CN108362029B - 一种气液分离器辅助式空调器系统及其控制方法 - Google Patents

一种气液分离器辅助式空调器系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种气液分离器辅助式空调器系统及其控制方法，该空调器系统包括室内换热器、室外换热器、压缩机、四通换向阀、两个直流变频风机、两个气液分离器、两个单向阀、三个电子膨胀阀、四个温度传感器和控制模块；该空调器系统的两个换热器采用气液分离技术，在蒸发工况下从换热器中部引出一部分气相制冷剂，并利用电子膨胀阀进行气相制冷剂流量调节，可有效降低制冷剂侧的流动阻力损失，提高换热器换热效率，从而提升整机能效，冷凝工况下对气液分离器进行旁通处理；空调器在制冷模式下，室内换热器作做蒸发器，制冷剂在换热器中部时干度已经较大，此时气相制冷剂的存在会影响液相制冷剂的蒸发，并增大制冷剂侧的流动阻力损失；制热模式下，空调器的室外换热器亦存在同样的问题；本发明可有效解决此问题。

Description

一种气液分离器辅助式空调器系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及空调器设备技术领域，具体涉及到一种气液分离器辅助式空调器系统及其控制方法。
背景技术
空调器作为建筑物内部空间温度调节的主要设备，其能耗占到了建筑物总能耗的40％以上，故空调器的节能是多年来的研究热点。在空调器中，室内、室外两个换热器的换热效率直接影响空调器的能效水平。空调器制冷模式下，室内换热器作蒸发器，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会导致制冷剂侧压降梯度增加；空调器制热模式下的室外换热器同样存在此问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，同时提升空调器制冷制热两种工况下的能效水平，本发明的目的在于提出一种气液分离器辅助式空调器系统及其控制方法，该空调器系统的两个换热器中部均设置有气液分离器，空调器制冷模式下，室外换热器上设置的气液分离器作旁通处理，室内换热器上设置的气液分离器在换热器中部将气相制冷剂旁通至压缩机吸气口，同时利用电子膨胀阀进行气相制冷剂流量调节，可有效降低制冷剂侧的流动阻力损失，提高室内换热器换热效率，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，即可提升空调器的能效水平。空调器制热模式下，室外换热器作蒸发器，此时室内换热器上设置的气液分离器作旁通处理，室外换热器上设置的气液分离器发挥相同的作用。所述电子膨胀阀和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。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种气液分离器辅助式空调器系统，所述空调器系统由室内换热器H1、室外换热器H2、压缩机01、四通换向阀02、第一直流变频风机F1、第二直流变频风机F2、第一气液分离器S1、第二气液分离器S2、第一单向阀CV1、第二单向阀CV2、第一电子膨胀阀EV1、第二电子膨胀阀EV2、第三电子膨胀阀EV3、第一温度传感器J1、第二温度传感器J2第三温度传感器J3、第四温度传感器J4和控制模块C1组成；第一气液分离器S1和第二气液分离器分别布置在室内换热器H1和室外换热器H2蒸发流程的三分之一处，第一气液分离器S1的气相出口依次设有第一电子膨胀阀EV1和第一单向阀CV1，第二气液分离器S2的气相出口依次设有第二电子膨胀阀EV2和第二单向阀CV2；第三温度传感器J3和第一温度传感器J1分别布置在室内换热器H1的中部和室内换热器蒸发流程出口09处，第四温度传感器J4和第二温度传感器J2分别布置在室外换热器H2的中部和室外换热器蒸发流程出口15处；室内换热器蒸发流程入口04和室外换热器蒸发流程入口10间设置第三电子膨胀阀EV3；压缩机排气口e与四通换向阀上部出口a1相连，压缩机吸气口s与四通换向阀下部出口a2相连，四通换向阀第一侧面出口a3与室内换热器蒸发流程出口09相连，四通换向阀第二侧面出口a4与室外换热器蒸发流程出口15相连；四个温度传感器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第一电子膨胀阀EV1、第二电子膨胀阀EV2和第一直流变频风机F1、第二直流变频风机F2，保证整个系统的正常运行。
