跨臨界蒸氣壓縮系統的控制的製作方法

2023-04-24 01:24:36 1

專利名稱：跨臨界蒸氣壓縮系統的控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及對跨臨界蒸氣壓縮系統的控制。
背景技術：
通常，跨臨界蒸氣壓縮系統受到控制以優化性能係數^OP)。已知控制方法包括測量各種參數和比較所測量的參數與所存儲的代表高效系統的值。舉例而言，如果所測量的參數顯著地高於所存儲的值，那麼該系統低效操作，因此調整操作參數。

發明內容
在一方面，本發明提供一種跨臨界蒸氣壓縮系統。該跨臨界蒸氣壓縮系統包括壓縮機，其用於壓縮製冷劑；第一熱交換器，其用於冷卻該製冷劑；膨脹裝置，其用於降低製冷劑的壓力；第二熱交換器，其用於將熱吸到製冷劑內；以及，控制器，其被編程以計算跨越第二熱交換器的第一能量差和跨越壓縮機的第二能量差；通過將第一能量差除以第二能量差來計算能量比，比較該能量比與先前計算的能量比；以及，基於該能量比相對於先前計算的能量比的比較來調整系統的操作參數。在另一方面，本發明提供一種控制跨臨界蒸氣壓縮系統的方法。該方法包括提供壓縮機，其用於壓縮製冷劑；提供第一熱交換器，其用於冷卻該製冷劑；提供膨脹裝置，其用於降低製冷劑的壓力；提供第二熱交換器，其用於將熱吸到製冷劑內；計算跨越第二熱交換器的第一能量差；計算跨越壓縮機的第二能量差；通過將第一能量差除以第二能量差來計算能量比；比較該能量比與先前計算的能量比；以及，基於該能量比相對於先前計算的能量比的比較來調整系統的操作參數。在另一方面，本發明提供一種跨臨界蒸氣壓縮系統。該跨臨界蒸氣壓縮系統包括 壓縮機，其用於壓縮製冷劑；第一熱交換器，其用於冷卻該製冷劑；膨脹裝置，其用於降低製冷劑的壓力；第二熱交換器，其用於將熱吸到製冷劑內；第一風機，其用於在第一熱交換器上導向第一流體；第二風機，其用於在第二熱交換器上導向第二流體；第一溫度傳感器和第一壓力傳感器，其位於壓縮機的入口附近以分別測量溫度和壓力；第二溫度傳感器和第二壓力傳感器，其位於壓縮機的出口附近以分別測量溫度和壓力；第三溫度傳感器，其位於第二熱交換器的入口附近以測量溫度；第四溫度傳感器，其位於第二熱交換器的出口附近以測量溫度；第三壓力傳感器，其位於第二熱交換器的入口和出口之一附近以測量壓力， 以及，控制器。控制器被編程以基於對溫度和壓力的測量來計算壓縮機的入口、壓縮機的出口、第二熱交換器的入口和第二熱交換器的出口附近的製冷劑的內部能量；通過從第二熱交換器的出口附近的製冷劑的內部能量減去第二熱交換器的入口附近的製冷劑的內部能量來計算第一能量差；通過從壓縮機的出口附近的製冷劑的內部能量減去壓縮機的入口附近的製冷劑的內部能量來計算第二能量差；通過將第一能量差除以第二能量差來計算能量比；比較該能量比與先前計算的能量比；以及，基於該能量比與先前計算的能量比的比較來調整下列中的至少一個第一風機的速度，第二風機的速度，壓縮機的速度，以及，膨脹裝置的開口。 附 圖說明通過考慮詳細描述和附圖，本發明的其它方面將會變得顯然。

圖1是根據本發明的跨臨界蒸氣壓縮系統的示意圖。圖2是圖1所示的跨臨界蒸氣壓縮系統的內部能量和壓力的圖。
具體實施例方式在詳細地解釋本發明的任何實施例之前，應了解本發明的應用並不限於在下文的描述中所陳述或附圖所圖示的構件構造和布置的細節。本發明能有其它實施例且能以各種方式來實踐或實施。圖1示出跨臨界蒸氣壓縮系統10。跨臨界蒸氣壓縮系統10為優選地利用二氧化碳(CO2)作為製冷劑的閉合迴路單級蒸氣壓縮循環，但也可採用適合於跨臨界蒸氣壓縮系統的其它製冷劑，如本領域中已知的那樣。該系統10包括串聯連接的壓縮機14、氣體冷卻器18、膨脹閥22、蒸發器26和儲罐30。