專利名稱：蒸汽壓縮啟動的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及蒸汽壓縮系統，并且更特別地，涉及一種控制蒸汽壓縮系統預熱過程的方法。
背景技術：
蒸汽壓縮系統經常用于熱泵中，例如，加熱和冷卻空氣、水或其他流體。最簡單的壓縮系統在亞臨界狀態下運行，其中蒸汽壓縮系統中的制冷劑處于液—氣混合狀態。然而為了對壓縮系統的控制提供額外的自由度，使用者可以選擇使用超臨界壓縮系統，該系統允許制冷劑達到超臨界蒸汽狀態。
如果超臨界蒸汽壓縮系統用作熱泵熱水器中的熱泵，那么熱水器在啟動時必須經歷一個預熱過程，以使熱泵達到穩定的狀態，在該狀態下，熱泵中的組件都處于其目標狀態。在預熱過程中，熱水器內會出現各種過火的情況，導致熱水器停機以試圖保護熱水器。而且，從膨脹閥和水泵傳出的信號會排列成不希望地降低熱水器的運行效率。采用超臨界蒸汽壓縮系統的熱泵可能特別容易停機，該停機是由于其額外的自由度的不適當啟動所導致。
希望提供一種方法，該方法使熱水器中的熱泵處于穩定的狀態，而不會導致各種過火的情況或導致能量效率降低的不正確的系統序列。
發明內容
本發明涉及一種控制熱泵熱水器系統啟動運行的方法，該方法防止由于疏忽造成的停機和/或低運行效率。在一個實施例中，所述的方法包括選擇將膨脹閥在啟動時開啟到期望的穩定狀態值附近，以盡早確保高系統容量，將水泵信號設定到高水平，以使循環效率最大化，并且對膨脹閥和水泵進行閉合環路控制，以通過將實際壓力與期望壓力進行比較的被控制的方式逐漸增大系統的壓力。一旦熱水器組件達到穩定的運行狀態，如果需要，閉合環路控制可以繼續維持穩定的狀態。
在啟動的過程中，通過對系統組件提供閉合環路控制，本發明確保系統組件達到其穩定的狀態而不會出現各種過火的情況或效率的損失。即使系統使用一般會導致系統不穩定的、提供額外自由度的超臨界蒸汽壓縮系統作為熱泵，上述方法也是有效的。
圖1是本發明實施例使用的蒸汽壓縮系統的典型圖；圖2是系統壓力和焓值之間關系實例的說明曲線圖；圖3是根據本發明方法的一實施例控制的熱泵熱水器的典型圖；圖4是描述本發明一個實施例方法的流程圖；和圖5是在系統啟動和預熱過程中系統壓力隨時間變化的實例的說明曲線圖。
具體實施例方式
圖1是可以使用本發明方法的一般蒸汽壓縮系統的典型圖。蒸汽壓縮系統經常用于熱泵中，例如，加熱和冷卻空氣、水或其他流體。如圖1所示，壓縮系統100包括將管道104內的氣態制冷劑壓縮到高壓的壓縮機102，該壓縮機因此加熱蒸汽。蒸汽接著流過第一熱交換器106，在那里蒸汽中的熱量釋放用于加熱流體，例如空氣或水。當壓縮蒸汽的熱量被流體吸收時，蒸汽冷卻。冷卻的蒸汽被送入膨脹閥108，以調節蒸汽的膨脹量。當蒸汽膨脹時，其明顯冷卻，當蒸汽流過第二熱交換器110時，其被用來冷卻另一種流體。當蒸汽返回壓縮機102時，循環繼續進行。因此，壓縮系統100可以加熱流過第一熱交換器106的流體并冷卻流過第二熱交換器110的流體。
僅僅為了圖解說明的目的，圖2用圖示意了蒸汽壓縮系統中壓力和焓值之間關系的一個實例。該圖表示由特殊壓力和焓值之間關系形成的邊界限定的液—氣拱頂112。如果壓縮系統以低于拱頂112的水平運行，作為亞臨界壓縮系統的情況，那么壓縮系統中的制冷劑保持液/氣混合物狀態。對于簡單的亞臨界蒸汽壓縮系統，整個壓縮循環在低于液—氣拱頂112的壓力和焓值范圍內運行。因此，壓力和溫度耦合在一起并且因此相互影響。
為了提供額外的自由度，壓縮系統100可以設計成超臨界蒸汽壓縮系統，該系統允許壓力和焓值移動到拱頂112以上，并且使壓縮系統100中的制冷劑達到超臨界蒸汽狀態。壓縮系統100中的壓力與溫度不再相互影響，以提供壓縮系統100內更大的操作彈性，并且這使系統經常達到比亞臨界系統更高的運行溫度。
