專利名稱：通過最大化制熱能力來優化跨臨界蒸汽壓縮的制作方法
技術領域：
本發明總的說來涉及通過最大化系統的制熱能力來優化跨臨界蒸汽壓縮系統的系統和方法。
背景技術：
因為含氯的制冷劑具有破壞臭氧層的潛力，所以在世界的大部分地區已經被逐步停止使用。氫氟烴(HFCs)已經被用作替代的制冷劑，但是這些制冷劑仍然有很大的導致全球變暖的潛力。
已經有人提議用諸如二氧化碳和丙烷這樣的“天然”制冷劑來作為替代流體。在汽車空調系統和其它加熱和冷卻應用中可以采用二氧化碳作為制冷劑。二氧化碳具有較低的臨界點，這使得采用二氧化碳作為制冷劑的大多數空調系統在大部分情況下可以跨臨界運行，或者部分地高于臨界點運行。
在冬季，當戶外空氣溫度最低的時候，蒸汽壓縮系統必須能夠提供足夠的制熱能力來滿足負荷需要。對于給定的一系列運行工況來說，存在有使性能系數最大的一個高壓側壓力值。對于同一系列運行工況而言，一個不同于上述壓力值的高壓側壓力值使制熱能力達到最大。通常選擇高壓側壓力優化性能系數。當將系統的高壓側壓力設定為低于使性能系數最優的的高壓側壓力時，性能系數對高壓側壓力非常敏感。然而，當將系統高壓側壓力設定為高于最優的高壓側壓力時，性能系數對高壓側壓力就變得不敏感了。
在現有的蒸汽壓縮系統中，要在低溫環境狀況下達到足夠的制熱能力，蒸汽壓縮系統尺寸則過大。蒸汽壓縮系統尺寸過大的缺點是蒸汽壓縮系統昂貴，并且需要占用更多的空間。
因此，在本領域中需要提供一種既優化蒸汽壓縮系統的制熱能力，同時又克服現有技術的缺點的系統及其方法。
發明內容
一種跨臨界蒸汽壓縮系統包括壓縮機、氣體冷卻器和膨脹裝置。制冷劑通過封閉的循環管路循環。在一個例子中，二氧化碳為制冷劑。二氧化碳具有較低的臨界點，采用二氧化碳做制冷劑的系統通常跨臨界運行。在本發明中，通過控制蒸汽壓縮系統的高壓來優化該系統的制熱能力。
在一個系統樣例中，通過測量運行水泵所需的電流來確定蒸汽壓縮系統的最優制熱能力，所述水泵抽送水，使其通過氣體冷卻器，以吸收制冷劑攜帶的熱量。運行水泵所需要的電流越大，通過氣體冷卻器的水流速度就越快，氣體冷卻器中水和制冷劑之間的熱量交換就越多。也就是說，運行水泵需要的電流越大，系統的制熱能力就越大。在給定的高壓側壓力下，制熱能力是基于運行水泵需要的測量電流計算出來的。連續地調整系統的高壓側壓力，并獲得熱泵的電流讀數，直至得到最大的電流，因此也就得到最優的制熱能力。
在另外一個系統的樣例中，在幾個測量的系統規格參數的基礎上通過控制高壓側壓力，使蒸汽壓縮系統的制熱能力最大化。測量環境空氣溫度、氣體冷卻器的熱沉入口溫度和氣體冷卻器的熱沉出口溫度。然后控制器使測量的溫度與控制器內程序化的預定高壓側相關，所述控制器可以獲得給定運行工況下的最優制熱能力。在上述分析的基礎上，控制器通過調節膨脹裝置的節流孔來控制系統內的高壓側壓力，從而達到預定的最優制熱能力。
通過接下來的說明以及附圖，人們可以很好地理解本發明的上述特征以及其它特征。
通過下面對目前優選實施例的詳細描述，本發明的特點和優點對本領域的技術人員來說會變得非常清楚。實施例的附圖可以簡單地如下描述圖1示意性地表示了現有技術蒸汽壓縮系統的框圖；圖2示意性地示出了高壓側壓力與系統運行情況和系統制熱能量的關系曲線；圖3示意性地表示了蒸汽壓縮系統第一實施例的框圖；圖4示意性地表示了蒸汽壓縮系統第二實施例的框圖。
具體實施例方式
