跨臨界制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)高側(cè)壓力控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開一般來說涉及制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)，且更明確地說涉及改善跨臨界制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)的能量效率和/或低制冷量操作。
[0002]發(fā)明背景
[0003]制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)是本領(lǐng)域中眾所周知的且通常用于調(diào)節(jié)將供應(yīng)給住宅、辦公樓、醫(yī)院、學(xué)校、餐館或其它設(shè)施內(nèi)的氣候受控舒適區(qū)的空氣。制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)還通常用于對(duì)供應(yīng)給陳列柜、柜臺(tái)、冷凍柜、冷庫或商業(yè)機(jī)構(gòu)中的其它易腐/冷凍產(chǎn)品儲(chǔ)藏區(qū)域的空氣制冷。制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)還通常在用于對(duì)供應(yīng)給用于由卡車、鐵路、船或通過聯(lián)合運(yùn)輸來運(yùn)輸易腐/冷凍物品的卡車、拖車、集裝箱或類似者的溫度受控載貨空間的空氣制冷的運(yùn)輸制冷系統(tǒng)中使用。
[0004]與運(yùn)輸制冷系統(tǒng)結(jié)合使用的制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)由于寬范圍的操作負(fù)載條件和寬范圍的室外環(huán)境條件而通常要經(jīng)歷更嚴(yán)苛的操作條件，制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)必須在所述寬范圍的操作負(fù)載條件和室外環(huán)境條件內(nèi)操作以使載貨空間內(nèi)的產(chǎn)品維持在所要溫度。貨物需要被控制于的所要溫度還可以取決于待保存的貨物的性質(zhì)而在寬范圍內(nèi)變化。制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)不僅必須具有足夠的容量來將裝載到處于環(huán)境溫度的載貨空間中的產(chǎn)品的溫度迅速拉低，而且還應(yīng)該在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)能量有效地操作，包括在運(yùn)輸期間維持穩(wěn)定產(chǎn)品溫度時(shí)按低制冷量操作。
[0005]典型制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)包括壓縮裝置、制冷劑排熱熱交換器、制冷劑吸熱熱交換器以及相對(duì)于制冷劑流安置于制冷劑吸熱熱交換器上游以及制冷劑排熱熱交換器下游的膨脹裝置。這些基本的制冷劑系統(tǒng)部件通過制冷劑管路互連成根據(jù)已知制冷劑蒸氣壓縮循環(huán)安排的閉合制冷劑回路。還已知可以將節(jié)熱器結(jié)合到制冷劑回路中，用于提高制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)的容量和能量效率。例如，可以將制冷劑對(duì)制冷劑熱交換器或閃蒸槽結(jié)合到制冷劑回路中作為節(jié)熱器。節(jié)熱器回路包括用于將制冷劑蒸氣從節(jié)熱器輸送到壓縮過程的中間壓力級(jí)中的蒸氣注射管路。
[0006]在傳統(tǒng)上，這些制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)中的大多數(shù)是在亞臨界制冷劑壓力下操作。在亞臨界范圍中操作的制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)通常充填有碳氟化合物制冷劑，例如但不限于氫氯氟烴(HCFC)如R22，且更通常為氫氟烴(HFC)如R134a、R410A、R404A和R407C。然而，人們對(duì)在制冷系統(tǒng)中用來替代HFC制冷劑的“天然”制冷劑(例如二氧化碳)展現(xiàn)出更大的興趣。因?yàn)槎趸季哂械团R界溫度，所以充填有二氧化碳作為制冷劑的大多數(shù)制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成按跨臨界壓力模式來操作。
