CN116294290A - 实现极低温制冷的燃气热泵机组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及燃气热泵技术领域，特别是涉及实现极低温制冷的燃气热泵机组及其控制方法，包括冷却水系统、电磁控制系统和热回收器，所述电磁控制系统用于控制制冷剂流向，所述电磁控制系统与热回收器连接，环境温度低于设定阈值及且排气压力低于设定阈值时，制冷剂通过电磁控制系统分流至热回收器与冷却水系统换热，从而提高冷凝压力。本发明利用发动机冷却水热量提高制冷系统的高压，可以使空调系统安全地在极低环境温度下制冷运行。

Description

实现极低温制冷的燃气热泵机组及其控制方法

技术领域

本申请涉及燃气热泵技术领域，特别是涉及实现极低温制冷的燃气热泵机组及其控制方法。

背景技术

燃气热泵是利用燃气发动机驱动压缩机运转，进行制冷和制热的空调系统。通过回收发动机余热，燃气热泵的制热效果远好于普通电热泵，在制冷运行时发动机余热则直接排放到空气中。风冷型机组通常无法在较低环境温度下做制冷运行，因为冷凝压力过低会导致节流部件无法获得足够的压差，蒸发器无法发挥作用，最终导致压缩机液压缩。

现有的燃气热泵在低温制冷运行时，因为冷凝压力过低会导致节流部件无法获得足够的压差，蒸发器无法发挥作用，最终导致压缩机液压缩。造成无法解决低温制冷问题，因此通常会限定制冷的最低环境温度，当低于限定值时机组会故障停机。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种实现极低温制冷的燃气热泵机组，利用发动机冷却水热量提高制冷系统的高压，可以使空调系统安全地在极低环境温度下制冷运行。

本发明提供的技术方案如下：

一种实现极低温制冷的燃气热泵机组，其特征在于，包括冷却水系统、电磁控制系统和热回收器，所述电磁控制系统用于控制制冷剂流向，所述电磁控制系统与热回收器连接，环境温度低于设定阈值及且排气压力低于设定阈值时，制冷剂通过电磁控制系统分流至热回收器与冷却水系统换热，从而提高冷凝压力。

进一步的，所述燃气热泵机组还包括压缩机、油分离器、空气热交换器、水氟热交换器、气液分离器、发动机和四通阀，所述四通阀分别连接油分离器的排气口、空气热交换器的进口、水氟热交换器的氟侧出口和气液分离器的进口。

进一步的，所述冷却水系统包括散热器、水泵、第一三通阀和第二三通阀，所述第一三通阀与发动机的冷却水出口、水泵的进口和第二三通阀连接；所述第二三通阀与热回收器的水侧进口、散热器的进口和第一三通阀连接；所述电磁控制系统包括第一电磁阀和第二电磁阀；所述第一电磁阀的进口设置于油分离器和四通阀之间；所述第一电磁阀的出口设置于热回收器和第二电磁阀之间；所述第二电磁阀设置于水氟热交换器的氟侧进口与气液分离器的进口之间。

进一步的，所述空气热交换器的出口与水氟热交换器的氟侧进口连接，两者之间的连接管上设有第一电子膨胀阀。

进一步的，气液分离器的出口与压缩机的进口连接；水氟热交换器的氟侧进口与气液分离器的进口之间设有铜管，铜管上依次设有第二电子膨胀阀、热回收器和第二电磁阀。

进一步的，所述压缩机的排气口连接有压力传感器，用于检测排气压力。

进一步的，所述空气热交换器设置有风机电机。

进一步的，所述热回收器的水侧出口和散热器的出口均与水泵的进口连接；所述水泵的出口与发动机连接。

进一步的，所述空气热交换器的进风口设置有温度传感器，用于检测环境温度。

本发明还提供上述实现极低温制冷的燃气热泵机组的控制方法，包括：

监测环境温度和排气压力；

环境温度低于设定阈值且排气压力低于设定阈值时，打开电磁控制系统，制冷剂通过电磁控制系统分流至热回收器与冷却水换热，从而提高冷凝压力。

有益效果

本发明采用电磁控制系统控制制冷剂流向，低温制冷时，热回收连接在高压侧，当冷凝压力过低时，通过将一部分高温高压的制冷剂分流至热回收器与冷却水换热，从而提高冷凝压力。制热运行时，热回收连接在低压侧，热回收器作为副蒸发器可以提高系统制热量。本发明利用发动机冷却水热量提高制冷系统的高压，可以使空调系统安全地在极低环境温度下制冷运行。现有技术制冷运行的最低温度是0～5℃，而本发明提供的技术方案可以将制冷运行的最低温度降低至-10℃。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的高温制冷系统图(To＞0℃)；

