CN105299983B - 热交换系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热交换系统及其控制方法，涉及制冷领域，用以提高系统性能。该热交换系统包括油分离器、控制器和旁通支路；油分离器与旁通支路并联。其中，控制器用于切换来自压缩机的油气混合物的流向，以使得油气混合物按照下列方式之一流动：经由旁通支路流向换热器、经由油分离器流向换热器。上述技术方案提供的热交换系统，可以通过控制器控制油气混合物是否流过油分离器，以使得热交换系统在制热/制冷状态下根据需要选择能提高系统性能的方式。

Description

热交换系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及热交换领域，具体涉及一种热交换系统及其控制方法。

背景技术

家用或商用空调或热泵系统中，压缩机的冷冻油会随油气混合物排出，从而对系统产生影响。配置油分离器的系统，从排气管排出的大部分冷冻油被收集后返回压缩机，小部分进入冷凝器和换热件。没有配置油分离器的系统，排出的冷冻油全部进入了冷凝器和换热件。

传统观念和研究认为，冷冻油进入冷凝器和换热件，由于占据了部分体积和质量流量，导致减少油气混合物流量且增加功耗，所以会对系统产生不利的影响，且过多的排出冷冻油会造成压缩机缺油，降低可靠性，所以在系统排气管路上增加油分离器竭力避免冷冻油进入系统。

发明人发现，在不同的情况下，冷冻油进入冷凝器和换热件所产生的影响存在有利和不利两种情况。如何根据不同的情形选择设计，从而提高系统性能，特别是提高制热模式下的换热量，从而有效降低辅助电加热使用率，降低能耗，提高性能是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的其中一个目的是提出一种热交换系统及其控制方法，用以提高系统性能。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种热交换系统，包括：油分离器、控制器和旁通支路；所述油分离器与所述旁通支路并联；

其中，所述控制器用于切换来自压缩机的油气混合物的流向，以使得所述油气混合物按照下列方式之一流动：经由所述旁通支路流向换热器、经由油分离器流向所述换热器。

在可选的实施例中，

当所述热交换系统处于制热模式，所述控制器用于控制来自所述压缩机的油气混合物经由所述旁通支路流向所述换热器；

当所述热交换系统处于制冷模式，所述控制器用于控制来自所述压缩机的油气混合物经由所述油分离器流向所述换热器。

在可选的实施例中，所述控制器包括第一控制阀和第二控制阀；

所述第一控制阀与所述油分离器串联，所述第二控制阀设在所述旁通支路上；

其中，当所述第一控制阀处于关闭状态、所述第二控制阀处于打开状态，来自所述压缩机的油气混合物经由所述旁通支路流向所述换热器；

其中，当所述第一控制阀处于打开状态、所述第二控制阀处于关闭状态，来自所述压缩机的油气混合物经由所述油分离器流向所述换热器。

在可选的实施例中，热交换系统还包括防止所述旁通支路中油气混合物流向所述油分离器的单向阀。

在可选的实施例中，所述油分离器设置在储油罐中，所述储油罐设有与所述压缩机连通的管路，所述管路上设有流量调节阀。

在可选的实施例中，所述储油罐底部开设有出油口，出油口与回油管的第一端连通，所述回油管的第二端位于所述储油罐内部；所述回油管的侧壁设有回油孔；

其中，当所述热交换系统处于制热模式，所述储油罐中的冷冻油经由所述回油孔流向所述出油口；

当所述热交换系统处于制冷模式，所述储油罐中的冷冻油同时经由所述回油管的第二端以及所述回油孔流向所述出油口。

在可选的实施例中，第一控制阀和/或第二控制阀为电磁阀。

在可选的实施例中，所述热交换系统为空调系统或热泵系统。

本发明又提供一种热交换系统的控制方法，包括下述步骤：

当热交换系统处于制热模式，控制经由压缩机出来的油气混合物流向换热器；

当热交换系统处于制冷模式，控制经由压缩机出来的油气混合物经由油分离器后再流向换热器。

在可选的实施例中，在当热交换系统处于制热模式，控制经由压缩机出来的油气混合物流向换热器之后还包括下述步骤：

若检测到的压缩机内的冷冻油油位高于设定值，控制经由压缩机出来的油气混合物经由油分离器后再流向换热器；

直至检测到的压缩机内的冷冻油油位低于设定值，控制经由压缩机出来的油气混合物流向换热器。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

