CN107917523B - 一种热泵用室外换热器及其控制方法 - Google Patents

一种热泵用室外换热器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种热泵用室外换热器及其控制方法，该室外换热器包括翅片管换热器、单向阀、电子膨胀阀、气液分离器、两个温度传感器、直流变频风机和控制模块；该室外换热器基于气液分离技术，利用电子膨胀阀进行气相制冷剂流量调节，可有效提高换热器换热系数，降低制冷剂侧的流动阻力损失，同时降低压缩机吸气过热度，辅以直流变频风机转速的调节，即可提升热泵的能效。冬季制热时，该室外换热器作蒸发器，制冷剂在换热器内部为相变过程，在换热器中部时制冷剂的干度已相对较大，此时气相制冷剂过多一方面会影响液相制冷剂的蒸发，另一方面会提高制冷剂流速，导致流动阻力较大；本发明换热器可有效解决此问题。

Description

一种热泵用室外换热器及其控制方法
技术领域
本发明涉及热泵系统换热设备技术领域，具体涉及到一种热泵用室外换热器及其控制方法。
背景技术
换热器作为两种或多种介质进行热交换的重要单元设备，广泛应用于能源系统、动力工程、化工、石油化工、食品以及制冷空调等行业。在空调器中，室内、室外两个换热器的换热效率更是直接影响了空调器的能效水平。对于蒸汽压缩式热泵系统正常工作时，制冷剂在换热器内为蒸发过程；随着蒸发过程的进行，换热器内部的气相制冷剂越来越多，会阻碍液相制冷剂的蒸发，同时制冷剂干度的增加也会导致压降梯度增加；由于蒸发过程制冷剂侧压降远大于冷凝过程，因此在热泵室外换热器中此种现象更为显著。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种热泵系统室外换热器及其控制方法，该室外换热器基于气液分离技术，利用电子膨胀阀进行气相制冷剂流量调节，可有效提高换热器换热系数，降低制冷剂侧的流动阻力损失，同时降低压缩机吸气过热度，辅以直流变频风机转速的调节，即可提升热泵系统的能效水平。所述热泵用室外换热器的电子膨胀阀及直流变频风机需要根据系统参数进行实时调节，本发明提出了一种可行有效的控制方法，保证换热器始终处于高效运行状态。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种热泵用室外换热器，所述换热器由翅片管换热器H、单向阀F1、电子膨胀阀F2、气液分离器J、第一温度传感器T1、第二温度传感器T2、直流变频风机W1及控制模块C1组成；气液分离器J布置在换热器流程三分之一的位置，气液分离器气相出口J3与换热器出口H2相连，气液分离器液相出口J2与换热器后半段相连；在气液分离器气相出口J3沿制冷剂流向依次设置单向阀F1及电子膨胀阀F2；第一温度传感器T1和第二温度传感器T2依次布置在换热器中部和换热器出口，并输出信号至控制模块C1，控制模块C1根据系统参数实时控制电子膨胀阀F2及直流变频风机W1；热泵正常工作时，制冷剂从换热器进口H1进入换热器，流经换热器前半段后由气液分离器进口J1进入气液分离器，气液分离器气相出口J3与换热器出口H2连通，液相制冷剂由气液分离器液相出口J2进入换热器后半段参与换热。气液分离后，进入换热器后半段进行换热的制冷剂流量减小，因此，需要设计较常规翅片管换热器更少的分路数2～4路以保证换热效果。
所述气液分离器J为重力式气液分离器，垂直放置，制冷剂流过时产生的压损较小；气液分离器的进口管J1设置在气液分离器底部，插入深度为整个气液分离器高度的三分之二，入口管顶部向下折弯并缩口，向下折弯的角度为100°～150°，缩口至原流通面积的四分之一到三分之一；在入口管折弯部分的下方设置若干射流孔J5，开孔方向与入口管折弯方向一致；在气液分离器J顶部五分之一的位置设置折流板J4，防止液相制冷剂喷入气液分离器气相出口J3，在折流板四周设有若干小孔用以引气；气液分离器液相出口J2与射流孔J5的射流方向呈180°反向布置，提高气液分离效率。
