CN110887265A - 内循环叠加热泵系统、控制方法及热泵烘干机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内循环叠加热泵系统、控制方法及热泵烘干机。所述内循环叠加热泵系统包括串联的多级压缩循环，上一级压缩循环的节流阀与蒸发器之间设有分流器，所述分流器与下一级压缩循环的节流阀连通，上一级压缩循环中的蒸发器作为下一级压缩循环的冷凝器，上一级压缩循环中的四通换向阀与压缩机吸气端之间设有三通汇合阀，所述三通汇合阀与下一级压缩循环的四通换向阀连通。本发明提出的内循环叠加热泵系统及控制方法应用于热泵烘干机，不仅满足了烘干机持续高出风温度的需求，而且提高了热泵烘干机的使用可靠性和节能性。

Description

内循环叠加热泵系统、控制方法及热泵烘干机

技术领域

本发明涉及空调技术领域，尤其涉及一种内循环叠加热泵系统、控制方法及热泵烘干机。

背景技术

热泵烘干机系统分为低温、中温、高温三类，其中的高温更是要求出风温度达到80-90℃，超高的出风要求极高的冷凝温度以及足够的压缩比。现有方案大多以复叠系统为主，采用多种冷媒系统重叠来实现此类目的。

采用复叠系统存在系统复杂、控制繁琐的问题，多重系统机械叠加会导致需求端与输出端存在极高的控制延迟，其中的能量冗余损失、随机因素、人为失误会将这类控制延迟放大化，导致机组运行评价指数降低。另一个方面，复叠系统也会导致整机的开发、制作、使用成本陡增，严重影响用户对于产品的评价。

目前的热泵市场上，二氧化碳技术已经被逐渐开发，二氧化碳冷媒本身优异的跨临界换热属性在降低整机功耗的同时也会提供超高的热泵使用价值，不过如果将此类方案应用到热泵烘干上，也会存在超高压缩比无法应用的问题。具体就是临界点上下的温度浮动，实际烘干机需求的超高的出风温度加上较低的散热端循环会拉大温度浮动范围，给节流段带来严重的压力，也就是说，目前的大多数配件以及系统方案并不能实现这个目的。

发明内容

本发明提出一种内循环叠加热泵系统、控制方法及热泵烘干机，以解决二氧化碳系统在热泵烘干机上应用存在过高压比带来的节流负载问题，以及过高出风温度带来的高压负荷持续运行问题。

本发明提出一种内循环叠加热泵系统、控制方法及烘干机，包括串联的多级压缩循环，其中，第一级压缩循环的节流阀与蒸发器之间设有分流器，所述分流器与下一级压缩循环的节流阀连通，上一级压缩循环中的蒸发器作为下一级压缩循环的冷凝器，上一级压缩循环中的四通换向阀与压缩机吸气端之间设有三通汇合阀，所述三通汇合阀与下一级压缩循环的四通换向阀连通。

在一实施例中，所述的内循环叠加热泵系统包括三级串联的压缩循环，采用两级分流器对第一级压缩循环中的冷媒进行对应分流。

优选地，第一级和第二级压缩循环中，四通换向阀和三通汇合阀之间设有止回阀。

优选地，所述多级循环中的冷媒采用二氧化碳。

本发明还提出一种内循环叠加系统的控制方法，其中，各级压缩循环同步控制，通过目标排气过热度、各级压缩机排气过热度和节流阀进气过热度计算各级分流器的流量分配系数，根据该流量分配系数调整各级分流器的开度。

针对三级串联的压缩循环，一级分流器的开度按公式以下计算：

V=α*（V₁ + Toam1/ Toam2）；

其中：α是一级分流器的流量分配系数，V₁是初始开度，Toam1是第一级节流阀的过热度，Toam2是第二级节流阀的过热度。

一级分流器的流量分配系数α按下式计算：

式中，0-t₀为缓冲周期，ΔTo1是目标排气过热度与第一级节流阀的过热度的差值，ΔTo2是目标排气过热度与第二级节流阀的过热度的差值；t1为第一、第二级系统对应的数据回收周期。

二级分流器的开度按以下公式计算：V=β*（V2 + Toam2/ Toam3）；

其中：β是二级分流器的流量分配系数，V₂是初始开度，Toam2是第二级节流阀的过热度，Toam3是第三级节流阀的过热度。

二级分流器的流量分配系数

按下式计算：

式中，0-t₀为缓冲周期，ΔTo2是目标排气过热度与第二级节流阀的过热度的差值，ΔTo3是目标排气过热度与第三级节流阀的过热度的差值；t2为第二、第三级系统对应的数据回收周期。

本发明还提出一种热泵烘干机，该热泵烘干机使用上述内循环叠加热泵系统及其控制方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.设置多级压缩机独立运行压缩，满足烘干机持续高出风温度的需求；