上述技术方案提供的热交换系统，可以通过控制器控制油气混合物是否流过油分离器，以使得热交换系统在制热/制冷状态下根据需要选择能提高系统性能的方式。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的热交换系统的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的热交换系统处于制冷模式下的控制流程图；

图3为本发明实施例提供的热交换系统处于制热模式下的控制流程图。

附图标记：

100、压缩机；101、油分离器；102、储油罐；

103a、冷冻油；103b、冷冻油；104a、流量调节阀；

104b、电子膨胀阀；105、换热器；106、换热件；

107a、第一控制阀；107b、第二控制阀；108、单向阀；

109、油位传感器；110、回油管；111、回油孔。

具体实施方式

下面结合图1～图3对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

本发明实施例提供一种热交换系统，包括油分离器101、控制器和旁通支路；油分离器101与旁通支路并联。其中，控制器用于切换来自压缩机100的油气混合物的流向，以使得油气混合物按照下列方式之一流动：经由旁通支路流向换热器105、经由油分离器101流向换热器105。

控制器可以采用多通阀或阀组的形式，当然，不限于上述方式。

上文的油分离器101位于压缩机100排气高压侧。若系统存在四通阀，则其体现在四通阀之前。

上述热交换系统可以为空调系统或热泵系统。在空调系统中，有两个可实现换热的部件，上文所提及的换热器是指与压缩机100的输出口相连的那个换热器105。为清楚描述，本实施例中，将与压缩机100的输入口连接的换热部件称为换热件106。换热器105、换热件106中其中一个为蒸发器，另一个为冷凝器。

上述技术方案提供的热交换系统，可以通过控制器控制油气混合物是否流过油分离器101，以使得热交换系统在制热/制冷状态下根据需要选择能提高系统性能的方式。

进一步地，当热交换系统处于制热模式，控制器用于控制来自压缩机100的油气混合物经由旁通支路流向换热器105。当热交换系统处于制冷模式，控制器用于控制来自压缩机100的油气混合物经由油分离器101流向换热器105。

上述技术方案，当系统处于制热模式运行时，油气混合物则不经过油分离器101直接进入系统，同时该模式下实现压缩机100排油率可调，后文将详述此处。压缩机100排气后，在随后的冷凝过程中，在某个干度区间里冷冻油的存在可以增大液相的表面张力，从而增大液相与管壁的接触面积，同时油的存在增加发泡点，增强沸腾，从而提高换热量。鉴于此，系统具有一定的含油率，可以进一步提升系统的换热效果及性能。上述技术方案，改变了无论制冷模式还是制热模式下排气都必须经过油分离器101的现状，使得系统可以根据实际需要选择是否需要经过油分离器101，以使得系统的换热性能得到最大化发挥。

参见图1，本实施例中，控制器包括第一控制阀107a和第二控制阀107b。第一控制阀107a与油分离器101串联，第二控制阀107b设在旁通支路上。其中，当第一控制阀107a处于关闭状态、第二控制阀107b处于打开状态，来自压缩机100的油气混合物经由旁通支路流向换热器105。当第一控制阀107a处于打开状态、第二控制阀107b处于关闭状态，来自压缩机100的油气混合物经由油分离器101流向换热器105。第一控制阀107a、第二控制阀107b可都采用电磁阀。油气混合物流出换热器105后，流向电子膨胀阀104b、换热件106，然后流回压缩机100。

通过第一控制阀107a、第二控制阀107b和单向阀108的结构设计，使压缩机100的油气混合物流向改变。制冷模式下，系统为带油分离器101工作，系统含油率极低；制热模式下，系统为不带油分离器101工作，系统具有一定的含油率。本发明的技术方案能实现在压缩机100和系统可靠运行的条件下，可以提高系统性能和能效，特别是制热量和制热性能系数的提高，有效降低辅助电加热的使用率，具有高效和节能的功能优势。

