CN113291117A - 在可变的运行状态中热泵的调节 - Google Patents

在可变的运行状态中热泵的调节 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在可变的运行状态中热泵的调节。为了提供一种用于运行尤其在机动车(100)中的热泵(10)的方法，热泵带有经由制冷剂回路(50)相互连接的环境热交换器(20)和内部空间热交换器(40)，该方法可在不使用附加的传感器的情况下测定环境热交换器(20)的结冰度，提出在计算上测定结冰度(V)作为热泵(10)的运行参数，其中，在超过或达到所测定的结冰度(V)的极限值(G)时引入环境热交换器(20)的除霜过程(A)。

Description

在可变的运行状态中热泵的调节
技术领域
本发明涉及一种用于运行尤其在机动车中的热泵的方法，热泵带有经由制冷剂回路相互连接的环境热交换器(Umgebungswaermeuebertrager)和内部空间热交换器。此外，本发明涉及一种带有热泵的机动车。
背景技术
在电驱动的车辆中常常将热泵用于乘客舱的加热。在此，从车辆周围环境中抽取用于加热乘客舱所需的热量并且输送到乘客舱。在该过程中，与车辆周围环境热联结的热交换器冷却成使得低于车辆周围环境的空气的露点(Taupunkt)并且在热交换器的表面上构造霜。
由于霜的形成，热交换器的表面越来越多地结冰并且因此抑制热泵的有效运行。为了又使能够以空气流过热交换器，需要除霜循环或除霜过程，在其中将结冰的热交换器加热。因此冰融化并且又可实现以空气流过热交换器。然而这样的除霜循环损害热泵的效率和工作能力。
已经已知用于执行除霜循环的方法，其在预定义的运行持续时间结束之后引入蒸发器的除霜过程。在带有改变的运行状态的热泵中，这样的受时间控制的除霜循环可附加地降低热泵的效率，因为持续时间通常针对特定的运行状态来优化或者形成在多个运行状态之间的折衷。
为了确定用于执行除霜过程的需求，在静态的制冷机中使用可测量蒸发器的结冰度的传感器。对于移动应用、例如在车辆侧的热泵中，目前没有已知用于测定结冰度的传感器。此外，这样的传感器可提高热泵的装配耗费且需要评估电子设备(Auswerteelektronik)，由此热泵的成本升高。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于在不使用附加的传感器的情况下测定蒸发器的结冰度的方法。该目的通过在本发明中所说明的特征来实现。本发明的另外的有利的实施方案在说明书中来说明。
按照本发明的一方面，提供一种用于尤其在机动车中运行热泵的方法。热泵具有环境热交换器和内部空间热交换器，其经由制冷剂回路相互连接。制冷剂可借助于压缩机或泵被输送通过制冷剂回路。例如，环境热交换器和内部空间热交换器可经由制冷剂回路实施热泵的功能。
按照本发明在计算上来测定结冰度作为热泵的运行参数。在超过或达到所测定的结冰度的极限值时，引入环境热交换器的除霜过程。
结冰度的计算和除霜过程的控制可通过可与热泵传输数据地连接的控制器来实现。可选地，控制器可与至少一个传感器传输数据地相连接，以便例如接收运行参数，例如环境热交换器的温度、空气温度、热泵的运行状态、制冷剂压缩机的转速等。
运行参数“结冰度”可通过该方法来定义并且应用于热泵的运行状态和除霜过程的调节中。在此，该运行参数表征环境热交换器或蒸发器的结冰状态。结冰度在此可运行状态全面地来应用。
尤其可在不使用传感器的情况下来计算结冰度。优选地，结冰度可根据运行时间和根据环境条件例如空气温度、空气湿度和天气数据在计算上来测定。附加地，另外的因素如制冷剂的流率(Durchflussrate)和环境热交换器的面积可加入结冰度的计算中。
如果与在环境热交换器上的霜层(Reifschicht)的质量和/或与环境热交换器的压力损失系数和/或与在环境热交换器上的霜层的热隔绝作用(Isolationswirkung)成比例地来测定结冰度，可特别精确地来确定结冰度。由此，在计算结冰度时可考虑另外的因素，其影响在霜层或冰层的环境热交换器与环境空气之间的热力学的相互作用。