溫度傳感器42a_42e和壓力傳感器46a_46e分別位於壓縮機入口 1、壓縮機出口 2、氣體冷卻器出口 3、蒸發器入口 4和蒸發器出口 5處。在圖示構造中，CO2製冷劑作為被加熱氣體離開蒸發器盤管26且被抽吸到壓縮機 (諸如變速壓縮機)14的吸入埠內。分別由溫度傳感器42a和壓力傳感器46a在壓縮機入口 1處測量CO2製冷劑的溫度和壓力。壓縮機14使被加熱CO2製冷劑氣體加壓且排放到氣體冷卻器18內。分別由溫度傳感器42b和壓力傳感器46b在壓縮機出口 2處測量被加熱的CO2製冷劑的溫度和壓力。在氣體冷卻器18或熱交換器中，被加熱CO2製冷劑由於在氣體冷卻器18上流動且由風機36 (諸如變速風機)生成的強制空氣流34而冷卻為更低溫度氣體。氣體冷卻器18可包括一個或多個熱交換器盤管，其具有任何合適構造，如本領域中已知的那樣。分別由溫度傳感器42c和壓力傳感器46c在氣體冷卻器出口 3處測量被冷卻的CO2製冷劑的溫度和壓力。然後，通過膨脹閥22 (諸如電子膨脹閥)來節流被冷卻的 CO2且被冷卻的CO2作為液體-蒸氣混合物以減小的壓力被朝向蒸發器盤管26導向。分別由溫度傳感器42d和壓力傳感器46d在蒸發器入口 4處測量被冷卻CO2製冷劑的溫度和壓力。在蒸發器盤管26或熱交換器中，被冷卻的CO2製冷劑由於風機40(諸如變速風機)所生成的強制空氣流38而加熱到更高溫度氣體。換言之，通過蒸發器盤管26傳遞的CO2從空氣流38吸熱使得空氣流38被冷卻。蒸發器盤管26可包括一個或多個熱交換器盤管，其具有任何合適構造，如本領域中已知的那樣。由溫度傳感器42e在蒸發器出口 5處測量被加熱CO2製冷劑的溫度且視情況由壓力傳感器46e來測量壓力。由於在蒸發器26的入口 4 和出口 5處的壓力大致相同，僅需要壓力傳感器46d、46e中的一個。在圖示構造中，CO2製冷劑在跨臨界CO2製冷循環中並不變相為液體。換言之，CO2製冷劑在跨臨界CO2製冷循環中表現為單相製冷劑，這與反郎肯製冷循環 (reverse-Rankine refrigeration cycle)中製冷劑的兩相行為相反。為了從CO2製冷劑或所用的其它製冷劑得到合乎需要的製冷特徵，跨臨界製冷循環需要比反郎肯製冷循環更高的操作壓力。在氣體冷卻器18中的製冷劑的壓力在製冷劑的超臨界區域中，即，在或高於製冷劑的臨界溫度和臨界壓力。舉例而言，CO2的臨界點出現在大約7. 38MPa(1070psia)和大約31. 1攝氏度(88華氏度)。在圖示構造中，在氣體冷卻器18中的製冷劑壓力為大約8. 5MPa(1233pisa)。在蒸發器26中的製冷劑壓力也高於在反郎肯製冷循環中經歷的壓力。在圖示構造中，在蒸發器26中的製冷劑壓力為大約2.7MPa(392piSa)。因此，氣體冷卻器18和蒸發器盤管26採用重型構造來耐受更高壓力。在圖示構造中，氣體冷卻器18被建置成耐受至少7. 38MPa(1070pisa)的壓力且蒸發器26被建置成耐受至少2. 7MPa (392psia) 的壓力。如在圖1中示意性地示出，由控制器50來控制跨臨界蒸氣壓縮系統10。控制器 50控制膨脹閥22的開口，風機36、40的速度和壓縮機14的速度且從溫度傳感器42a_42e 和壓力傳感器46a_46e接收輸入信號，如將在下文中更詳細地描述。圖2是示出在跨臨界蒸氣壓縮系統10的整個循環中CO2的飽和液體線54，C02的飽和蒸氣線58和CO2製冷劑的內部能量與壓力之間的關係的圖。該控制器50被編程以本領域中熟 知的方式從相應溫度傳感器42a_42e和壓力傳感器46a_46e的相應溫度和壓力測量計算壓縮機入口 1、壓縮機出口 2、氣體冷卻器出口 3、蒸發器入口 4和蒸發器出口 5中每一個處的製冷劑內部能量。另外，控制器50被編程以計算跨越蒸發器26的能量變化(ΔΕ m)和跨越壓縮機14的能量變化(ΔΕ壓縮機)，如圖2所示。