图3为本发明的低温制冷系统图(To≤0℃)；

图4为本发明的制热运行系统图。

1、压缩机，2、油分离器，3、四通阀，4、空气热交换器，5、第一电子膨胀阀(EXV1)，6、水氟热交换器，7、气液分离器，8、发动机，9、第一三通阀(3SV1)，10、第二三通阀(3SV2)，11、散热器，12、水泵，13、热回收器，14、第二电子膨胀阀(EXV2)，15、第一电磁阀(SV1)，16、第二电磁阀(SV2)，17、风机电机，18、压力传感器，19、温度传感器，20、皮带轮。

具体实施方式

实施例1

如图1～4所示，一种实现极低温制冷的燃气热泵机组，包括冷却水系统、电磁控制系统和热回收器13，所述电磁控制系统用于控制制冷剂流向，所述电磁控制系统与热回收器13连接，环境温度低于设定阈值及且排气压力低于设定阈值时，制冷剂通过电磁控制系统分流至热回收器13与冷却水系统换热，从而提高冷凝压力。

所述燃气热泵机组还包括压缩机1、油分离器2、空气热交换器4、水氟热交换器6、气液分离器7、发动机8和四通阀3，所述四通阀3分别连接油分离器2的排气口、空气热交换器4的进口、水氟热交换器6的氟侧出口和气液分离器7的进口。

压缩机1的排气口与油分离器2的进气口连接，油分离器2的排气口与四通阀3的D口连接，油分离器2的排油口与气液分离器7的出口连接，四通阀3的E口与空气热交换器4的进口连接，空气热交换器4的出口与水氟热交换器6的氟侧进口连接，连接管上设有第一电子膨胀阀5，水氟热交换器6的氟侧出口与四通阀3的C口连接，四通阀3的S口与气液分离器7的进口连接。

制冷运行时，四通阀3的D口与E口连通，S口与C口连通。制热运行时，四通阀3的D口与C口连通，S口与E口连通。通过调节所述四通阀而改变制冷剂的流向。所述四通阀的四个接口呈圆形排列，并受控实现间隔轮换连通。

所述冷却水系统包括散热器11、水泵12、第一三通阀9和第二三通阀10，所述第一三通阀9与发动机8的冷却水出口、水泵12的进口和第二三通阀10连接；所述第二三通阀10与热回收器13的水侧进口、散热器11的进口和第一三通阀9连接；所述电磁控制系统包括第一电磁阀15和第二电磁阀16；所述第一电磁阀15的进口设置于油分离器2和四通阀3之间；所述第一电磁阀15的出口设置于热回收器13和第二电磁阀16之间；所述第二电磁阀16设置于水氟热交换器6的氟侧进口与气液分离器7的进口之间。

所述空气热交换器4的出口与水氟热交换器6的氟侧进口连接，两者之间的连接管上设有第一电子膨胀阀5。气液分离器7的出口与压缩机1的进口连接；水氟热交换器6的氟侧进口与气液分离器7的进口之间设有铜管，铜管上依次设有第二电子膨胀阀14、热回收器13和第二电磁阀16。第一电子膨胀阀5和第二电子膨胀阀14的开度范围是0～480步。

所述压缩机1的排气口连接有压力传感器18，用于检测排气压力HP。所述空气热交换器4设置有风机电机17。所述热回收器13的水侧出口和散热器11的出口均与水泵12的进口连接；所述水泵12的出口与发动机8连接。所述空气热交换器4的进风口设置有温度传感器19，用于检测环境温度To。

