專利名稱：CO₂跨臨界循環(huán)的制冷熱泵機組及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于跨臨界CO2制冷熱泵技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于CFCs對于臭氧層和大氣變暖的重要影響，保護環(huán)境實現(xiàn)CFCs替代成為全世界共同關(guān)注的問題。HFCs類制冷劑作為CFCs的替代，雖然不破壞臭氧層，但其明顯的溫室效應(yīng)，還是對環(huán)境變暖有一定的影響。于是，人們開始大力提倡使用自然制冷劑。CO2自然制冷劑又受到廣泛關(guān)注，CO2制冷熱泵裝置的研究與應(yīng)用又一次成為在全球范圍內(nèi)受重視的熱點?，F(xiàn)有技術(shù)中的跨臨界CO2制冷系統(tǒng)主要包括壓縮機、冷卻器、回?zé)崞?、?jié)流閥、氣液分離器、蒸發(fā)器等，現(xiàn)有技術(shù)的跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的不足是:當(dāng)系統(tǒng)所處的環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)中的制冷劑分布會發(fā)生變化，由于在氣體冷卻器中的高溫高壓CO2制冷劑不能液化，導(dǎo)致各個部件中的制冷劑分布對系統(tǒng)壓力的影響較大，制冷系統(tǒng)的高低壓力調(diào)節(jié)困難；由于跨臨界CO2的溫度和壓力不是一一對應(yīng)，超臨界CO2在冷卻器中放熱，溫度變化很大，較大的冷卻器進出口溫差使跨臨界循環(huán)效率提高，不同的出口溫度，對應(yīng)一個最優(yōu)的冷卻壓力使循環(huán)效率最高。所以當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化引起氣體冷卻器出口溫度發(fā)生變化時，不能對冷卻壓力做出相應(yīng)調(diào)整，以保證制冷系統(tǒng)具有較高的性能系數(shù)，而且與亞臨界循環(huán)不同的是，冷卻壓力并不是越低越好，而是針對不同的出口溫度，存在一個最優(yōu)值，因此，調(diào)節(jié)困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述問題而提出，其目的在于提供一種CO2跨臨界循環(huán)的制冷熱泵機組，機組設(shè)置合理、簡約緊湊；另外本發(fā)明還提供CO2跨臨界循環(huán)的制冷熱泵機組的控制方法，通過對系統(tǒng)冷卻壓力的控制，維持系統(tǒng)最優(yōu)化運行。本發(fā)明的技術(shù)方案是:C02跨臨界循環(huán)的制冷熱泵機組，包括CO2制冷劑壓縮機、氣體冷卻器、回?zé)崞?、?jié)流閥1、氣液分離器、節(jié)流閥I1、蒸發(fā)器和控制器，其特征在于:機組還包括壓力傳感器、溫度傳感器和過熱溫度傳感器，所述各部件通過管路連接成一個閉合系統(tǒng):壓縮機排氣口與氣體冷卻器進口相連，氣體冷卻器出口與回?zé)崞鬟M口 I相連，回?zé)崞鞒隹?I分成兩路，一路經(jīng)過節(jié)流閥II后與蒸發(fā)器進口相連，另一路經(jīng)過節(jié)流閥I與氣液分離器進氣管相連，氣液分離器頂部出氣管連通節(jié)流閥II與蒸發(fā)器進口相連的管路，氣液分離器底部出液管連通節(jié)流閥II與蒸發(fā)器進口相連的管路，蒸發(fā)器出口與回?zé)崞鬟M口 II相連，回?zé)崞鞒隹?II與壓縮機吸氣口相連，壓力傳感器設(shè)置在壓縮機排氣口與氣體冷卻器進口相連的管路上，溫度傳感器設(shè)置在氣體冷卻器出口與回?zé)崞鬟M口 I相連的管路上，過熱溫度傳感器設(shè)置在蒸發(fā)器出口的管路上，壓力傳感器、過熱溫度傳感器和溫度傳感器通過信號線與控制器相連。