CN1149371C

CN1149371C - 控制制冷系统或热泵系统中制冷剂过热温度的方法和装置

Info

Publication number: CN1149371C
Application number: CNB961920718A
Authority: CN
Inventors: F; F·舒密特
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1995-02-22
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 2004-05-12
Anticipated expiration: 2016-02-19
Also published as: DE69624104D1; AU4783596A; DE69624104T2; US6018959A; DE19506143A1; EP0811136A1; DE19506143C2; CN1175996A; EP0811136B1; WO1996026399A1

Abstract

在用于控制一个制冷系统或者热泵系统(1-4)的一个蒸发器装置(1)中制冷剂的过热温度(T_ü)的一种方法中，所说的蒸发器装置(1)，一个压缩机装置(2)，一个冷凝器(3)和一个可控膨胀阀装置(4)按序设置在一个闭合制冷回路中。通过所说的过热温度(T_ü)的期望值和实际值之间的比较来控制过热温度。该过热温度(T_ü)的期望值(W2)自动地依赖于与所说的制冷剂的温度(T₁；T₂)的一组采样值的周期确定函数(S)的基准值(W₁)的差值(d)变化，从而实现对该过热温度(T_ü)的稳定控制。对表征所说的蒸发器装置(4)出口端制冷剂温度(T₂)的一组采样值相对于该采样值的平均值的变化的函数(S)进行了改进，以在该系统中获得最佳制冷剂充注量和最佳过热温度。

Description

控制制冷系统或热泵系统中制冷剂过热温度的方法和装置

技术领域

本发明涉及控制制冷系统或热泵系统的蒸发器装置中制冷剂的过热温度的一种方法，在该制冷系统或热泵系统中，蒸发器装置、压缩机装置、冷凝器和可控膨胀阀装置按顺序设置成一个闭合制冷回路，并依据期望值与实际值之间的比较结果控制所说过热温度，该过热温度的期望值自动地随着与制冷剂温度的一组采样值的周期性确定的函数的基准值的差值而变化，以实现对该过热温度的稳定控制。

背景技术

在德国专利DE-3713869C2中公开了这样的一种方法和装置。在该文献中，过热温度期望值与具体的工作状态，例如制冷输出、过冷、蒸发温度等自动匹配，而与制冷剂的种类无关。这种匹配由于过热温度的变化率以及当过热温度下降到或超出预定的极限值时使过热温度期望值发生急剧的变化而受到影响。

过热温度可以用蒸发器装置出口端制冷剂温度，即蒸汽温度，与该蒸发器装置入口端的制冷剂温度的差值表示，或者直接用该蒸发器装置出口端制冷剂的温度与该制冷剂蒸发温度的差值(实际的过热温度)表示。

蒸发器装置出口端的制冷剂温度取决于蒸发器中制冷剂充灌的程度和环境温度，如空气温度；而所说的蒸发器装置入口端制冷剂的温度是由该蒸发器装置的压力决定的。实际上，该蒸发器装置出口端的压力常被用来作为制冷剂蒸发温度的一种量度。

所以当蒸发温度变化时，过热温度的测量信号及其变化率也发生变化。在制冷或者热泵系统中蒸发器装置入口端制冷剂温度不稳定的情况下，即使当离开该蒸发器装置的制冷剂蒸汽具有相当高的过热温度时，过热温度也是不稳定的。在用于超级市埸的制冷系统中，目前的作法通常是将几个蒸发器装置连接到一个有几级压缩机接口的压缩机装置上。这意味着可以随意地改变蒸发器输出压力。而且，在根据德国专利DE-3713869C2所公开的方法中，可以把过热温度设定到一个过高的值，从而使得制冷剂不能最佳地充满所说的蒸发器装置以及效率极低。此外，在所说的过热温度瞬时、快速变动的情况下或者由于在已知的方法中使用的差示装置电路接收到瞬时电干扰信号的情况下，即使当期望值正在变化时所说的变动或干扰脉冲已经重新消失，所说的期望值仍然会发生很大的变化。

因此，为了以足够的精确性和速度确定所说的过热温度变化的速率，在该公开文献中使用的数字差示装置电路需要多个采样值。而这又要求为此使用一个具有大存贮量的微处理器。

发明内容

本发明的目的是提供确保在蒸汽压力可能发生较大波动的制冷系统和热泵系统中所说的蒸发器装置有最佳的制冷剂充注量以及确保其过热温度达到最佳值的一种方法和用于实施该方法的一种装置。