按照另一实施例使环境热交换器的结冰度在热泵运行的期间从结冰度的初始值出发在计算上提高直至超过或达到极限值。在热泵的运行期间，环境热交换器的结冰根据热泵的运行状态和环境条件持续地增加。尤其地，环境热交换器的结冰和因此结冰度随运行时间的进行而增加。通过结冰度的计算可在计算上模仿或模拟真实的结冰或霜层。结冰度的初始值例如可具有0的值，因为在除霜过程结束之后或在机动车行驶开始时，不存在环境热交换器的结冰。
如果结冰度根据热泵的运行的至少一个运行状态和/或运行时间来提高，可通过环境热交换器的结冰度特别精确地来描绘热泵的运行型式和所要求的功率。在此，结冰度可随着运行时间迭代地或连续地提高。随着在内部空间热交换器处热泵的热功率增加，更强地冷却环境热交换器，使得环境热交换器更快地结冰并且结冰度更快地升高。
热泵的运行状态尤其可根据参数例如外部空气温度、环境空气湿度和热泵的加热功率来调整。在机动车的行驶期间，这些参数可变化。由此须使热泵的调节或除霜控制适配于改变的参数。由于热泵的运行状态的改变，结冰度增加的速率或速度也改变。
根据另一实施形式使环境热交换器的结冰度在环境热交换器的除霜过程结束之后和/或在机动车行驶开始时复位到初始值。通过该措施可由恒定的初始值来可靠地测定结冰度。结冰度的相应的计算例如可经由积分进行并且因此可在技术上特别简单地实现。
如果环境热交换器的结冰度被至少暂时地存储并且在热泵从热泵的第一运行状态到至少一个第二运行状态的运行状态变换中不间断地提高，通过热泵的运行状态的变换作为对热泵的变化的环境条件或功率要求的反应可技术上简单地使结冰度在运行状态之间转变。优选地，在第一运行状态中结冰度的值相对于在第二运行状态中结冰度的值关于运行时间不一样快地升高。由此，可即使在热泵的运行状态变换时结冰度也可作为运行参数来使用并且描绘对于环境热交换器的结冰的可靠度量。
按照一实施例，环境热交换器的结冰度按照关于运行时间的积分来计算。
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
在此，形成由于在环境热交换器的表面上形成霜层的质量增加的时间上的积分用于测定以单位质量的结冰度。
由于在环境热交换器的表面上形成霜层的质量增加在此取决于不同的参数、尤其环境参量(Umweltgroesse)，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
尤其可将环境热交换器的面积、空气中的含水量、空气的饱和含量(Saettigungsgehalt)、物质传递系数(Stoffuebergangskoeffizient)和环境热交换器的最大储水能力用于质量增加的计算。
通过积分计算(Integralrechnung)这样在计算上测定结冰度是鲁棒的且技术上可简单地实现。由此，结冰可基于从上次除霜起的运行条件和基于当前的结冰度来测定。这相应于从结冰度的初始值或之前的值出发结冰度的增加或减少的相对计算。
备选地或附加地，也可从当前的运行状态来计算结冰度的取决于情况的或绝对的计算。
根据本发明的另一方面，提供一种具有用于实施按照本发明的方法的热泵的机动车。热泵的内部空间热交换器在此可用于冷却或加热机动车的内部空间。在内部空间的加热运行中，经由制冷剂回路与内部空间热交换器相联结的环境热交换器被冷却。在此，随着时间霜可构造在环境热交换器的表面上。由于在环境热交换器的表面上的霜层，使热泵的效率降低并且损害内部空间或乘客舱的加热功率。
环境热交换器的结冰度可通过该方法来估计或模拟并且被用于有效地执行除霜过程。在此，如果结冰度的值达到或超过极限值，可引入除霜过程。
根据热泵的运行状态，结冰度的极限值可恒定地或可变地来设计。
附图说明
接下来按照附图来详细阐述本发明的实施例，其中：
图1示出了带有按照一实施形式的热泵的按照本发明的机动车的示意图，以及
图2a和图2b示出了用于说明按照本发明的方法的环境热交换器的空气侧的压力损失系数和所测定的结冰度的示意性图表。
