CN1926391B - 跨临界制冷剂循环中的压力调节系统和方法 - Google Patents

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Abstract

制冷剂循环装配有膨胀装置的控制器来实现期望的压缩机输送压力。系统跨临界运行，使得提供的压缩机的输送压力有更大的自由性。通过选择最佳的输送压力使得系统的效率最佳化，根据检测的环境条件来选择最佳的输送压力，和调整膨胀装置来达到期望的压缩机输送压力。提供反馈循环来检测实际压缩机输送压力和通过进一步调整膨胀装置来调整实际的压缩机输送压力。公开的系统根据特定热水温度的要求来提供热水。更进一步说，最佳的输送压力可以通过试验确定，一个调整偏差加到试验确定的数值以确保实际的压力高于特定制冷剂循环的期望值，或者最佳压力。在一个实施例中。用公式来确定最佳的输送压力。

Description

跨临界制冷剂循环中的压力调节系统和方法
技术领域
本申请涉及一种在跨临界模式下运行，自由选择排气压力的制冷剂循环。根据达到最大效率的系统条件来确定最佳的排气压力。
背景技术
在各种应用中，利用制冷剂循环来提供加热或者制冷。通常，压缩机压缩制冷剂并传送制冷剂到第一热交换器，在第一热交换器中，放出热量给另一种流体。来自该第一热交换器的制冷剂通过膨胀制冷剂的膨胀装置。制冷剂然后通过第二热交换器，在第二热交换器中，制冷剂从另一种流体中吸收热量。两个热交换器通常一个在室内，一个在室外。利用制冷剂循环来对其中一个换热器中的流体进行加热或者冷却。
虽然制冷剂循环通常应用在提供加热、通风或者空调(HVAC)中，但是还有其他的应用。在一种非HVAC的应用中，制冷剂循环用来将清洁水(例如，水龙头、淋浴装置等用水)加热成热水。本发明可扩展到HVAC的应用和其他非HVAC的应用中。
在一种新式制冷系统中，制冷剂高于压-焓曲线图的临界点运行。一旦超过临界点，制冷剂循环的设计者需要对制冷剂运行压力进行更多的控制。而在一般的循环中，较少控制过压，系统设计通常指定运行压力。
在跨临界系统中，各种制冷剂循环都需要控制压力。但这些控制通常出于安全性考虑，例如，为了防止过压。现有技术没有在这种控制的基础上实现最大效率的运行。
发明内容
在本发明公开的实施例中，许多环境条件与最佳的压缩机排气压力有关。因此，许多传感器检测环境条件，控制器根据检测的环境条件来确定一个最佳的压缩机排气压力。然后通过调节膨胀阀获得最佳排气压力，其中排气压力根据公式来选择，公式如下：
P*＝c(1)*EWT+c(2)*EWT2+c(3)*EWT3+c(4)*LWT+c(5)*LWT2
+c(6)*LWT3+c(7)*OAT+c(8)*OAT2+c(9)*OAT3+c(10)
其中，P*表示最佳排气压力，EWT表示进入泵的冷水温度，LWT表示用户需要的热水温度，OAT表示环境空气的温度，“c”是通过试验获得的常量。
在优选实施例中，环境条件包括根据制冷剂循环的需求和环境的温度。此外，虽然制冷剂循环中负载的大小是已知的，但可能是影响期望的排气压力的另外一个变量。
在最优选的环境中，利用本发明来提供热水。用户要求特定的水温。在这个实施例中，检测的环境条件有冷水温度、需要的热水温度和环境温度。
最佳压缩机排气压力在综合考虑各种环境条件基础上获得的。这些最佳排气压力最初通过实验确定，来提供最大效率的运行，或者运行的最大性能系数(COP)。
虽然控制器可以只能根据查询表操作，确定最佳输送压力，但本发明公开了确认最佳压力的公式。控制器优选微处理器的控制器，控制器基于在几个环境条件的基础上确定期望的压缩机输送排气压力。在制冷剂循环中，微处理器控制膨胀装置来实现期望的压缩机排气压力。检测压缩机排气压力，并通过调整膨胀阀来调节实际压缩机排气压力，从而实现期望的压缩机排气压力。也就述说，控制器中优选结合反馈环。
优选在期望的或者计算得到的排气压力上加把一个小补偿量，从而获得的调整偏差优选加到期望的或者计算得到的输送压力来达到最终需要的压力或者设定的点、压力。这一小补偿量的调整偏差加到计算的输送排气压力中以确保在特定的制冷系统中的热量变化不能会导致实际的压力低于先前计算的压力。在特定的系统中，实际的压力高于计算的最佳压力比低于计算的最佳压力更理想。因此，通过利采用这一小补偿量的调整偏差，本发明确保实际运行压力总能达到等于或者高于特定制冷剂循环中的计算最佳设计压力。