按照本发明，提供了控制制冷系统或热泵系统的蒸发器装置中制冷剂的过热温度的一种方法，在该制冷系统或热泵系统中，蒸发器装置、压缩机装置、冷凝器和可控膨胀阀装置按顺序设置成一个闭合回路，并依据期望值与实际值之间的比较结果控制所说过热温度，该过热温度的期望值自动地随着与制冷剂温度的一组n个采样值的周期性确定的函数的基准值的差值而变化，以实现对该过热温度的稳定控制，其特征在于，所说的函数表示在所说蒸发器装置出口端处制冷剂温度的一组n个采样值相对于该采样值的平均值的变化特性。

就该方法而言，本发明技术方案的特征在于所说函数表示在所说蒸发器装置出口端处制冷剂温度的一组采样值相对于该采样值的平均值的变化特性。

这种变化性或者扩散性是蒸发器出口端制冷剂温度稳定性的一种量度。制冷剂温度的稳定性越高，能够选择的所说的过热温度期望值就越低。制冷系统或者热泵系统的工作效率也相应地较高。在这种情况下将蒸发器装置出口端制冷剂蒸汽温度变化的期望值确定为基准值。

可取的是，已经对表征在所说的蒸发器装置中制冷剂蒸发温度的一组采样值相对于与所说的基准值叠加的那些采样值的平均值的变化的一种函数的幅值进行了处理。实际上，当所说的制冷剂蒸发温度非常不稳定时，即它的变化性增加时，对该函数进行处理可使在所说蒸发器装置出口端的蒸汽温度变化的基准值或者期望值增大。同时，当所说的蒸发温度更加剧烈地变动时，所说的蒸汽温度要承受更大的变化。

可以对表征蒸发温度变化的函数的幅值用一个因子进行加权。按照这种方式，所说的蒸发温度的不稳定性被认为与所说的蒸汽温度的不稳定性不同。这个因子可以取为，例如0.5。

可取的是，在用一个因子加权处理之后，对所说的与所说的基准值叠加的过热温度的期望值进行处理。这种叠加处理方法的其他优点在于如果所说的过热温度期望值上升，因而所说的过热温度上升，则允许蒸发器出口端的蒸汽温度有更大的变化。

在经过一个PI功能块处理后，可以使所说的过热温度的期望值依赖于所说的偏差。因此该偏差的急剧变化不会使过热温度的期望值产生剧烈变化，而只是逐渐地影响所说的过热温度的期望值。

如果所说的采样值的函数至少与一个标准偏差近似是有利的。根据一种统计方法，可以容易地周期性地测得这样一个标准偏差。

可取的是，所说的采样值的函数是标准偏差

S = \sqrt{\frac{1}{n - 1} Σ_{i = 1}^{n} (\bar{x} - x_{i})^{2}}

式中n是在预定的时间内单个采样值x_i(i＝1，2，...，n)的数量，x是该采样值x_i的算术平均值。当有适当大量的采样值时，该标准偏差，也被称作“均方根偏差”或者“二次标准偏差”，是测量该采样值，也就是具体温度(蒸发温度或者蒸汽温度)变化的一种非常精确的度量。

然而，对于所说近似标准偏差的函数，下式也是成立的

S = \frac{1}{n} Σ_{i = 1}^{n} | \bar{x} - x_{i} |

式中n是在预定时间内单个采样值x_i(i＝1，2，...，n)的数量， x是该采样值x_i的算术平均值。一般来说，实际上该近似标准偏差精度已经足够，而且和标准偏差相比用较少的计算量就可以较快地确定它。

在这种情况下，如果根据下式来求出所说的第i个标准偏差Si，就可以进一步提高工作效率和计算速度，

S_{i} = \frac{(n - 1) \cdot S_{i - 1} + | \bar{x} - x_{i} |}{n}

式中所说的第i个平均值 x_i根据下式求出

{\bar{x}}_{i} = \frac{(n - 1) \cdot {\bar{x}}_{i - 1} + x_{i}}{n}

按照本发明，还提供了一种实施上述方法的装置，包括一个制冷系统或热泵系统，该制冷系统或热泵系统包含蒸发器装置、压缩机装置、冷凝器和可控膨胀阀装置，它们按顺序设置成一个闭合回路，其特征在于它还包含一个微处理器，在所说的蒸发器装置中制冷剂蒸发温度的测量值、在该蒸发器装置出口端的制冷剂温度的测量值以及所说的基准值以数字形式输送到该微处理器，而且该微处理器控制着所说的膨胀阀装置。

