CN105466060A - 一种可变容双级压缩系统及其控制方法 - Google Patents

一种可变容双级压缩系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可变容双级压缩系统，包括压缩机(1)，其中所述压缩机(1)包括串联的低压缸和高压缸，其中所述低压缸包括至少两个并联的气缸，所述压缩系统还包括可控制所述至少两个并联的气缸中的至少一个气缸进行满载运行和/或空载运行的控制机构。本发明能够在一个压缩机上实现高低压级排量比可变，相比两个压缩机串联的系统而言其能效变化较小、能同时满足制冷和制热的能效要求、大大提高了系统的经济性；并且结构更加简单，成本更低，且不存在两个压缩机均油不平衡等问题；另外还能提高系统的运行温度范围和运行效率，提高双级压缩系统的可靠性，从而大大提高了双级压缩系统的经济性。本发明还涉及可变容双级压缩控制方法。

Description

一种可变容双级压缩系统及其控制方法
技术领域
本发明属于空调技术领域，具体涉及一种可变容双级压缩系统及其控制方法。
背景技术
环境温度越低，对空调制热量的需求越大，但目前单级压缩的热泵只能做到零下20度(室外环境温度)以上正常启动运行，且制热量严重衰减，制热效果不能保证，机组可靠性也受到严峻的考验。
相比单级压缩热泵，带有喷气增焓双级压缩系统在低温下制热量较大，能效较高。且双级压缩系统能减少单级压缩机的压比，降低排气温度，同时可提高吸气效率和压缩效率，从而提升制热量和制热效率。
现有的双级压缩机由于高压缸容积与低压缸容积固定，其容积比为固定值，因而压缩机的高低压级排量比固定，而任何一种排量比固定的压缩机在某个特定工况只有一个能效最高值，随着空调负载变化，能效变化较大，经济性不理想。另一方面，在名义制冷工况下，双级压缩系统的最佳高低压级压缩比在0.9左右，而在低温制热工况下，高低压级的压缩比在0.6左右最佳，而一种固定压缩比的双级压缩系统无法同时满足制冷和制热的能效要求。
现有的双级压缩系统，仅能依靠两个变频压缩机串联的方式实现高低压级排量比的变化，系统复杂，系统成本高，且回油可靠性差。
由于现有技术中的双级压缩系统存在能效变化较大、一种固定压缩比无法同时满足制冷和制热的能效要求、经济性不理想的技术问题，因此本发明研究设计出一种可变容双级压缩系统及其控制方法。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的双级压缩系统存在能效变化较大、一种固定压缩比无法同时满足制冷和制热的能效要求、经济性不理想的缺陷，从而提供一种可变容双级压缩系统及其控制方法。
本发明提供一种可变容双级压缩系统，包括压缩机，其中所述压缩机包括串联的低压缸和高压缸，其中所述低压缸包括至少两个并联的气缸，所述可变容双级压缩系统还包括控制所述至少两个并联的气缸中的至少一个气缸进行满载运行和/或空载运行的控制机构。
优选地，所述高压缸为一个，为第三气缸，其中低压缸包括两个，分别为第一气缸和第二气缸。
优选地，所述第一气缸能够实现空载运行或满载运行两种运行模式，而所述第二气缸和所述第三气缸一直满载运行。
优选地，当第一气缸为空载时，此时低压缸中仅第二气缸在工作，冷媒经过第二气缸压缩后与中间喷气混合后进入所述第三气缸进行第二级压缩。
优选地，当第一气缸为满载时，此时低压缸的第一气缸和第二气缸都进行工作，冷媒分别进入第一气缸和第二气缸，经过第一气缸和第二气缸分别压缩后的冷媒与中间喷气混合，然后进入第三气缸进行第二级压缩。
优选地，所述控制机构包括与所述低压缸吸气口相连通的管路结构和设置于所述管路结构上的电磁阀结构。