通过接下来的说明书以及附图的描述，本发明上面介绍的特征以及其他特征会得到最好的理解。下面的说明书和附图做简介的描述。
附图说明
图1是本发明包括的制冷剂循环的示意图。
图2是本发明中包括的步骤的流程图。
具体实施方式
图1展示了包括传递压缩制冷剂到第一热交换器24的压缩机22的一个制冷剂循环20。热交换器24优选是热水供应系统21的一部分，根据如图所示的传感器28的需求信号来指导制冷剂循环加热水。一些需求信号，例如用户通过调整混合阀来提供一个期望的热水输出温度。另一个传感器联合冷水供给器来检测传感器26处的进水温度。水供给器把冷却水提供给换热器24加热。传感器30提供一个环境温度信号。传感器26，28和30的信号都提供给膨胀装置32的控制器36。膨胀装置32是一个可调节的膨胀装置，其有一个可以开或闭的节流口能来改变制冷剂循环中的制冷剂状况。特别的是，系统中用这种可调节的膨胀装置来实现期望的输送排气压力已经是公知的。制冷剂从热交换器24通过膨胀装置32，然后进入另一个热交换器34。制冷剂从热交换器34中返回到压缩机22。
本发明将参考图2的流程图进行描述。根据从传感器26、28和30确定的一系列系统变量或者环境条件，也许通过知道制冷剂循环20的制冷剂的负载(典型的是给定的)，控制器能够确定出一个期望的压缩机排气压力。这一压缩机排气压力可以根据特定系统的设计通过实验确定，从而达到最佳的效率。除了效率以外的其他目标可以通过选择一个期望的排气压力来达到。本领域技术人员能够认识到定义“最佳”压力的各种因素。
虽然最佳排气压力可以通过试验确定并存储到查询表里，从而控制器可以检测各种环境条件并选择一个最佳的输送排气压力，但申请人已经获得了选择最佳压力的公式，在此披露：
P*＝c(1)*EWT+c(2)*EWT2+c(3)*EWT3+c(4)*LWT+c(5)*LWT2
+c(6)*LWT3+c(7)*OAT+c(8)*O-AT2+c(9)*OAT3+c(10)
其中，P*表示最佳排气压力，P*根据EWT确定，EWT表示进入泵的冷水温度，LWT表示用户需要的期望热水温度，OAT表示环境空气的温度。常量“c”通过试验获得。利用试验获得的常量来确定最佳压力，在所披露的实施例中，试验获得的常量能够最大化整个系统的能效(COP)。因此，常量将随着循环中具体的尺寸容量等而变化。
制冷剂循环20是最优选的跨临界(在汽-液相图相线顶部以上)制冷剂循环。在该条件下，制冷剂循环能够变化排气压力从而达到最佳的条件。最可取的是，通过应用指定类型的制冷剂来得到跨临界制冷剂循环。在一个普通的例子中，制冷剂可以是CO2。
如图2所示，检测几个变量，控制器36根据该组变量来确定期望的制冷剂排气压力。最佳排气压力优选根据上面公式计算。
本发明把一个补偿量也加到了最初确定的最佳排气压力上。补偿量确保制冷剂循环中的任何变化将不会引起实际的压力低于特定制冷剂循环中期望值，或者计算压力。实际的压力高于确定的最佳设计压力比低于确定的最佳设计压力更理想。这样，通过为期望压力值增加补偿量，更有可能确保达到的实际压力将等于或者大于控制器36已经确定的、将会是最佳的输送压力的值。
能够导致实际压力变化的因素包括，在制冷剂循环中使用的所有实际部件的制造误差、环境条件中的变化，以及制冷剂循环使用时间超过期限产生的变化。提供补偿量的目的是处理这些因素。
补偿量的大小可以是期望的排气压力的1％到10％(或者大约10-200psig)。
然后控制膨胀装置32来控制压缩机22排气压力。传感器37检测排气压力，并提供反馈给控制器36。控制器36因此继续调整膨胀阀32来达到期望的排气压力(加上补偿量)。当然，可以在查询表里面增加补偿量，以至于增加补偿量就不会是一个单独的步骤。
多变量控制器中的本发明调节包括的特定方式已经在与本申请同日提出一同待审的题目为“制冷剂循环的多变量控制器”的美国专利申请(申请号10/793542)中所披露。此外，特定的非线性控制算法在公开的实施例中应用，在与本申请同日提出一同待审的题目为“在蒸汽压缩系统的非线性控制算法”的美国专利申请(申请号10/793486)中所披露。
虽然已经公开了本发明优选的一个实施例，本领域技术人员可以认识到可以在本发明的范围内进行改进。因为这个原因，应该研究下面的权利要求来确定本发明真正的范围和内容。

