CN112747490A - 一种轨道车辆用co2空调系统及其控制方法 - Google Patents

一种轨道车辆用co2空调系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轨道车辆用CO2空调系统及其控制方法，包括由压缩机、气体冷却器、主膨胀阀、蒸发器和气液分离器通过管路依次连接形成的循环主路，还包括循环支路，所述循环支路的一端接入气体冷却器的出口侧，所述循环支路的另一端接入气液分离器的入口侧，在所述循环支路中串接有支路膨胀阀和支路换热器，所述支路膨胀阀设置在支路换热器的入口侧，所述支路换热器中的冷媒与气体冷却器中的冷媒进行热交换，空调系统运行制冷模式时，控制支路膨胀阀导通，通过循环支路对压缩机补充低温低压的气态冷媒。本发明不但系统结构简单，且有利于降低压缩机的排气温度和高压压力，拓宽系统高温运行范围。

Description

一种轨道车辆用CO2空调系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及轨道车辆空气调节技术领域，特别涉及一种轨道车辆用CO2空调系统，同时涉及该空调系统的控制方法。
背景技术
当前环境下，人们致力于寻找环保可靠的制冷剂，CO2作为GWP＝1的制冷剂，成为替代传统氟利昂工质的首选。
为了增加二氧化碳循环的制冷量和能效比，通常采用回热器循环。但该循环易造成吸气温度和排气温度高的问题，导致其不能在高温下运行。
为了解决二氧化碳循环空调系统的排气温度过高，致使该系统无法在高温环境下运行的问题，在专利号为202010352316.2的中国专利中提供了一种司机室CO2冷媒变频空调，在该空调循环管路中增加了经济器和回热器，通过补气的方式降低达到冷却高温侧冷媒的效果，但该空调系统结构复杂，成本较高，而且不能兼容CO2冷媒的制热功能。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是，提供一种系统结构简单，且有利于降低压缩机的排气温度和高压压力，拓宽系统高温运行范围的轨道车辆用CO2热泵空调系统，同时提供一种该热泵空调系统的控制方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种轨道车辆用CO2空调系统，包括由压缩机、气体冷却器、主膨胀阀、蒸发器和气液分离器通过管路依次连接形成的循环主路，还包括循环支路，所述循环支路的一端接入气体冷却器的出口侧，所述循环支路的另一端接入气液分离器的入口侧，在所述循环支路中串接有支路膨胀阀和支路换热器，所述支路膨胀阀设置在支路换热器的入口侧，所述支路换热器中的冷媒与气体冷却器中的冷媒进行热交换。
进一步，所述气体冷却器和支路换热器集成为一体，包含两组管路，其中一组管路接入循环主路，另一组管路作为所述支路换热器接入循环支路；
或，所述支路换热器中包含两组管路，其中一组管路接入循环支路，另一组管路接入所述气体冷却器的出口端与所述主膨胀阀的入口端之间的循环主路上。
进一步，所述两组管路内的冷媒流向为逆向或顺向流动。
进一步，所述循环支路的流量占循环总流量的0.1-0.25。
进一步，还包括第一电动三通阀和第二电动三通阀；
压缩机的排气侧、气体冷却器的入口侧、蒸发器的出口侧管路分别接入所述第一电动三通阀的三个端口，所述第二电动三通阀的三个端口分别通过管路接入蒸发器的出口侧与第一电动三通阀之间、气体冷却器的入口侧与第一电动三通阀之间、支路换热器的出口侧与气液分离器的入口侧之间的管路中。
本发明的另一个提供的技术方案是：
一种如上所述的轨道车辆用CO2空调系统的控制方法，包括如下步骤：
S1、检测空调器系统运行模式；
S2、空调系统运行制冷模式时，控制循环支路导通，通过循环支路对压缩机补充低温低压的气态冷媒；