上述技术方案，压缩机100排出的油气混合物可以根据需要进入或不进入油分离装置再进入换热器105。通过控制各电磁阀的开、闭和后续的单向阀108来引导油气混合物流向，当运行制冷模式时，通过控制各电磁阀使油气混合物进入油分离器101。当运行制热模式时，通过控制各电磁阀的开、闭使油气混合物不经过油分离器101。

如上述，参见图1，热交换系统还包括防止旁通支路中油气混合物流向油分离器101的单向阀108。

通过第一控制阀107a、第二控制阀107b的一开一关来实现油气混合物的流向切换，并配置单向阀108避免不同流道的串气。

参见图1，本实施例中，油分离器101设置在储油罐102中，储油罐102设有与压缩机100连通的管路，管路上设有流量调节阀104a。流量调节阀104a具体采用电子膨胀阀。

油分离器101分离出来的冷冻油可以存储在储油罐102中，通过储油罐102还可以在需要的时候向压缩机100输送冷冻油。油分离器101安装于储油罐102内部，后者实现储存和收集冷冻油103a的功能。储油罐102底部设置了出油口，调节流量调节阀104a的开度可以改变冷冻油103a从出油口返回压缩机100吸气端的流速和流量，具体如下所述。

参见图1，储油罐102底部开设有出油口，出油口与回油管110的第一端连通，回油管110的第二端位于储油罐102内部；回油管110的侧壁设有回油孔111。其中，当热交换系统处于制热模式，储油罐102中的冷冻油经由回油孔111流向出油口。当热交换系统处于制冷模式，储油罐102中的冷冻油同时经由回油管110的第二端以及回油孔111流向出油口。

回油管110高度设计应至少高于储油罐102内冷冻油103a油位的高度，该油位高度还应考虑到冷媒溶解在冷冻油103a中造成的油位上升，在回油管110高度设计上需留有充足的余量，以使得当储油罐102中的油位高于回油管110的第二端，冷冻油同时经由回油孔111和回油管110的第二端向管路输送；当储油罐102中的油位低于回油管110的第二端，冷冻油经由回油孔111向管路输送。

此处，回油孔111的数量至少为两个，各回油孔111在回油管110的高度方向上间隔设置。

如图1所示，储油罐102的出油口向储油罐102内部延伸出一根回油管110，回油管110一端与出油口相通，另一端延伸高出储油罐102内的冷冻油103a油位一定的距离。在回油管110底部设置直径比回油管110直径小的回油孔111，直径范围可介于0.5mm～4.0mm之间，根据不同孔径设计，一根回油管110的回油孔111数量可以是1～5个，不同回油孔111在垂直方向上的间距可在15-40mm之间。

回油管110和回油孔111的设计是为了在制热模式时，储油罐102前、后第一控制阀107a、单向阀108封闭情况下，冷冻油103a可以不受限制、顺利地从回油管110上的回油孔111，继而从储油罐102出油口流出，返回压缩机100吸气端。一般排量越大、排油率越大，则要求回油管110和回油孔111孔径越大，以保证压缩机100油位迅速达到设定值。但孔径越大，会更多的高压冷冻油直接返回到系统低压，造成吸气压力增大，循环油气混合物流量减少，降低换热量和能效。回油管110和回油孔111的孔径必须依据当前压缩机100的排量和排油率因素重点严格设计。

当系统运行制冷模式时，第二控制阀107b关闭，第一控制阀107a打开。压缩机100排出的油气混合物经油分离器101过滤后，分离出的冷冻油103a储存于储油罐102中，含有极少冷冻油的油气混合物则进入换热器105和换热件106进入循环。

制冷模式下系统控制流程图如图2。为了保证制冷模式下压缩机100不缺少冷冻油，配置压缩机100内部的油位传感器109负责检测其油位，根据测量油位和程序设定油位差值来调节流量调节阀104a的开度，采用反馈调节机制，使冷冻油103b油位维持平衡或稍微高于设计油位，满足压缩机100可靠运行的最基本要求。