可取的是，用于实施该方法的装置包含一个微处理器，所说的蒸发器装置中制冷剂蒸发温度的测量值和在该蒸发器装置出口端制冷剂温度以及所说的基准值以数字方式输送给该微处理器，而且该微处理器也可以控制膨胀阀装置。

附图说明

在下文中参照优选实施例的附图更加详细地描述本发明及其改进。在附图中，

图1是用于实施本发明方法的一种设备的制冷回路方框简图。该制冷回路方框简图是以一种制冷系统为例的，

图2是用于实施本发明方法的一种设备的另一个实施例，该实施例以一个制冷系统为例，和

图3是图1中所示设备中包含的一个功能块的实施例。

具体实施方式

根据图1，包含在一个闭合制冷回路中的制冷系统各部分依次是：由一个蒸发器或者至少两个并联的蒸发器构成的蒸发器装置1，由一个压缩机或者由几个并联压缩机构成的压缩机装置2，一个冷凝器，包含一个或多个膨胀阀的可控膨胀阀装置4，其中每一个膨胀阀串联在蒸发器装置1中的一个蒸发器上。利用位于所说的蒸发器装置1入口端的一个传感器5可以测量所说的制冷剂的温度T₁，由此得到所说的蒸发温度。还可以测量蒸发器装置出口的蒸汽压力，以获得蒸发温度T₁。另一个传感器6测量所说的蒸发器装置1的出口温度，从而得到蒸发了的制冷剂的蒸汽温度T₂。一个加法器7求出所说的温度T₁和T₂的差值，从而得到该制冷剂蒸汽的过热温度Tü。在一个加法器8中比较该过热温度Tü和该过热温度的一个期望值W₂。该比较的结果作为控制差值通过一个PID元件9输送到所说的膨胀阀装置4的一个控制输入端。因此，可以控制该过热温度使之与所说的期望值W₂相同。

把所说的蒸发器装置1出口端制冷剂的蒸汽温度T₂的测量值输送到以处理器形式构成的功能块10中，在该功能块中，根据下列函数求出所说的标准偏差S

S = \sqrt{\frac{1}{n - 1} Σ_{i = 1}^{n} {(\bar{x} - x_{i})}^{2}} - - - (1)

式中n是单个采样值xi(i＝1，2，...，n)的数量， x是所说的制冷剂蒸汽温度T₂的采样值x_i的算术平均值。该标准偏差是所说采样值相对于一个算术平均值的变化的一种量度，因而也是所说制冷剂蒸汽温度稳定性的一种高精确度的量度。

所说的标准偏差，除了可以用公式(1)求出，用下式也可以近似地求出该标准偏差

S = \frac{1}{n} Σ_{i = 1}^{n} | \bar{x} - x_{i} | - - - (2)

对于确定所说的制冷剂蒸汽温度T₂的变化，该近似标准偏差实际上就已足够，而且它可以更容易地确定该蒸汽温度T₂的变化，即用更少的计算量、更快地求出。

把所说的制冷剂蒸汽温度T₂的标准偏差S输送到另外一个加法器11，并利用该加法器11比较该标准偏差S和它的一个期望值W_s，该控制差值d作为所说的过热温度Tü的期望值W₂通过一个PI元件12输送到所说的加法器8。

和功能块10一样，在另外一个功能块13中所说的标准偏差S是由所说的传感器5测量的所说的制冷剂的蒸发温度T₁得到的，但是该标准偏差S需要用一个约为0.5的常因子K₀加权。在另一个加法器14中，从与一个处理器的功能块13出口端输出的所说制冷剂蒸发温度T₁的加权标准偏差与在一个P-元件15中用一个约为0.1的常因子K加权的该过热温度的期望值W₂叠加。在另一个加法器16中，所说的加法器14的输出变量与由一个基准值信号发生器17产生的相对于所说的蒸发器出口端或者制冷剂蒸汽温度T₂的标准偏差S的基准值W₁叠加，从而在该加法器16的出口端输出由温度T₂确定的所说的标准偏差的期望值W_s。