优选地，当所述低压缸包括第一气缸和第二气缸时，所述管路结构包括与所述第一气缸的吸气口相连通的第一管路，以及包括与所述第二气缸的吸气口相连通的第二管路。
优选地，所述电磁阀结构包括设置于所述第一管路上的第一电磁阀和设置于所述第二管路上的第二电磁阀。
本发明还提供一种可变容双级压缩控制方法，其使用前述的可变容双级压缩系统通过所述控制机构对其进行变容双级压缩的控制调节。
优选地，当所述控制机构包括第一电磁阀和第二电磁阀时，在系统需要进行双缸模式运行时，将第一电磁阀开启，第二电磁阀关闭，则压缩机第一气缸空载运行，此时压缩系统进入双缸运行模式。
优选地，当所述控制机构包括第一电磁阀和第二电磁阀时，在系统需要进行三缸模式运行时，第二电磁阀开启，第一电磁阀关闭，则压缩机第一气缸满载运行；此时压缩系统进入三缸运行模式。
优选地，所述第一电磁阀1和/或第二电磁阀2的开启和/或关闭，根据整机负载及室内外环境温度的情况而进行控制。
优选地，当系统制冷运行时，判断室外环境温度和室内机负荷率之后执行操作动作：当室外环境温度及室内机负荷相对较低时，开启第一电磁阀，关闭第二电磁阀，此时压缩机以双缸模式运行；当室外环境温度及室内机负荷相对较高时，开启第一电磁阀，关闭第二电磁阀，此时压缩机以三缸模式运行。
优选地，当系统制热运行时，判断室外环境温度和室内机负荷率之后执行操作动作：当室外环境温度相对较高、及室内机负荷率相对较低时，开启第一电磁阀，关闭第二电磁阀，此时压缩机以双缸模式运行；当室外环境温度相对较低、及室内机负荷率相对较高时，开启第二电磁阀，关闭第一电磁阀，此时压缩机以三缸模式运行。
本发明提供的可变容双级压缩系统及其控制方法具有如下有益效果：
1.本发明的可变容双级压缩系统，能在一个压缩机上实现高低压级排量比可变，其能效变化较小、能同时满足制冷和制热的能效要求、大大提高了系统的经济性；
2.本发明的可变容双级压缩系统，相对比两个压缩机串联的系统更加简单，成本更低，且不存在两个压缩机均油不平衡等问题；
3.另外还能提高系统的运行温度范围和运行效率，且还能提高双级压缩系统的可靠性，从而大大提高了双级压缩系统的经济性。
附图说明
图1是本发明的可变容双级压缩系统的结构示意图；
图2是本发明的可变容双级压缩系统的制冷运行范围及变容控制图；
图3是本发明的可变容双级压缩系统的制热运行范围及变容控制图。
图中附图标记表示为：
1—压缩机，101—第一气缸的吸气口，102—第二气缸的吸气口，2—第一管路，3—第二管路，4—第一电磁阀，5—第二电磁阀，6—气液分离器，7—室外换热器，8—四通阀，9—电子膨胀阀1，10—闪蒸器，11—电子膨胀阀2(补气阀)，12—压缩机自带汽液分离器。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种可变容双级压缩系统，包括压缩机，其中所述压缩机包括串联的低压缸和高压缸，其中所述低压缸包括至少两个并联的气缸，所述可变容双级压缩系统还包括控制所述至少两个并联的气缸中的至少一个气缸进行满载运行或空载运行的控制机构。
通过上述的结构能够在一个压缩机上实现高低压级排量比(或容积比)可变，相对比两个压缩机串联的系统而言其能效变化较小、能同时满足制冷和制热的能效要求、大大提高了系统的经济性；并且结构更加简单，成本更低，且不存在两个压缩机均油不平衡等问题；另外还能提高系统的运行温度范围和运行效率，且还能提高双级压缩系统的可靠性，从而大大提高了双级压缩系统的经济性。