2.通过设计内循环叠加系统，按照实际运行工况运行，梯次节流降压，分配分路流量实现二氧化碳的高负载跨临界运行；

3.设计对应控制系统，协调多级系统压力契合运行，提高整机节能性；

4.从总体方向上重新协调搭配系统，适应二氧化碳系统特性，提高热泵烘干机的使用可靠性和节能性。

附图说明

图1为本发明提出的内循环叠加热泵系统的示意图；

图2为本发明提出的内循环叠加系统的压焓图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。应当理解，以下具体实施例仅用以解释本发明，并不对本发明构成限制。

本发明旨在为热泵烘干机提供一种二氧化碳跨临界系统方案。

本发明提出的内循环叠加热泵系统冷媒采用二氧化碳。一般冷媒（R410A、R32等）制热运行都是在亚临界状态，即饱和状态线顶点以下完成自身的换热循环，但是这类循环系统一旦需要做超高温的制热输出时就会面临高压压力不够的情况。但是CO₂系统不需要，本身临界点温度偏低，在压缩机的压缩下其状态参数很容易跑到临界点以上，这就是CO₂优异的跨临界属性。

在图1所述的实施例中，内循环叠加热泵系统包括串联的三级压缩循环，采用分流器对主路冷媒进行对应分流，在各级压缩循环中，各自进行节流、蒸发、压缩过程。通过三层级循环，就可以将二氧化碳温度直接推高至需求温度，同时采用多级分流、节流降压将冷媒降至两相区，实现二氧化碳系统真正的跨临界运行。

如图1所示，第一级压缩循环包括一级压缩机1、四通换向阀2、冷凝器3、一级节流阀4和一级蒸发器6。第二级压缩循环包括二级压缩机13、四通换向阀2、一级蒸发器6、二级节流阀8和二级蒸发器10。第三级压缩循环包括三级压缩机14、四通换向阀2、二级蒸发器10、三级节流阀11和三级蒸发器12。

第一级压缩循环的节流阀4与一级蒸发器6之间设有一级分流器5，该一级分流器与第二级压缩循环的节流阀8连通。第一级压缩循环中的蒸发器6作为第二级压缩循环的冷凝器，第一级压缩循环中的四通换向阀2与压缩机1吸气端之间设有三通汇合阀7，该三通汇合阀与下第二级压缩循环的四通换向阀2连通。

第二级压缩循环的节流阀8与第二级蒸发器10之间设有二级分流器9，该二级分流器与第三级压缩循环的节流阀11连通。第二级压缩循环中的蒸发器10作为第三级压缩循环的冷凝器，第二级压缩循环中的四通换向阀2与压缩机13吸气端之间设有三通汇合阀7，该三通汇合阀与第三级压缩循环的四通换向阀2连通。

第一级和第二级压缩循环中，四通换向阀2和三通汇合阀7之间设有止回阀。

工作时，内循环叠加热泵系统通过多级压缩机独立运行压缩，梯次节流降压，分配分路流量实现二氧化碳的高负载跨临界运行，满足烘干机持续高出风温度的需求，同时设计对应控制系统，协调多级系统压力契合运行，提高整机节能性。

图2为使用二氧化碳作为冷媒的三级叠加跨临界压焓图。图中，a为液态区，b为两相区，c为汽态区。按照所示压焓流程，1→2为三级压缩过程，2’→3为二级压缩过程，3’→4为三级压缩过程，5→6为一级节流过程，6→7为二级节流过程，7→8为三级节流过程。

所谓跨临界运行指的是二氧化碳的临界点状态（图中饱和状态线的顶点），温度31.2℃。图2中所示的一级节流、二级节流全部为气态节流过程，三级节流为相变节流过程，三层叠加实现二氧化碳系统的相变运行，既所谓的跨临界二氧化碳运行系统。

本发明提出的内循环叠加热泵系统的控制模式为：各级压缩循环同步控制，通过目标排气过热度、各级压缩机排气过热度和节流阀进气过热度计算各级分流器的流量分配系数，根据该流量分配系数调整各级分流器的开度。

其中，一、二、三级压缩机以及对应的四通阀和节流阀采用同样的控制动作，所以其控制策略可设计为同步状态；一、二级分流器通过检测整体参数以及各级工况动态控制开度，实现多级节流压缩的最佳状态。

一级分流器控制策略的具体逻辑如下：

实时监测一级压缩机排气温度To1，对应高压压力P1，计算一级压缩机排气过热度Toa1；

实时监测一级节流阀进气温度Tom1，对应节流前压力Pm1，计算一级节流阀进气过热度Toam1；

实时监测二级压缩机排气温度To2，对应高压压力P2，计算二级压缩机排气过热度Toa2；

实时监测二级节流阀进气温度Tom2，对应节流前压力Pm2，计算二级节流阀进气过热度Toam2；

设一级分流阀的开度V为0-100%，V=0%表示冷媒全部流入一级蒸发器，V=100%则表示冷媒全部流入二级节流阀，设定初始开度为V1；

设定目标排气过热度Toao，计算ΔTo1=Toao- Toa1，ΔTo2=Toao- Toa2；

则一级分流器的开度V=α*（V1 + Toam1/Toam2）；

式中α为一级分流器的流量分配系数，按下式计算：

式中，0-t₀为缓冲周期，缓冲周期0-t₀=n*t1，n为周期次数，可根据实际参数的比例关系调节。ΔTo1是目标排气过热度与第一级节流阀的过热度的差值，ΔTo2是目标排气过热度与第二级节流阀的过热度的差值；t1为第一、第二级系统对应的数据回收周期；t1为一、二级系统对应的数据回收周期。

