CN108700358B - 二氧化碳运输制冷系统的功率管理 - Google Patents

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Abstract

一种制冷单元，包括：蒸发器，其使制冷剂流在其中循环以冷却流过所述蒸发器的舱空气流；压缩机，其与所述蒸发器流体连通以压缩所述制冷剂流；发动机，其可操作地连接到所述压缩机以驱动所述压缩机的操作；膨胀装置，其与所述制冷剂流流体连通；以及控制器，其可操作地连接到至少所述发动机和所述膨胀装置。所述控制器被配置成：确定驱动所述压缩机的可用功率；基于所述可用功率确定压缩机排气压力上限；将所述压缩机排气压力上限与所要求的压缩机排气压力进行比较；以及启动所述膨胀装置的调节，使得实际压缩机排气压力是所要求的压缩机排气压力或压缩机排气压力上限中的较小者。

Description

二氧化碳运输制冷系统的功率管理
背景技术
本文公开的主题总体涉及运输制冷系统领域，且更具体地涉及运输制冷系统的功率管理控制。
制冷剂蒸气压缩系统在本领域中是众所周知的并且通常用于调节有待供应到住宅、办公大楼、医院、学校、餐厅或其他设施内的气候受控舒适区的空气。制冷剂蒸气压缩系统还常用于制冷供应至展示柜、商品柜、冷冻室、冷藏间或商业机构中其他易腐/冷冻产品存放区域的空气。制冷剂蒸气压缩系统还常用于运输制冷系统，用于制冷供应到卡车、拖车、集装箱等的温控货物空间的空气，以通过卡车、铁路、船舶或联运运输易腐/冷冻物品。
典型的运输制冷系统可操作地连接到发动机，该发动机直接或间接地通过发电机提供功率以驱动制冷系统的压缩机，并且提供功率以驱动系统的其他部件，诸如冷凝器风扇、蒸发器风扇，以及运输制冷系统的任何其他辅助部件。在一些操作状况中，来自使用常规制冷系统控件的部件的功率需求可能超出来自发动机的可用功率，这可能导致不期望的发动机失速状况。
发明内容
在一个实施方案中，一种控制制冷单元的方法包括确定驱动制冷单元的压缩机的可用功率，并基于可用功率确定压缩机排气压力上限。将压缩机排气压力上限与要求的压缩机排气压力进行比较，并且调节制冷单元的膨胀装置，使得实际压缩机排气压力是所要求的压缩机排气压力或压缩机排气压力上限中的较小者。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，确定驱动压缩机的可用功率包括计算可操作地连接到压缩机的发动机的总发动机功率估值，并减去可操作地连接到发动机的其他部件的功率消耗以达到驱动压缩机的可用功率。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，总发动机功率估值是环境空气温度、环境空气压力和发动机转速中的一者或多者的函数。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，所要求的压缩机排气压力是制冷单元的蒸发温度、冷凝器或气体冷却器出口的温度和冷藏空间的所要求温度中的一者或多者的函数。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，调节制冷单元的膨胀装置包括计算当前压缩机排气压力与所要求的压缩机排气压力或压缩机排气压力上限中的较小者之间的压力差，并且基于压力差调节膨胀装置打开设定，使得实际压缩机排气压力是所要求的压缩机排气压力或压缩机排气压力上限中的较小者。
在另一实施方案中，一种制冷单元包括：蒸发器，其使制冷剂流在其中循环以冷却流过蒸发器的舱空气流；压缩机，其与蒸发器流体连通以压缩制冷剂流；发动机，其可操作地连接到压缩机以驱动压缩机的操作；膨胀装置，其与制冷剂流流体连通；以及控制器，其可操作地连接到至少发动机和膨胀装置。所述控制器被配置成：确定驱动压缩机的可用功率；基于可用功率确定压缩机排气压力上限；将压缩机排气压力上限与所要求的压缩机排气压力进行比较；以及启动膨胀装置的调节，使得实际压缩机排气压力是所要求的压缩机排气压力或压缩机排气压力上限中的较小者。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，确定驱动压缩机的可用功率包括计算发动机的总发动机功率估值，并减去可操作地连接到发动机的一个或多个其他部件的功率消耗以达到驱动压缩机的可用功率。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，总发动机功率估值是环境空气温度、环境空气压力和发动机转速中的一者或多者的函数。