如上所述，超臨界蒸汽壓縮系統可用作熱泵熱水器152中的熱泵150，該熱水器152如圖3中的典型形式所述。熱水器152具有水泵154，該水泵154使水通過熱水器152和水箱156循環。熱交換器106內的蒸發器風扇(圖中未示出)從空氣中提取熱量，并且將其導向至熱交換器110，因此熱交換器110可以更容易地從空氣中吸收熱量。控制器160控制熱水器152組件的運行，并且可以包括處理器162，該處理器例如通過壓力傳感器155監測整個熱水器系統的壓力以及壓縮機102、膨脹閥108和水泵154的運行狀態，來為整個熱泵150提供閉合環路的控制。
可以在系統中的多個點設置溫度傳感器164，例如在熱水出口166、冷水入口168和/或外界環境170。溫度傳感器164與控制器160連接，以提供更多的數據用于控制系統的運行。例如，控制器160中的處理器162可以使用熱水出口166和冷水入口168的溫度傳感器164，以確定是否改變由水泵154泵送的水容量，同時，外界環境170中的溫度傳感器164會告訴控制器160，對于熱交換器106來說，空氣中有多少能量可以用來加熱水。
為了確保熱水器152快速達到其運行狀態，熱水器152在啟動時經歷預熱過程，以將熱泵150處于穩定狀態，在該穩定狀態下膨脹閥108、水泵154和熱泵150都達到他們的目標狀態。如上所述，由于額外的自由度，采用超臨界蒸汽壓縮系統的熱泵對于不適當的啟動導致的停機特別敏感。例如，在預熱過程中，如果一時出現各種過火的情況(例如在任何熱水器組件中的超溫和/或超壓)，熱泵150內的所有組件都會不希望地停機，以試圖保護整個熱水器系統152。而且，從膨脹閥108和水泵154發出的信號可能會被排列成，不希望地使熱水器152在低性能系數(COP)的工作蒸汽壓縮循環下運行。
為了避免這些問題，本發明的方法旨在控制啟動和預熱過程，以使熱水器在熱泵中使用超臨界蒸汽壓縮系統。圖4是表示本發明一個實施例方法的流程圖。通常，該方法對熱泵組件施加相對嚴格的控制，以確保它們快速達到它們的穩定運行狀態，而不會遇到各種過火的情況或低COP值。
為了這么做，控制器160首先選擇將膨脹閥開啟到期望的穩定狀態附近的值(塊200)。該期望的穩定狀態值用于給定的環境條件(例如，環境空氣溫度、水溫度等等)，例如，可以通過經驗獲得或保存在表格中，其可以被控制器160引用。
接著，控制器160啟動壓縮機102、熱泵150和蒸發器風扇158(塊202)，并且將水泵信號設置到高水平，因此避免熱泵150的無效循環運行(塊204)。更特別地，高的水泵信號確保預熱循環中很早地通過熱水器系統152泵送大量的水，確保系統盡可能多地從環境空氣中提取能量以使循環效率最大化。
接著，控制器160進行膨脹閥108的閉合環路控制，因此控制器160可以更改以期望壓力和被測壓力為基礎的膨脹閥開度(塊206)。圖5是描述期望的預熱運行的說明性曲線圖，該運行與壓力傳感器155檢測的壓力有關。如圖5所示，在預熱時間256里，啟動250后，即使超臨界系統允許熱泵運行額外的自由度，熱泵150的壓力也會理想地逐漸升高，以保持熱泵150內的壓力穩定。系統中的閉合環路使控制器160在給定的時間，將壓力傳感器155檢測的壓力連續地與理想的系統壓力254進行比較，并且如果需要，調整膨脹閥108，以使實際系統壓力252的增加與理想系統壓力曲線254中的增加相匹配。這種連續的監測和調整防止熱水器系統152的壓力出現過火的情況并達到導致系統停機的水平。