以上表征式，通过将目标调整值（排气过热度）与实际节流能力表征（节流前过热度）混合建设，计算得出流量分配系数，调整分流器的开度。

二级分流器控制策略如下：

实时监测二级级压缩机排气温度To2，对应高压压力P2，计算二级级压缩机排气过热度Toa2；

实时监测二级节流阀进气温度Tom2，对应节流前压力Pm2，计算二级节流阀进气过热度Toam2；

实时监测三级压缩机排气温度To3，对应高压压力P3，计算三级压缩机排气过热度Toa3；

实时监测三级节流阀进气温度Tom3，对应节流前压力Pm3，计算三级节流阀进气过热度Toam3；

二级分流器的开度V为50%-100%，V=50%表示冷媒的一半流入二级蒸发器，V=100%则表示冷媒全部流入三级节流阀，设定初始开度V2；

设定目标排气过热度Toao，计算ΔTo2=Toao-Toa2，ΔTo2=Toao-Toa3；

则二级分流器的开度V=β*（V2 + Toam2/ Toam3）；

式中β为二级分流器开度的流量分配系数，按下式计算：

式中，0-t₀为缓冲周期，具体关系为0-t₀=m*t2，m为周期次数，可根据实际参数的比例关系调节。ΔTo2是目标排气过热度与上第二级节流阀的过热度的差值，ΔTo3是目标排气过热度与第三级节流阀的过热度的差值； t2为二、三级系统对应的数据回收周期。

对于大于三级压缩循环的系统，控制方法以此类推。

上述分流器的控制策略是通过大量实验数据总结出来的，并经实践证明效果良好。

本发明提出的内循环叠加热泵系统应用于烘干机，不仅满足了烘干机持续高出风温度的需求，而且提高了热泵烘干机的使用可靠性和节能性。

以上所述仅为本发明的具体实施方式。应当指出的是，凡在本发明构思的精神和框架内所做出的任何修改、等同替换和变化，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内循环叠加热泵系统，包括串联的多级压缩循环，其特征在于，上一级压缩循环的节流阀与蒸发器之间设有分流器，所述分流器与下一级压缩循环的节流阀连通，上一级压缩循环中的蒸发器作为下一级压缩循环的冷凝器，上一级压缩循环中的四通换向阀与压缩机吸气端之间设有三通汇合阀，所述三通汇合阀与下一级压缩循环的四通换向阀连通。

2.如权利要求1所述的内循环叠加热泵系统，其特征在于，包括三级串联的压缩循环，采用两级分流器对第一级压缩循环中的冷媒进行对应分流。

3.如权利要求2所述的内循环叠加系统，其特征在于，第一级和第二级压缩循环中，四通换向阀和三通汇合阀之间设有止回阀。

4.如权利要求1所述的内循环叠加热泵系统，其特征在于，所述多级循环中的冷媒采用二氧化碳。

5.一种内循环叠加热泵系统的控制方法，其特征在于，各级压缩循环同步控制，通过目标排气过热度、各级压缩机排气过热度和节流阀进气过热度计算各级分流器的流量分配系数，根据该流量分配系数调整各级分流器的开度。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，针对三级串联的压缩循环，一级分流器的开度按公式以下计算：V=α*（V₁ + Toam1/ Toam2）；

其中：α是一级分流器的流量分配系数，V₁是初始开度，Toam1是第一级节流阀的过热度，Toam2是第二级节流阀的过热度。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，一级分流器的流量分配系数α按下式计算：

式中，0-t₀为缓冲周期，ΔTo1是目标排气过热度与第一级节流阀的过热度的差值，ΔTo2是目标排气过热度与第二级节流阀的过热度的差值；t1为第一、第二级系统对应的数据回收周期。

8.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，针对三级串联的压缩循环，二级分流器的开度按以下公式计算：V=β*（V2 + Toam2/ Toam3）；

其中：β是二级分流器的流量分配系数，V₂是初始开度，Toam2是第二级节流阀的过热度，Toam3是第三级节流阀的过热度。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，二级分流器的流量分配系数

按下式计算：

式中，0-t₀为缓冲周期，ΔTo2是目标排气过热度与第二级节流阀的过热度的差值，ΔTo3是目标排气过热度与第三级节流阀的过热度的差值；t2为第二、第三级系统对应的数据回收周期。

10.一种烘干机，其特征在于，该烘干机使用权利要求5至8任一项所述的内循环叠加热泵系统的控制方法。

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