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，一个或多个其他部件包括安置在蒸发器处的蒸发器风扇或位于与制冷剂流流体连通的冷凝器处的冷凝器风扇中的一者或多者。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，所要求的压缩机排气压力是制冷单元的蒸发温度、冷凝器或气体冷却器出口的温度和冷藏空间的所要求温度中的一者或多者的函数。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，调节制冷单元的膨胀装置包括计算当前压缩机排气压力与所要求的压缩机排气压力或压缩机排气压力上限中的较小者之间的压力差，并且基于压力差调节膨胀装置打开设定，使得实际压缩机排气压力是所要求的压缩机排气压力或压缩机排气压力上限中的较小者。
在又一个实施方案中，冷藏货舱包括适于运输货物的货舱和可操作地连接到货舱的制冷单元。所述制冷单元包括：蒸发器，其使制冷剂流在其中循环以冷却流过蒸发器的货舱空气流以冷却货舱；压缩机，其与蒸发器流体连通以压缩所述制冷剂流；发动机，其可操作地连接到压缩机以驱动压缩机的操作；膨胀装置，其与制冷剂流流体连通；以及控制器，其可操作地连接到至少发动机和膨胀装置。所述控制器被配置成：确定驱动压缩机的可用功率；基于可用功率确定压缩机排气压力上限；将压缩机排气压力上限与所要求的压缩机排气压力进行比较；以及启动膨胀装置的调节，使得实际压缩机排气压力是所要求的压缩机排气压力或压缩机排气压力上限中的较小者。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，确定驱动压缩机的可用功率包括计算发动机的总发动机功率估值，并减去可操作地连接到发动机的一个或多个其他部件的功率消耗以达到驱动压缩机的可用功率。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，一个或多个其他部件包括位于蒸发器处的蒸发器风扇或安置在与制冷剂流流体连通的冷凝器处的冷凝器风扇中的一者或多者。
另外地或可选地，在此实施方案或其他实施方案中，所要求的压缩机排气压力是制冷单元的蒸发温度、冷凝器或气体冷却器出口的温度和冷藏空间的所要求温度中的一者或多者的函数。
从以下结合附图进行的描述中，这些和其他优点和特征将变得更显而易见。
附图说明
在说明书开头的权利要求书中特别指出并明确要求保护本主题。本公开的前述和其他特征以及优点从结合附图进行的以下详细描述中显而易见，在附图中：
图1是包括运输制冷系统的货物拖车的外部的示意图；
图2是运输制冷系统的一个实施方案的示意图；以及
图3是运输制冷系统的控制方法的实施方案的示意图。
具体实施方式参考附图通过举例的方式解释各实施方案以及优点和特征。
具体实施方式
图1所示为冷藏货舱10的实施方案，例如冷藏卡车或拖车。冷藏货舱10形成为大致矩形构造，具有顶壁12、直接相对底壁14、相对侧壁16和前壁18。货舱10还包括在与前壁18相对的后壁20处的一个或多个门(未示出)。货舱10被配置成通过使用位于货舱10处的制冷单元24将位于货舱10内部的货物22维持在选定温度下。货舱10用于运输货物22。制冷单元24位于前壁18处，并且包括蒸发器32，蒸发器32从货舱10内部接收舱气流34(图2中示出)并经由舱气流34和流过蒸发器32的制冷剂之间的热能交换将其冷却。冷却的舱气流34用于将货舱10制冷到选定的温度。在一些实施方案中，对于高温或中温制冷，所选温度在约30至50华氏度的范围内，而在其他实施方案中，对于冷冻良好制冷，所选温度可在0至-30华氏度之间。应当理解，这些温度仅仅是示例性的，并且本文所述的制冷单元24可用于实现宽范围的选定温度，并且还可容易地在选定温度之间切换。
现在参考图2，制冷单元24包括压缩机36，压缩机36可以是蒸气喷射涡旋压缩机，或者可以是不同类型的压缩机。压缩机36压缩蒸气制冷剂流38，并且制冷剂流38在冷凝器40处通过与经由冷凝器风扇44而流过冷凝器40的冷凝器气流42的热能交换而将相态变成液态。冷凝器40流体连接到膨胀装置46。膨胀装置46流体连接到舱气流34在其中被冷却的蒸发器32，并且制冷剂流38通过蒸发器32处的热能交换而沸腾。在一些实施方案中，舱气流34被一个或多个蒸发器风扇48推动穿过蒸发器32。然后，气化的制冷剂流38返回到压缩机36的压缩机入口50。