跨越蒸發器26的能量變化 (ΔΕ^)被計算為在蒸發器出口 5計算的內部能量與在蒸發器入口 4處計算的內部能量之間的差。跨越壓縮機14的能量變化被計算為在壓縮機出口 2計算的內部能量與在壓縮機入口 1處計算的內部能量之間的差。另外，控制器50被編程以通過跨越蒸發器的能量變化(ΔΕ-g)除以跨越壓縮機的能量變化(ΔΕμλ)來計算在蒸發器26與壓縮機14上的能量比。另外，控制器50被編程以比較該能量比與先前能量比，更具體而言，與剛計算的先前能量比相比較。那麼，控制器被編程以基於該能量比且更具體而言基於在當前能量比與先前能量比之間的比較來調整操作參數，諸如膨脹閥22的開口，壓縮機14的壓縮機速度和風機36、40的風機速度。具體而言，該控制器50被編程以調整這些操作參數來優化能量平衡，即，達到跨臨界蒸氣壓縮系統10的所需效率。該控制器50被編程以重複上述步驟以基於在當前能量比與先前能量比之間的差來連續調整操作參數(如上文所述)以便維持系統10的效率。因此，除了別的以外，本發明提供一種跨臨界蒸氣壓縮系統和其控制器，該控制器被編程以基於跨越蒸發器和壓縮機的能量比來調整系統的操作參數。本發明的各種特徵和優點在權利要求中陳述。
權利要求
1.一種跨臨界蒸氣壓縮系統，包括 壓縮機，其壓縮製冷劑；第一熱交換器，其用於冷卻所述製冷劑； 膨脹裝置，其用於降低所述製冷劑的壓力； 第二熱交換器，其用於將熱吸到所述製冷劑內；以及控制器，其被編程以計算跨越所述第二熱交換器的第一能量差和跨越所述壓縮機的第二能量差；通過將所述第一能量差除以所述第二能量差來計算能量比；比較所述能量比與先前計算的能量比；以及，基於所述能量比相對於先前計算的能量比的比較來調整所述系統的操作參數。
2.根據權利要求1所述的跨臨界蒸氣壓縮系統，其特徵在於還包括 第一風機，其用於在所述第一熱交換器上導向第一流體；以及第二風機，其用於在所述第二熱交換器上導向第二流體；其中所述控制器被編程以基於所述能量比相對於所述先前計算的能量比的比較來調整下列中的至少一個第一風機的速度，第二風機的速度，壓縮機的速度，以及膨脹裝置的開口。
3.根據權利要求1所述的跨臨界蒸氣壓縮系統，其特徵在於還包括第一溫度傳感器和第一壓力傳感器，其位於所述壓縮機的入口附近以分別測量溫度和壓力；第二溫度傳感器和第二壓力傳感器，其位於所述壓縮機的出口附近以分別測量溫度和壓力；第三溫度傳感器，其位於所述第二熱交換器的入口附近以測量溫度； 第四溫度傳感器，其位於所述第二熱交換器的出口附近以測量溫度； 第三壓力傳感器，其位於所述第二熱交換器的入口和出口之一附近以測量壓力。
4.根據權利要求3所述的跨臨界蒸氣壓縮系統，其中所述控制器被編程以基於所述溫度和壓力的測量來計算所述壓縮機的入口、所述壓縮機的出口、所述第二熱交換器的入口和所述第二熱交換器的出口附近的製冷劑的內部能量。
5.根據權利要求4所述的跨臨界蒸氣壓縮系統，其中所述控制器被編程以通過從所述第二熱交換器的出口附近的製冷劑的內部能量減去所述第二熱交換器的入口附近的製冷劑的內部能量來計算第一能量差，且其中所述控制器被編程以通過從所述壓縮機的出口附近的製冷劑的內部能量減去所述壓縮機的入口附近的製冷劑的內部能量來計算第二能量差。