Claims (10)

1.一种系统包括：
具有传递压缩制冷剂到第一热交换器的压缩机的制冷剂循环，制冷剂从所述的第一热交换器流到膨胀装置，和从所述的膨胀装置到第二热交换器，制冷剂从所述的第二热交换器返回到压缩机，和
用于所述的膨胀装置的控制器，所述的控制器检测至少一个环境条件，和根据所述的环境条件确认期望的制冷剂条件，所述的控制器可操作地驱动所述的膨胀装置来实现所述的期望的制冷剂条件，
其中，所述的制冷剂条件是制冷剂排气压力，所述的排气压力根据公式来选择，而所述的公式如下：
P*＝c(1)*EWT+c(2)*EWT2+c(3)*EWT3+c(4)*LWT+c(5)*LWT2
+c(6)*LWT3+c(7)*OAT+c(8)*OAT2+c(9)*OAT3+c(10)
其中，P*表示最佳排气压力，EWT表示进入第一热交换器之前的冷水温度，LWT表示用户需要的热水温度，OAT表示环境空气的温度，“c”是通过试验获得的常量。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，检测实际的制冷剂条件，并作为反馈提供给所述的控制器同所述的确认的期望条件对比。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，补偿量加到了所述的期望的制冷剂条件以达到要求的制冷剂条件。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的补偿量的大小在期望的制冷剂条件的1％到10％之间。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的制冷剂循环是跨临界运行。
6.运行制冷剂循环的一种方法包括的步骤如下：
(1)提供一个制冷剂循环，制冷剂循环包括压缩制冷剂和提供所述的制冷剂给第一热交换器的压缩机，制冷剂从所述的第一热交换器传送到膨胀装置，和从所述的膨胀装置到第二热交换器；
(2)检测至少一个环境条件，和根据所述的检测的环境条件来确定期望的制冷剂条件；以及
(3)控制所述的膨胀装置来变动实际的制冷剂条件，从而使实际制冷剂条件趋近所述的期望的制冷剂条件，
其中，所述的制冷剂条件是制冷剂排气压力，所述的排气压力根据公式来选择，而所述的公式如下：
P*＝c(1)*EWT+c(2)*EWT2+c(3)*EWT3+c(4)*LWT+c(5)*LWT2
+c(6)*LWT3+c(7)*OAT+c(8)*OAT2+c(9)*OAT3+c(10)
其中，P*表示最佳排气压力，EWT表示进入第一热交换器之前的冷水温度，LWT表示用户需要的热水温度，OAT表示环境空气的温度，“c”是通过试验获得的常量。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的期望的制冷剂条件是通过试验确定的，和一个补偿量加到试验的期望制冷剂条件中来达到最终要求的期望的制冷剂条件。
8.调节流体的一种系统包括：
制冷剂循环，具有传递压缩制冷剂到第一热交换器的压缩机，制冷剂从所述的第一热交换器流到膨胀装置，和从所述的膨胀装置到第二热交换器，制冷剂从所述的第二热交换器返回到压缩机；
提供第二流体给所述的第一和第二热交换器中的一个，和所述第二流体要求的温度的输入值；和
把所述的第二流体的所述的要求的温度的所述输入值提供给作为所述制冷剂循环中至少一个部件的控制器，所述的控制器检测至少一个环境条件和根据所述的环境条件，和所述的要求的温度确定期望的制冷剂条件，所述的控制器可操作地驱动系统部件来实现所述的期望的制冷剂条件，
其中，所述的制冷剂条件是制冷剂排气压力，所述的排气压力根据公式来选择，而所述的公式如下：
P*＝c(1)*EWT+c(2)*EWT2+c(3)*EWT3+c(4)*LWT+c(5)*LWT2
+c(6)*LWT3+c(7)*OAT+c(8)*OAT2+c(9)*OAT3+c(10)
其中，P*表示最佳排气压力，EWT表示进入第一热交换器之前的冷水温度，LWT表示用户需要的热水温度，OAT表示环境空气的温度，“c”是通过试验获得的常量。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的系统部件是所述的膨胀装置。
10.如权利要求8所述的系统，其中，待处理的所述第二流体是待加热的水。
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