所述热泵用室外换热器的控制方法为：为避免压缩机带液运行，提高换热器的换热效率，需要对电子膨胀阀F2的开度进行精确控制；旁通气相制冷剂后，换热器的换热效果提升，因此通过降低直流变频风机W1的转速来降低功耗，提高热泵系统的能效水平；电子膨胀阀F2开度及直流变频风机W1转速的控制基于第一温度传感器T1和第二温度传感器T2实现，第一温度传感器T1和第二温度传感器T2输出信号至控制模块C1，控制模块C1根据预先写入的控制逻辑调节电子膨胀阀F2开度及直流变频风机W1转速；以K1表示第一温度传感器T1测得的温度值，以K2表示第二温度传感器测得的温度值；所述控制方案包含三个步骤：
步骤1：在开机阶段，将电子膨胀阀F2开度关至最小，若在时间间隔Δti1内第一温度传感器T1测得的温度值K1的波动在Δk1内，则判定进入稳定运行阶段；
步骤2：稳定运行阶段采用过热度判定调节，首先调节电子膨胀阀F2开度至最小，而后调节直流变频风机W1转速，直到满足在时间间隔Δti2内K2-K1＝Δk3±0.2℃成立；此时增大电子膨胀阀F2开度，调节幅度为Δn，调节时间间隔为Δti3，直至K2-K1开始下降，停止开度调节，取当前电子膨胀阀F2开度减去Δn为最佳开度；接下来降低直流变频风机W1的转速直至K2-K1＝Δk2±0.2℃，调节完毕；
步骤3：控制模块C1继续进行湿压缩判定，若K2<K1，则认为进入湿压缩，此时关小电子膨胀阀F2重新进行过热度调节；若没有进入湿压缩，则实时监控过热度调整直流变频风机W1转速即可。在控制参数写入时将电子膨胀阀F2开度减小20％，以保证压缩机可靠运行；对于气液分离器气相出口J3采用节流短管或者毛细管的换热器，通过调节直流变频风机W1转速控制过热度即可。
其中，Δk1、Δk2、Δk3、Δti1、Δti2、Δti3、Δn等参数的取值根据热泵系统的配置确定，取值范围如下表所示：
参数 Δk<sub>1</sub> Δk<sub>2</sub> Δk<sub>3</sub> Δti<sub>1</sub> Δti<sub>2</sub> Δti<sub>3</sub> Δn
取值下限 0.3℃ 0.5℃ 0.5℃ 5min 2min 1min 30步
取值上限 1.0℃ 1.0℃ 1.5℃ 10min 5min 2min 80步
本发明的热泵用室外换热器及控制方法具有多种效果：
效果1：所述热泵用室外换热器通过气液分离技术，在换热器流程中将气相制冷剂引至换热器出口，通过电子膨胀阀F2调节气相制冷剂流量，可以有效提升换热器换热效率，降低制冷剂的流动阻力损失。
效果2：所述换热器的控制方法可实现根据换热器相关参数对电子膨胀阀F2开度及直流变频风机W1转速进行实时调节，保证换热器始终高效运行，提高热泵系统能效水平。
效果3：热泵系统一般采用逆循环除霜，除霜时室外换热器作冷凝器，设置单向阀F1可以避免除霜时制冷剂旁通，保证正常除霜。
效果4：所述热泵用室外换热器的换热系数较高，可提高制冷剂蒸发温度，降低压缩机耗功的同时降低了室外换热器的结霜速率，间接提高了热泵的制热量。
效果5：由于在大流量工况下，室外换热器内部制冷剂压损较大，此时所述换热器的优势更为显著，可明显降低热泵系统能耗。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明简单易实现，是一种可有效提升热泵系统能效水平的技术，可在现行热泵室外换热器上进行改造升级。
2、本发明有效提升了换热器效率，减小了换热器的结霜速率，间接提升了热泵系统的制热量。
3、本发明设置有电子膨胀阀F2实时调节气相制冷剂的流量，保证换热器始终处于高效运行。
4、对于相对稳定的工况，可使用毛细管或节流短管来代替电子膨胀阀F2，降低换热器的成本，提高其实用性。
