專利名稱：跨臨界制冷系統(tǒng)的高側(cè)壓力控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及運(yùn)輸制冷系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于優(yōu)化具有大范圍蒸發(fā)壓力的(X)2蒸氣壓縮系統(tǒng)中的系統(tǒng)高側(cè)壓力的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
以(X)2作為制冷劑的蒸氣壓縮系統(tǒng)的操作的特征在于(X)2的處于大約31 °C的低臨界溫度。在許多操作條件下，CO2的臨界溫度低于熱沉的溫度，這導(dǎo)致蒸氣壓縮系統(tǒng)的跨臨界操作。在跨臨界操作中，在高于臨界壓力的壓力時(shí)發(fā)生排熱，并且在低于臨界壓力的壓力時(shí)發(fā)生吸熱。該操作模式的最重要的結(jié)果是排熱過(guò)程期間的壓力和溫度不被相變過(guò)程聯(lián)系。這與常規(guī)蒸氣壓縮系統(tǒng)明顯不同，在常規(guī)蒸氣壓縮系統(tǒng)中，冷凝壓力關(guān)聯(lián)到冷凝溫度， 而冷凝溫度由熱沉溫度確定。在跨臨界蒸氣壓縮系統(tǒng)中，排熱期間的制冷劑壓力可獨(dú)立于熱沉溫度而被自由地選擇。然而，假設(shè)一組邊界條件(熱沉和源的溫度、壓縮機(jī)性能、換熱器尺寸以及管線壓降)，存在第一“優(yōu)化”排熱壓力，系統(tǒng)的能量效率在該第一“優(yōu)化”排熱壓力時(shí)達(dá)到其對(duì)于該組邊界條件而言的最大值。還存在第二“優(yōu)化”排熱壓力，系統(tǒng)的冷卻容量在該第二“優(yōu)化”排熱壓力時(shí)達(dá)到其對(duì)于該組邊界條件而言的最大值。所存在的這些優(yōu)化壓力已經(jīng)記載在公開(kāi)文獻(xiàn)中。例如，美國(guó)專利6568199和7000413中可得到最大能量效率， 美國(guó)專利7051M2中可得到最大加熱容量，所有這些文獻(xiàn)都轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。假設(shè)一組邊界條件(熱源溫度、壓縮機(jī)性能、換熱器尺寸以及管線壓降)，優(yōu)化排熱壓力的值主要取決于熱沉的溫度。CO2系統(tǒng)的常規(guī)控制方案采用處于排熱換熱器出口處的制冷劑溫度或者熱沉溫度或者這些溫度的任何指示來(lái)作為控制輸入，以控制排熱過(guò)程。然而，在設(shè)計(jì)用于覆蓋大范圍熱源溫度(例如-20 F至57 F)的作業(yè)范圍(operating envelope)的系統(tǒng)中，例如運(yùn)輸制冷單元，將優(yōu)化高側(cè)壓力僅關(guān)聯(lián)到熱沉溫度可能是不夠的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在具有相對(duì)大范圍熱源溫度的系統(tǒng)中，對(duì)于CO2蒸氣壓縮系統(tǒng)中的系統(tǒng)高側(cè)壓力的控制不僅取決于高壓力側(cè)(即，冷卻器中)上的制冷劑的條件，而且取決于低壓力側(cè)(即，蒸發(fā)器處)上的制冷劑的條件。通過(guò)本發(fā)明的另一方面，除了在冷卻器處感測(cè)溫度條件之外，還可以以各種組合方式來(lái)使用蒸發(fā)器處的各種感測(cè)壓力或溫度，以確定優(yōu)化的系統(tǒng)高側(cè)壓力。雖然已經(jīng)參照如附圖所示的優(yōu)選模式具體示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解在不偏離本發(fā)明如權(quán)利要求限定的精神和范圍的情況下，可在本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)各種細(xì)節(jié)上的變化。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例并入跨臨界制冷系統(tǒng)中的示意圖。
