專利名稱：跨臨界制冷劑循環(huán)中的壓力調(diào)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及一種在跨臨界模式下運(yùn)行，自由選擇排氣壓力的制冷劑循環(huán)。根據(jù)達(dá)到最大效率的系統(tǒng)條件來確定最佳的排氣壓力。
背景技術(shù)：
在各種應(yīng)用中，利用制冷劑循環(huán)來提供加熱或者制冷。通常，壓縮機(jī)壓縮制冷劑并傳送制冷劑到第一熱交換器，在第一熱交換器中，放出熱量給另一種流體。來自該第一熱交換器的制冷劑通過膨脹制冷劑的膨脹裝置。制冷劑然后通過第二熱交換器，在第二熱交換器中，制冷劑從另一種流體中吸收熱量。兩個(gè)熱交換器通常一個(gè)在室內(nèi)，一個(gè)在室外。利用制冷劑循環(huán)來對(duì)其中一個(gè)換熱器中的流體進(jìn)行加熱或者冷卻。
雖然制冷劑循環(huán)通常應(yīng)用在提供加熱、通風(fēng)或者空調(diào)(HVAC)中，但是還有其他的應(yīng)用。在一種非HVAC的應(yīng)用中，制冷劑循環(huán)用來將清潔水(例如，水龍頭、淋浴裝置等用水)加熱成熱水。本發(fā)明可擴(kuò)展到HVAC的應(yīng)用和其他非HVAC的應(yīng)用中。
在一種新式制冷系統(tǒng)中，制冷劑高于壓一焓曲線圖的臨界點(diǎn)運(yùn)行。一旦超過臨界點(diǎn)，制冷劑循環(huán)的設(shè)計(jì)者需要對(duì)制冷劑運(yùn)行壓力進(jìn)行更多的控制。而在一般的循環(huán)中，較少控制過壓，系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常指定運(yùn)行壓力。
在跨臨界系統(tǒng)中，各種制冷劑循環(huán)都需要控制壓力。但這些控制通常出于安全性考慮，例如，為了防止過壓。現(xiàn)有技術(shù)沒有在這種控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最大效率的運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明公開的實(shí)施例中，許多環(huán)境條件與最佳的壓縮機(jī)排氣壓力有關(guān)。因此，許多傳感器檢測(cè)環(huán)境條件，控制器根據(jù)檢測(cè)的環(huán)境條件來確定一個(gè)最佳的壓縮機(jī)排氣壓力。然后通過調(diào)節(jié)膨脹閥獲得最佳排氣壓力。
在優(yōu)選實(shí)施例中，環(huán)境條件包括根據(jù)制冷劑循環(huán)的需求和環(huán)境的溫度。此外，雖然制冷劑循環(huán)中負(fù)載的大小是已知的，但可能是影響期望的排氣壓力的另外一個(gè)變量。
在最優(yōu)選的環(huán)境中，利用本發(fā)明來提供熱水。用戶要求特定的水溫。在這個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)的環(huán)境條件有冷水溫度、需要的熱水溫度和環(huán)境溫度。
最佳壓縮機(jī)排氣壓力在綜合考慮各種環(huán)境條件基礎(chǔ)上獲得的。這些最佳排氣壓力最初通過實(shí)驗(yàn)確定，來提供最大效率的運(yùn)行，或者運(yùn)行的最大性能系數(shù)(COP)。
雖然控制器可以只能根據(jù)查詢表操作，確定最佳輸送壓力，但本發(fā)明公開了確認(rèn)最佳壓力的公式?？刂破鲀?yōu)選微處理器的控制器，控制器基于在幾個(gè)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上確定期望的壓縮機(jī)輸送排氣壓力。在制冷劑循環(huán)中，微處理器控制膨脹裝置來實(shí)現(xiàn)期望的壓縮機(jī)排氣壓力。檢測(cè)壓縮機(jī)排氣壓力，并通過調(diào)整膨脹閥來調(diào)節(jié)實(shí)際壓縮機(jī)排氣壓力，從而實(shí)現(xiàn)期望的壓縮機(jī)排氣壓力。也就述說，控制器中優(yōu)選結(jié)合反饋環(huán)。