优选地，所述高压缸为一个，为第三气缸，其中低压缸包括两个，分别为第一气缸和第二气缸。这是一种优选的压缩机的气缸的结构和实施方式，能够通过并联设置的第一和第二气缸根据不同实际需求情况下进行调节，再结合作为高压缸的第三气缸，从而实现高低压级排量比可变，能效变化小，满足制冷和制热的能效需求，且提高经济性的效果和目的。
优选地，所述第一气缸能够实现空载运行或满载运行两种运行模式，而所述第二气缸和所述第三气缸一直满载运行。这是一种优选的实施方式，通过第二气缸和第三气缸的一直满载运行能够有效保证双级压缩的正常进行，同时再结合调节第一气缸实现空载运行或满载运行的手段，从而调节该压缩机实现双缸-三缸模式之间的转换，实现高低压级排量比的变化，达到使得系统能效变化小，能够同时满足制冷、制热能效需求的目的。
优选地，当第一气缸为空载时，此时低压缸(也为低压级)中仅第二气缸在工作，冷媒经过第二气缸压缩后与中间喷气混合后进入所述第三气缸进行第二级压缩，此时高低压级排量比较大(排量比是两个气缸的容积之比)，假设此时排量比为a；此种运行模式适用于负载较小的情况；并称此种运行模式为双缸模式。
优选地，当第一气缸为满载时，此时低压缸(也为低压级)的第一气缸和第二气缸都进行工作，冷媒(从汽液分离器6中)分别进入第一气缸和第二气缸，经过第一气缸和第二气缸分别压缩后的冷媒与中间喷气混合，即经过低压缸压缩后冷媒与中间喷气混合，然后进入第三气缸(即高压缸)进行第二级压缩，此时高低压级排量比较小，假设此时排量比为b；此种运行模式适用于负载较大的情况，并称此种运行模式为三缸模式。
优选地，所述控制机构包括与所述低压缸吸气口相连通的管路结构和设置于所述管路结构上的电磁阀结构。通过管路结构实现将制冷剂通往低压缸中的目的，通过电磁阀结构能够根据实际需要对管路中的制冷剂进行调节作用，从而达到双缸-三缸模式之间切换的目的。
优选地，当所述低压缸包括第一气缸和第二气缸时，所述管路结构包括与所述第一气缸的吸气口101相连通的第一管路2，以及包括与所述第二气缸的吸气口102相连通的第二管路3。通过与所述第一气缸的吸气口相连通的第一管路使得制冷剂能够进入第一气缸的吸气口，通过与所述第二气缸的吸气口相连通的第二管路使得制冷剂能够进入第二气缸的吸气口，达到接通制冷剂进入气缸中的目的。
优选地，所述电磁阀结构包括设置于所述第一管路2上的第一电磁阀4和设置于所述第二管路3上的第二电磁阀5。通过设置于上述管路上的第一电磁阀和第二电磁阀能够有效达到通、断所述管路中的制冷剂的目的，起到有效的控制作用。
通过第一电磁阀4和第二电磁阀5的开启和关闭调节可以实现变容双级压缩机的高低压级排量比变化。
本发明创造了一种可实现高低压级排量比变化的双级压缩热泵系统，该系统一方面可以实现高压缩比的双级压缩运行，在系统负荷较小或室内机能力需求较低时具有高效的运行效率，另一方面，也能够实现低压缩比的双级压缩，当系统负荷较大或室内机能力需求较高时也具有高效的运行效率。本发明不仅拓宽机组制冷以及制热的运行温度范围，而且相比于常规的二级压缩系统，高温制冷和低温制热效率也有较大提升，尤其低温制热量提升显著，使机组能够在-20℃以下的环境温度中具有强劲的制热能力及制热效率，充分保证了低温制热运行的舒适性和经济性。
本发明还提供了一种可变容双级压缩控制方法，其使用前述的可变容双级压缩系统通过所述控制机构对其进行变容双级压缩的控制调节。通过使用前述的可变容双级压缩系统能够在一个压缩机上实现高低压级排量比(或容积比)可变，相对比两个压缩机串联的系统而言其能效变化较小、能同时满足制冷和制热的能效要求、大大提高了系统的经济性；并且结构更加简单，成本更低，且不存在两个压缩机均油不平衡等问题；另外还能提高系统的运行温度范围和运行效率，且还能提高双级压缩系统的可靠性，从而大大提高了双级压缩系统的经济性。