总之，本发明可有效提高热泵用室外换热器的换热系数，降低制冷剂侧的流动阻力损失，同时降低压缩机吸气过热度，可显著提升热泵系统的能效。本发明还提出了一种可行有效的控制方法，通过实时调节电子膨胀阀开度F2和直流变频风机W1转速，保证换热器始终处于高效运行状态。
附图说明
图1为一种热泵系统室外换热器的结构图。
图2为所述换热器的控制逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
参照附图1，热泵正常工作时，室外换热器作蒸发器，制冷剂从换热器进口H1进入换热器，经过约三分之一的换热器后从气液分离器进口J1进入气液分离器J，经射流孔J5喷出，液相制冷剂从气液分离器液相出口J2进入换热器后半段继续参与换热；气相制冷剂流经折流板J4上的小孔，而后经过气液分离器气相出口J3，再先后经过单向阀F1和电子膨胀阀F2后与换热器出口H2相连。第一温度传感器T1和第二温度传感器T2用来反馈相关温度数据至控制模块C1、由控制模块C1发出控制信号控制电子膨胀阀F2开度及直流变频风机W1的转速。在除霜工况时，单向阀F1起到截止作用，防止制冷剂被旁通，保证换热器正常除霜。所述换热器可根据实际换热量调整流程布置方式，附图1所示的换热器采用一进两出的流程布置方式。根据实验测试，使用本发明较原换热器相比，可有效降低换热器流动阻力损失，提升换热量，提升热泵系统能效。
参照附图1、2，所述换热器中电子膨胀阀F2开度及直流变频风机W1转速的控制基于第一温度传感器T1和第二温度传感器T2实现，两个温度传感器输出信号至控制模块C1，控制模块C1根据预先写入的控制逻辑调节电子膨胀阀F2开度及直流变频风机W1转速；以K1表示第一温度传感器T1测得的温度值，以K2表示第二温度传感器测得的温度值；所述控制方案包含三个步骤：
步骤1：在开机阶段，将电子膨胀阀F2开度关至最小，若在时间间隔Δti1内第一温度传感器T1测得的温度值K1的波动在Δk1内，则判定进入稳定运行阶段；
步骤2：稳定运行阶段采用过热度判定调节，首先调节电子膨胀阀F2开度至最小，而后调节直流变频风机W1转速，直到满足在时间间隔Δti2内K2-K1＝Δk3±0.2℃成立；此时增大电子膨胀阀F2开度，调节幅度为Δn，调节时间间隔为Δti3，直至K2-K1开始下降，停止开度调节，取当前电子膨胀阀F2开度减去Δn为最佳开度；接下来降低直流变频风机W1的转速直至K2-K1＝Δk2±0.2℃，调节完毕；
步骤3：控制模块C1继续进行湿压缩判定，若K2<K1，则认为进入湿压缩，此时关小电子膨胀阀F2重新进行过热度调节；若没有进入湿压缩，则实时监控过热度调整直流变频风机W1转速即可。在控制参数写入时将电子膨胀阀开度F2减小20％，以保证压缩机可靠运行；对于气液分离器气相出口J3采用节流短管或者毛细管的换热器，通过调节直流变频风机W1转速控制过热度即可。

Claims (4)

1.一种热泵用室外换热器的控制方法，所述热泵用室外换热器由翅片管换热器(H)、单向阀(F1)、电子膨胀阀(F2)、气液分离器(J)、第一温度传感器(T1)、第二温度传感器(T2)、直流变频风机(W1)及控制模块(C1)组成；气液分离器(J)布置在换热器流程三分之一的位置，气液分离器气相出口(J3)与换热器出口(H2)相连，气液分离器液相出口(J2)与换热器后半段相连；在气液分离器气相出口(J3)沿制冷剂流向依次设置单向阀(F1)及电子膨胀阀(F2)；第一温度传感器(T1)和第二温度传感器(T2)依次布置在换热器中部和换热器出口，并输出信号至控制模块(C1)，控制模块(C1)根据系统参数实时控制电子膨胀阀(F2)及直流变频风机(W1)；热泵正常工作时，制冷剂从换热器进口(H1)进入换热器，流经换热器前半段后由气液分离器进口(J1)进入气液分离器，气液分离器气相出口(J3)与换热器出口(H2)连通，液相制冷剂由气液分离器液相出口(J2)进入换热器后半段参与换热；