在图中，相同的结构元件相应具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了带有按照一实施形式用于空气处理的热泵10的机动车100的示意性侧视图。热泵10示例性地设计为成扁平结构型式(Flachbauweise)的顶盖空调设备(Dachklimaanlage)，其装配在设计为公共汽车的机动车100上。热泵10可类似地被应用在任意的机动车(例如乘用车、载重汽车、农用车辆等)100上。
热泵10具有环境热交换器20，其经由可选的通风机30来供应一周围环境U或环境空气。由此，环境热交换器20可在热泵10的加热运行中从周围环境U抽取热量。环境热交换器20例如可在热泵10的加热运行中设计为蒸发器。
此外，热泵10具有内部空间热交换器40。内部空间热交换器40布置在乘客舱或车辆内部空间101中，以加热或冷却乘客舱101。
环境热交换器20和内部空间热交换器40经由制冷剂回路50导引流体地相互连接。通过制冷剂回路50，制冷剂可借助于制冷剂泵51或制冷剂压缩机来输送，以使能够从周围环境U抽取热量和输送热量至乘客舱101。
由于从周围环境U抽取热量，环境热交换器20可结冰并且因此丧失其效率。为了执行除霜过程，在示出的实施例中环境热交换器20可通过除霜过程来除冰。对此，可使热泵10例如在与加热运行相反的方向上运行，以便短暂地加热环境热交换器20。
控制器60可与制冷剂泵51连接并且设立成控制热泵10。尤其地，控制器60能够以适配热泵10的运行状态的形式实现对热泵10的加热功率或冷却功率的要求。在适配热泵10的运行状态时例如可改变制冷剂泵51的转速、制冷剂的流率、阀的操控等。
在图2a和图2b中示出了用于说明按照本发明的方法的示意性图表。图2a示出了环境热交换器20的示例性的空气侧的压力损失系数ζ，其随时间或运行时间t改变。在图2b中示出了所测定的结冰度V，其同样取决于热泵10的运行时间t。
环境热交换器20的空气侧的压力损失系数ζ是对于在环境热交换器20处的压力损失的无量纲的度量并且用于说明结冰的后果。随着结冰越来越多，环境热交换器20可从周围环境U抽取更少热量并且因此降低热泵10的效率。为了去除环境热交换器20的结冰，引入除霜过程A。通过除霜过程A可去除环境热交换器20的结冰，使得空气侧的压力损失系数ζ重新升高。
在图2a中示出了在两个不同的运行状态或运行模式70,80中空气侧的压力损失系数ζ随着除霜过程A的执行的变化过程。在此，热泵10通过控制器60在第一运行状态70中来运行并且在运行状态变换90处通过控制器60切换到第二运行状态80中。
在第二运行状态80中，热泵10以更小的功率来运行，使得环境热交换器20的结冰更缓慢地进行。
在图2b中示出了在热泵10的运行中例如通过控制器60计算的结冰度V。结冰度V作为热泵10的运行参数在计算上来测定。在超过或达到所测定的结冰度V的极限值G时，引入环境热交换器20的除霜过程A。这同样可通过控制器60在技术上来实现。
通过热泵10的运行状态70,80的变换作为对热泵10的变化的环境条件或功率要求的反应，可使结冰度V在运行模式70,80之间转变。对此，控制器60可至少暂时地存储环境热交换器20的结冰度V并且在热泵10从热泵10的第一运行状态70到第二运行状态80的运行状态变换90中不间断地来计算。在此，在第一运行状态70中结冰度V的值相对于在第二运行状态80中结冰度V的值关于运行时间t不一样快地升高。通过在第二运行状态80中结冰度V的更缓慢的升高在更晚的运行时间点激活除霜过程A，因为更缓慢地达到结冰度V的极限值G。
环境热交换器20的结冰度V按照关于运行时间t的积分来计算。
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
在此，形成由于在环境热交换器20的表面上形成霜层的质量增加
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的时间上的积分用于测定以单位质量的结冰度V。
由于在环境热交换器20的表面上形成霜层的质量增加
Figure 874447DEST_PATH_IMAGE006
按照下面的公式来计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