然而，就原理而论，元件12到16并不是必不可少的。因此，下文将研究在图1说明的控制装置中没有元件12到16时的工作模式。

在这种情况下，所说的期望值W_s与所说的基准值W₁恒对应，所说的期望值W₂与所说的差值d对应。如果所说的温度T₂变动很大，在功能块10的出口端就会输出一个相应较大的标准偏差S(T₂)，以及相应地输出一个大的差值d和过热温度Tü的一个大的期望值W₂。因此，通过用所说的膨胀阀装置4对制冷剂的流量进行合适的节流调节，就可以升高所说的过热温度Tü。这可以降低所说的蒸发器装置1的放大作用影响，因而，可以降低所说的蒸发器输出端温度T₂的变动幅度。当所说的蒸发器输出端温度T₂的稳定性提高时，所说的标准偏差S(T₂)也下降了，最终所说的差值d消失并且该输出端温度T₂获得了极大的稳定。因此，可以控制所说的过热温度Tü，从而使所说的标准偏差S(T₂)和所说的期望值W₂＝W₁＝常数相等，所说常数最好约为1。

如果期望所说的输出温度或者蒸汽温度T₂具有更高的稳定性，可以辅加使用功能块13，而且乘以所说的加权因子K₀的标准偏差可以由所说的输入端温度T₁得出，并且该标准偏差可以通过所说的加法器16与所说的基准值W₁相加，该标准偏差要么没有对所说的过热温度期望值W₂在P-元件15中加权因子K；要么还对所说的过热温度期望值W₂在P-元件15中加权因子K。如果没有来自经过所说的P-元件15的该过热温度期望值W₂的反馈，加权标准偏差K₀·S(T₁)使所说的期望值W_s增加，从而当从d＝0的稳定状态开始，输入温度或者蒸发温度T₁的不稳定性逐渐增加时，该过热温度期望值W₂下降，因此，所说的膨胀阀装置开启度增加而使所说的过热温度Tü下降。

经过P-元件15的所说的过热温度期望值W₂的反馈的加入，就是用约为0.1的传输因子K加权的该过热温度期值W₂与所说的加权标准偏差K₀·S(T₁)或者所说的基准值W₁相加，使得当该过热温度期望值W₂增大时，所说的标准偏差S(T₂)的期望值W_s会更快地增大，从而抵消该过热温度期望值W₂的过快增加。这有助于提高所说的温度T₂和所说的过热温度Tü的稳定性。

如果另外使用一个PI-元件12，可以抵消由所说的差值d的快速变化引起的所说的过热温度期望值W₂的快速变化。这有助于温度T₁和T₂的稳定性。

在图1所示的控制装置中，元件7到17可以是模拟结构或者数字结构。这使得所说的功能块10和13可以做成两个独立的处理器或者一个单一的数字式处理器；当采用数字结构时，就需使用合适的模拟-数字转换器和数字-模拟转换器。

图2说明了图1中所示的控制元件7到16用微处理器18代替的一个纯数字结构，该微处理器18具有用于把所说的测量温度T₁和T₂输送到该微处理器18之前先数字化的模拟-数字转换器19和20，还有一个用于控制所说的膨胀阀装置4的该微处理器18的输出信号的数字-模拟转换器21。在所说的两个模拟-数字转换器19和20处，仅仅能够交替地提供一个模拟-数字转换器，该模拟-数字转换器被交替地转换到所说的传感器5和6。所说的微处理器18包括一个中央处理单元、一个主存储器和一个用于接收所说的测量值的输入缓冲寄存器，然后从该输入缓冲寄存器取回这些测量值从而由所说的中央处理单元进行处理。该中央处理单元通过所说的分时多通道方法执行所有元件7到16的功能。以上所说的基准值信号发生器17是在数字结构的情况下。然而，另一方面，它可以是模拟结构；如果需要的话，可以在所说的基准值信号发生器17和所说的微处理器18之间使用一个模拟-数字转换器。

为了获得根据公式(2)中所说的近似标准偏差，功能块10和13中的任一个都可以按照图3中举例说明的功能块10那样构造，而功能块13仅需另加一个具有所说的转换因子K₀的P-元件(图中未绘出)。

在该实施例中，首先将所说的测量温度T₂经过一个具有延迟时间或者时间常数τ(“P”是拉普拉斯算子σ+jω)的一次延迟器22输送到一个减法器23的输入端，其次，将该测量温度T₂直接输送到减法器23的另一个输入端。该减法器23的输出变量E经过一个绝对值发生器24输送到另一个具有相同的时间常数τ的一次延迟器25。于是，在所说的延迟器25的输出端就产生了该测量温度T₂根据公式(2)所得到的标准偏差S。例如，所说的延迟器22和25可以是一个具有时间常数τ＝RC的初级RC-元件，该RC-元件具有一个一次平滑滤波器的功能。所说的减法器23可以由一个差值放大器简单地构成。绝对值发生器24可以是一个双路整流器。时间常数τ可以是，例如约为150秒。另外，所说的温度T₁和T₂的采样值的时间周期可以是1秒左右，在每秒钟开始时，就有一个新的测量值被采样。

