CN111706997B - 一种跨临界二氧化碳热风机及其性能优化控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跨临界二氧化碳热风机及其性能优化控制方法，热风机采用两级气体冷却器和中间回热器的结构配置，第二级气体冷却器的热负荷为第一级气体冷却器的三分之一，利用高压侧的热量提高压缩机的排气温度，从而在满足换热需要的情况下，实现在高环境温度高出风温度的工况下生产热风，并且同时降低了相应的排气压力，增强了系统的可靠性。所提出的性能优化控制方法，考虑了环境空气温度、设定出风温度和回热器效率，可以满足不同运行工况和变工况下的需要，适用性广。

Description

一种跨临界二氧化碳热风机及其性能优化控制方法
技术领域
本发明属于热泵技术领域，特别涉及一种跨临界二氧化碳热风机及其性能优化控制方法。
背景技术
由于温室效应的不断加剧，近年来，社会大众、研究机构和政府部门都越来越关注全球变暖这一重大问题。而在制冷和热泵领域，无臭氧层破坏效应的HFC制冷剂如今正在被广泛应用。但是，由于HFC制冷剂具有较高的全球变暖潜力(GWP)，对全球变暖有一定的影响，因此进一步的环境友好型制冷剂的研究和替代工作正在如火如荼地展开。二氧化碳(CO2)作为自然工质，其臭氧层破坏潜能值ODP为0，全球变暖潜力值GWP为1，具有突出的环境友好性能。CO2作为天然存在于环境中的无机化合物，安全无毒，不可燃，化学性质稳定，不管是在生产、运输还是在使用中均对环境无污染。同时作为制冷剂，CO2的单位容积制热量也是传统制冷剂的3～5倍，使得CO2热泵在相同能力下需要的压缩机排量更小，机组充注量更少，机组体积更小。在前国际制冷学会主席G.Lorentzen提出了跨临界CO2循环后，CO2在制冷热泵系统领域的研究中逐渐受到了重视。
在跨临界CO2循环中，由于在高压侧放热时存在的温度滑移现象，使得其特别适合应用于需要大温升的加热场景，比如水和空气的一次直流加热。在应用于生产热水时，跨临界CO2热泵可以做到低进水温度下直接产出90℃以上的热水，这是采用传统制冷剂的热泵无法比拟的优势。类似地，在热风机系统中，跨临界CO2循环也可以产生比传统制冷剂热泵更高温度的出风，使得其可应用的工艺领域大大扩展，并能取代燃煤、燃气、电加热等传统供热方法，实现节能环保。
然而，对于跨临界CO2热泵循环来说，当环境温度较高时，蒸发温度相应升高，此时压缩机的压比较小，即使制冷剂CO2在蒸发器出口的过热度很大，排气温度也无法达到较高水平。若此时需要生产较高温度的热风，如80℃以上，较低的排气温度则无法满足在高压侧放热所需要的换热温差，导致出风温度不足，满足不了热风工艺的需要。而且，由于目前跨临界CO2压缩机、换热器、阀件等系统部件的耐压均存在上限值，因此采用单纯升高压缩机排气压力的方式来保证排气温度存在应用限制，无法满足要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跨临界二氧化碳热风机及其性能优化控制方法，以解决上述提及的跨临界二氧化碳热风机在较高环境温度(10～40℃)、高出风温度(60～90℃)工况下存在的排气温度不足的问题，同时进行性能的优化控制。
本发明为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种跨临界二氧化碳热风机，采用两级气体冷却器和中间回热器的结构配置，第二级气体冷却器的热负荷为第一级气体冷却器的三分之一，利用高压侧的热量提高压缩机的排气温度，实现在高环境温度高出风温度的工况下生产热风。
进一步的，包括：压缩机、第一级气体冷却器、第二级气体冷却器、电子膨胀阀、蒸发器、回热器、气液分离器、变频风机和定频风机；
制冷剂侧回路为：压缩机的排气口连接至第一级气体冷却器的第一换热通道入口，第一级气体冷却器的第一换热通道出口连接至回热器的高压侧入口，回热器的高压侧出口连接至第二级气体冷却器的第一换热通道入口，第二级气体冷却器的第一换热通道出口连接至电子膨胀阀入口，电子膨胀阀出口连接至蒸发器入口，蒸发器出口连接至回热器低压侧入口，回热器低压侧出口连接至气液分离器，气液分离器出口连接至压缩机回气口；