圖1表示蒸汽壓縮系統20的一個樣例。蒸汽壓縮系統20包括壓縮機22、散熱的熱交換器(跨臨界循環的氣體冷卻器)24、膨脹裝置26和吸熱的熱交換器(蒸發器)28。制冷劑通過封閉的環路系統20循環。
制冷劑在具有高壓和高焓的情況下離開壓縮機22。然后制冷劑高壓流過氣體冷卻器24。諸如水或者空氣這樣的流體介質30流過氣體冷卻器24的熱沉32，同流過氣體冷卻器24的制冷劑進行熱交換。在氣體冷卻器24中，制冷劑把熱量傳遞給流體介質30，并且制冷劑在低焓和高壓的情況下離開氣體冷卻器24。水泵34抽送流體介質，使其通過熱沉32。冷卻的流體介質30從熱沉入口或者回程處36進入熱沉32，流動方向同制冷劑的流動方向相反或者交叉。同制冷劑進行熱交換后，被加熱的水38在熱沉出口或者補給處40離開熱沉30。
然后，制冷劑通過用來控制制冷劑壓力的膨脹裝置26。該膨脹裝置26可以是電膨脹閥(EXV)或者其它已知類型的膨脹閥。
在通過膨脹閥以后，制冷劑流過蒸發器28的通道70，并在具有高焓低壓的情況下離開。在蒸發器28中，制冷劑從熱流體介質44吸熱，加熱制冷劑。在一個樣例中，熱流體介質44是戶外的空氣。熱流體介質44流過熱沉46，與經過蒸發器28的制冷劑以已知的方式進行熱交換。熱流體介質44從熱沉入口或者回程處48進入熱沉46，流動方向同制冷劑的流動方向相反或者交叉。在與制冷劑進行熱量交換后，冷卻的流體介質50通過熱沉出口或者補給處52離開熱沉46。當制冷劑流過蒸發器28時，熱流體介質44和蒸發器28中制冷劑之間的溫差使得熱量從熱流體介質44傳遞給制冷劑。風扇54使熱流體介質44流動穿過蒸發器28，保持溫差并使制冷劑蒸發。然后制冷劑再次進入壓縮機22完成循環。
系統20把熱量從低溫的能量儲存器(周圍的空氣)傳遞給高溫的能量源(加熱的熱水)。能量的傳遞也是借助于在壓縮器22處輸入的電能實現的。
系統20也可以包括蓄液槽56。蓄液槽56存儲來自系統20過量的制冷劑。
在一個實施例中，采用二氧化碳做制冷劑。雖然說明采用二氧化碳做制冷劑，但也可以采用其它制冷劑。因為二氧化碳有較低的臨界點，所以利用二氧化碳做制冷劑的系統通常跨臨界運行。
蒸汽壓縮系統20的制熱能力定義為系統20加熱流過氣體冷卻器24并從流過氣體冷卻器24的制冷劑吸收熱量的水30的能力。蒸汽壓縮系統20通常在較寬范圍的運行工況下運行。例如，戶外空氣44的溫度在冬季的負10和夏季的120之間變化，由此導致制冷劑離開蒸發器28的溫度在大約負20和90之間變化。因此，蒸汽壓縮系統20在夏季的制熱能力通常比其在冬季的高4-5倍，蒸汽壓縮系統20在夏季的制冷劑質量流速通常比冬季的高8-10倍。雖然蒸汽壓縮系統20的制熱能力隨著運行工況的變化而變化，蒸汽壓縮系統20需要的熱負荷并不隨著環境溫度的變化而變化。
圖2表示蒸汽壓縮系統20高壓側壓力與系統性能系數和系統制熱能力的關系。橫軸表示系統的高壓側壓力，縱軸表示系統的性能系數和其制熱能力，圖中示出了高壓側壓力與制熱能力的關系，圖中也示出了高壓側壓力與性能系數的關系。使系統性能系數達到最大的高壓側壓力如P1所示，使系統制熱能力達到最大的高壓側壓力如P2所示。
隨著高壓側壓力增加到P1，制熱能力和性能系數顯著增加。在P1處，性能系數達到最大值，隨著高壓側壓力從P1增加到P2，制熱能力連續的顯著增加，而性能系數則僅略微下降。在P2處，制熱能力達到最優值，但是性能系數僅僅微微下降。
在本發明中，當傳感器60(如圖3和圖4所示)檢測到流體介質44的溫度低于臨界值時，系統20在優化制熱能力的模式下運行。在一個實施例中，臨界溫度為32。