优选地，当所述控制机构包括第一电磁阀和第二电磁阀时，在系统需要进行双缸模式运行时，将第一电磁阀4开启，第二电磁阀5关闭，则压缩机第一气缸空载运行，此时压缩系统进入双缸运行模式(本系统采用的是通过机械方式实现缸体切换的压缩机，主要通过冷媒压力来控制压缩机内部部件实现一个气缸的满载和空载。电磁阀一和电磁阀二的作用就是引入压力和泄放压力，从而控制气缸满载和空载。电磁阀一和电磁阀二管路中的冷媒只有在阀开或关的一瞬间有流动，其后均为静止状态，电磁阀1和2管路中的冷媒并不会进入压缩机被压缩。下同)。实现双缸运行模式的调节的作用。
优选地，当所述控制机构包括第一电磁阀和第二电磁阀时，在系统需要进行三缸模式运行时，第二电磁阀5开启，第一电磁阀4关闭，则压缩机第一气缸满载运行；此时压缩系统进入三缸运行模式。从而实现双缸运行模式的调节的作用。
优选地，所述第一电磁阀4和/或第二电磁阀5的开启和/或关闭，根据整机负载及室内外环境温度的情况而进行控制。从而达到通过根据整机负载及室内外环境温度的情况对第一、第二电磁阀进行控制，实现根据实际情况控制压缩系统进行双缸或三缸模式的调节目的。
如图2所示，优选地，当系统制冷运行时，判断室外环境温度和室内机负荷率之后执行操作动作：当室外环境温度及室内机负荷相对较低(此时室内机能力需求较小)时，开启第一电磁阀4，关闭第二电磁阀5，此时压缩机以双缸模式运行；当室外环境温度及室内机负荷相对较高(此时室内机能力需求较大)时，开启第一电磁阀4，关闭第二电磁阀5，此时压缩机以三缸模式运行。这里的相对较高和相对较低根据下述的方法进行判断：
图2是机组制冷运行范围及变容控制图，其中横坐标为制冷运行时室外环境温度，纵坐标为室内机负荷率。
假定机组制冷运行室外环境温度及负荷范围如图2中虚线框，直线A-B-C-D(直线A-B-C-D根据双级压缩系统的运行效率画出)将机组运行范围分为C1和C2两个区域。C1区域的室外环境温度相对较低、室内机负荷率相对较低，意味着室内机能力需求较小，此时对压缩机动力的需求较小；C2区域的室外环境温度相对较高、室内机负荷率相对较高，意味着室内机能力需求较高，此时对压缩机动力的需求较大。因此，机组稳定运行时，首先判断室外环境温度和室内机负荷率。当室外环境温度及室内机负荷处于C1区域时，第一电磁阀4开启，第二电磁阀5关闭，此时压缩机以双缸模式运行。当室外环境温度及室内机负荷率处于C2区域或直线A-B-C-D上时，第二电磁阀5开启，第一电磁阀4关闭，此时压缩机以三缸模式运行。
如图3所示，优选地，当系统制热运行时，判断室外环境温度和室内机负荷率之后执行操作动作：当室外环境温度相对较高、及室内机负荷率相对较低时(此时室内机能力需求较小)，开启第一电磁阀4，关闭第二电磁阀5，此时压缩机以双缸模式运行；当室外环境温度相对较低、及室内机负荷率相对较高时(此时室内机能力需求较大)，开启第二电磁阀5，关闭第一电磁阀4，此时压缩机以三缸模式运行。这里的相对较高和相对较低根据下述的方法进行判断：
图3是机组制热运行范围及变容控制图，其中横坐标为制冷运行时室外环境温度，纵坐标为室内机负荷率。
假定机组制热运行室外环境温度及负荷范围如图3中虚线框，直线E-F-G-H(直线A-B-C-D根据双级压缩系统的运行效率画出)将机组运行范围分为H1和H2两个区域，H1区域的室外环境温度相对较高、室内机负荷率相对较低，意味着室内机能力需求较小，此时对压缩机动力的需求较小；H2区域的室外环境温度相对较低、室内机负荷率相对较高，意味着室内机能力需求较高，此时对压缩机动力的需求较大。因此，机组稳定运行时，首先判断室外环境温度和室内机负荷率。当室外环境温度及室内机负荷率处于H1区域时，第一电磁阀4开启，第二电磁阀5关闭，此时压缩机以双缸模式运行。当室外环境温度及室内机负荷率处于H2区域或直线E-F-G-H上时，第二电磁阀5开启，第一电磁阀4关闭，此时压缩机以三缸模式运行。