热风侧回路为：环境空气新风从进风口A进入第二级气体冷却器的第二换热通道入口受加热，第二级气体冷却器的第二换热通道出风经过变频风机后，进入第一级气体冷却器的第二换热通道入口再次受加热，最终得到的热风经由的第一级气体冷却器的第二换热通道出风口B排出。
进一步的，高环境温度为10～40℃；高出风温度为60～90℃。
进一步的，所述跨临界二氧化碳热风机使用二氧化碳R744制冷剂。
进一步的，所述蒸发器配备定频风机，从环境空气吸热。
进一步的，所述蒸发器、第一级气体冷却器和第二级气体冷却器为翅片管式或微通道式换热器。
进一步的，所述回热器为板式换热器或套管式换热器。
一种跨临界二氧化碳热风机的性能优化控制方法，包括：
第一步，在跨临界二氧化碳热风机启动之后，根据设定出风温度和排气压力优化公式计算排气压力优化值；
当出风温度Tair,out小于75℃时，排气压力优化公式为：
Popt＝(0.189Tamb+60.118)(0.014Tair,out+14.819)(-0.007ηIHX+0.342)-254.546
当出风温度Tair,out大于等于75℃时，排气压力优化公式为：
Popt＝(0.312Tamb+14.531)(2.082Tair,out+7.153)(-0.008ηIHX+0.022)+25.752
其中，Popt为排气压力优化值，单位bar；Tamb为环境空气温度，单位℃；Tair,out为出风温度设定值，单位℃；ηIHX为回热器效率，计算公式为：
Figure BDA0002404937020000031
其中，TL,in和TL,out为回热器低压侧的入口和出口制冷剂温度，单位℃；TH,in为回热器高压侧的制冷剂入口温度，单位℃；
第二步，基于计算得到的排气压力优化值与实时测量排气压力，进行电子膨胀阀开度控制；
第三步，采用PID控制变频风机，使得出风温度达到设定值。
进一步的，第三步中，出风温度PID控制采用的是差分法PID进行控制，计算公式如下：
Figure BDA0002404937020000041
其中，F(n)为变频风机的频率，ΔT为当前出风温度与设定出风温度的差值，n为运算次数，KP、KI和KD分别为比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数，取值分别为KP＝10，KI＝0.5，KD＝3。
进一步的，还包括以下步骤：
第四步，当系统未停机时，延时，然后返回第一步，进入下一个运算控制循环；性能优化控制方法不断循环运行，直到跨临界二氧化碳热风机停机。
本发明与已有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所提出的热风机通过采用回热器和两级气体冷却器的结构，利用了高压侧的热量提高压缩机的吸气过热度，从而提升排气温度，以实现在较高环境温度(10～40℃)，高出风温度(60～90℃)的工况下生产热风。解决了普通跨临界CO2热泵循环在上述工况下排气温度不足无法制取高温热风的问题。同时，在提高排气温度的同时，降低了所需要的排气压力值，使得系统在运行中的可靠性更强，也能满足现有的CO2压缩机产品的耐压能力。
2、与常见的将回热器设置在电子膨胀阀前的配置相比，本发明通过计算设计，将回热器置于两级气体冷却器之间，实现从较高温度的制冷剂中吸收热量，提高排气温度。同时，通过合理分配两级气体冷却器的热负荷，保证了两个气体冷却器内制冷剂和空气换热的合适换热温差，提高了系统的匹配性。
3、本发明提出的性能优化方法，结合了排气压力的优化控制和出风温度的PID控制，在保证出风温度的情况下实现了系统性能的优化。所提出的排气压力优化值考虑了环境空气温度、设定出风温度和回热器效率，因此可以满足在不同回热器换热效率，不同运行温度工况和变化的运行工况下的需要，适用性广。
附图说明
图1为本发明提出的一种跨临界二氧化碳热风机的结构示意图。
图中标号为：1压缩机，2第一级气体冷却器，3第二级气体冷却器，4电子膨胀阀，5蒸发器，6回热器，7气液分离器，8变频风机，9定频风机，A进风口，B出风口。
图2为本发明提出的性能优化控制方法流程图。