當傳感器60檢測到流體介質44的溫度高于臨界值時，系統20在正常的模式下運行。也就是說，系統20運行，使性能系數達到最優。當傳感器60檢測到流體介質44的溫度低于臨界值時，系統20在制熱能力的模式下運行。當在制熱能力模式下運行的時候，通過下述方式來優化制熱能力，所述方式為確定最佳的系統制熱能力壓力P2，測量系統實際的高壓側壓力PH，然后將系統實際的高壓側壓力PH調節為最佳的系統制熱能力壓力P2。
圖3示出了本發明的第一實施例。蒸汽壓縮系統20的最佳制熱能力是通過檢測運行水泵34所需要的電流來確定的。水泵34抽送冷卻水30，使其以一定的速度通過氣體冷卻器24。在氣體冷卻器24中，冷卻水30從離開壓縮機22的制冷劑吸收熱量，運行水泵34所需要的電流越高，水泵34抽送冷卻水30的速度越大，水30和氣體冷卻器24中的制冷劑之間的熱量交換就越大，制熱能力就越高。也就是說，系統的制熱能力隨著水泵34運行的電流的增大而增大。
控制器29控制著系統20。在給定的高壓側壓力下，可以基于測得的運行水泵34所需要的電流計算出制熱能力。控制器29儲存有計算好的一定高壓側壓力下的制熱能力數值。將計算出的制熱能力與系統制熱能力的存儲數值進行比較。系統20的高壓側壓力不斷地改變，直到運行水泵34的電流達到最大為止。當確定了最大電流時，相應的高壓側壓力就是使制熱能力達到最優壓力。系統20在這個高壓側壓力下運行以使能力最大化。
例如，高壓側壓力可以設定為1500psi。在這個高壓側壓力下，控制器29檢測出熱泵34正在使用10毫安的電流。然后調整高壓側壓力到1550psi，接著控制器29檢測出熱泵34正在使用10.5毫安的電流。然后將高壓側壓力調整至1600psi，接著控制器29檢測出熱泵34正在用10.2毫安的電流。在這個例子中，當系統在1550psi的高壓側壓力下運行時，熱泵34用電量最高。因此，在這個高壓側壓力下，系統20的制熱能力達到最優。
圖4表示本發明的第二個實施例。通過測量三個系統的規格參數來確定優化系統制熱能力的壓力P2。水入口溫度傳感器62檢測進入氣體冷卻器24的水30的入口溫度，水出口溫度傳感器64檢測離開氣體冷卻器24的水30的出口溫度，周圍的空氣溫度傳感器60檢測周圍空氣44的溫度。傳感器60，62，64檢測的三個溫度傳送給控制器29并由控制器29收集。
各種溫度下最優的高壓側壓力被編制成程序并存儲在控制器29內。最優的高壓側壓力是基于這些檢測的溫度確定的。或者作為替代方式，可以基于上述檢測溫度來確定膨脹裝置26節流孔的最優尺寸或者比例。或者作為替代方式，也可以基于檢測溫度確定膨脹閥26的控制電流。
然后控制實際系統的高壓側壓力PH達到最優的系統制熱能力的壓力P2。通過調整膨脹裝置26的節流孔58來控制實際系統的高壓側壓力。打開節流孔58增大制冷劑通過膨脹裝置26的流速，使更多質量的制冷劑離開系統的高壓側壓力部分，減小系統高測壓力部分的瞬時冷卻劑質量，并減小系統高壓側壓力PH。閉合節流孔減小流經膨脹裝置26的冷卻劑流速，造成低質量離開系統的高壓側壓力部分，增大系統高測壓力部分的瞬時冷卻劑質量，并增大系統的高壓側壓力PH。系統的高壓側壓力PH可以通過其它方式控制，本領域技術人員知道如何控制高壓側壓力。