压缩机36由功率源提供功率，例如由例如柴油或天然气提供燃料的发动机52。发动机52直接或经由如图所示的居间发电机54连接到压缩机36，以获得AC功率来驱动压缩机36。在发电机54处产生的电能还可用于驱动冷凝器风扇44、蒸发器风扇48和制冷单元的其他辅助部件。控制器56可操作地连接到制冷单元24的部件，诸如压缩机36、发动机52、冷凝器风扇44和蒸发器风扇48，以监测和控制它们的操作。
现在参考图3，示出了用于制冷单元24的功率管理控制系统和方法的实施方案。在一些实施方案中，图3中所示的至少一些步骤或过程是在控制器56处执行。在方框58处，制冷单元24的操作状况诸如发动机52转速和环境空气温度和/或压力被收集且在方框60处用于计算发动机功率估值(P发动机)。从P发动机起，通过从发动机功率估值中减去风扇44、48(P风扇)的功率需求以及其他辅助部件(Paux)的功率需求而在方框62处确定压缩机的可用功率(Pc)。在一些实施方案中，风扇48、48的功率需求和其他辅助部件的功率需求基本上是恒定的。
在方框64处，使用压缩机功率图，所计算的压缩机可用功率(Pc)与压缩机吸气压力(Ps)一起用来计算压缩机排气压力极限(PD极限)。在压缩机功率图中，压缩机吸气压力(Ps)和压缩机排气压力极限(PD极限)是压缩机吸气压力(Ps)和压缩机的可用功率(Pc)的函数。
实际压缩机排气压力(PD)在PID控件66(其将命令馈送给膨胀装置46)处由膨胀装置46的打开位置控制。在方框68处，通过比较实际压缩机排气压力(PD)与选定的压缩机排气压力(P选定)来确定PID控件66的设定。如果P选定小于PD，那么PID控件66命令调节膨胀装置46的打开位置以减小PD，而如果P选定大于PD，那么PID控件66命令调节膨胀装置46的打开位置以增加PD。
在方框70处，选定的压缩机排气压力(P选定)利用压力图部分地通过计算最佳排气压力(POPT)确定。压力图利用来自制冷单元24的反馈，诸如蒸发温度(Tevap)和冷凝器或气体冷却器出口温度(Tgc)以及设定点或所需的货舱温度(TSP)。最佳排气压力(POPT)是在不考虑压缩机36的功率可用性的情况下制冷单元24的压缩机排气压力。
考虑压缩机的可用功率(Pc)可以保持发动机52的失速裕度，防止制冷单元24由于发动机52失速而出现故障或停机。为此，在比较器方框72处，将最佳排气压力(POPT)与压缩机排气压力极限(PD极限)进行比较。换句话说，将基于来自制冷单元24的状况反馈所要求的排气压力与基于发动机52向压缩机36提供功率的能力的可能排气压力进行比较。如果最佳排气压力(POPT)小于或等于压缩机排气压力极限(PD极限)，那么比较器72输出最佳排气压力(POPT)作为选定的压缩机排气压力(P选定)至方框68。或者，如果最佳排气压力(POPT)大于压缩机排气压力极限(PD极限)，那么比较器72输出压缩机排气压力极限(PD极限)作为选定的压缩机排气压力(P选定)至方框68。将选定的压缩机排气压力(P选定)与实际压缩机排气压力(PD)进行比较，并且PID控件66命令改变膨胀装置46打开设定，使得实际压缩机排气压力(PD)对应于选定的压缩机排气压力(P选定)。
此方法基本上连续地运行以将负载调节成适应压缩机的可用发动机功率且适应制冷单元24的压缩机排气压力要求的变化。本文所公开的系统和方法允许制冷单元24满足冷却要求，同时还将发动机52保持在其工作包线(envelop)内。
虽然已经结合仅有限数量的实施方案详细地描述了本公开，但是应容易理解，本公开并不限于所述公开的实施方案。实际上，本公开可以进行更改以并入在此之前并未描述但在范围上相符的任何数量的变化、修改、替换或等效布置。此外，尽管已描述了各种实施方案，但应理解，本公开的方面可以只包括所描述的实施方案中的一些。因此，本公开不应被视为受限于前述描述，而只受限于所附权利要求书的范围。

Claims (15)

1.一种控制制冷单元的方法，其包括：
确定驱动所述制冷单元的压缩机的可用功率；
基于所述可用功率确定压缩机排气压力上限；
将所述压缩机排气压力上限与要求的压缩机排气压力进行比较；和
调节所述制冷单元的膨胀装置，使得实际压缩机排气压力是所要求的压缩机排气压力或所述压缩机排气压力上限中的较小者。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定驱动所述压缩机的所述可用功率包括：