对于所述的气液分离器辅助式空调器系统，第一气液分离器S1布置在室内换热器H1蒸发流程的三分之一处，其气相出口07设置有第一电子膨胀阀EV1，用以根据空调器实际运行情况实时控制气相制冷剂流量和平衡压力；第一电子膨胀阀EV1后设置有第一单向阀CV1,用以在冷凝工况下将制冷剂旁通，避免制冷剂未经冷凝直接进入第一气液分离器S1，保证系统正常运行；第二气液分离器S2布置在室外换热器H2蒸发流程的三分之一处，其气相出口13亦依次设置有第二电子膨胀阀EV2和第二单向阀CV2，用以调节气相制冷剂流量并在冷凝工况下旁通制冷剂。
所述气液分离器辅助式空调器系统的控制方法为：空调器在制冷模式下，室内换热器H1作蒸发器，为提升其换热效率并避免压缩机01带液运行，需要对第一电子膨胀阀EV1的开度进行精确控制，旁通气相制冷剂能够提升换热器的整体换热效率，故通过降低第一直流变频风机F1的转速来降低能耗，从而提升空调器系统的能效水平；空调器在制热模式下，室外换热器H2作蒸发器，此时需要对第二电子膨胀阀EV2进行精确控制并降低第二直流变频风机F2的转速；在此仅对空调器制冷时的室内换热器H1的控制方法作详细说明，制热时室外换热器H2的控制方法与其相同；第一电子膨胀阀EV1和第一直流变频风机F1的控制基于第一温度传感器J1和第三温度传感器J3实现，第一温度传感器J1和第三温度传感器J3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第一电子膨胀阀EV1的开度和第一直流变频风机F1的转速；以T1表示第一温度传感器J1测得的温度值，以T3表示第三温度传感器J3测得的温度值；所述控制方案包含四个步骤：
步骤1：在开机阶段，进行稳定运行判别，首先将第一电子膨胀阀EV1的开度调至最小，若在时间间隔Δt1内第三温度传感器J3测得的温度值T3波动在ΔTi1以内，则判定进入稳定运行阶段；
步骤2：进入稳定运行阶段后，进行制冷制热模式判别，如果T3<ΔTi2±ΔS1成立，则判定空调器为制冷模式并进行步骤3；否则认为空调器为制热模式，此时对第二电子膨胀阀EV2和第二直流变频风机F2进行控制，控制逻辑与制冷模式相同；
步骤3：采用过热度判定调节，首先调节第一电子膨胀阀EV1的开度至最小，而后调节第一直流变频风机F1的转速，直至在时间间隔Δt2内T1‐T3＝ΔTi3±ΔS2成立，此时增大第一电子膨胀阀EV1的开度，调节幅度为Δn，调节时间间隔为Δt3，直至T1‐T3开始下降，取当前开度减去Δn为最佳开度；而后降低第一直流变频风机F1的转速直至T1‐T3＝ΔTi4±ΔS3成立，调节结束；对于采用毛细管或者节流短管的空调器系统，仅通过调节第一直流变频风机F1的转速控制过热度即可；
步骤4：控制模块C1继续进行系统可靠性判定，若T1≤T3+ΔS4，则认为有液相制冷剂进入压缩机01，此时关小第一电子膨胀阀F1开度重新进行步骤3；若T1>T3+ΔS4；则系统可靠运行，此时根据系统过热度变化情况实时调整第一直流变频风机F1的转速即可。
其中，ΔTi1、ΔTi2、ΔTi3、ΔTi4、ΔS1、ΔS2、ΔS3、ΔS4、Δt1、Δt2、Δt3、Δn等参数的取值根据空调器系统配置及运行工况确定，具体取值范围如下表所示：
Figure BDA0001571377600000051
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明提出的气液分离器辅助式空调器系统，其两个换热器H1、H2通过气液分离技术，在蒸发换热流程中将气相制冷剂引至换热器出口，并通过电子膨胀阀EV1、EV2调节气相制冷剂流量，可以有效提升换热器换热效率，降低制冷剂侧的流动阻力损失。