前面的描述僅僅是本發明原理的典型代表。鑒于上面的教導可以對本發明做多種改進和變換。說明書已經公開了本發明最優選的實施例，然而，本領域技術人員可以認識到在本發明的范圍內可以進行某些修改。因此，應當知曉在在后的權利要求的范圍內，可以采用別的與具體描述的方式不同的方式來實施本發明。因為這個原因，應該研究下面的權利要求來確定本發明真正的范圍和內容。
權利要求
1.一種蒸汽壓縮系統制熱能力的優化方法，包括以下步驟a)檢測戶外流體介質的溫度；和b)當步驟a)確定所述溫度低于臨界值時，優化制熱能力。
2.按權利要求1所述的方法，還進一步包括確定最優制熱能力的壓力和將蒸汽壓縮系統高壓側壓力調整到最優制熱能力的壓力的步驟。
3.按權利要求2所述的方法，還進一步包括確定高壓側壓力的步驟。
4.按權利要求2所述的方法，還進一步包括確定最佳性能系數壓力的步驟，并且最優制熱能力的壓力大于最佳性能系數壓力，以及調整高壓側壓力的步驟進一步包括將高壓側壓力調整到大于最佳性能系數壓力并小于最優的制熱能力壓力的數值。
5.按權利要求1所述的方法，還進一步包括將制冷劑壓縮到高壓狀態、冷卻制冷劑、在膨脹裝置內使制冷劑膨脹到低壓并使制冷劑蒸發的步驟，使制冷劑蒸發包括從戶外的流體介質中吸熱。
6.按權利要求5所述的方法，還進一步包括確定最優的制熱能力壓力和將蒸汽壓縮系統的高壓側壓力調整到最優的制熱能力壓力的步驟。
7.按權利要求6所述的方法，其中冷卻制冷劑的步驟進一步包括在制冷劑和通過抽吸裝置抽送的流體之間進行熱交換，該方法進一步包括檢測供應給抽吸裝置的電流和確定供應給抽吸裝置的最大電流的步驟，確定最優制熱能力壓力的步驟包括使供應給抽吸裝置的最大電流與最優的制熱能力壓力相關聯。
8.按權利要求6所述的方法，其中最優的制熱能力壓力是以至少一個測量的系統規格參數為基礎的。
9.按權利要求8所述的方法，其中至少一個測量的規格參數是周圍的溫度、流體進入散熱熱交換器的流體入口溫度、流體離開散熱熱交換器的流體出口溫度中的至少一個。
10.按權利要求9所述的方法，其中在控制裝置中使至少一個測量的系統規格參數和最優制熱能力的測量值在控制過程中相關聯。
11.按權利要求8所述的方法，其中該方法進一步包括在至少一個測量的系統規格參數的基礎上確定膨脹裝置節流孔的最優尺寸的步驟。
12.按權利要求11所述的方法，其中至少一個測量的規格參數是周圍的溫度、流體進入散熱熱交換器的流體入口溫度、流體離開散熱熱交換器的流體出口溫度中的至少一個。
13.按權利要求8所述的方法，其中該方法進一步包括在至少一個測量的系統規格參數的基礎上確定膨脹裝置的最優控制電流的步驟。
14.按權利要求13所述的方法，其中至少一個測量的規格參數是周圍的溫度、流體進入散熱熱交換器的流體入口溫度、流體離開散熱熱交換器的流體出口溫度中的至少一個。
15.按權利要求1所述的方法，其中制冷劑是二氧化碳。
全文摘要
一種蒸汽壓縮系統包括壓縮機、空氣體冷卻器、膨脹裝置和蒸發器。制冷劑通過該系統循環。選擇蒸汽壓縮系統的高壓側壓力來優化制熱能力。在一個例子中，通過確定與運行水泵所需要的最大電流相關的高壓側壓力來得到最優的高壓側壓力。在另一個例子中，測量進入氣體冷卻器和離開氣體冷卻器的水的實際溫度以及環境空氣的溫度，并同預先設定的數值進行比較，從而來確定最優的高壓側壓力。
文檔編號F25B30/02GK1902450SQ200480037783
公開日2007年1月24日 申請日期2004年12月13日 優先權日2003年12月17日
發明者Y·陳, T·H·西內爾, L·張 申請人:開利公司