用于控制亚临界和超临界模式下的蒸汽压缩系统的运行的方法 |
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| 申请号 | CN201280032978.5 | 申请日 | 2012-07-03 | 公开(公告)号 | CN103649651A | 公开(公告)日 | 2014-03-19 |
| 申请人 | 丹佛斯公司; | 发明人 | 简·普林斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于控制 蒸汽 压缩 系统(1)的运行的方法以及一种 蒸汽压 缩系统(1)。所述 蒸汽压缩 系统(1)包括沿着制冷剂在其中流动的制冷剂路径布置的压缩器(2)、排热换热器(3)、可控 阀 (4)、接收器(5)、至少一个膨胀装置和至少一个 蒸发 器 。所述蒸汽压缩系统(1)能够在亚临界控制机制以及以超临界控制机制运行。所述方法包括如下步骤：测量离开排热换热器的制冷剂的 温度 TGC；基于所测的温度TGC并且采用可用于亚临界控制机制以及超临界控制机制的计算公式计算压强基准PGC,Ref；以及，控制可控阀的打开程度，从而获取离开排热换热器的制冷剂的等于所计算的压强基准PGC,Ref的压强。由于计算公式可应用于亚临界控制机制以及超临界控制机制，因而仅需要一个计算公式，因而可以以非常简单的方式控制蒸汽压缩系统(1)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于控制蒸汽压缩系统(1)的运行的方法，所述蒸汽压缩系统(1)包括沿制冷剂在其中流动的制冷剂路径布置的压缩器(2)、排热换热器(3)、可控阀(4)、接收器(5)、至少一个膨胀装置和至少一个蒸发器，所述蒸汽压缩系统(1)能够以亚临界控制机制以及超临界控制机制运行，所述方法包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 用于控制亚临界和超临界模式下的蒸汽压缩系统的运行的方法 技术领域[0001] 本发明涉及用于控制蒸汽压缩系统的方法。根据本发明的方法，蒸汽压缩系统可以以亚临界控制机制以及以超临界控制机制运行，仅采用一个用于计算压强基准的计算公式。本发明还涉及用于根据所述方法控制蒸汽压缩系统的控制系统，以及，包括这种控制系统的蒸汽压缩系统。 背景技术[0002] 一些蒸汽压缩系统，诸如制冷系统、热泵或者空调系统能够以亚临界控制机制以及以超临界控制机制运行。在蒸汽压缩系统中流动的制冷剂在压缩器中被压缩并且随后被供给至排热换热器。当蒸汽压缩系统在亚临界控制机制下运行时，排热换热器作为冷凝器运行，即，被压缩的制冷剂在经过排热换热器的同时被冷凝，并且因而离开排热换热器的制冷剂至少部分处于液态。另一方面，当蒸汽压缩系统以超临界控制机制操作时，排热换热器中不发生制冷剂的相转变。因此，在此情况中，排热换热器运行作为气体冷却器，并且离开排热换热器的制冷剂处于气态。 [0003] 通常地，一种控制策略被用于亚临界控制机制，而另一种不同的控制策略被用于超临界控制机制。这需要系统能够保持蒸汽压缩系统是否以亚临界或超临界机制运行的轨迹。而且，当蒸汽压缩系统在接近亚临界机制和超临界机制之间的转变点的区域中运行时必须小心。 [0004] WO2006/087005A1公开了一种用于控制间歇地超临界地运行的制冷回路。在亚临界模式，控制阀被控制成保持预定“亚临界压强”，该“亚临界压强”确保在排热换热器的出口处的液体制冷剂的预定过冷。在超临界模式中，控制阀被控制成保持预定“超临界压强”，该“超临界压强”被优化用于保持在排热换热器的出口处的超临界制冷剂的最优效率。在边界模式中，在邻近临界点的区域中，依赖于以预定的“亚临界压强”和“超临界压强”为基础确定的“连续性压强”控制控制阀。因此根据三个不同的控制策略控制制冷回路。 