2、本发明简单易实现，是一种可有效提升空调器系统能效水平的技术，可在现行空调器系统的基础上进行升级改造。
3、空调器在制热模式下，本发明可以提高其室外换热器的蒸发温度，从而有效减少室外换热器的结霜速率，间接提升了空调器的制热量。
4、对于运行在相对稳定工况下的空调器，可以使用毛细管或节流短管等装置替代电子膨胀阀，降低系统成本，提高其实用性。
5、本发明提出了可行有效的控制方法，对系统进行实时调节，保证空调器系统始终高效运行，降低系统能耗。
总之，本发明可提升空调器两个换热器H1、H2的蒸发工况下的换热效率，并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，可实现同时提升空调器制冷制热两种模式下的能效水平。
附图说明
图1为本发明气液分离器辅助式空调器系统制冷模式流程图。
图2为所述空调器系统制热模式下的流程图。
图3为所述空调器系统的控制逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
如图1和图2所示，在制冷模式下，室内换热器H1作蒸发器，室外换热器H2作冷凝器；制冷剂经第三电子膨胀阀EV3节流后由室内换热器蒸发流程入口04进入室内换热器H1蒸发换热，制冷剂流过室内换热器前半段后经第一气液分离器入口05进入第一气液分离器S1，液相制冷剂由第一气液分离器液相出口06进入室内换热器H1后半段继续参与换热，气相制冷剂从第一气液分离器气相出口07流出，与室内换热器后半段出口08的制冷剂汇合后流经四通换向阀02并进入压缩机01，压缩后的气相制冷剂流经四通换向阀02后由室外换热器蒸发流程出口15进入室外换热器H2，此时第二单向阀CV2起截止作用，避免制冷剂由第二气液分离器气相出口13进入第二气液分离器S2，制冷剂流过室外换热器前半段后由第二气液分离器液相出口12进入第二气液分离器S2，气液两相制冷剂由第二气液分离器入口11流出并进入室外换热器后半段继续冷凝换热，过冷液相制冷剂由室外换热器蒸发流程入口10流出室外换热器H2并通过第三电子膨胀阀EV3进行节流，完成制冷循环；空调器在制热模式下，制冷剂流向相反，室外换热器H2作蒸发器且第二气液分离器S2发挥作用，室内换热器H1作冷凝器且第一气液分离器S1由于第一单向阀CV1的截止作用被旁通。
如图1、图2和图3所示，所述气液分离器辅助式空调器系统的控制方法为：空调器在制冷模式下，室内换热器H1作蒸发器，为提升其换热效率并避免压缩机01带液运行，需要对第一电子膨胀阀EV1的开度进行精确控制，旁通气相制冷剂能够提升换热器的整体换热效率，故通过降低第一直流变频风机F1的转速来降低能耗，从而提升空调器系统的能效水平；空调器在制热模式下，室外换热器H2作蒸发器，此时需要对第二电子膨胀阀EV2进行精确控制并降低第二直流变频风机F2的转速；在此仅对空调器制冷时的室内换热器H1的控制方法作详细说明，制热时室外换热器H2的控制方法与其相同；第一电子膨胀阀EV1和第一直流变频风机F1的控制基于第一温度传感器J1和第三温度传感器J3实现，第一温度传感器J1和第三温度传感器J3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第一电子膨胀阀EV1的开度和第一直流变频风机F1的转速；以T1表示第一温度传感器J1测得的温度值，以T3表示第三温度传感器J3测得的温度值；所述控制方案包含四个步骤：
步骤1：在开机阶段，进行稳定运行判别，首先将第一电子膨胀阀EV1的开度调至最小，若在时间间隔Δt1内第三温度传感器J3测得的温度值T3波动在ΔTi1以内，则判定进入稳定运行阶段；
步骤2：进入稳定运行阶段后，进行制冷制热模式判别，如果T3<ΔTi2±ΔS1成立，则判定空调器为制冷模式并进行步骤3；否则认为空调器为制热模式，此时对第二电子膨胀阀EV2和第二直流变频风机F2进行控制，控制逻辑与制冷模式相同；