優(yōu)選在期望的或者計(jì)算得到的排氣壓力上加把一個(gè)小補(bǔ)償量，從而獲得的調(diào)整偏差優(yōu)選加到期望的或者計(jì)算得到的輸送壓力來達(dá)到最終需要的壓力或者設(shè)定的點(diǎn)、壓力。這一小補(bǔ)償量的調(diào)整偏差加到計(jì)算的的輸送排氣壓力中以確保在特定的制冷系統(tǒng)中的熱量變化不能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的壓力低于先前計(jì)算的壓力。在特定的系統(tǒng)中，實(shí)際的壓力高于計(jì)算的最佳壓力比低于計(jì)算的最佳壓力更理想。因此，通過利采用這一小補(bǔ)償量的調(diào)整偏差，本發(fā)明確保實(shí)際運(yùn)行壓力總能達(dá)到等于或者高于特定制冷劑循環(huán)中的計(jì)算最佳設(shè)計(jì)壓力。
通過接下來的說明書以及附圖的描述，本發(fā)明上面介紹的特征以及其他特征會(huì)得到最好的理解。下面的說明書和附圖做簡(jiǎn)介的描述。


圖1是本發(fā)明包括的制冷劑循環(huán)的示意圖。
圖2是本發(fā)明中包括的步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1展示了包括傳遞壓縮制冷劑到第一熱交換器24的壓縮機(jī)22的一個(gè)制冷劑循環(huán)20。熱交換器24優(yōu)選是熱水供應(yīng)系統(tǒng)21的一部分，根據(jù)如圖所示的輸入端28的需求信號(hào)來指導(dǎo)制冷劑循環(huán)加熱水。一些需求信號(hào)，例如用戶通過調(diào)整混合閥來提供一個(gè)期望的熱水輸出溫度。另一個(gè)傳感器檢測(cè)26處聯(lián)合冷水供給器來檢測(cè)26處的進(jìn)水溫度。水供給器把冷卻水提供給換熱器24加熱。傳感器30提供一個(gè)環(huán)境溫度信號(hào)27。傳感器26，28和30的信號(hào)都提供給膨脹裝置32的控制器36。膨脹裝置32是一個(gè)可調(diào)節(jié)的膨脹裝置，其有一個(gè)可以開或閉的節(jié)流口能來改變制冷劑循環(huán)中的制冷劑狀況。特別的是，系統(tǒng)中用這種可調(diào)節(jié)的膨脹裝置來實(shí)現(xiàn)期望的輸送排氣壓力已經(jīng)是公知的。制冷劑從熱交換器24通過膨脹裝置32，然后進(jìn)入另一個(gè)熱交換器34。制冷劑從熱交換器34中返回到壓縮機(jī)22。
本發(fā)明將參考圖2的流程圖進(jìn)行描述。根據(jù)從傳感器26、28和30確定的一系列系統(tǒng)變量或者環(huán)境條件，也許通過知道制冷劑循環(huán)20的制冷劑的負(fù)載(典型的是給定的)，控制器能夠確定出一個(gè)期望的壓縮機(jī)排氣壓力。這一壓縮機(jī)排氣壓力可以根據(jù)特定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過實(shí)驗(yàn)確定，從而達(dá)到最佳的效率。除了效率以外的其他目標(biāo)可以通過選擇一個(gè)期望的排氣壓力來達(dá)到。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識(shí)到定義“最佳”壓力的各種因素。
雖然最佳排氣壓力可以通過試驗(yàn)確定并存儲(chǔ)到查詢表里，從而控制器可以檢測(cè)各種環(huán)境條件并選擇一個(gè)最佳的輸送排氣壓力，但申請(qǐng)人已經(jīng)獲得了選擇最佳壓力的公式，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)*OAT2+c(9)*OAT3+c(10)其中，P*表示最佳排氣壓力，P*根據(jù)EWT確定，EWT表示進(jìn)入泵的冷水溫度，LWT表示用戶需要的期望熱水溫度，OAT表示環(huán)境空氣的溫度。常量“c”通過試驗(yàn)獲得。利用試驗(yàn)獲得的常量來確定最佳壓力，在所披露的實(shí)施例中，試驗(yàn)獲得的常量能夠最大化整個(gè)系統(tǒng)的能效(COP)。因此，常量將隨著循環(huán)中具體的尺寸容量等而變化。
制冷劑循環(huán)20是最優(yōu)選的跨臨界(在汽-液相圖相線頂部以上)制冷劑循環(huán)。在該條件下，制冷劑循環(huán)能夠變化排氣壓力從而達(dá)到最佳的條件。最可取的是，通過應(yīng)用指定類型的制冷劑來得到跨臨界制冷劑循環(huán)。在一個(gè)普通的例子中，制冷劑可以是CO2。
如圖2所示，檢測(cè)幾個(gè)變量，控制器36根據(jù)該組變量來確定期望的制冷劑排氣壓力。最佳排氣壓力優(yōu)選根據(jù)上面公式計(jì)算。