功能块22到25可以利用所说的微处理器18用纯数字形式来实现。

根据公式(2)的确定近似标准偏差比根据公式(1)确定所说标准偏差可取，因为后者需要更复杂的电路、更大的存贮能力和更长的计算时间。在所说的微处理器18以数字式实现的情况下，n个采样值全部被贮存在存贮器中，每秒钟加入一个新的采样值，同时删除一个最先存入的测量值，并重新计算所有的和值。一般来说，对于实时操作来说，这样一个功能块就太慢了。另一方面，根据公式(2)确定所说的近似标准偏差需要更少的计算步骤和更少的存贮能力，因此，这种方法更快，并且只用更少的工作量就可以实现。

如果能允许使用更复杂的电路，除了根据公式(1)的所说的二次标准偏差或者根据公式(2)的所说的一次标准偏差，也可以根据下式计算一个三次标准偏差

S = 3 \sqrt{\frac{1}{n - 1} Σ_{i = 1}^{n} {(\bar{x} - x_{i})}^{3}}

Claims

1、控制制冷系统或热泵系统的蒸发器装置(1)中制冷剂的过热温度(Tü)的一种方法，在该制冷系统或热泵系统中，蒸发器装置(1)、压缩机装置(2)、冷凝器(3)和可控膨胀阀装置(4)按顺序设置成一个闭合回路，并依据期望值与实际值之间的比较结果控制所说过热温度(Tü)，该过热温度(Tü)的期望值(W₂)自动地随着与制冷剂温度(T₁；T₂)的一组n个采样值(x_i)的周期性确定的函数(S)的基准值(W₁)的差值(d)而变化，以实现对该过热温度(Tü)的稳定控制，其特征在于，所说的函数(S)表示在所说蒸发器装置(4)出口端处制冷剂温度(T₂)的一组n个采样值(x_i)相对于该采样值(x_i)的平均值( x)的变化特性。

2、按权利要求1所述的方法，其特征在于表示在所说的蒸发器装置(1)中制冷剂的蒸发温度(T₁)的一组n个采样值(x_i)相对于该采样值的一个平均值( x)的变化率的函数(S)的幅值与所说的基准值(W₁)叠加。

3、按权利要求2所述的方法，其特征在于表示所说的蒸发温度(T₁)的变化率的函数幅值用一个因子(K₀)加权。

4、按权利要求2或3所述的方法，其特征在于所说的过热温度期望值(W₂)在用一个因子(K)加权后与所说的基准值(W₁)叠加。

5、按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于所说的过热温度(Tü)的期望值(W₂)在经过一个PI功能块处理后，依赖于所说的差值(d)。

6、按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于所说的采样值(x_i)的函数(S)与一个标准偏差(S)近似。

7、按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于所说的采样值的函数是标准偏差

S = \sqrt{\frac{1}{n - 1} Σ_{i = 1}^{n} {(\bar{x} - x_{i})}^{2}}

式中n是在一个预定周期内单个采样值x_i的数量，其中i＝1，2，...n， x是该采样值x_i的算术平均值。

8、按权利要求6所述的方法，其特征在于所说的函数是近似标准偏差

S = \frac{1}{n} Σ_{i = 1}^{n} | \bar{x} - x_{i} |

式中n是在一个预定周期内单个采样值x_i的数量，其中i＝1，2...，n， x是该采样值x_i的算术平均值。

9、按权利要求7所述的方法，其特征在于所说的第i个标准偏差S_i由下面公式求出

S_{i} = \frac{(n - 1) \cdot S_{i - 1} + | \bar{x} - x_{i} |}{n}

式中所说的第i个平均值 x_i由下面公式求出

{\bar{x}}_{i} = \frac{(n - 1) \cdot {\bar{x}}_{i - 1} + x_{i}}{n}

10、实施如权利要求1所述方法的一种装置，包括一个制冷系统或热泵系统(1-4)，该制冷系统或热泵系统包含蒸发器装置(1)、压缩机装置(2)、冷凝器(3)和可控膨胀阀装置(4)，它们按顺序设置成一个闭合回路，其特征在于它还包含一个微处理器(18)，在所说的蒸发器装置(1)中制冷剂蒸发温度(T₁)的测量值、在该蒸发器装置(1)出口端的制冷剂温度(T₂)的测量值以及所说的基准值(W₁)以数字形式输送到该微处理器，而且该微处理器控制着所说的膨胀阀装置(4)。