圖2是其另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。圖3是其又一個(gè)實(shí)施例的示意圖。圖4是本發(fā)明的過(guò)程的方框圖示。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參見(jiàn)圖1-3，本文將結(jié)合用于運(yùn)輸易腐物品的制冷集裝箱、拖車或卡車的溫度受控貨物空間11的制冷來(lái)描述制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)10。然而應(yīng)當(dāng)理解，這種系統(tǒng)也可結(jié)合制冷空氣使用以便供應(yīng)到制冷的顯示售賣機(jī)或與超市、便利店、餐廳或其他商業(yè)機(jī)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的冷氣室，或者用于調(diào)節(jié)被供應(yīng)到住宅、辦公建筑、醫(yī)院、學(xué)校、餐廳或其他設(shè)施的氣候受控舒適區(qū)域的空氣。制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)10包括壓縮裝置12、通過(guò)稱為冷凝器或氣體冷卻器13的制冷劑排熱換熱器、膨脹裝置14以及制冷劑吸熱換熱器或蒸發(fā)器16，所有這些都以閉環(huán)、串聯(lián)制冷劑流動(dòng)布置相連。主要出于環(huán)境的原因，“天然”制冷劑，二氧化碳，被用作蒸氣壓縮系統(tǒng)10中的制冷劑。由于二氧化碳具有低臨界溫度，所以蒸氣壓縮系統(tǒng)10被設(shè)計(jì)成用于在跨臨界壓力體系中操作。也就是說(shuō)，運(yùn)輸制冷蒸氣壓縮系統(tǒng)所具有的空氣冷卻的制冷劑排熱換熱器在外界空氣溫度超過(guò)二氧化碳臨界溫度31. 1 V (88 °F)的環(huán)境中操作，該運(yùn)輸制冷蒸氣壓縮系統(tǒng)必須操作于超過(guò)二氧化碳臨界壓力7.38 MPa (1070 psia)的壓縮機(jī)排放壓力，并且因此將以跨臨界循環(huán)操作。因此，排熱換熱器13操作成氣體冷卻器而非冷凝器，并且操作于超過(guò)制冷劑臨界點(diǎn)的溫度和壓力，而蒸發(fā)器16操作于亞臨界范圍內(nèi)的制冷劑溫度和壓力。重要的是調(diào)節(jié)跨臨界蒸氣壓縮系統(tǒng)的高側(cè)壓力，因?yàn)楦邆?cè)壓力對(duì)于系統(tǒng)的容量和效率有很大影響。因此，本系統(tǒng)包括蒸氣壓縮系統(tǒng)10中的各種傳感器，以感測(cè)各種位置處的制冷劑的條件并隨后控制系統(tǒng)以獲得期望的高側(cè)壓力，從而獲得增大的容量和效率。如圖1的實(shí)施例所示，傳感器S1A2和&被提供以感測(cè)蒸氣壓縮系統(tǒng)10中的各種位置處的制冷劑的條件，所感測(cè)的值然后被送至控制器17以便確定理想高側(cè)空氣壓力，將其與實(shí)際感測(cè)的高側(cè)壓力進(jìn)行比較，并且采取適當(dāng)?shù)拇胧┮越档突蛳鼈冎g的差異。 傳感器S1感測(cè)冷凝器13的出口溫度Τω并且向控制器17傳送代表性信號(hào)。傳感器S2感測(cè)蒸發(fā)器出口壓力Pto并且向控制器17傳送代表性信號(hào)。從這兩個(gè)值，控制器17從查找表或者從等式/函數(shù)P1ZfCTsi, Ps2)獲得理想高側(cè)壓力。與此同時(shí)，傳感器感測(cè)實(shí)際排放或高側(cè)壓力Ps并且將其傳送給控制器17?？刂破?7然后將理想壓力P1與感測(cè)的壓力Ps進(jìn)行比較并調(diào)整膨脹裝置14使得這兩個(gè)值之間的差異減小。