图3为本发明提出热风机与普通跨临界CO2循环系统的性能对比(出风90℃)。
具体实施方式
参阅图1所示，本发明提出一种跨临界二氧化碳热风机，包括：压缩机1、第一级气体冷却器2、第二级气体冷却器3、电子膨胀阀4、蒸发器5、回热器6、气液分离器7、变频风机8和定频风机9。
制冷剂侧回路为：压缩机1的排气口连接至第一级气体冷却器2的第一换热通道入口，第一级气体冷却器2的第一换热通道出口连接至回热器6的高压侧入口，回热器6的高压侧出口连接至第二级气体冷却器3的第一换热通道入口，第二级气体冷却器3的第一换热通道出口连接至电子膨胀阀4入口，电子膨胀阀4出口连接至蒸发器5入口，蒸发器5出口连接至回热器6低压侧入口，回热器6低压侧出口连接至气液分离器7，气液分离器7出口连接至压缩机1回气口。
热风侧回路为：环境空气新风从进风口A进入第二级气体冷却器3的第二换热通道入口受加热，第二级气体冷却器3的第二换热通道出风经过变频风机8后，进入第一级气体冷却器2的第二换热通道入口再次受加热，最终得到的热风经由的第一级气体冷却器2的第二换热通道出风口B排出。
本发明所述一种跨临界二氧化碳热风机使用二氧化碳R744制冷剂。所述蒸发器5配备定频风机9，从环境空气吸热。所述蒸发器5、第一级气体冷却器2和第二级气体冷却器3为翅片管式或微通道式换热器。所述回热器6为板式换热器或套管式换热器。所述第二级气体冷却器3的热负荷为第一级气体冷却器2的三分之一。
参见图2，本发明针对上述跨临界二氧化碳热风机，提出的性能优化控制方法如下：
第一步，在机组运行启动之后，根据设定出风温度和排气压力优化公式，计算相应的压缩机1排气压力优化值。当设定的出风温度Tair,out小于75℃时，排气压力Popt优化公式为：
Popt＝(0.189Tamb+60.118)(0.014Tair,out+14.819)(-0.007ηIHX+0.342)-254.546
当出风温度Tair,out大于等于75℃时，排气压力优化公式为：
Popt＝(0.312Tamb+14.531)(2.082Tair,out+7.153)(-0.008ηIHX+0.022)+25.752
其中，Popt为排气压力优化值，单位bar；Tamb为环境空气温度，单位℃；Tair,out为出风温度设定值，单位℃；ηIHX为回热器6效率，该效率与回热器的换热器结构与换热面积有关，可根据热风机的调试运行中的参数得到，计算公式为：
Figure BDA0002404937020000061
其中，TL,in和TL,out为回热器低压侧的入口和出口制冷剂温度，单位℃；TH,in为回热器高压侧的制冷剂入口温度，单位℃。
第二步，基于计算得到的排气压力优化值Popt与实时测量排气压力Pd，进行电子膨胀阀4开度控制。当Pd>(Popt+ε)时，增大电子膨胀阀4开度；当Pd<(Popt-ε)时，减小电子膨胀阀4开度；当(Popt-ε)≤Pd≤(Popt+ε)时，保持电子膨胀阀4开度不变。ε为允许控制误差，取值为1bar。
第三步，采用PID控制变频风机8，使得出风温度达到设定值。考虑到热风机换热的延迟性，采用的是差分法PID进行控制，计算公式如下：
Figure BDA0002404937020000062
其中，F(n)为变频风机8的频率，ΔT为当前出风温度与设定出风温度的差值，n为运算次数，KP、KI和KD分别为比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数，取值分别为KP＝10，KI＝0.5，KD＝3。
第四步，当系统未停机时，延时，然后返回第一步，进入下一个运算控制循环。性能优化控制不断循环运行，直到系统停机。
参见图3，根据系统模拟计算结果，考虑两个气体冷却器散热量之和与压缩机功耗之比为系统的性能系数，与普通的跨临界CO2热泵循环相比，本发明所提出的热风机系统在出风温度为90℃时，在环境温度10～40℃的范围内，性能系数均更优。同时，参考某型二氧化碳压缩机的排气压力上限值，普通跨临界CO2循环在环境温度35℃以上时存在排气压力超限的问题，而本发明所提出的系统则在全工况下排气压力低于上限值，保证了压缩机运行的可靠性。