发明内容[0005] 本发明的实施例的一个目的在于提供一种用于控制蒸汽压缩系统的运行的方法，该方法允许在亚临界控制机制中以及在超临界控制机制中容易地控制蒸汽压缩系统。 [0006] 本发明的实施例的另一个目的在于提供一种用于控制蒸汽压缩系统运行的方法，该方法允许采用相同的控制公式在亚临界控制机制中以及在超临界控制机制中容易地控制蒸汽压缩系统。 [0007] 本发明的实施例的还一个目的在于提供一种用于控制蒸汽压缩系统运行的控制系统，该控制系统能够以容易的方式在亚临界控制机制中以及在超临界控制机制中容易地控制蒸汽压缩系统。 [0008] 本发明的实施例的又一个目的在于提供一种用于控制蒸汽压缩系统运行的控制系统，该控制系统能够使用相同的控制公式在亚临界控制机制中以及在超临界控制机制中控制蒸汽压缩系统。 [0009] 根据本发明的第一方面，本发明提供一种用于控制蒸汽压缩系统运行的方法，所述蒸汽压缩系统包括沿制冷剂在其中流动的制冷剂路径布置的压缩器、排热换热器、可控阀、接收器、至少一个膨胀装置和至少一个蒸发器，所述蒸汽压缩系统能够以亚临界控制机制以及超临界控制机制运行，所述方法包括如下步骤： [0010] 测量离开排热换热器(3)的制冷剂的温度TGC； [0011] 基于所测的温度TGC，和使用可应用于亚临界控制机制以及超临界控制机制的计算公式计算压强基准PGC,Ref；以及 [0012] 控制可控阀(4)的打开程度，从而获取离开排热换热器(3)的制冷剂的等于所计算的压强基准PGC,Ref的压强。 [0013] 在本文中，术语“蒸汽压缩系统”应该被解读成表示其中诸如制冷剂的流体媒质流循环并且被交替地压缩和膨胀，由此提供一容积的制冷或加热的任何系统。因此，蒸汽压缩系统可以是制冷系统、空调系统、热泵等。因此，蒸汽压缩系统包括沿着制冷剂路径布置的压缩器、排热换热器、诸如膨胀阀形式的至少一个膨胀装置、和至少一个蒸发器。根据本发明的第一方面的方法控制的蒸汽压缩系统还包括可控阀和接收器，可控阀布置在制冷剂路径中排热换热器和接收器之间。由此，可控阀的打开程度确定离开排热换热器的制冷剂的压强。在接收器处，制冷剂的液体部分可以与制冷剂的气态部分分开。在此情况下，制冷剂的液体部分被供给至蒸汽压缩系统的低压强侧，即被供给至膨胀装置，在膨胀装置中，它在进入蒸发器之前被膨胀，并且制冷剂的气态部分经由阀被直接供给至压缩机。可选地或者附加地，接收器可以设有换热器，该换热器确保制冷剂的气态部分在接收器中至少部分地被冷凝。被冷凝的制冷剂接着可以被供给至如上所述的制冷系统的低压强侧。 [0014] 蒸汽压缩系统能够在亚临界控制机制以及以超临界控制机制运行。当以亚临界控制机制运行时，制冷剂的运行循环使得，在经过排热换热器时，制冷剂经历相变，即，制冷剂至少部分地被冷凝。另一方面，当以超临界控制机制运行时，制冷剂的运行循环使得在制冷剂经过排热换热器时不发生相变，离开排热换热器的制冷剂因而基本上处于气相中。蒸汽压缩系统，以及在其中流动的制冷剂，是一种时而在亚临界控制机制中运行、时而在超临界控制机制中的类型。 [0016] 接下来，基于所测的温度TGC计算压强基准PGC,Ref。为此，使用可应用于亚临界控制机制以及超临界控制机制的计算公式。对两个控制机制使用相同的计算公式是有利的，因为由此不必知晓蒸汽压缩系统是否处于亚临界或超临界控制机制中。总是通过使用一个并且相同的计算公式完成压强基准的计算，因而控制蒸汽压缩系统非常简单。 [0017] 最后，控制可控阀的打开程度，从而获取离开排热换热器的制冷剂的压强，所述压强等于所计算的压强基准PGC,Ref。 [0018] 所述方法还可以包括测量离开排热换热器的制冷剂的压强PGC的步骤，并且，控制可控阀(4)的打开程度的步骤可以包括将所测的压强PGC与所计算的压强基准PGC,Ref进行比较。根据此实施例，根据反馈控制策略控制可控阀的打开程度。 [0019] 所述计算的步骤可以采用以下计算公式执行： [0020] [0021] 其中，PSat表示外推至超临界控制机制的亚临界控制机制中的饱和压强，ΔT是在亚临界控制机制中离开排热换热器的制冷剂的想要的过冷，T*是表示在亚临界控制机制和超临界控制机制之间的转变的转变温度，而α和β是常数。 [0022] 根据此实施例，可以以如下方式构建计算公式。初始地，在图中绘制出亚临界区域的饱和曲线，其中温度沿第一轴线而压强沿第二轴线。在制冷剂是共沸流体，即其中露点线（dew line）和泡沫线（bubble line）重合的流体的情况下，共同的露点线和泡沫线被选为饱和线。在制冷剂是非共沸液体（zeotropic）（即其中露点线与泡沫线区分开的液体）的情况下，泡沫线被选为饱和线。饱和线随后被外推到超临界区域。接下来，外推饱和线被朝向较低温度值侧偏移，即从曲线的每点减去恒定的温度值。可以以如下方式选择恒定的温度值，以使得它对应于当蒸汽压缩系统在亚临界区域中运行时离开排热换热器的制冷剂的想要的过冷。这确保以蒸汽压缩系统可以在亚临界区域中以想要的过冷运行。 [0023] 接下来，曲线的布置在超过转变温度T*的较高温度处的部分沿朝向较低温度的方向绕着转变点“摆动”或“转动”。由常数β确定曲线如何“转动”。可以以在每个情况下均符合相关优化标准的方式选择用于个体系统的常数β。因此，β应该不被看作全局常数，而是作为在特定情况下所选择的参数。对于给定蒸汽压缩系统β可以是常数，但是对于给定蒸汽压缩系统也可以周期性地变化，例如，根据重新获得或回收的热量。“转动”曲线确保了在超临界控制机制中也获得蒸汽压缩系统的优化控制。 [0024] 可以使得曲线的“转动”部分和曲线的“非转动”部分之间的转变是平滑的方式选择常数α，由此确保亚临界控制机制和超临界控制机制之间的平滑转变或过渡。 [0025] 计算的步骤还可以包括基于预选定的转变压强P*和想要的过冷ΔT得出转变温度T*的步骤。根据此实施例，选择想要的转变压强P*。P*可以有利地稍低于在蒸汽压缩系统中流动的制冷剂的临界压强。在制冷剂为CO2的情形中，转变压强P*可以有利地为约67巴。接着通过使用偏移后的曲线得出转变温度T*，作为与预选定的转变压强P*对应的温度。 [0026] 在类似的方式中，可以以如下方式选择常数β。选择表示压强和温度的合适的组合的在转变点之上的合适的点。接着，以使得曲线的“转动”部分经过所选择的点的方式选择或计算β。 [0027] 作为上述计算公式的一个备选方式，可以通过使用合适的拟合技术，例如应用诸如高阶多项式拟合的多项式拟合，计算压强基准。 [0028] 根据本发明的第二方面，本发明提供一种控制蒸汽压缩系统的运行的控制系统，所述控制系统能够执行根据本发明的第一方面的方法的方法步骤。 [0029] 根据本发明的第二方面，本发明提供一种蒸汽压缩系统，包括沿着制冷剂在其中流动的制冷剂路径布置的压缩器、排热换热器、可控阀、接收器、至少一个膨胀装置和至少一个蒸发器，所述蒸汽压缩系统还包括根据本发明的第二方面所述的控制系统。由于根据本发明的第二方面的控制系统能够执行根据本发明的第一方面的方法的方法步骤，所以根据本发明的第一方面的控制根据本发明的第三方面的蒸汽压缩系统。因而上面阐述的要点在此能够等同地适用。 [0030] 所述排热换热器可以被布置成当蒸汽压缩系统在亚临界控制机制下运行时作为冷凝器运行，并且所述排热换热器可以被布置成当蒸汽压缩系统在超临界控制机制下运行时作为气体冷却器运行。 [0031] 所述可控阀可以是膨胀阀。根据此实施例，从排热换热器经由可控阀流动至接收器的制冷剂被膨胀。 [0032] 所述蒸汽压缩系统可以是制冷系统、空调系统、热泵、或者任何其它适宜类型的蒸汽压缩系统。 [0033] 在制冷剂路径中流动的制冷剂是CO2。