所述節(jié)流閥I (4)為電動調(diào)節(jié)閥，節(jié)流閥II (6)為電動調(diào)節(jié)閥或機械式調(diào)節(jié)閥。本發(fā)明所述CO2跨臨界循環(huán)的制冷熱泵機組的控制方法，其其特征在于所述控制方法是:控制器根據(jù)壓力傳感器檢測到的氣體冷卻器內(nèi)制冷劑壓力Pk、溫度傳感器檢測到的氣體冷卻器出口制冷劑溫度tk、過熱溫度傳感器檢測到的蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度以及系統(tǒng)運行的最高冷卻壓力Pg，控制節(jié)流閥I和節(jié)流閥II的開度；節(jié)流閥I具體控制為；設(shè)定最優(yōu)壓力為Pz, Pz= -0.71471+0.27243tk，控制器將Pk、Pg、Pz三個參數(shù)進行比較:當(dāng)Pz彡P(guān)g，且Pk > Pz時，控制器輸出信號控制節(jié)流閥I閥口開度開大，使Pk = Pz;當(dāng)Pz彡P(guān)g，且Pk<Pz時，控制器輸出信號控制節(jié)流閥I閥口開度關(guān)小，使Pk = Pz ；^Pz >Pg,且Pk > Pg時，控制器輸出信號控制節(jié)流閥I閥口開度開大，使Pk = Pg;當(dāng)Pz>Pg，且Pk<Pg時，控制器輸出信號控制節(jié)流閥I閥口開度關(guān)小，使Pk = Pg;節(jié)流閥II具體控制為；制冷劑過熱度設(shè)定值為tz,當(dāng)過熱度高于設(shè)定值tz時,開大節(jié)流閥II ,使制冷劑過熱度趨近設(shè)定值tz，當(dāng)過熱度低于設(shè)定值tz時，關(guān)小節(jié)流閥II，使制冷劑過熱度趨近設(shè)定值tz。本發(fā)明的制冷過程是:
CO2壓縮機吸入制冷劑氣體，壓縮后排出高溫高壓氣體進入氣體冷卻器中，經(jīng)氣體冷卻器降溫后進入回?zé)崞髦性俅卫鋮s，冷卻后的CO2制冷劑分別通過并聯(lián)的兩個節(jié)流閥:節(jié)流閥I和節(jié)流閥II節(jié)流，制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥II節(jié)流成氣液兩相CO2進入到蒸發(fā)器中吸熱汽化，另一路經(jīng)過節(jié)流閥I節(jié)流成氣液兩相CO2進入到氣液分離器中，再分別經(jīng)過氣液分離器的頂部與底部接口管路與節(jié)流閥II后的制冷劑混合后進入到蒸發(fā)器中進行制冷，制冷后制冷劑變成低溫低壓氣液混合物進入到蒸發(fā)器中，經(jīng)過蒸發(fā)器吸熱變成過熱氣體后進入到回?zé)崞?，在回?zé)崞髦信c氣體冷卻器出來的制冷劑換熱，溫度升高后進入到壓縮機吸入口，如此循環(huán)。本發(fā)明通過兩路節(jié)流來調(diào)節(jié)系統(tǒng)制冷劑分布，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力保持在優(yōu)化設(shè)計工況。