S3、空调系统运行制热模式时，控制循环支路关闭。
进一步，在上述步骤S2中，还包括根据压缩机的吸气温度T吸气控制支路膨胀阀开度的步骤，具体包括：
S21、当压缩机的吸气温度T吸气大于压缩机吸气压力对应的饱和温度T饱和时，控制所述支路膨胀阀导通；
S22、当压缩机的吸气温度T吸气小于或等于压缩机吸气压力对应的饱和温度T饱和时，控制支路膨胀阀关闭。
进一步，在上述步骤S21中，还包括依据如下公式控制所述支路膨胀阀开度的步骤；
n＝K1*N*((T吸气-T饱和)/T吸气)*(T排气/T保护) (1)；
其中，n为支路膨胀阀的调节步数；
K1为系数；
N为支路膨胀阀总步数；
T排气为压缩机排气温度；
T保护为压缩机的保护温度。
进一步，所述K1的范围为0.5-1。
进一步，在上述步骤S21中，还包括当T吸气-T饱和的差值小于或等于设定值⊿T设定时，控制支路膨胀阀关闭的步骤。
综上内容，本发明所述的一种轨道车辆用CO2空调系统及其控制方法，与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明不但结构简单，而且通过在气体冷却器的出口侧与压缩机的入口侧之间设置循环支路，对压缩机补充低温低压的气态冷媒，有利于降低压缩机的排气温度和高压压力，拓宽系统高温运行范围。
(2)本发明利用循环支路中的低温冷媒进一步降低气体冷却器中的冷媒温度，有利于提高高温环境下系统的能效比，提高制冷能力和制热能力。
(3)本发明对支路膨胀阀开度的精确控制，有利于进一步提高高温环境下系统的能效比。
(4)本发明通过在系统中设置两个电动三通阀，使系统既可以实现压缩机补气，同时又可以兼具制热运行。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明空调系统制冷运行时的结构示意图；
图2是本发明空调系统制热运行时的结构示意图；
图3是本发明空调系统的控制方法流程图。
如图1至图3所示，压缩机1，气体冷却器2，主膨胀阀3，蒸发器4，气液分离器5，第一电动三通阀6，第二电动三通阀7，支路换热器8，支路膨胀阀9，排气压力传感器10，吸气压力传感器11，排气温度传感器12，吸气温度传感器13。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一：
如图1和图2所示，本实施例中提供了一种轨道车辆用CO2空调系统，包括由压缩机1、气体冷却器2、主膨胀阀3、蒸发器4和气液分离器5通过管路依次连接形成的循环主路。制冷运行时，压缩机1排出的高温高压冷媒经过气体冷却器2与室外环境进行热交换对冷媒进行降温，降温后的液态冷媒经过主膨胀阀3节流形成低温低压的冷媒，再进入蒸发器4与室内环境进行热交换，蒸发后的冷媒经过气液分离器5流回压缩机1。
在压缩机的1排气管路上安装有排气压力传感器10和排气温度传感器12，在压缩机1的吸气管路上安装有吸气压力传感器11和吸气温度传感器13，分别用于检测压缩机1的排气压力、排气温度、吸气压力和吸气温度。
该空调系统还包括循环支路，循环支路的一端接入气体冷却器2出口侧的管路中，循环支路的另一端接入气液分离器5入口侧的管路中，在循环支路中串接有支路膨胀阀9和支路换热器8，支路膨胀阀9设置在支路换热器8的入口侧。
本实施例中，支路换热器8中的冷媒与气体冷却器2中的冷媒进行热交换，并优选，支路换热器8与气体冷却器2集成在一起，气体冷却器2采用套管式换热器，套管式换热器中的一组管路接入循环主路，套管式换热器中的另一组管路作为支路换热器8接入循环支路。当然，气体冷却器2和支路换热器8集成在一起，也可以采用板式换热器等其它可以实现两组管路内的冷媒进行热交换的换热器结构。