CO2通常被用在超临界蒸汽压缩系统或者能够在亚临界控制机制以及超临界控制机制中运行的蒸汽压缩系统中，并且因而非常适用于此目的。作为一个可选形式，可以采用任何其它合适的超临界制冷剂。附图说明 [0034] 现在参考附图更加详细地说明本发明，附图中： [0035] 图1是根据本发明的实施例的蒸汽压缩系统的一部分的示意图； [0036] 图2是显示根据本发明的实施例的控制方法的方框图； [0037] 图3显示展示根据本发明的实施例的方法中的压强基准的计算的三个曲线图；以及 [0038] 图4是压强-焓(log(p)-h)图，显示在根据本发明的实施例的蒸汽压缩系统的运行期间以及亚临界和超临界控制机制期间，制冷剂的压强和焓的各种变化。 具体实施方式[0039] 图1是根据本发明的实施例的蒸汽压缩系统1的一部分的示意图。蒸汽压缩系统1包括全部相互流体连接在制冷剂路径中的压缩器2、排热换热器3、可控阀4和接收器5。 可控阀4的打开程度确定离开排热换热器和进入可控阀4的制冷剂的压强。蒸汽压缩系统 1是能够以亚临界控制机制以及以超临界控制机制运行的类型。因此，在制冷剂路径中流动的制冷剂是适于在亚临界区域中以及在超临界区域中运行的类型。 [0040] 蒸汽压缩系统1还包括，例如膨胀阀形式的至少一个膨胀装置，和至少一个蒸发器。这些部件也布置在制冷剂路径中，但是没有在图1中显示。因此，在图1中仅显示蒸汽压缩系统1的高压强侧，并且应该注意的是，蒸汽压缩系统的包括膨胀装置和蒸发器的低压强侧可以以任何合适的方式设计。 [0041] 图1的蒸汽压缩系统1优选以以下方式运行。制冷剂在压缩器2中被压缩，并且被压缩后的制冷剂被供给至排热换热器3。在蒸汽压缩系统1以亚临界控制机制运行的情况下，排热换热器3作为冷凝器运行，即至少部分制冷剂在经过排热换热器3时经历相变。因此，在此情况下，离开排热换热器3的制冷剂至少部分地处于液相中。另一方面，在蒸汽压缩系统1以超临界控制机制运行的情况下，排热换热器3作为气体冷却器运行，即经过排热换热器3的制冷剂不会经历相变。因此，在此情况下，离开排热换热器3的制冷剂处于大体气相中。 [0042] 经由可控阀4，制冷剂进一步被传递至接收器5。在接收器5中，液态制冷剂与气态制冷剂分离。液态制冷剂被朝向蒸汽压缩系统1的低压强侧（未显示）传递。制冷剂的气态部分经由阀6被供给至压缩器2。从蒸汽压缩系统1的低压强侧回流的制冷剂也被供给至压缩器2。 [0043] 压强传感器7和温度传感器8布置在排热换热器3和可控阀4之间的制冷剂路径中。压强传感器7和温度传感器8分别测量在制冷剂路径的这部分中流动的制冷剂的压强和温度。基于通过使用温度传感器8测量的温度TGC计算压强基准PGC,Ref。这采用能够应用于亚临界控制机制以及超临界控制机制的计算公式完成。因此，不需要研究蒸汽压缩系统1是处于亚临界还是处于超临界控制机制以便能够执行该计算。 [0044] 通过使用压强传感器7测量的压强PGC被与压强基准PGC,Ref比较。基于该比较，可控阀4的打开程度被控制成以便获得测量的压强PGC等于计算的压强基准PGC,Ref，即，获得离开排热换热器3的制冷剂的想要的压强。 [0045] 图2是显示根据本发明的实施例的控制方法的框图。通过图2的框图显示的控制方法可以例如用作控制图1中的蒸汽压缩系统1。所测量的制冷剂温度T被提供至预定计算模块9。基于测量的温度T以及预定的计算公式，计算压强基准并将压强基准提供至比较器10。在比较器10中，计算的压强基准被与测量的制冷剂压强P比较。比较的结果被提供至比例积分(PI)控制器11，其继而提供用于可控阀的控制信号V。控制信号根据比例积分(PI)控制策略控制该阀的打开程度，并且从而获得等于计算的压强基准的测量的制冷剂压强。 [0046] 测量的制冷剂温度可以是例如通过使用图1的温度传感器8测量的温度TGC。类似地，测量的制冷剂压强可以是例如通过使用图1的压强传感器7测量的压强PGC。