使所述传热流体能够与所述低点中的所述工作流体进行热交换，并且所述控制器配置成，在时间延迟之后使所述附加热源能够提高所述传热流体的温度。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二部分包括配置成收集所述冷凝后的工作流体的附加低点，并且其中所述控制器配置成基于所述低点的所述工作流体压力和所述附加低点的附加工作流体压力来选择性地使得能够对所述低点和所述附加低点进行加热。

13.压力控制系统，包括：

一个或多个实体的、机器可读介质，其至少总体地包括能够通过处理器执行的指令，这些指令包括下面的指令：

接收表示制冷剂系统的低点中的工作流体的工作流体压力的信号；

确定所述工作流体压力是否低于阈值压力；以及

当所述工作流体压力低于所述阈值压力时，使得能够使用热源对所述低点 中的所述工作流体进行加热；

其中所述制冷剂系统包括配置成将所述制冷剂系统细分成第一部分和第二部分的一个或多个阀，所述第一部分包括所述低点。

14.根据权利要求13所述的压力控制系统，其中所述阈值压力至少部分地基于环境压力。

15.根据权利要求14所述的压力控制系统，其中使得能够对所述制冷剂进行加热的指令包括下面的指令：

在时间延迟之后，重新确定所述工作流体压力是否低于所述阈值压力；并且

使得能够在所述时间期间之后，当所述工作流体压力低于所述阈值压力时使用附加热源对所述低点中的所述工作流体进行加热。

16.根据权利要求15所述的压力控制系统，其中所述压力控制系统配置成，当所述制冷剂系统在至少一部分的所述时间期间内没有运行时，执行使得能够对所述低点中的所述制冷剂进行加热的指令。

17.压力控制方法，包括：

使用压力传感器探测收集在加热、通风、空气调节或者制冷剂系统的低点中的工作流体的工作流体压力；

采用控制器来确定所述工作流体压力是否低于阈值压力；并且

基于来自所述控制器的指令，当所述工作流体压力低于所述阈值压力时，选择性地使得能够使用第一热源、第二热源或者两者对所述工作流体进行加热；

其中所述制冷剂系统包括配置成将所述制冷剂系统细分成第一部分和第二部分的一个或多个阀，所述第一部分包括所述低点。

18.根据权利要求17所述的方法，包括：

采用所述控制器，至少部分地基于使用环境压力来计算所述阈值压力；并且

将所述阈值压力存储在所述控制器的存储器中。

19.根据权利要求17所述的方法，其中选择性地使得能够对所述工作流体加热包括：

使得能够使用所述第一热源对所述工作流体加热，其中所述第一热源包括传热流体；

使用温度传感器探测所述传热流体的温度；

使用所述控制器来确定所述传热流体的温度是否低于温度阈值；并且

使得能够当所述传热流体的温度低于所述温度阈值时，使用所述第二热源对所述工作流体进行加热。

20.根据权利要求19所述的方法，其中选择性地使得能够对所述工作流体加热在所述制冷剂系统没有运行时执行。