簡(jiǎn)單而言，如果感測(cè)的壓力己低于理想壓力P1，則膨脹裝置14被移動(dòng)朝向關(guān)閉位置，并且如果感測(cè)的壓力Ps高于理想壓力 P1,則其被移動(dòng)朝向打開(kāi)位置?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖2，示出了替代實(shí)施例，其中，以與圖1實(shí)施例相同的方式獲得S1和& 值，但是、傳感器被放置在蒸發(fā)器的入口處，并且獲得蒸發(fā)器入口壓力I3ei或蒸發(fā)器入口溫度Tei的值。如果感測(cè)到蒸發(fā)器入口壓力Pei，則該值被送至控制器17，并且從不同于圖1實(shí)施例的查找表獲得理想高側(cè)壓力。然后，以與上文關(guān)于圖1實(shí)施例描述的相同方式來(lái)進(jìn)行后續(xù)步驟。如果感測(cè)的、感測(cè)蒸發(fā)器入口溫度Tei，則該值被送至控制器17，控制器17然后進(jìn)入查找表以尋找對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器入口壓力I3ei,然后如上文描述地進(jìn)行剩余步驟。
圖3示出了一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例，其中，不是感測(cè)冷凝器出口溫度Τω，傳感器S5和 S6被提供以感測(cè)進(jìn)入冷凝器的冷卻空氣溫度Tet (即外界溫度)以及離開(kāi)冷凝器13的空氣的溫度Tu。然后，控制器17基于蒸發(fā)器出口壓力Pto和冷凝器進(jìn)入空氣溫度Tet或者基于 Peo和冷凝器空氣離開(kāi)溫度Tu來(lái)確定理想高側(cè)壓力P”然后，以與上文描述的相同方式來(lái)進(jìn)行后續(xù)步驟。圖4示出了各種傳感器和控制器17的功能方框圖。在方框18中，冷凝器出口溫度 Tco或者冷凝器空氣進(jìn)入溫度Tet，或者冷凝器空氣離開(kāi)溫度Tu被感測(cè)并傳送到控制器17。 在方框19中，蒸發(fā)器出口壓力Peq或者蒸發(fā)器入口壓力Pei或者蒸發(fā)器入口溫度Tei被感測(cè)并傳送至控制器17。在方框21中，控制器17通過(guò)使用上述值中的兩個(gè)來(lái)確定理想高側(cè)壓力Pp與此同時(shí)，在方框22中，壓縮機(jī)排放壓力或高側(cè)壓力Ps被感測(cè)并傳送至控制器17。 在方框23中，將感測(cè)的壓力Ps與理想高側(cè)壓力P1進(jìn)行比較，并將差異傳送到方框?qū)?，其響?yīng)性地以上文所述方式調(diào)整膨脹裝置14。雖然已經(jīng)參照如附圖所示的優(yōu)選模式具體示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解在不偏離本發(fā)明如權(quán)利要求限定的精神和范圍的情況下，可在本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)各種細(xì)節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種跨臨界蒸氣壓縮系統(tǒng)，包括 壓縮裝置，以將制冷劑壓縮機(jī)到高壓力；冷凝器，用于接收處于冷凝器入口溫度的制冷劑并且排放處于較低制冷劑出口溫度的制冷劑并且用于接收處于進(jìn)入溫度的冷卻流體并且排放處于較高離開(kāi)溫度的所述流體； 膨脹裝置，用于將所述制冷劑降低到較低壓力；受熱換熱器，用于加熱和蒸發(fā)所述制冷劑，所述制冷劑以入口壓力進(jìn)入所述受熱換熱器并且以出口壓力離開(kāi)所述受熱換熱器；和控制器，以基于所述溫度之一與所述壓力之一或指示其的感測(cè)條件的組合來(lái)確定所述制冷劑的期望高壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述溫度選自由所述冷凝器出口溫度、所述冷凝器空氣進(jìn)入溫度和所述冷凝器空氣離開(kāi)溫度組成的組，并且所述壓力選自由所述蒸發(fā)器入口壓力和所述蒸發(fā)器出口壓力或指示其的感測(cè)條件組成的組。