步骤3：采用过热度判定调节，首先调节第一电子膨胀阀EV1的开度至最小，而后调节第一直流变频风机F1的转速，直至在时间间隔Δt2内T1‐T3＝ΔTi3±ΔS2成立，此时增大第一电子膨胀阀EV1的开度，调节幅度为Δn，调节时间间隔为Δt3，直至T1‐T3开始下降，取当前开度减去Δn为最佳开度；而后降低第一直流变频风机F1的转速直至T1‐T3＝ΔTi4±ΔS3成立，调节结束。对于采用毛细管或者节流短管的空调器系统，仅通过调节第一直流变频风机F1的转速控制过热度即可；
步骤4：控制模块C1继续进行系统可靠性判定，若T1≤T3+ΔS4，则认为有液相制冷剂进入压缩机01，此时关小第一电子膨胀阀F1开度重新进行步骤3；若T1>T3+ΔS4；则系统可靠运行，此时根据系统过热度变化情况实时调整第一直流变频风机F1的转速即可。

Claims (5)

1.一种气液分离器辅助式空调器系统的控制方法，所述气液分离器辅助式空调器系统由室内换热器(H1)、室外换热器(H2)、压缩机(01)、四通换向阀(02)、第一直流变频风机(F1)、第二直流变频风机(F2)、第一气液分离器(S1)、第二气液分离器(S2)、第一单向阀(CV1)、第二单向阀(CV2)、第一电子膨胀阀(EV1)、第二电子膨胀阀(EV2)、第三电子膨胀阀(EV3)、第一温度传感器(J1)、第二温度传感器(J2)、 第三温度传感器(J3)、第四温度传感器(J4)和控制模块(C1)组成；第一气液分离器(S1)和第二气液分离器分别布置在室内换热器(H1)和室外换热器(H2)蒸发流程的三分之一处，第一气液分离器(S1)的气相出口依次设有第一电子膨胀阀(EV1)和第一单向阀(CV1)，第二气液分离器(S2)的气相出口依次设有第二电子膨胀阀(EV2)和第二单向阀(CV2)；第三温度传感器(J3)和第一温度传感器(J1)分别布置在室内换热器(H1)的中部和室内换热器蒸发流程出口(09)处，第四温度传感器(J4)和第二温度传感器(J2)分别布置在室外换热器(H2)的中部和室外换热器蒸发流程出口(15)处；室内换热器蒸发流程入口(04)和室外换热器蒸发流程入口(10)间设置第三电子膨胀阀(EV3)；压缩机排气口(e)与四通换向阀上部出口(a1)相连，压缩机吸气口(s)与四通换向阀下部出口(a2)相连，四通换向阀第一侧面出口(a3)与室内换热器蒸发流程出口(09)相连，四通换向阀第二侧面出口(a4)与室外换热器蒸发流程出口(15)相连；四个温度传感器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第一电子膨胀阀(EV1)、第二电子膨胀阀(EV2)和第一直流变频风机(F1)、第二直流变频风机(F2)，保证整个系统的正常运行；
其特征在于：所述控制方法为：空调器在制冷模式下，室内换热器(H1)作蒸发器，为提升其换热效率并避免压缩机(01)带液运行，需要对第一电子膨胀阀(EV1)的开度进行精确控制，旁通气相制冷剂能够提升换热器的整体换热效率，故通过降低第一直流变频风机(F1)的转速来降低能耗，从而提升空调器系统的能效水平；空调器在制热模式下，室外换热器(H2)作蒸发器，此时需要对第二电子膨胀阀(EV2)进行精确控制并降低第二直流变频风机(F2)的转速；在此仅对空调器制冷时的室内换热器(H1)的控制方法作详细说明，制热时室外换热器(H2)的控制方法与其相同；第一电子膨胀阀(EV1)和第一直流变频风机(F1)的控制基于第一温度传感器(J1)和第三温度传感器(J3)实现，第一温度传感器(J1)和第三温度传感器(J3)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第一电子膨胀阀(EV1)的开度和第一直流变频风机(F1)的转速；以T1表示第一温度传感器(J1)测得的温度值，以T3表示第三温度传感器(J3)测得的温度值；所述控制方法包含四个步骤：
步骤1：在开机阶段，进行稳定运行判别，首先将第一电子膨胀阀(EV1)的开度调至最小，若在时间间隔Δt1内第三温度传感器(J3)测得的温度值T3波动在ΔTi1以内，则判定进入稳定运行阶段；