当运行制热模式时，第二控制阀107b打开，第一控制阀107a关闭。排出的油气混合物直接进入换热器105和换热件106进入循环。

制热模式下设定油位适当高于制冷模式下的油位，从而可以适当提升系统含油率，从而提升系统制热量。此模式下同样是通过调节流量调节阀104a的开度实现压缩机100油位的反馈调节。

由于制热模式下储油罐102排放冷冻油103a而不收集，为了避免过多排放冷冻油103a造成压缩机100油位快速上升，该模式下流量调节阀104a的开度调节速度应比系统运行制冷模式要适当减缓。

在控制器程序中合理地设置制热模式下的压缩机100的油位将有利于提高系统制热量，从而实现高效的特点。设计不足会造成制热量提升不明显，而设计过多将造成过多的冷冻油进入系统，不仅使油气混合物循环相对流量减少，增加了输油功耗，而且较大地改变油气混合物本身物性参数，并最终恶化换热器105换热。

当运行在制热模式下，如果检测到压缩机100中油位有异常(比如高于设定值的10％以上)，将增加系统功耗并影响换热器105换热效果，则必须通过切换第一控制阀107a、第二控制阀107b将排气通道切换到带油分离器101一侧，以便将冷冻油重新收集到储油罐102中。待压缩机100油位恢复至制热模式下油位设定值时，将排气管路流向重新恢复至无油分离器101一侧。制热模式下系统控制流程图如图3。以滚动活塞式压缩机为例，制冷时油位高度为压缩机100底盖到上法兰的下端面，制热时的油位高度可以是制冷时油位高度的1.1～1.3倍。

本发明中空调或热泵系统的储油罐102内必须预先存入一定量的冷冻油103a。不同的系统具有不同尺寸的储油罐102，亦具有不同量的冷冻油103a。以某型号热泵空调系统为例，制冷时油位高度105mm，制热时油位高度126mm。常规下，回油管110直径14mm，两个回油孔111直径1.2mm。

对一款空调或热泵系统，制冷模式下的压缩机100油位设定值可以是唯一恒定值，但制热模式下的压缩机100油位设定值可以根据不同环境工况来选择。比如可以根据室内温度与设定温度或当前水温和设定水温之间的差值可以通过提高冷凝器换热效率迅速得以缩小。不同环境温度的轻重负荷下，冷凝器换热效率与油气混合物干度和该干度下的含油率存在对应的关系。即系统能效的提高通过调节压缩机100油位高度进而调节与该系统负荷下适宜的压缩机100的排油率大小来实时可调。

需要说明的是，本实施例所提及的热交换系统具体可以为空调系统或热泵系统。本文的附图和上述说明虽然仅针对单个压缩机组成的系统，以及冷暖两用空调系统，但对于多联机组，以及单冷或单热空调或热泵系统，以及其他制冷/制热系统或实验装置，上述技术方案所涵盖的技术点和原理一并包括，压缩机种类包含但不限于滚动活塞式、往复活塞式、直线式、涡旋式、单级压缩式、双级压缩式、三级压缩式以及增焓式压缩机。任何相似的硬件结构设计和软件程序设计，利用相似原理来达到性能提升效果的技术方案都不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

本发明另一实施例还提供一种热交换系统的控制方法，该方法优选采用上述任一技术方案所提供的热交换系统实现。该方法包括下述步骤：

步骤一、当热交换系统处于制热模式，控制经由压缩机出来的油气混合物流向换热器。具体可通过旁通支路流向换热器。

在上述的步骤一之后，可检测到压缩机100中的冷冻油的油位是否出现异常，具体采用下述方式：若检测到的压缩机100内的冷冻油油位高于设定值，控制经由压缩机100出来的油气混合物经由油分离器101后再流向换热器105。直至检测到的压缩机100内的冷冻油油位低于设定值，控制经由压缩机100出来的油气混合物流向换热器105。