计算可操作地连接到所述压缩机的发动机的总发动机功率估值；和
减去可操作地连接到所述发动机的其他部件的功率消耗，以达到驱动所述压缩机的所述可用功率。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述总发动机功率估值是环境空气温度、环境空气压力和发动机转速中的一者或多者的函数。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所要求的压缩机排气压力是所述制冷单元的蒸发温度、冷凝器或气体冷却器出口的温度和冷藏空间的所要求温度中的一者或多者的函数。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中调节所述制冷单元的所述膨胀装置包括：
计算当前压缩机排气压力与所要求的压缩机排气压力或所述压缩机排气压力上限中较小者之间的压力差；和
基于所述压力差调节所述膨胀装置的打开设定，使得所述实际压缩机排气压力是所要求的压缩机排气压力或所述压缩机排气压力上限中的较小者。
6.一种制冷单元，包括：
蒸发器，其使制冷剂流在其中循环以冷却流过所述蒸发器的舱空气流；
压缩机，其与所述蒸发器流体连通以压缩所述制冷剂流；
发动机，其可操作地连接到所述压缩机以驱动所述压缩机的操作；
膨胀装置，其与所述制冷剂流流体连通；和
控制器，其可操作地连接到至少所述发动机和所述膨胀装置，所述控制器被配置为：
确定驱动所述压缩机的可用功率；
基于所述可用功率确定压缩机排气压力上限；
将所述压缩机排气压力上限与要求的压缩机排气压力进行比较；和
启动所述膨胀装置的调节，使得实际压缩机排气压力是所要求的压缩机排气压力或所述压缩机排气压力上限中的较小者。
7.如权利要求6所述的制冷单元，其中确定驱动所述压缩机的所述可用功率包括：
计算所述发动机的总发动机功率估值；和
减去可操作地连接到所述发动机的一个或多个其他部件的功率消耗，以达到驱动所述压缩机的所述可用功率。
8.如权利要求7所述的制冷单元，其中所述总发动机功率估值是环境空气温度、环境空气压力和发动机转速中的一者或多者的函数。
9.如权利要求7或8所述的制冷单元，其中所述一个或多个其他部件包括安置在所述蒸发器处的蒸发器风扇或安置在与所述制冷剂流流体连通的冷凝器处的冷凝器风扇中的一者或多者。
10.如权利要求6-8中任一项所述的制冷单元，其中所要求的压缩机排气压力是所述制冷单元的蒸发温度、冷凝器或气体冷却器出口的温度和冷藏空间的所要求温度中的一者或多者的函数。
11.如权利要求6-8中任一项所述的制冷单元，其中调节所述制冷单元的所述膨胀装置包括：
计算当前压缩机排气压力与所要求的压缩机排气压力或所述压缩机排气压力上限中较小者之间的压力差；和
基于所述压力差调节所述膨胀装置的打开设定，使得所述实际压缩机排气压力是所要求的压缩机排气压力或所述压缩机排气压力上限中的较小者。
12.一种冷藏货舱，包括：
货舱，其适合运输货物；和
制冷单元，其可操作地连接到所述货舱，所述制冷单元包括：
蒸发器，其使制冷剂流在其中循环以冷却流过所述蒸发器的货舱空气流以冷却所述货舱；
压缩机，其与所述蒸发器流体连通以压缩所述制冷剂流；
发动机，其可操作地连接到所述压缩机以驱动所述压缩机的操作；
膨胀装置，其与所述制冷剂流流体连通；和
控制器，其可操作地连接到至少所述发动机和所述膨胀装置，所述控制器被配置为：
确定驱动所述压缩机的可用功率；
基于所述可用功率确定压缩机排气压力上限；
将所述压缩机排气压力上限与要求的压缩机排气压力进行比较；和
启动所述膨胀装置的调节，使得实际压缩机排气压力是所要求的压缩机排气压力或所述压缩机排气压力上限中的较小者。
13.如权利要求12所述的冷藏货舱，其中确定驱动所述压缩机的所述可用功率包括：
计算所述发动机的总发动机功率估值；和
减去可操作地连接到所述发动机的一个或多个其他部件的功率消耗，以达到驱动所述压缩机的所述可用功率。
14.如权利要求13所述的冷藏货舱，其中所述一个或多个其他部件包括安置在所述蒸发器处的蒸发器风扇或安置在与所述制冷剂流流体连通的冷凝器处的冷凝器风扇中的一者或多者。
15.如权利要求12-14中任一项所述的冷藏货舱，其中所要求的压缩机排气压力是所述制冷单元的蒸发温度、冷凝器或气体冷却器出口的温度和冷藏空间的所要求温度中的一者或多者的函数。
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