節(jié)流閥II主要控制蒸發(fā)器出口過熱度，防止供液過多造成壓縮機液壓縮或者過熱度偏大換熱效率下降，功能等同于常規(guī)制冷系統(tǒng)的節(jié)流閥；節(jié)流閥I主要根據(jù)冷卻壓力來調(diào)節(jié)系統(tǒng)中制冷劑的分布，當(dāng)冷卻壓力過高，節(jié)流閥開大，使冷卻器中制冷劑流出量增大，并經(jīng)過節(jié)流后以液態(tài)存儲在氣液分離器中；當(dāng)冷卻壓力過低時，節(jié)流閥I關(guān)小，冷卻器中制冷劑流出量減少，但壓縮機不斷吸氣，氣液分離器中存儲的液態(tài)制冷劑逐步補充使冷卻壓力提高，氣液分離器相當(dāng)于制冷劑存儲的緩沖空間。通過本發(fā)明，當(dāng)蒸發(fā)器所處環(huán)境或氣體冷卻器所處環(huán)境發(fā)生變化時，制冷熱泵機組可以根據(jù)蒸發(fā)器的出口處制冷劑過熱度、系統(tǒng)的高壓側(cè)壓力和氣體冷卻器出口溫度，將系統(tǒng)控制在最佳的蒸發(fā)溫度和高壓壓力下穩(wěn)定運行，從而提高系統(tǒng)的冷卻效率，同時可以有效地防止高壓側(cè)壓力異常增加。本發(fā)明的有益效果是:當(dāng)環(huán)境溫度或被冷卻間環(huán)境溫度發(fā)生變化時，控制器能根據(jù)制冷劑在氣體冷卻器的出口溫度傳感器檢測出的溫度和在氣體冷卻器進口處的壓力傳感器檢測出的壓力判斷并調(diào)節(jié)機組使機組在高的循環(huán)效率下運行:方法簡單、易于實現(xiàn)，并且可靠、穩(wěn)定。


圖1為本發(fā)明制冷熱泵機組系統(tǒng)原理圖。附圖中: 1-壓縮機；2_氣體冷卻器；3_回?zé)崞鳎?_節(jié)流閥I ;5_氣液分離器；6_
節(jié)流閥II ;7_出液管；8_進氣管；9_出氣管；10_蒸發(fā)器；11_壓力傳感器；12_控制器；13-溫度傳感器；14-過熱溫度傳感器。
具體實施例方式以下，參照附圖和實施例對本發(fā)明詳細說明?？缗R界CO2制冷劑制冷熱泵機組包括CO2制冷劑壓縮機1、氣體冷卻器2、回?zé)崞?br> 3、節(jié)流閥I 4、氣液分離器5、節(jié)流閥II 6、蒸發(fā)器10、控制器12、壓力傳感器11、溫度傳感器13和過熱溫度傳感器14，各部件通過管路連接成一個閉合系統(tǒng):壓縮機I排氣口與氣體冷卻器2進口相連，氣體冷卻器2出口與回?zé)崞?進口 I相連，回?zé)崞?出口 I分成兩路，一路經(jīng)過節(jié)流閥II 6后與蒸發(fā)器進口相連，另一路經(jīng)過節(jié)流閥I 4與氣液分離器5入口相連，氣液分離器5頂部出氣管連通節(jié)流閥II 6與蒸發(fā)器進口相連的管路，氣液分離器底部出液管連通節(jié)流閥II 6與蒸發(fā)器進口相連的管路，蒸發(fā)器10出口與回?zé)崞?進口 II相連，回?zé)崞?出口 II與壓縮機I吸氣口相連，壓力傳感器11連接在壓縮機I排氣口與氣體冷卻器2進口相連的管路上，溫度傳感器13設(shè)置在氣體冷卻器2出口與回?zé)崞?進口 I相連的管路上，過熱溫度傳感器14連接在蒸發(fā)器10出口的管路上，壓力傳感器11、過熱溫度傳感器14和溫度傳感器13通過信號線與控制器相連。從壓縮機I的高壓側(cè)排氣管排出的高溫高壓氣體進入到氣體冷卻器2，被 冷卻成超臨界流體，氣體冷卻器2出來的超臨界流體進入到回?zé)崞?里，與從蒸發(fā)器10