压缩机1将制冷剂压缩为高温高压的气态，由油分离器2的进口进入油分离器2，制冷剂和润滑油在油分离器2中分离，制冷剂从油分离器2的出口经过四通阀3进入空气热交换器4，润滑油从油分离器2的排油口进入压缩机1，高温高压的气态制冷剂在空气热交换器4里面与空气热交换并冷凝成中温中压的液态制冷剂，从空气热交换器4的出口排出，经过第一电子膨胀阀5节流成低温低压的气液两相态制冷剂并进入水氟热交换器6，在水氟热交换器6内与水换热蒸发为低温低压的气态制冷剂，从水氟热交换器6的氟侧出口排出经过四通阀3后进入气液分离器7里面，制冷剂在气液分离器7内分离，气态制冷剂进入压缩机1，液态制冷剂留在气液分离器7内。

发动机冷却水系统按以下方式连接：发动机8的冷却水出口与第一三通阀9的A口连接，第一三通阀9的B口与水泵12的进口连接，C口与第二三通阀10的A口连接。第二三通阀10的B口与热回收器13的水侧进口连接，C口与散热器11的进口连接，热回收器13的水侧出口和散热器11的出口均与水泵12的进口连接。水泵12的出口与发动机连接。

三通阀从A向B和C的开度可以调节，通常为10档，每1档为最大开度的10％。举例，1档：A向B的开度＝10％，A向C的开度＝90％。2档位：A向B的开度＝20％，A向C的开度＝80％。

第一电子膨胀阀5(EXV1)的作用是节流降压和控制流量，在制冷和制热运行时，通过检测吸气温度与蒸发温度的差值(吸气过热度)来控制其开度。制冷运行时，水氟热交换器6作为蒸发器，吸气过热度为吸气温度与水氟热交换器6的蒸发温度的差值；制热运行时，空气热交换器4作为蒸发器，吸气过热度为吸气温度与空气热交换器4的蒸发温度的差值；通常设定一个吸气过热度的目标值，例如5℃，当检测值低于目标值时，EXV1阀关小，当检测值高于目标值时，EXV1阀开大。

第二电子膨胀阀14(EXV2)的作用是节流和控制流量，通过检测热回收器13进、出口温度差值来控制开度。通常设定一个目标值，例如10℃，当检测值低于目标值时，EXV1阀关小，当检测值高于目标值时，EXV1阀开大。

实施例2

一种实现极低温制冷的燃气热泵机组的控制方法，包括：

监测环境温度和排气压力；

环境温度低于设定阈值且排气压力低于设定阈值时，打开电磁控制系统，制冷剂通过电磁控制系统分流至热回收器13与冷却水换热，从而提高冷凝压力。

控制方法如下：

1、高温制冷(To＞环境温度阈值)：

①SV1＝OFF

②SV2＝OFF

③EXV1：制冷控制

④EXV2：关闭

⑤3SV1控制：

当Tc≤第一水温阈值时，3SV1＝10档；所述Tc为发动机冷却水出口的水温；

当Tc＞第一水温阈值时，3SV1＝10-(Tc-60)。

⑥3SV2＝0档，A向C的开度＝100％。

2、低温制冷(To≤环境温度阈值)