下面介绍一下本发明的优选实施例
本发明采用一种可以变容的双级压缩机，该压缩机具有三个气缸，其中一个气缸(第三气缸)为高压缸，两个气缸(第一气缸和第二气缸)为低压缸，第一气缸和第二气缸为并联结构，而低压缸(第一气缸和第二气缸)与高压缸(第三气缸)为串联结构。第一气缸可以实现空载运行和满载运行两种运行模式，而第二气缸和第三气缸一直都是满载运行。
a.当第一气缸为空载时，此时低压级仅第二气缸在工作，冷媒经过第二气缸压缩后与中间喷气混合后进入第三气缸进行第二级压缩，此时高低压级排量比较大，假设此时排量比为a；此种运行模式适用于负载较小的情况；并称此种运行模式为双缸模式；
b.当第一气缸为满载时，此时低压级的第一气缸和第二气缸都进行工作，冷媒从汽液分离器中分别进入第一气缸和第二气缸，经过低压级压缩后冷媒与中间喷气混合，即经过第一气缸和第二气缸压缩后的冷媒与喷气混合，然后进入高压缸即第三气缸进行第二级压缩，此时高低压级排量比较小，假设此时排量比为b；此种运行模式适用于负载较大的情况，并称此种运行模式为三缸模式。
该系统通过调节压缩机中低压级的第一气缸的空载和满载来实现高低压级排量比，而压缩机中的第一气缸的满载与空载切换需通过系统压力进行控制。
第一气缸的满载与空载切换的具体控制方式如下：
1、机组运行时，第一电磁阀4开启，第二电磁阀5关闭，则压缩机第一气缸空载运行；此时为双缸运行模式；
2、机组运行时，第二电磁阀5开启，第一电磁阀4关闭，则压缩机第一气缸满载运行；此时为三缸运行模式；
而第一电磁阀4和第二电磁阀5的开启和关闭控制，则根据整机负载及室内外环境温度的情况而定。其控制方式如下。
制冷运行：
图2是机组制冷运行范围及变容控制图，其中横坐标为制冷运行时室外环境温度，纵坐标为室内机负荷率。
假定机组制冷运行室外环境温度及负荷范围如图2中虚线框，直线A-B-C-D将机组运行范围分为C1和C2两个区域。C1区域的室外环境温度相对较低、室内机负荷率相对较低，意味着室内机能力需求较小，此时对压缩机动力的需求较小；C2区域的室外环境温度相对较高、室内机负荷率相对较高，意味着室内机能力需求较高，此时对压缩机动力的需求较大。因此，机组稳定运行时，首先判断室外环境温度和室内机负荷率。当室外环境温度及室内机负荷处于C1区域时，第一电磁阀4开启，第二电磁阀5关闭，此时压缩机以双缸模式运行。当室外环境温度及室内机负荷率处于C2区域或直线A-B-C-D上时，第二电磁阀5开启，第一电磁阀4关闭，此时压缩机以三缸模式运行。
制热运行：
图3是机组制热运行范围及变容控制图，其中横坐标为制冷运行时室外环境温度，纵坐标为室内机负荷率。
假定机组制热运行室外环境温度及负荷范围如图3中虚线框，直线E-F-G-H将机组运行范围分为H1和H2两个区域，H1区域的室外环境温度相对较高、室内机负荷率相对较低，意味着室内机能力需求较小，此时对压缩机动力的需求较小；H2区域的室外环境温度相对较低、室内机负荷率相对较高，意味着室内机能力需求较高，此时对压缩机动力的需求较大。因此，机组稳定运行时，首先判断室外环境温度和室内机负荷率。当室外环境温度及室内机负荷率处于H1区域时，第一电磁阀4开启，第二电磁阀5关闭，此时压缩机以双缸模式运行。当室外环境温度及室内机负荷率处于H2区域或直线E-F-G-H上时，第二电磁阀5开启，第一电磁阀4关闭，此时压缩机以三缸模式运行。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种可变容双级压缩系统，包括压缩机(1)，其特征在于：所述压缩机(1)包括串联的低压缸和高压缸，其中所述低压缸包括至少两个并联的气缸，所述可变容双级压缩系统还包括控制所述至少两个并联的气缸中的至少一个气缸进行满载运行和/或空载运行的控制机构。