在该空调系统中还包括第一电动三通阀6和第二电动三通阀7，以使该空调系统还可以实现制热运行。
压缩机1的排气侧通过管路接入第一电动三通阀6的端口6a，气体冷却器2的入口侧通过管路接入第一电动三通阀6的端口6b，蒸发器4的出口侧通过管路接入第一电动三通阀6的端口6c。
第二电动三通阀7的端口7a通过管路接入蒸发器4的出口侧与第一电动三通阀6之间的管路中，第二电动三通阀7的端口7b通过管路接入气体冷却器2的入口侧与第一电动三通阀6之间的管路中，第二电动三通阀7的端口7c通过管路接入支路换热器8的出口侧与气液分离器5的入口侧之间的管路中。
如图1所示，制冷运行时，空调系统的控制器控制第一电动三通阀6与压缩机1的排气侧和气体冷却器2的入口侧连接的两个端口6a和6b连通，与蒸发器4的出口侧连接的端口6c关闭。同时，控制第二电动三通阀7连接于蒸发器4的出口侧与第一电动三通阀6之间、支路换热器8的出口侧与气液分离器5的入口侧之间管路的端口7a和7c连通，连接于气体冷却器2的入口侧与第一电动三通阀6之间管路的端口7b关闭。
制冷运行时，压缩机1排出的高温高压冷媒经管路进入第一电动三通阀6的端口6a，从第一电动三通阀6的另一端口6b流出进入气体冷却器2，经过气体冷却器2冷凝降温后，分成两路，一路沿循环主路进入主膨胀阀3节流，另一路沿循环支路进入支膨胀阀9节流。
循环主路中的液态冷媒经过主膨胀阀3节流形成低温低压的冷媒，再进入蒸发器4与室内环境进行热交换，蒸发后的冷媒进入第二电动三通阀7的端口7a，由端口7c流出，进入气液分离器5，最终流回压缩机1。
循环支路中的液态冷媒经过支膨胀阀9节流后形成低温低压冷媒，再进入支换热器8与气体冷却器2中的高温冷媒进行热交换，换热后的冷媒进入气液分离器5，在气液分离器5内与循环主路中流回的冷媒混合，用以给进入压缩机1的冷媒降温，降低压缩机1的吸气温度，并最终进入压缩机1。压缩机1的吸气温度降低，会使压缩机1的排气温度降低，进而使空调系统可以在高温环境下正常运行，并保证空调系统的制冷能效比，拓宽了空调机组的高温运行范围。
如图2所示，制热时，空调系统的控制器控制第一电动三通阀6与压缩机1的排气侧和与蒸发器4的出口侧连接的两个端口6a和6c连通，与气体冷却器2的入口侧连接的端口6b关闭。同时，控制第二电动三通阀7连接于气体冷却器2的入口侧与第一电动三通阀6之间管路的端口7b、连接于支路换热器8的出口侧与气液分离器5入口侧之间管路的端口7c连通，连接于蒸发器4的出口侧与第一电动三通阀6之间管路的端口7a关闭。
制热运行时，空调系统控制器控制支路膨胀阀9关闭，即循环支路断开。压缩机1排出的高温高压冷媒经管路进入第一电动三通阀6的端口6a，从第一电动三通阀6的另一端口6c流出进入蒸发器4，在蒸发器4内与室内环境进行热交换，换热后的冷媒进入主膨胀阀3节流，节流后的冷媒进入气体冷却器2与室外环境进行热交换，换热后的冷媒进入第二电动三通阀7的端口7b，从端口7c流出进入气液分离器5，再是降流回压缩机1。
本实施例中，套管式换热器中两组管路内的冷媒流向可以为相互逆向流动，也可以相互顺向流动。本实施例中优选采用在套管换热器内的循环主路和循环支路中的冷媒流向相反，一方面有利于使循环支路中冷媒在进入气液分离器5前全部气化，而且可使压缩机1的排气温度可降低10～15％；另一方面有利于降低气体冷却器2流出的冷媒温度。试验数据表明，采用逆流套管换热器。
本实施例中优选，循环支路中的冷媒流量控制在循环总流量的0.1-0.25之间，更优选循环支路中的冷媒流量占循环总流量的0.2-0.25，以期达到最优的降温效果。
如图3所示，本实施例同时还提供一种轨道车辆用CO2热泵空调系统的控制方法，包括如下步骤：
S1、检测空调器系统运行模式；
S2、空调系统运行制冷模式时，控制循环支路导通，即控制支路膨胀阀9导通，通过循环支路对压缩机1补充低温低压的气态冷媒；