本發(fā)明把一個(gè)補(bǔ)償量也加到了最初確定的最佳排氣壓力上。補(bǔ)償量確保制冷劑循環(huán)中的任何變化將不會(huì)引起實(shí)際的壓力低于特定制冷劑循環(huán)中期望值，或者計(jì)算壓力。實(shí)際的壓力高于確定的最佳設(shè)計(jì)壓力比低于確定的最佳設(shè)計(jì)壓力更理想。這樣，通過為期望壓力值增加補(bǔ)償量，更有可能確保達(dá)到的實(shí)際壓力將等于或者小于控制器36已經(jīng)確定的、將會(huì)是最佳的輸送壓力的值。
能夠?qū)е聦?shí)際壓力變化的因素包括，在制冷劑循環(huán)中使用的所有實(shí)際部件的制造誤差、環(huán)境條件中的變化，以及制冷劑循環(huán)使用時(shí)間超過期限產(chǎn)生的變化。提供補(bǔ)償量的目的是處理這些因素。
補(bǔ)償量的大小可以是期望的排氣壓力的1％到10％(或者大約10-200psig)。
然后控制膨脹閥32來控制壓縮機(jī)22排氣壓力。傳感器37檢測(cè)排氣壓力，并提供反饋給控制器36?？刂破?6因此繼續(xù)調(diào)整膨脹閥32來達(dá)到期望的排氣壓力(加上補(bǔ)償量)。當(dāng)然，可以在查詢表里面增加補(bǔ)償量，以至于增加補(bǔ)償量就不會(huì)是一個(gè)單獨(dú)的步驟。
多變量控制器中的本發(fā)明調(diào)節(jié)包括的特定方式已經(jīng)在與本申請(qǐng)同日提出一同待審的題目為“制冷劑循環(huán)的多變量控制器”的美國(guó)專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?0/793542)中所披露。此外，特定的非線性控制算法在公開的實(shí)施例中應(yīng)用，在與本申請(qǐng)同日提出一同待審的題目為“在蒸汽壓縮系統(tǒng)的非線性控制算法”的美國(guó)專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?0/793486)中所披露。
雖然已經(jīng)公開了本發(fā)明優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行改進(jìn)。因?yàn)檫@個(gè)原因，應(yīng)該研究下面的權(quán)利要求來確定本發(fā)明真正的范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)包括具有傳遞壓縮制冷劑到第一熱交換器的壓縮機(jī)的制冷劑循環(huán)，制冷劑從所述的第一熱交換器流到膨脹裝置，和從所述的膨脹裝置到第二熱交換器，制冷劑從所述的第二熱交換器返回到壓縮機(jī)，和用于所述的膨脹裝置的控制器，所述的控制器檢測(cè)至少一個(gè)環(huán)境條件，和根據(jù)所述的環(huán)境條件確認(rèn)期望的制冷劑條件，所述的控制器可操作地驅(qū)動(dòng)所述的膨脹裝置來實(shí)現(xiàn)所述的期望的制冷劑條件。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，檢測(cè)實(shí)際的制冷劑條件，并作為反饋提供給所述的控制器同所述的確認(rèn)的期望條件對(duì)比。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的至少一個(gè)環(huán)境條件包括要求的溫度，和環(huán)境溫度。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一熱交換器用來加熱水，所說的要求的溫度是一個(gè)期望的熱水的溫度。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的至少一個(gè)環(huán)境條件進(jìn)一步包括提供給所述第一熱交換器的冷水的溫度。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，補(bǔ)償量加到了所述的期望的制冷劑條件以達(dá)到要求的制冷劑條件。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的補(bǔ)償量的大小在期望的制冷劑條件的1％到10％之間。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的制冷劑條件是制冷劑排氣壓力。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的排氣壓力根據(jù)公式來選擇。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，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*表示最佳排氣壓力，EWT表示進(jìn)入泵的冷水溫度，LWT表示用戶需要的熱水溫度，OAT表示環(huán)境空氣的溫度，“c”是通過試驗(yàn)獲得的常量。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的制冷劑循環(huán)是跨臨界運(yùn)行。