对一款空调或热泵系统，制冷模式下的压缩机100内的冷冻油的油位设定值可以是唯一恒定值，但制热模式下的压缩机100内的冷冻油的油位设定值可以根据不同环境工况来选择。比如可以根据室内温度与设定温度或当前水温和设定水温之间的差值可以通过提高冷凝器换热效率迅速得以缩小。不同环境温度的轻重负荷下，冷凝器换热效率与油气混合物干度和该干度下的含油率存在对应的关系。即系统能效的提高通过调节压缩机100油位高度进而调节与该系统负荷下适宜的压缩机100的排油率大小来实时可调。

步骤二、当热交换系统处于制冷模式，控制经由压缩机出来的油气混合物经由油分离器后再流向换热器。

上述技术方案，通过在方法控制上优化设计，实现了空调和热泵系统的高效节能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，如没有另外声明，上述词语并没有特殊的含义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种热交换系统，其特征在于，包括油分离器(101)、控制器和旁通支路；所述油分离器(101)与所述旁通支路并联；

其中，所述控制器用于切换来自压缩机(100)的油气混合物的流向，以使得所述油气混合物按照下列方式之一流动：经由所述旁通支路流向换热器(105)、经由油分离器(101)流向所述换热器(105)；

当所述热交换系统处于制热模式，所述控制器用于控制来自所述压缩机(100)的油气混合物经由所述旁通支路流向所述换热器(105)；

当所述热交换系统处于制冷模式，所述控制器用于控制来自所述压缩机(100)的油气混合物经由所述油分离器(101)流向所述换热器(105)。

2.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述控制器包括第一控制阀(107a)和第二控制阀(107b)；

所述第一控制阀(107a)与所述油分离器(101)串联，所述第二控制阀(107b)设在所述旁通支路上；

其中，当所述第一控制阀(107a)处于关闭状态、所述第二控制阀(107b)处于打开状态，来自所述压缩机(100)的油气混合物经由所述旁通支路流向所述换热器(105)；

当所述第一控制阀(107a)处于打开状态、所述第二控制阀(107b)处于关闭状态，来自所述压缩机(100)的油气混合物经由所述油分离器(101)流向所述换热器(105)。

3.根据权利要求2所述的热交换系统，其特征在于，还包括防止所述旁通支路中油气混合物流向所述油分离器(101)的单向阀(108)。

4.根据权利要求1～3任一所述的热交换系统，其特征在于，所述油分离器(101)设置在储油罐(102)中，所述储油罐(102)设有与所述压缩机(100)连通的管路，所述管路上设有流量调节阀(104a)。

5.根据权利要求4所述的热交换系统，其特征在于，所述储油罐(102)底部开设有出油口，出油口与回油管(110)的第一端连通，所述回油管(110)的第二端位于所述储油罐(102)内部；所述回油管(110)的侧壁设有回油孔(111)；

其中，当所述热交换系统处于制热模式，所述储油罐(102)中的冷冻油经由所述回油孔(111)流向所述出油口；

当所述热交换系统处于制冷模式，所述储油罐(102)中的冷冻油同时经由所述回油管(110)的第二端以及所述回油孔(111)流向所述出油口。

6.根据权利要求2所述的热交换系统，其特征在于，第一控制阀(107a)和/或第二控制阀(107b)为电磁阀。

7.根据权利要求1～3任一所述的热交换系统，其特征在于，所述热交换系统为空调系统或热泵系统。

8.一种如权利要求1～7任一所述的热交换系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

当热交换系统处于制热模式，控制经由压缩机出来的油气混合物流向换热器；

当热交换系统处于制冷模式，控制经由压缩机出来的油气混合物经由油分离器后再流向换热器。

9.根据权利要求8所述的热交换系统的控制方法，其特征在于，在当热交换系统处于制热模式，控制经由压缩机出来的油气混合物流向换热器之后还包括下述步骤：

若检测到的压缩机内的冷冻油油位高于设定值，控制经由压缩机出来的油气混合物经由油分离器后再流向换热器；

直至检测到的压缩机内的冷冻油油位低于设定值，控制经由压缩机出来的油气混合物流向换热器。