控制器160也對水泵154進行閉合環路的控制，以允許水泵154在達到其穩定狀態(塊208)之前，根據運行的條件被控制。控制水泵154，使熱水出口112維持在給定的水溫；例如，如果在熱水出口166的溫度傳感器164顯示傳送的水太熱，那么水泵154會泵送更多的水通過系統100以降低水溫。類似地，如果在冷水入口168的溫度傳感器164比期望的冷，水泵154會泵送更少的水，以允許當水流過熱泵152時，給出更多的時間使水吸收更多的能量。
膨脹閥108和水泵154的閉合環路控制繼續進行，直到壓力傳感器155檢測到系統達到期望的穩定狀態運行壓力258(塊210)。在這一點，即使改變，例如，出現溫度和/或壓力的改變，控制器160仍然可以繼續對膨脹閥108和水泵154進行閉合環路控制，以允許系統繼續正常的穩定狀態運行258。
可以理解的是，本文描述的本發明實施例的多種變形可以在本發明的實踐中使用。下面的權利要求限定本發明的范圍，并且因此覆蓋這些權利要求和其等同物范圍內的方法和裝置。
權利要求
1.一種控制具有膨脹閥和水泵的熱泵熱水器系統的方法，包括開始啟動熱水器；在預熱過程中監測系統壓力；和以監測步驟的系統壓力為基礎控制膨脹閥和水泵中的至少一個。
2.如權利要求1所述的方法，其中，控制步驟包括對膨脹閥和水泵中的至少一個進行閉合環路控制。
3.如權利要求1所述的方法，其中，控制步驟包括通過下述步驟對膨脹閥進行閉合環路控制將系統壓力與理想的系統壓力進行比較；和調整膨脹閥，以使系統壓力和理想的系統壓力達成一致。
4.如權利要求3所述的方法，其中，在啟動的過程中，理想的系統壓力隨時間線性地增加。
5.如權利要求1所述的方法，還包括在系統達到穩定狀態后，繼續監測和控制的步驟。
6.如權利要求1所述的方法，其中，控制步驟包括對水泵進行閉合環路控制。
7.如權利要求6所述的方法，其中，以熱水出口溫度和冷水入口溫度中的至少一個為基礎，對水泵進行閉合環路控制。
8.如權利要求1所述的方法，其中，系統壓力允許熱泵中的制冷劑達到超臨界蒸汽狀態。
9.如權利要求1所述的方法，還包括測量環境空氣溫度，其中也以環境空氣溫度為基礎執行控制步驟。
10.如權利要求1所述的方法，還包括在開始步驟之后，將水泵信號設定到高水平。
11.一種熱水器系統，包括具有膨脹閥、水泵和壓力傳感器的熱泵；和可操作地連接到膨脹閥、水泵和壓力傳感器的控制器，其中，控制器以壓力傳感器檢測的壓力為基礎控制膨脹閥和水泵中的至少一個。
12.如權利要求11所述的熱水器系統，還包括具有熱水出口和冷水入口的水箱；和連接到熱水出口和冷水入口中至少一個的至少一個溫度傳感器，其中，控制器以所述至少一個溫度傳感器檢測的溫度為基礎控制水泵。
13.如權利要求11所述的熱水器系統，其中，熱泵是超臨界壓縮系統。
14.如權利要求11所述的熱水器系統，還包括用于測量環境空氣溫度的至少一個溫度傳感器，其中，控制器以環境空氣溫度為基礎控制膨脹閥和水泵中的至少一個。
15.如權利要求11所述的熱水器系統，其中，在啟動時，控制器將水泵信號設定到高水平。
全文摘要
一種在熱泵熱水器系統中控制啟動運行的方法，該方法通過系統的閉合環路控制來防止由于疏忽導致的停機和/或低運行效率。所述的方法包括選擇將膨脹閥在啟動時開啟到期望的穩定狀態值附近，以盡早確保高系統容量，將水泵信號設定到高水平，以在預熱過程中使循環效率最大化，并且對膨脹閥和水泵進行閉合環路控制，以使系統的壓力以被控制的方式增大直到系統達到穩定的運行狀態為止。即使將超臨界蒸汽壓力系統用作熱泵，所述的方法仍然可以提供穩定的啟動控制。
文檔編號F25B27/00GK1926390SQ200480037780
公開日2007年3月7日 申請日期2004年12月20日 優先權日2003年12月19日
發明者B·A·埃森霍維爾, J·康查 申請人:開利公司