6.一種控制跨臨界蒸氣壓縮系統的方法，所述方法包括 提供壓縮機，其用於壓縮製冷劑；提供第一熱交換器，其用於冷卻所述製冷劑； 提供膨脹裝置，用於降低所述製冷劑的壓力； 提供第二熱交換器，其用於將熱吸到所述製冷劑內； 計算跨越所述第二熱交換器的第一能量差； 計算跨越所述壓縮機的第二能量差； 通過將第一能量差除以第二能量差來計算能量比；比較所述能量比與先前計算的能量比；以及基於所述能量比相對於先前計算的能量比的比較來調整所述系統的操作參數。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於還包括提供第一風機，其用於在所述第一熱交換器上導向第一流體； 提供第二風機，其用於在所述第二熱交換器上導向第二流體； 基於所述能量比相對於所述先前計算的能量比的比較來調整下列中的至少一個第一風機的速度，第二風機的速度，壓縮機的速度以及膨脹裝置的開口。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於還包括 測量所述壓縮機的入口附近的溫度和壓力； 測量所述壓縮機的出口附近的溫度和壓力； 測量所述第二熱交換器的入口附近的溫度； 測量所述第二熱交換器的出口附近的溫度；測量所述第二熱交換器的入口和出口之一附近的壓力。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於還包括基於所述溫度和壓力的測量來計算所述壓縮機的入口、所述壓縮機的出口、所述第二熱交換器的入口和所述第二熱交換器的出口附近的製冷劑的內部能量。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於還包括通過從所述蒸發器的出口附近的製冷劑的內部能量減去所述蒸發器的入口附近的製冷劑的內部能量來計算第一能量差，並且通過從所述壓縮機的出口附近的製冷劑的內部能量減去所述壓縮機的入口附近的製冷劑的內部能量來計算所述第二能量差。
11.一種跨臨界蒸氣壓縮系統，包括 壓縮機，其用於壓縮製冷劑；第一熱交換器，其用於冷卻所述製冷劑； 膨脹裝置，其用於降低所述製冷劑的壓力； 第二熱交換器，其用於將熱吸到所述製冷劑內； 第一風機，其用於在所述第一熱交換器上導向第一流體； 第二風機，其用於在所述第二熱交換器上導向第二流體；第一溫度傳感器和第一壓力傳感器，其位於壓縮機的入口附近以分別測量溫度和壓力；第二溫度傳感器和第二壓力傳感器，其位於所述壓縮機的出口附近以分別測量溫度和壓力；第三溫度傳感器，其位於所述第二熱交換器的入口附近以測量溫度； 第四溫度傳感器，其位於所述第二熱交換器的出口附近以測量溫度； 第三壓力傳感器，其位於所述第二熱交換器的入口和出口之一附近以測量壓力；以及控制器，其被編程以基於所述溫度和壓力的測量來計算所述壓縮機的入口、所述壓縮機的出口、所述第二熱交換器的入口和所述第二熱交換器的出口附近的製冷劑的內部能量；通過從所述第二熱交換器的出口附近的製冷劑的內部能量減去所述第二熱交換器的入口附近的製冷劑的內部能量來計算第一能量差；通過從所述壓縮機的出口附近的製冷劑的內部能量減去所述壓縮機的入口附近的製冷劑的內部能量來計算第二能量差；通過將所述第一能量差除以所述第二能量差來計算能量比；比較所述能量比與先前計算的能量比；以及，基於所述能量比相對於先前計算的能量比的比較來調整下列中的至少一個第一風機的速度，第二風機的速度，壓縮機的速度，以及膨脹裝置的開口。
全文摘要
本發明公開了跨臨界蒸氣壓縮系統的控制。一種跨臨界蒸氣壓縮系統包括壓縮機，其用於壓縮製冷劑；第一熱交換器，其用於冷卻該製冷劑；膨脹裝置，其用於降低製冷劑的壓力；第二熱交換器，其用於將熱吸到製冷劑內；以及，控制器，其被編程以計算跨越第二熱交換器的第一能量差和跨越壓縮機的第二能量差；通過將第一能量差除以第二能量差來計算能量比；比較該能量比與先前計算的能量比；以及，基於該能量比相對於先前計算的能量比的比較來調整該系統的操作參數。
文檔編號F25B1/00GK102434991SQ20111028333
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月22日 優先權日2010年9月23日
發明者科佩卡 M., 科爾達 M., 赫加 M., 拉特馬耶 V. 申請人:熱之王公司