2.根据权利要求1所述的可变容双级压缩系统，其特征在于：所述高压缸为一个，为第三气缸，其中低压缸包括两个，分别为第一气缸和第二气缸。
3.根据权利要求2所述的可变容双级压缩系统，其特征在于：所述第一气缸能够实现空载运行或满载运行两种运行模式，而所述第二气缸和所述第三气缸一直满载运行。
4.根据权利要求3所述的可变容双级压缩系统，其特征在于：当第一气缸为空载时，此时低压缸中仅第二气缸在工作，冷媒经过第二气缸压缩后与中间喷气混合后进入所述第三气缸进行第二级压缩。
5.根据权利要求3所述的可变容双级压缩系统，其特征在于：当第一气缸为满载时，此时低压缸的第一气缸和第二气缸都进行工作，冷媒分别进入第一气缸和第二气缸，经过第一气缸和第二气缸分别压缩后的冷媒与中间喷气混合，然后进入第三气缸进行第二级压缩。
6.根据权利要求1-5之一所述的可变容双级压缩系统，其特征在于：所述控制机构包括与所述低压缸吸气口相连通的管路结构和设置于所述管路结构上的电磁阀结构。
7.根据权利要求6所述的可变容双级压缩系统，其特征在于：当所述低压缸包括第一气缸和第二气缸时，所述管路结构包括与所述第一气缸的吸气口(101)相连通的第一管路(2)，以及包括与所述第二气缸的吸气口(102)相连通的第二管路(3)。
8.根据权利要求7所述的可变容双级压缩系统，其特征在于：所述电磁阀结构包括设置于所述第一管路(2)上的第一电磁阀(4)和设置于所述第二管路(3)上的第二电磁阀(5)。
9.一种可变容双级压缩控制方法，其特征在于：使用权利要求1-8之一所述的可变容双级压缩系统通过所述控制机构对其进行变容双级压缩的控制调节。
10.根据权利要求9所述的可变容双级压缩控制方法，其特征在于：当所述控制机构包括第一电磁阀和第二电磁阀时，在系统需要进行双缸模式运行时，将第一电磁阀开启，第二电磁阀关闭，则压缩机第一气缸空载运行，此时压缩系统进入双缸运行模式。
11.根据权利要求9所述的可变容双级压缩控制方法，其特征在于：当所述控制机构包括第一电磁阀和第二电磁阀时，在系统需要进行三缸模式运行时，第二电磁阀开启，第一电磁阀关闭，则压缩机第一气缸满载运行；此时压缩系统进入三缸运行模式。
12.根据权利要求10或11所述的可变容双级压缩控制方法，其特征在于：所述第一电磁阀1和/或第二电磁阀2的开启和/或关闭，根据整机负载及室内外环境温度的情况而进行控制。
13.根据权利要求12所述的可变容双级压缩控制方法，其特征在于：当系统制冷运行时，判断室外环境温度和室内机负荷率之后执行操作动作：当室外环境温度及室内机负荷相对较低时，开启第一电磁阀，关闭第二电磁阀，此时压缩机以双缸模式运行；当室外环境温度及室内机负荷相对较高时，开启第一电磁阀，关闭第二电磁阀，此时压缩机以三缸模式运行。
14.根据权利要求12所述的可变容双级压缩控制方法，其特征在于：当系统制热运行时，判断室外环境温度和室内机负荷率之后执行操作动作：当室外环境温度相对较高、及室内机负荷率相对较低时，开启第一电磁阀，关闭第二电磁阀，此时压缩机以双缸模式运行；当室外环境温度相对较低、及室内机负荷率相对较高时，开启第二电磁阀，关闭第一电磁阀，此时压缩机以三缸模式运行。
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