其中，F是环境热交换器20的表面积、X是在环境温度T下空气的含水量、X'是空气的饱和含量、β是物质传递系数、r0是环境热交换器20的最大储水能力而
Figure DEST_PATH_IMAGE008
是空气密度。
环境热交换器20的结冰度V因此取决于有利于在环境热交换器20上形成霜层的环境条件。
在环境热交换器20的除霜过程A结束之后和/或在机动车100行驶开始时，使结冰度V复位到结冰度V的初始值V0。
附图标记清单
100 机动车
101 乘客舱
10 热泵
20 环境热交换器
30 通风机
40 内部空间热交换器
50 制冷剂回路
51 制冷剂泵/制冷剂压缩机
60 控制器
70 第一运行状态
80 第二运行状态
90 运行状态变换
ζ 空气侧的压力损失系数
Figure 666954DEST_PATH_IMAGE008
空气密度
A 除霜过程
β 物质传递系数
F 环境热交换器的表面积
G 结冰度的极限值
r0 环境热交换器的最大储水能力
t 运行时间
T 环境温度
U 周围环境
V 结冰度
V0 结冰度的初始值
X 空气的含水量
X' 空气的饱和含量。

Claims (8)

1.一种用于运行尤其在机动车(100)中的热泵(10)的方法，所述热泵带有经由制冷剂回路(50)相互连接的环境热交换器(20)和内部空间热交换器(40)，其特征在于，在计算上来测定结冰度(V)作为所述热泵(10)的运行参数，其中，在超过或达到所测定的所述结冰度(V)的极限值(G)时引入所述环境热交换器(20)的除霜过程(A)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，与在所述环境热交换器(20)上的霜层的质量和/或与所述环境热交换器(20)的压力损失系数(ζ)和/或与在所述环境热交换器(20)上的霜层的热隔绝作用成比例地来测定所述结冰度(V)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述热泵(10)的运行期间使所述环境热交换器(20)的结冰度(V)从所述结冰度(V)的初始值(V0)出发在计算上提高直至超过或达到所述极限值(G)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，根据所述热泵(10)的运行的至少一个运行状态(70,80)和/或运行时间(t)来提高所述环境热交换器(20)的结冰度(V)。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，使所述环境热交换器(20)的结冰度(V)在所述环境热交换器(20)的除霜过程(A)结束之后和/或在所述机动车(100)行驶开始时复位到初始值(V0)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述环境热交换器(20)的结冰度(V)被至少暂时地存储并且在所述热泵(10)从所述热泵(10)的第一运行状态(70)到至少一个第二运行状态(80)的运行状态变换(90)中不间断地提高，其中，在所述第一运行状态(70)中所述结冰度(V)的值相对于在所述第二运行状态(80)中所述结冰度(V)的值关于运行时间(t)不一样快地上升。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述环境热交换器(20)的结冰度(V)按照关于运行时间(t)的积分来计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，
F是所述环境热交换器的表面积，
X是在环境温度T下空气的含水量，
X'是空气的饱和含量，
β是物质传递系数，
r0是所述环境热交换器的最大储水能力。
8.一种机动车(100)，其具有用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法的热泵(10)。
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