3.—種在(X)2蒸氣壓縮系統(tǒng)中優(yōu)化系統(tǒng)高側(cè)壓力的方法，包括步驟 將制冷劑壓縮到高壓力；通過(guò)將所述制冷劑中的熱送交至熱沉中流動(dòng)的冷卻流體而冷卻所述制冷劑； 將所述制冷劑膨脹到低壓力； 蒸發(fā)所述制冷劑；在冷卻所述制冷劑之前或之后，測(cè)量指示所述制冷劑或所述冷卻流體的入口或出口溫度的特性；在蒸發(fā)所述制冷劑之前或之后，測(cè)量指示入口或出口壓力的特性； 基于所述溫度之一與所述壓力之一或指示其的感測(cè)條件的組合來(lái)確定所述制冷劑的期望高壓力；以及將所述高壓力調(diào)整到所述期望高壓力。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述溫度選自由所述冷凝器出口溫度、所述冷凝器空氣進(jìn)入溫度和所述冷凝器空氣離開(kāi)溫度組成的組，并且所述壓力選自由所述蒸發(fā)器入口壓力和所述蒸發(fā)器出口壓力或指示其的感測(cè)條件組成的組。
5.一種跨臨界制冷系統(tǒng)，包括 壓縮裝置，以將制冷劑壓縮到高壓力；排熱換熱器，用于通過(guò)向冷卻流體送交熱而冷卻所述制冷劑； 膨脹裝置，用于將所述制冷劑降低到較低壓力； 受熱換熱器，用于蒸發(fā)所述制冷劑；溫度傳感器，用于感測(cè)離開(kāi)所述換熱器的制冷劑或者進(jìn)入或離開(kāi)所述換熱器的冷卻流體的溫度；傳感器，以感測(cè)指示處于所述受熱換熱器的入口或出口處的制冷劑的壓力的條件；和控制器，用于基于所述溫度之一和所述壓力之一來(lái)計(jì)算一值并且將所述值與存儲(chǔ)的預(yù)定值進(jìn)行比較以確定所述制冷系統(tǒng)的效率的狀態(tài)并且相應(yīng)地調(diào)整所述制冷系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述溫度選自由所述冷凝器出口溫度、所述冷凝器空氣進(jìn)入溫度和所述冷凝器空氣離開(kāi)溫度組成的組，并且所述壓力選自由所述蒸發(fā)器入口壓力和所述蒸發(fā)器出口壓力或指示其的感測(cè)條件組成的組。
7.一種優(yōu)化制冷系統(tǒng)的性能的方法，包括步驟 在壓縮機(jī)裝置中將所述制冷劑壓縮到高壓力；通過(guò)將熱送交至排熱換熱器的冷卻流體而冷卻所述制冷劑； 在膨脹裝置中將所述制冷劑膨脹到低壓力； 在受熱換熱器中蒸發(fā)所述制冷劑；在冷卻所述制冷劑之前或之后，感測(cè)制冷劑出口溫度或者冷卻流體入口或出口溫度； 剛好在蒸發(fā)所述制冷劑之前或之后，感測(cè)指示所述制冷劑的入口或出口壓力的條件； 基于所述溫度之一和所述壓力之一，計(jì)算表示所述系統(tǒng)操作條件的值； 將所述計(jì)算的值與預(yù)定存儲(chǔ)值進(jìn)行比較以確定所述系統(tǒng)的效率的狀態(tài)；以及相應(yīng)地調(diào)整所述制冷系統(tǒng)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述溫度選自由所述冷凝器出口溫度、所述冷凝器空氣進(jìn)入溫度和所述冷凝器空氣離開(kāi)溫度組成的組，并且所述壓力選自由所述蒸發(fā)器入口壓力和所述蒸發(fā)器出口壓力組成的組。
全文摘要
為了適應(yīng)具有覆蓋大范圍熱源溫度的作業(yè)范圍的跨臨界蒸氣壓縮系統(tǒng)，高側(cè)壓力被維持在通過(guò)不僅冷凝器處而且蒸發(fā)器處的操作條件而確定的水平?？刂破鞅惶峁┮皂憫?yīng)于在冷凝器和蒸發(fā)器處感測(cè)的制冷劑條件的各種組合來(lái)改變膨脹裝置，以便維持期望的高側(cè)壓力。
文檔編號(hào)F25B41/04GK102171520SQ200980138954
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月1日
發(fā)明者喬 H., 胡夫 H-J. 申請(qǐng)人:開(kāi)利公司