步骤2：进入稳定运行阶段后，进行制冷制热模式判别，如果T3<ΔTi2±ΔS1成立，则判定空调器为制冷模式并进行步骤3；否则认为空调器为制热模式，此时对第二电子膨胀阀(EV2)和第二直流变频风机(F2)进行控制，控制逻辑与制冷模式相同；
步骤3：采用过热度判定调节，首先调节第一电子膨胀阀(EV1)的开度至最小，而后调节第一直流变频风机(F1)的转速，直至在时间间隔Δt2内T1-T3＝ΔTi3±ΔS2成立，此时增大第一电子膨胀阀(EV1)的开度，调节幅度为Δn，调节时间间隔为Δt3，直至T1-T3开始下降，取当前开度减去Δn为最佳开度；而后降低第一直流变频风机(F1)的转速直至T1-T3＝ΔTi4±ΔS3成立，调节结束；对于采用毛细管或者节流短管的空调器系统，仅通过调节第一直流变频风机(F1)的转速控制过热度即可；
步骤4：控制模块(C1)继续进行系统可靠性判定，若T1≤T3+ΔS4，则认为有液相制冷剂进入压缩机(01)，此时关小第一电子膨胀阀(F1)开度重新进行步骤3；若T1>T3+ΔS4；则系统可靠运行，此时根据系统过热度变化情况实时调整第一直流变频风机(F1)的转速即可。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：空调器在制冷模式下，制冷剂经第三电子膨胀阀(EV3)节流后由室内换热器蒸发流程入口(04)进入室内换热器(H1)蒸发换热，制冷剂流过室内换热器前半段后经第一气液分离器入口(05)进入第一气液分离器(S1)，液相制冷剂由第一气液分离器液相出口(06)进入室内换热器(H1)后半段继续参与换热，气相制冷剂从第一气液分离器气相出口(07)流出，与室内换热器后半段出口(08)的制冷剂汇合后流经四通换向阀(02)并进入压缩机(01)，压缩后的气相制冷剂流经四通换向阀(02)后由室外换热器蒸发流程出口(15)进入室外换热器(H2)，此时第二单向阀(CV2)起截止作用，避免制冷剂由第二气液分离器气相出口(13)进入第二气液分离器(S2)，制冷剂流过室外换热器前半段后由第二气液分离器液相出口(12)进入第二气液分离器(S2)，气液两相制冷剂由第二气液分离器入口(11)流出并进入室外换热器后半段继续冷凝换热，过冷液相制冷剂由室外换热器蒸发流程入口(10)流出室外换热器(H2)并通过第三电子膨胀阀(EV3)进行节流，完成制冷循环；空调器在制热模式下，制冷剂流向相反，室外换热器(H2)作蒸发器且第二气液分离器(S2)发挥作用，室内换热器(H1)作冷凝器且第一气液分离器(S1)由于第一单向阀(CV1)的截止作用被旁通。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：第一气液分离器(S1)布置在室内换热器(H1)蒸发流程的三分之一处，其气相出口(07)设置有第一电子膨胀阀(EV1)，用以根据空调器实际运行情况实时控制气相制冷剂流量和平衡压力；第一电子膨胀阀(EV1)后设置有第一单向阀(CV1),用以在冷凝工况下将制冷剂旁通，避免制冷剂未经冷凝直接进入第一气液分离器(S1)，保证系统正常运行；第二气液分离器(S2)布置在室外换热器(H2)蒸发流程的三分之一处，其气相出口(13)亦依次设置有第二电子膨胀阀(EV2)和第二单向阀(CV2)，用以调节气相制冷剂流量并在冷凝工况下旁通制冷剂。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：第一电子膨胀阀(EV1)和第二电子膨胀阀(EV2)采用毛细管或节流短管代替。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述ΔTi1、ΔTi2、ΔTi3、ΔTi4、ΔS1、ΔS2、ΔS3、ΔS4、Δt1、Δt2、Δt3、Δn的取值根据空调器系统配置及运行工况确定，取值范围如下表所示：
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