S3、空调系统运行制热模式时，控制循环支路关闭，优选通过控制支路膨胀阀9关闭断开循环支路。
在上述步骤S2中，还包括根据压缩机1的吸气温度T吸气控制支路膨胀阀9开度的步骤，具体包括：
S21、当压缩机1的吸气温度T吸气大于压缩机吸气压力对应的饱和温度T饱和时，控制支路膨胀阀9导通，用以给⊿压缩机1的吸气温度降温；
在该步骤S21中，还包括在运行一段时间后，当检测到T吸气-T饱和的差值小于或等于设定值⊿T设定时，控制支路膨胀阀9关闭的步骤。
S22、当压缩机1的吸气温度T吸气小于或等于压缩机吸气压力对应的饱和温度T饱和时，控制支路膨胀阀9关闭，此时不需要给压缩机1的吸气温度降温。
在上述步骤S21中，还包括依据如下公式控制支路膨胀阀9开度的步骤，该开度为支路膨胀阀9的初始开度；
n＝K1*N*((T吸气-T饱和)/T吸气)*(T排气/T保护) (1)
其中，n为支路膨胀阀的调节步数；
K1为系数；
N为支路膨胀阀的总步数；
T排气为压缩机排气温度；
T保护为压缩机的保护温度。
其中，K1的范围优选为0.5-1。
表1中所示为其中一个示例：
表1
K1 T<sub>环境</sub> T<sub>排气</sub> T<sub>吸气</sub> T<sub>饱和</sub> N T<sub>保护</sub>
0.8 30℃ 90℃ 40℃ 10℃ 500步 120℃
其中，T环境为室外环境温度，经过公式计算后，此时控制支路膨胀阀9的开度为225步。
本发明具有如下优点：
(1)该空调系统不但结构简单，而且通过在气体冷却器的出口侧与压缩机的入口侧之间设置循环支路，对压缩机补充低温低压的气态冷媒，有利于降低压缩机的排气温度和高压压力，拓宽系统高温运行范围。
(2)该空调系统利用循环支路中的低温冷媒进一步降低气体冷却器中的冷媒温度，有利于提高高温环境下系统的能效比，提高制冷能力和制热能力。
(3)该空调系统根据室外环境温度、压缩机的吸气温度及排气温度等参数确定支路膨胀阀的开度，实现智能调控，有利于进一步提高高温环境下系统的能效比。
(4)该空调系统通过在系统中设置两个电动三通阀，使系统既可以实现压缩机补气，同时又可以兼具制热运行。
实施例二：
与实施例一不同之处在于，支路换热器8采用套管式换热器，套管式换热器中的一组管路接入循环支路，套管式换热器中的另一组管路接入气体冷却器2的出口端与主膨胀阀3的入口端之间的循环主路上。当然，支路换热器8也可以采用板式换热器等其它可以实现两组管路内的冷媒进行热交换的换热器结构。
制冷运行时，压缩机1排出的高温高压冷媒经管路进入第一电动三通阀6的端口6a，从第一电动三通阀6的另一端口6b流出进入气体冷却器2，经过气体冷却器2冷凝降温后，分成两路，一路经过支路换热器8中的一组管路沿循环主路进入主膨胀阀3节流，另一路沿循环支路进入支膨胀阀9节流。
循环主路中的液态冷媒经过主膨胀阀3节流形成低温低压的冷媒，再进入蒸发器4与室内环境进行热交换，蒸发后的冷媒进入第二电动三通阀7的端口7a，由端口7c流出，进入气液分离器5，最终流回压缩机1。
循环支路中的液态冷媒经过支膨胀阀9节流后形成低温低压冷媒，再进入支换热器8，与从气体冷却器2流出进入套管换热器中的高温冷媒进行热交换，换热后的冷媒进入气液分离器5，在气液分离器5内与循环主路中流回的冷媒混合，用以给进入压缩机1的冷媒降温，降低压缩机1的吸气温度，并最终进入压缩机1。
本实施例中，套管式换热器中两组管路内的冷媒流向可以为相互逆向流动，也可以相互顺向流动。
实施例三：