①SV1控制：

当HP＞第一排气压力阈值，SV1＝OFF

当HP＜第二排气压力阈值，SV1＝ON

②SV2＝OFF

③EXV1：制冷控制

④EXV2控制：

当HP＞第一排气压力阈值，EXV2＝0步

当HP＜第二排气压力阈值，EXV2＝480步

⑤3SV1控制：

当Tc≤第二水温阈值时，3SV1＝10档。

当Tc＞第二水温阈值时，3SV1＝10-(Tc-50)。

⑥3SV2控制：

当HP＞第一排气压力阈值时，Tc≤第一水温阈值时，3SV2＝10档；当Tc＞第一水温阈值时，3SV2＝10-(Tc-60)。

当HP＜第二排气压力阈值时，Tc≤第三水温阈值时，3SV2＝10档；当Tc＞第三水温阈值时，3SV2＝10-(Tc-80)。

低温制冷时，热回收连接在高压侧，当冷凝压力过低时，通过将一部分高温高压的制冷剂分流至热回收器与冷却水换热，从而提高冷凝压力。

3、制热运行

①SV1＝OFF

②SV2＝ON

③EXV1：制热控制

④EXV2：热回收控制

⑤3SV1控制：

当Tc≤第一水温阈值时，3SV1＝10档。

当Tc＞第一水温阈值时，3SV1＝10-(Tc-60)。

⑥3SV2控制：

当Tc＞第四水温阈值时，3SV1＝0档。

当Tc≤第四水温阈值时，3SV1＝90-Tc。

制热运行时，热回收连接在低压侧，热回收器作为副蒸发器可以提高系统制热量。

所述环境温度阈值为0±10℃；所述第一排气压力阈值大于大二排气压力阈值；所述第四水温阈值>第三水温阈值>第一水温阈值>第二水温阈值；所述第一水温阈值为60±10℃；所述第二水温阈值为50±10℃；所述第三水温阈值为80±10℃；所述第四水温阈值为90±10℃。

实施例3

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例2所述方法的步骤。

本说明书中未描述部分均为现有技术。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种实现极低温制冷的燃气热泵机组，其特征在于，包括冷却水系统、电磁控制系统和热回收器(13)，所述电磁控制系统用于控制制冷剂流向，所述电磁控制系统与热回收器(13)连接，环境温度低于设定阈值及且排气压力低于设定阈值时，制冷剂通过电磁控制系统分流至热回收器(13)与冷却水系统换热，从而提高冷凝压力。

2.根据权利要求1所述的实现极低温制冷的燃气热泵机组，其特征在于，所述燃气热泵机组还包括压缩机(1)、油分离器(2)、空气热交换器(4)、水氟热交换器(6)、气液分离器(7)、发动机(8)和四通阀(3)，所述四通阀(3)分别连接油分离器(2)的排气口、空气热交换器(4)的进口、水氟热交换器(6)的氟侧出口和气液分离器(7)的进口。

3.根据权利要求2所述的实现极低温制冷的燃气热泵机组，其特征在于，所述冷却水系统包括散热器(11)、水泵(12)、第一三通阀(9)和第二三通阀(10)，所述第一三通阀(9)与发动机(8)的冷却水出口、水泵(12)的进口和第二三通阀(10)连接；所述第二三通阀(10)与热回收器(13)的水侧进口、散热器(11)的进口和第一三通阀(9)连接；所述电磁控制系统包括第一电磁阀(15)和第二电磁阀(16)；所述第一电磁阀(15)的进口设置于油分离器(2)和四通阀(3)之间；所述第一电磁阀(15)的出口设置于热回收器(13)和第二电磁阀(16)之间；所述第二电磁阀(16)设置于水氟热交换器(6)的氟侧进口与气液分离器(7)的进口之间。

4.根据权利要求3所述的实现极低温制冷的燃气热泵机组，其特征在于，所述空气热交换器(4)的出口与水氟热交换器(6)的氟侧进口连接，两者之间的连接管上设有第一电子膨胀阀(5)。

5.根据权利要求3所述的实现极低温制冷的燃气热泵机组，其特征在于，气液分离器(7)的出口与压缩机(1)的进口连接；水氟热交换器(6)的氟侧进口与气液分离器(7)的进口之间设有铜管，铜管上依次设有第二电子膨胀阀(14)、热回收器(13)和第二电磁阀(16)。

6.根据权利要求3所述的实现极低温制冷的燃气热泵机组，其特征在于，所述压缩机(1)的排气口连接有压力传感器(18)，用于检测排气压力。

7.根据权利要求3所述的实现极低温制冷的燃气热泵机组，其特征在于，所述空气热交换器(4)设置有风机电机(17)。

8.根据权利要求3所述的实现极低温制冷的燃气热泵机组，其特征在于，所述热回收器(13)的水侧出口和散热器(11)的出口均与水泵(12)的进口连接；所述水泵(12)的出口与发动机(8)连接。

9.根据权利要求3所述的实现极低温制冷的燃气热泵机组，其特征在于，所述空气热交换器(4)的进风口设置有温度传感器(19)，用于检测环境温度。

10.根据权利要求1所述的实现极低温制冷的燃气热泵机组的控制方法，其特征在于，包括：

监测环境温度和排气压力；

环境温度低于设定阈值且排气压力低于设定阈值时，打开电磁控制系统，制冷剂通过电磁控制系统分流至热回收器(13)与冷却水换热，从而提高冷凝压力。

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