Claims (9)

1.一种跨临界二氧化碳热风机的性能优化控制方法，其特征在于，所述跨临界二氧化碳热风机采用两级气体冷却器和中间回热器的结构配置，第二级气体冷却器的热负荷为第一级气体冷却器的三分之一，利用高压侧的热量提高压缩机的排气温度，实现在高环境温度高出风温度的工况下生产热风；
所述性能优化控制方法包括：
第一步，在跨临界二氧化碳热风机启动之后，根据设定出风温度和排气压力优化公式计算排气压力优化值；
当出风温度Tair,out小于75℃时，排气压力优化公式为：
Popt＝(0.189Tamb+60.118)(0.014Tair,out+14.819)(-0.007ηIHX+0.342)-254.546
当出风温度Tair,out大于等于75℃时，排气压力优化公式为：
Popt＝(0.312Tamb+14.531)(2.082Tair,out+7.153)(-0.008ηIHX+0.022)+25.752
其中，Popt为排气压力优化值，单位bar；Tamb为环境空气温度，单位℃；Tair,out为出风温度设定值，单位℃；ηIHX为回热器效率，计算公式为：
Figure FDA0002951145380000011
其中，TL,in和TL,out为回热器低压侧的入口和出口制冷剂温度，单位℃；TH,in为回热器高压侧的制冷剂入口温度，单位℃；
第二步，基于计算得到的排气压力优化值与实时测量排气压力，进行电子膨胀阀开度控制；
第三步，采用PID控制变频风机，使得出风温度达到设定值。
2.根据权利要求1所述的性能优化控制方法，其特征在于，第三步中，出风温度PID控制采用的是差分法PID进行控制，计算公式如下：
Figure FDA0002951145380000012
其中，F(n)为变频风机的频率，ΔT为当前出风温度与设定出风温度的差值，n为运算次数，KP、KI和KD分别为比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数，取值分别为KP＝10，KI＝0.5，KD＝3。
3.根据权利要求1所述的性能优化控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
第四步，当系统未停机时，延时，然后返回第一步，进入下一个运算控制循环；性能优化控制方法不断循环运行，直到跨临界二氧化碳热风机停机。
4.根据权利要求1所述的性能优化控制方法，其特征在于，所述一种跨临界二氧化碳热风机包括：压缩机、第一级气体冷却器、第二级气体冷却器、电子膨胀阀、蒸发器、回热器、气液分离器、变频风机和定频风机；
制冷剂侧回路为：压缩机的排气口连接至第一级气体冷却器的第一换热通道入口，第一级气体冷却器的第一换热通道出口连接至回热器的高压侧入口，回热器的高压侧出口连接至第二级气体冷却器的第一换热通道入口，第二级气体冷却器的第一换热通道出口连接至电子膨胀阀入口，电子膨胀阀出口连接至蒸发器入口，蒸发器出口连接至回热器低压侧入口，回热器低压侧出口连接至气液分离器，气液分离器出口连接至压缩机回气口；
热风侧回路为：环境空气新风从进风口A进入第二级气体冷却器的第二换热通道入口受加热，第二级气体冷却器的第二换热通道出风经过变频风机后，进入第一级气体冷却器的第二换热通道入口再次受加热，最终得到的热风经由的第一级气体冷却器的第二换热通道出风口B排出。
5.根据权利要求1所述的性能优化控制方法，其特征在于，环境温度范围为10～40℃；出风温度范围为60～90℃。
6.根据权利要求1所述的性能优化控制方法，其特征在于，所述跨临界二氧化碳热风机使用二氧化碳R744制冷剂。
7.根据权利要求4所述的性能优化控制方法，其特征在于，所述蒸发器配备定频风机，从环境空气吸热。
8.根据权利要求4所述的性能优化控制方法，其特征在于，所述蒸发器、第一级气体冷却器和第二级气体冷却器为翅片管式或微通道式换热器。
9.根据权利要求4所述的性能优化控制方法，其特征在于，所述回热器为板式换热器或套管式换热器。
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