[0007]在按亞臨界循環(huán)操作的制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)中，制冷劑排熱熱交換器(它在亞臨界循環(huán)中充當(dāng)冷凝器)與制冷劑吸熱熱交換器(它充當(dāng)蒸發(fā)器)在低于制冷劑的臨界點(diǎn)的制冷劑溫度和壓力下操作。然而，在按跨臨界循環(huán)操作的制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)中，制冷劑排熱熱交換器在超過制冷劑的臨界點(diǎn)的制冷劑溫度和壓力下(即，在超臨界范圍中)操作，而制冷劑吸熱熱交換器(即，蒸發(fā)器)在低于制冷劑的臨界點(diǎn)的制冷劑溫度和壓力下(即，在亞臨界范圍中)操作。
[0008]在超過制冷劑的臨界點(diǎn)的制冷劑壓力和制冷劑溫度下操作，制冷劑排熱熱交換器充當(dāng)氣體冷卻器而非冷凝器。因此，從制冷劑排熱熱交換器離開的制冷劑仍處于蒸氣(氣體)狀態(tài)且處于超臨界壓力。與按跨臨界制冷循環(huán)的操作相關(guān)聯(lián)的較高制冷劑壓力(例如在使用二氧化碳作為制冷劑的制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)中)使制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)的操作變復(fù)雜。控制高側(cè)壓力(即，壓縮機(jī)排放壓力)不僅更難而且還更重要。例如，壓縮機(jī)排放壓力偏離能量效率的最佳設(shè)定點(diǎn)排放壓力100帕將導(dǎo)致能量效率的明顯降低。美國專利申請(qǐng)第13/121.824號(hào)公開了用于跨臨界制冷系統(tǒng)的高側(cè)壓力控制，所述申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容以引用方式并入本文中，其中所述美國專利申請(qǐng)?jiān)诒旧暾?qǐng)進(jìn)行轉(zhuǎn)讓時(shí)被轉(zhuǎn)讓給共同的受讓人且作為2009年9月28日提交的國際專利申請(qǐng)N0.PCT/2009/058543的國家階段申請(qǐng)來提交且在2010年4月8日作為國際公布N0.WO 2010/039630來公布。
發(fā)明概要
[0009]在按負(fù)載模式操作時(shí)，通過控制本文中也被稱作高側(cè)壓力的制冷劑排熱熱交換器中的制冷劑壓力來控制跨臨界制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)的操作，以便優(yōu)化能量效率。在按卸載模式操作時(shí)，例如在溫度維持操作期間用于冷凍易腐產(chǎn)品，控制高側(cè)壓力，使得所述系統(tǒng)可以按連續(xù)運(yùn)行模式操作以便將溫度受控空間內(nèi)的溫度維持在相對(duì)于設(shè)定點(diǎn)溫度偏離所要求容差內(nèi)。
[0010]公開一種制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)，所述制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)包括:用于將制冷劑蒸氣從吸入壓力壓縮到排放壓力的壓縮裝置、制冷劑排熱熱交換器和制冷劑吸熱熱交換器，所述壓縮裝置、制冷劑排熱熱交換器和制冷劑吸熱熱交換器按串聯(lián)制冷劑流動(dòng)關(guān)系安排成跨臨界循環(huán)閉環(huán)初級(jí)制冷劑回路，所述制冷劑排熱熱交換器充當(dāng)制冷劑氣體冷卻器且所述制冷劑吸熱熱交換器充當(dāng)制冷劑蒸發(fā)器；以及與所述制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)操作性地相關(guān)聯(lián)的控制器。在一方面中，所述控制器被配置成將所述排放壓力控制到所要的設(shè)定點(diǎn)排放壓力以大幅優(yōu)化能量效率，其中所述控制器使用可執(zhí)行程序指令來確定所述設(shè)定點(diǎn)排放壓力，所述可執(zhí)行程序指令在所述控制器中執(zhí)行以按照感測(cè)到的制冷劑氣體冷卻器出口條件、感測(cè)到的蒸發(fā)器出口制冷劑條件和所述壓縮裝置的感測(cè)到的操作速度的函數(shù)來計(jì)算所述設(shè)定點(diǎn)排放壓力。在一實(shí)施方案中，所述感測(cè)到的蒸發(fā)器出口制冷劑條件可以是感測(cè)到的吸入壓力。