12.運(yùn)行制冷劑循環(huán)的一種方法包括的步驟如下(1)提供一個(gè)制冷劑循環(huán)，制冷劑循環(huán)包括壓縮制冷劑和提供所述的制冷劑給第一熱交換器的壓縮機(jī)，制冷劑從所述的第一熱交換器傳送到膨脹裝置，和從所述的膨脹裝置到第二熱交換器；(2)檢測(cè)至少一個(gè)環(huán)境條件，和根據(jù)所述的檢測(cè)的變量來確定期望的制冷劑條件；以及(3)控制所述的膨脹裝置來變動(dòng)實(shí)際的制冷劑條件，從而使實(shí)際制冷劑條件趨近所述的期望的制冷劑條件。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述的第一熱交換器用來加熱水，和所述的至少一個(gè)環(huán)境條件包括一個(gè)期望的熱水溫度的要求。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，提供給所述的控制器的另一個(gè)環(huán)境條件的變量是被加熱的冷卻水的溫度。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述的期望的制冷劑條件是通過試驗(yàn)確定的，和一個(gè)補(bǔ)償量加到試驗(yàn)的期望制冷劑條件中來達(dá)到最終要求的期望的制冷劑條件。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述的制冷劑條件是所述的壓縮機(jī)下游的排氣壓力。
17.調(diào)節(jié)流體的一種系統(tǒng)包括制冷劑循環(huán)，具有傳遞壓縮制冷劑到第一熱交換器的壓縮機(jī)，制冷劑從所述的第一熱交換器流到膨脹裝置，和從所述的膨脹裝置到第二熱交換器，制冷機(jī)從所述的第二熱交換器返回到壓縮機(jī)；提供第二流體給所述的第一和第二熱交換器中的一個(gè)，和所述第二種流體要求的溫度的輸入值；和把所述的第二流體的所述的要求的溫度的所述輸入值提供給作為所述制冷劑循環(huán)中至少一個(gè)部件的控制器，所述的控制器檢測(cè)至少一個(gè)環(huán)境條件和根據(jù)所述的環(huán)境條件，和所述的要求的溫度確定期望的制冷劑條件，所述的控制器可操作地驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件來實(shí)現(xiàn)所述的期望的制冷劑條件。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述的制冷劑條件是排氣壓力。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述的系統(tǒng)部件是所述的膨脹裝置。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述待處理的流體是待加熱的水。
全文摘要
制冷劑循環(huán)裝配有膨脹裝置的控制器來實(shí)現(xiàn)期望的壓縮機(jī)輸送壓力。系統(tǒng)跨臨界運(yùn)行，使得提供的壓縮機(jī)的輸送壓力有更大的自由性。通過選擇最佳的輸送壓力使得系統(tǒng)的效率最佳化，根據(jù)檢測(cè)的環(huán)境條件來選擇最佳的輸送壓力，和調(diào)整膨脹裝置來達(dá)到期望的壓縮機(jī)輸送壓力。提供反饋循環(huán)來檢測(cè)實(shí)際壓縮機(jī)輸送壓力和通過進(jìn)一步調(diào)整膨脹裝置來調(diào)整實(shí)際的壓縮機(jī)輸送壓力。公開的系統(tǒng)根據(jù)特定熱水溫度的要求來提供熱水。更進(jìn)一步說，最佳的輸送壓力可以通過試驗(yàn)確定，一個(gè)調(diào)整偏差加到試驗(yàn)確定的數(shù)值以確保實(shí)際的壓力高于特定制冷劑循環(huán)的期望值，或者最佳壓力。在一個(gè)實(shí)施例中。用公式來確定最佳的輸送壓力。
文檔編號(hào)F25B41/00GK1926391SQ200580006599
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月4日
發(fā)明者J·康查, T·H·西內(nèi)爾, B·A·埃森霍韋爾, Y·陳 申請(qǐng)人:開利公司