其特征在于：为避免压缩机带液运行，提高换热器的换热效率，需要对电子膨胀阀(F2)的开度进行精确控制；旁通气相制冷剂后，换热器的换热效果提升，因此通过降低直流变频风机(W1)的转速来降低功耗，提高热泵系统的能效水平；电子膨胀阀(F2)开度及直流变频风机(W1)转速的控制基于第一温度传感器(T1)和第二温度传感器(T2)实现，第一温度传感器(T1)和第二温度传感器(T2)输出信号至控制模块(C1)，控制模块(C1)根据预先写入的控制逻辑调节电子膨胀阀(F2)开度及直流变频风机(W1)转速；以K1表示第一温度传感器(T1)测得的温度值，以K2表示第二温度传感器测得的温度值；所述控制方法包含三个步骤：
步骤1：在开机阶段，将电子膨胀阀(F2)开度关至最小，若在时间间隔Δti1内第一温度传感器(T1)测得的温度值K1的波动在Δk1内，则判定进入稳定运行阶段；
步骤2：稳定运行阶段采用过热度判定调节，首先调节电子膨胀阀(F2)开度至最小，而后调节直流变频风机(W1)转速，直到满足在时间间隔Δti2内K2-K1＝Δk3±0.2℃成立；此时增大电子膨胀阀(F2)开度，调节幅度为Δn，调节时间间隔为Δti3，直至K2-K1开始下降，停止开度调节，取当前电子膨胀阀(F2)开度减去Δn为最佳开度；接下来降低直流变频风机(W1)的转速直至K2-K1＝Δk2±0.2℃，调节完毕；
步骤3：控制模块(C1)继续进行湿压缩判定，若K2<K1，则认为进入湿压缩，此时关小电子膨胀阀(F2)重新进行过热度调节；若没有进入湿压缩，则实时监控过热度调整直流变频风机(W1)转速即可；在控制参数写入时将电子膨胀阀(F2)开度减小20％，以保证压缩机可靠运行；对于气液分离器气相出口(J3)采用节流短管或者毛细管的换热器，通过调节直流变频风机(W1)转速控制过热度即可。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述Δk1、Δk2、Δk3、Δti1、Δti2、Δti3、Δn的取值根据热泵系统的配置确定，
参数 Δk<sub>1</sub> Δk<sub>2</sub> Δk<sub>3</sub> Δti<sub>1</sub> Δti<sub>2</sub> Δti<sub>3</sub> Δn 取值下限 0.3℃ 0.5℃ 0.5℃ 5min 2min 1min 30步 取值上限 1.0℃ 1.0℃ 1.5℃ 10min 5min 2min 80步
取值范围如上表所示。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：热泵除霜时该室外换热器作冷凝器，在气液分离器出口设置单向阀(F1)，防止制冷剂被旁通，保证换热器正常除霜；单相阀(F1)后设置电子膨胀阀(F2)用来控制气相制冷剂的旁通流量。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其的特征在于：所述气液分离器(J)为重力式气液分离器，需垂直放置，制冷剂流过时产生的压损较小；气液分离器的进口管(J1)设置在气液分离器底部，插入深度为整个气液分离器高度的三分之二，入口管顶部向下折弯并缩口，向下折弯的角度为100°～150°，缩口至原流通面积的四分之一到三分之一；在入口管折弯部分的下方设置若干射流孔(J5)，开孔方向与入口管折弯方向一致；在气液分离器(J)顶部五分之一的位置设置折流板(J4)，防止液相制冷剂喷入气液分离器气相出口(J3)，在折流板(J4)四周设有若干小孔用以引气；气液分离器液相出口(J2)与射流孔(J5)的射流方向呈180°反向布置，提高气液分离效率。
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