[0011]所述制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)還可以包括:閃蒸槽，所述閃蒸槽按串聯(lián)制冷劑流動(dòng)關(guān)系安置于所述初級(jí)制冷劑回路中在所述制冷劑排熱熱交換器與所述制冷劑吸熱熱交換器之間；節(jié)熱器蒸氣管路，所述節(jié)熱器蒸氣管路將所述閃蒸槽流體互連到所述壓縮裝置的中間壓力級(jí)；高壓膨脹裝置，所述高壓膨脹裝置安置于所述初級(jí)制冷劑回路中在所述制冷劑排熱熱交換器與所述閃蒸槽之間；以及蒸發(fā)器膨脹裝置，所述蒸發(fā)器膨脹裝置安置于所述初級(jí)制冷劑回路中在所述閃蒸槽與所述制冷劑吸熱熱交換器之間。所述控制器可以進(jìn)一步被配置成調(diào)整所述高壓膨脹裝置的開口程度以將所述排放壓力控制到設(shè)定點(diǎn)排放壓力，所述設(shè)定點(diǎn)排放壓力響應(yīng)于所選操作參數(shù)實(shí)時(shí)地改變以大幅優(yōu)化能量效率。
[0012]所述制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)還可以進(jìn)一步包括卸載回路，所述卸載回路包括將所述壓縮裝置的中間壓力級(jí)流體地連接至所述初級(jí)制冷劑回路的低壓側(cè)的卸載制冷劑管路以及安置于所述卸載制冷劑管路中的卸載流量控制裝置，所述卸載流量控制裝置選擇性地可定位于其中制冷劑可流經(jīng)所述卸載制冷劑管路的至少一個(gè)打開位置以及其中阻止制冷劑流經(jīng)所述卸載制冷劑管路的閉合位置。所述控制器可以進(jìn)一步被配置成在所述卸載流量控制裝置處于所述打開位置時(shí)通過改變與所述制冷劑排熱熱交換器操作性地相關(guān)聯(lián)的扇的工作周期或速度來控制排放壓力。
[0013]在一方面中，提供一種優(yōu)化用于將經(jīng)制冷空氣供應(yīng)給用于儲(chǔ)藏產(chǎn)品的貨物儲(chǔ)藏箱以便在易腐或冷凍條件下進(jìn)行運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸制冷單元的制冷系統(tǒng)的能量效率的方法。所述方法包括:將壓縮裝置中的制冷劑壓縮到超過所述制冷劑的臨界點(diǎn)的排放壓力；使基本上處于所述排放壓力的所述經(jīng)壓縮制冷劑通過制冷劑氣體冷卻器；使從所述制冷劑蒸氣冷卻器排放的所述制冷劑膨脹到低于所述制冷劑的所述臨界點(diǎn)的中間壓力；使所述經(jīng)膨脹的制冷劑傳遞到閃蒸槽中以分離成制冷劑蒸氣和制冷劑液體；使所述制冷劑液體的至少一部分進(jìn)一步膨脹；使所述經(jīng)進(jìn)一步膨脹的制冷劑與將供應(yīng)給所述貨物儲(chǔ)藏箱的空氣成熱交換關(guān)系地通過蒸發(fā)器熱交換器；使所述制冷劑蒸氣壓縮系統(tǒng)按容量模式和卸載模式中的一者來操作；以及當(dāng)按容量模式操作時(shí)，將所述排放壓力控制到所要的設(shè)定點(diǎn)排放壓力以大幅優(yōu)化能量效率，其中在所述控制器中執(zhí)行的可執(zhí)行程序指令按照感測(cè)到的制冷劑氣體冷卻器出口條件、感測(cè)到的蒸發(fā)器出口制冷劑條件和所述壓縮裝置的感測(cè)到的操作速度的函數(shù)來確定所述設(shè)定點(diǎn)排放壓力。在一實(shí)施方案中，所述感測(cè)到的蒸發(fā)器出口制冷劑條件可以是感測(cè)到的吸入壓力。
[0014]在所述系統(tǒng)和所述方法的實(shí)施方案中，在所述控制器中執(zhí)行的可執(zhí)行程序指令根據(jù)以下函數(shù)來計(jì)算所述設(shè)定點(diǎn)排放壓力:
[001 5] PoiSopt = f Φ GCOUTj ^ΕνΑρ) 乂 (壓縮機(jī)速度因數(shù))，其中:
[0016]PDIS_是最佳設(shè)定點(diǎn)排放壓力，
[0017]Reajut是氣體冷卻器出口制冷劑條件，
[0018]REVAP()Ut是蒸發(fā)器出口制冷劑條件。
[0019]所述壓縮機(jī)速度校正因數(shù)可以是按每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)來計(jì)的壓縮機(jī)速度的函數(shù)f(rpm)。在一實(shí)施方案中，所述壓縮機(jī)速度校正因數(shù)可以是按每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)來計(jì)的壓縮機(jī)速度的非線性函數(shù)。在一實(shí)施方案中，所述壓縮機(jī)速度校正因數(shù)