类似地，可控阀可以是图1的可控阀4。 [0047] 应该注意的是，即便图2中所示的控制器11是比例积分(PI)控制器，本领域技术人员会理解可选地能够使用其它合适类型的控制器。 [0048] 图3显示展示根据本发明的实施例的方法中的压强基准的计算的三个曲线图。所有三个曲线图显示压强作为温度的函数。 [0049] 在图3a中，制冷剂的饱和线在亚临界区域中（即，压强值和温度值在临界点下方处）显示为实线。饱和线被外推到超临界区域中（即，压强值和温度值在临界点上方处）。因此，图3a中所示的曲线12是外推饱和线。 [0050] 在图3b中，也显示图3a的外推饱和线12。而且，显示偏移后的饱和线13。偏移后的饱和线13仅是将外推饱和线12朝向较低温度（即平行于温度轴线的）偏移一个量ΔT。 [0051] 在图3c中，也显示图3a的外推饱和线12。而且，显示被操纵的偏移的线14。被操纵偏移的线14的达到温度T*和压强P*处的转变点的的下部与图3b中的偏移的饱和线13是一样的。转变点通过以使得转变温度T*和转变压强P*分别稍微低于临界温度和压强的方式选择。这确保蒸汽压缩系统在太靠近临界点的温度和压强处不运行。 [0052] 偏移的饱和线13的上部，即转变点以上的部分，已经沿朝向较低温度的方向上绕着转变点“摆动”或“转动”，从而获取被操纵的偏移的饱和线14。 [0053] 当将要基于所测量的温度计算压强基准时，求出根据被操纵的偏移的饱和线对应于测量的温度的压强值，如图3c中所示。此压强值为压强基准。 [0054] 图4是压强-焓(log(p)-h)图，显示在根据本发明的实施例的蒸汽压缩系统的运行期间以及亚临界和超临界控制机制期间，制冷剂的压强和焓的各种变化。 [0055] 在亚临界控制机制中，制冷剂在点15处以部分液相且部分汽相进入接收器。在点16处，蒸汽馏分经由阀被引导回到压缩器。在点24处，蒸汽馏分在被蒸发之前通常在膨胀装置中被进一步膨胀，并且，在点25处，此馏分作为过热蒸汽返回。在进入压缩机之前，在点17处，来自阀的其中可能带有少量液体的蒸汽以及正在进入的过热气体在没有压强交换的情况下被混合。 [0056] 从点17至点18，制冷剂在压缩机中被压缩。在此步骤的过程中压强以及焓提高。 [0057] 从点17至点18，制冷剂通过排热换热器。在此步骤的过程中焓降低，同时压强不变。由于制冷循环是在亚临界区域内，因此在此步骤期间制冷剂被冷凝，即制冷剂经历相变，并且离开排热换热器的制冷剂至少部分处于液相。虚线20表示计算公式，该计算公式在图3所示的过程中获得。可以看到，以离开排热换热器的制冷剂具有由计算公式给出的过冷的方式控制蒸汽压缩系统。 [0058] 从点19至点15，制冷剂在再次被供给至接收器之前在膨胀装置中被膨胀。在此步骤期间，焓不变，同时压强降低。 [0059] 在超临界控制机制中，制冷剂的液体部分从点24至点25通过膨胀装置和蒸发器，基本如上所述。从点17至点22，制冷剂在压缩机中被压缩。可以看到，与在亚临界控制机制的情形相比，在此步骤期间，焓以及压强增加更多。 [0060] 从点22至点23，制冷剂通过排热换热器。在此步骤期间，焓降低，同时压强保持不变。由于制冷循环是在超临界区域内，制冷剂在此步骤期间基本上保持气相，即排热换热器作为气体冷却器运行，并且离开排热换热器的制冷剂基本上处于气相中。可以看到，离开排热换热器的制冷剂的焓由虚线20确定，并且因而由用虚线20表示的计算公式限定。 [0061] 从点23至点21，制冷剂在再次被供给至接收器之前在膨胀装置中被膨胀。在此步骤的过程中，焓不变，同时压强降低。 [0062] 应该注意的是，在上述描述中任何时候所采用的术语“不变”，它应该被解读成覆盖焓或压强实质上不变的情形以及焓或压强大致不变的情形。 |
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