与实施例一不同之处在于，空调系统为单冷空调系统，省略了实施例一中的第一电动三通阀6和第二电动三通阀7，压缩机1的排气管路直接接入气体冷却器2的入口端，支路换热器8的出口侧直接接入蒸发器4的出口侧与气液分离器5之间的管路中。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种轨道车辆用CO2空调系统，包括由压缩机、气体冷却器、主膨胀阀、蒸发器和气液分离器通过管路依次连接形成的循环主路，其特征在于：还包括循环支路，所述循环支路的一端接入气体冷却器的出口侧，所述循环支路的另一端接入气液分离器的入口侧，在所述循环支路中串接有支路膨胀阀和支路换热器，所述支路膨胀阀设置在支路换热器的入口侧，所述支路换热器中的冷媒与气体冷却器中的冷媒进行热交换。
2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆用CO2空调系统，其特征在于：所述气体冷却器和支路换热器集成为一体，包含两组管路，其中一组管路接入循环主路，另一组管路作为所述支路换热器接入循环支路；
或，所述支路换热器中包含两组管路，其中一组管路接入循环支路，另一组管路接入所述气体冷却器的出口端与所述主膨胀阀的入口端之间的循环主路上。
3.根据权利要求2所述的一种轨道车辆用CO2空调系统，其特征在于：所述两组管路内的冷媒流向为逆向或顺向流动。
4.根据权利要求1所述的一种轨道车辆用CO2空调系统，其特征在于：所述循环支路的流量占循环总流量的0.1-0.25。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种轨道车辆用CO2空调系统，其特征在于：还包括第一电动三通阀和第二电动三通阀；
压缩机的排气侧、气体冷却器的入口侧、蒸发器的出口侧管路分别接入所述第一电动三通阀的三个端口，所述第二电动三通阀的三个端口分别通过管路接入蒸发器的出口侧与第一电动三通阀之间、气体冷却器的入口侧与第一电动三通阀之间、支路换热器的出口侧与气液分离器的入口侧之间的管路中。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的轨道车辆用CO2空调系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、检测空调器系统运行模式；
S2、空调系统运行制冷模式时，控制循环支路导通，通过循环支路对压缩机补充低温低压的气态冷媒；
S3、空调系统运行制热模式时，控制循环支路关闭。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：在上述步骤S2中，还包括根据压缩机的吸气温度T吸气控制支路膨胀阀开度的步骤，具体包括：
S21、当压缩机的吸气温度T吸气大于压缩机吸气压力对应的饱和温度T饱和时，控制所述支路膨胀阀导通；
S22、当压缩机的吸气温度T吸气小于或等于压缩机吸气压力对应的饱和温度T饱和时，控制支路膨胀阀关闭。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：在上述步骤S21中，还包括依据如下公式控制所述支路膨胀阀开度的步骤；
n＝K1*N*((T吸气-T饱和)/T吸气)*(T排气/T保护) (1)；
其中，n为支路膨胀阀的调节步数；
K1为系数；
N为支路膨胀阀总步数；
T排气为压缩机排气温度；
T保护为压缩机的保护温度。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述K1的范围为0.5-1。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：在上述步骤S21中，还包括当T吸气-T饱和的差值小于或等于设定值⊿T设定时，控制支路膨胀阀关闭的步骤。
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