出來的制冷劑進行換熱，溫度降低后的制冷劑分成兩路，其中一路經(jīng)過節(jié)流閥II 6節(jié)流成飽和氣液兩相CO2制冷劑進入到蒸發(fā)器10中進行蒸發(fā)制冷，另一路經(jīng)過節(jié)流閥I 4節(jié)流成飽和氣液兩相CO2進入到氣液分離器5中，制冷劑通過氣液分離器5底部出液管7和其頂部出氣管9與節(jié)流閥II 6出口處制冷劑混合后進入到蒸發(fā)器10進行蒸發(fā)制冷。制冷熱泵裝置所處環(huán)境發(fā)生變化時，引起制冷劑在系統(tǒng)循環(huán)的狀態(tài)發(fā)生變化，控制器12根據(jù)壓力傳感器11 檢測到的氣體冷卻器2內(nèi)制冷劑壓力Pk、溫度傳感器13檢測到的氣體冷卻器2出口制冷劑溫度tk、過熱溫度傳感器14檢測到的蒸發(fā)器10出口制冷劑過熱度以及系統(tǒng)運行的最高冷卻壓力Pg，控制節(jié)流閥I 4和節(jié)流閥II 6的開度；節(jié)流閥I 4具體控制為;設(shè)定最優(yōu)壓力為Pz, Pz= -0.71471+0.27243tk，控制器12將Pk、Pg、Pz三個參數(shù)進行比較:當(dāng)Pz彡P(guān)g，且Pk > Pz時，控制器12輸出信號控制節(jié)流閥I 4閥口開度開大，使Pk = Pz ^Pz彡P(guān)g，且Pk < Pz時，控制器12輸出信號控制節(jié)流閥I 4閥口開度關(guān)小，使Pk = Pz;iPz>Pg，且Pk > Pg時，控制器12輸出信號控制節(jié)流閥I 4閥口開度開大，使Pk = Pg;當(dāng)Pz>Pg，且Pk<Pg時，控制器12輸出信號控制節(jié)流閥I 4閥口開度關(guān)小，使Pk = Pg;節(jié)流閥116具體控制為；制冷劑過熱度設(shè)定值為tz，當(dāng)過熱度高于設(shè)定值tz時,開大節(jié)流閥II 6,使制冷劑過熱度趨近設(shè)定值tz,當(dāng)過熱度低于設(shè)定值tz時,關(guān)小節(jié)流閥II 6,使制冷劑過熱度趨近設(shè)定值tz。以上是本發(fā)明的一個實施方式，本發(fā)明不僅限于此。例如，在本實施方式中，壓縮機(I)可以單機雙級，也可以是單機單級；節(jié)流閥II (6)可以是電動式，也可以是機械式；氣體冷卻器(2)和蒸發(fā)器(10)的形式可以是空氣源式、水源式等各種形式，而且，上述實施方式中的配管構(gòu)成等不限于此。
權(quán)利要求
1.CO2跨臨界循環(huán)的制冷熱泵機組，包括CO2制冷劑壓縮機1)、氣體冷卻器(2)、回?zé)崞?3)、節(jié)流閥1 (4)、氣液分離器(5)、節(jié)流閥II (6)、出液管(7)、進汽管(8)、出氣管(9)、蒸發(fā)器(10)和控制器(12)，其特征在于所述跨臨界CO2制冷劑制冷熱泵機組還包括壓力傳感器(11 )、溫度傳感器(13)和過熱溫度傳感器，所述各部件通過管路連接成一個閉合系統(tǒng):壓縮機(1)排氣口與氣體冷卻器(2 )進口相連，氣體冷卻器(2 )出口與回?zé)崞?3 )進口I相連，回?zé)崞?3)出口 I分成兩路，一路經(jīng)過節(jié)流閥II (6)后與蒸發(fā)器進口相連，另一路經(jīng)過節(jié)流閥1 (4)與氣液分離器進氣管(8)相連，氣液分離器(5)頂部出氣管(9)連通節(jié)流閥II (6)與蒸發(fā)器進口相連的管路，氣液分離器(5)底部出液管(7)連通節(jié)流閥II (6)與蒸發(fā)器進口相連的管路，蒸發(fā)器(10)出口與回?zé)崞?3)進口 II相連，回?zé)崞?3)出口 II與壓縮機(I)吸氣口相連，壓力傳感器(11)設(shè)置在壓縮機(1)排氣口與氣體冷卻器(2)進口相連的管路上，溫度傳感器(13)設(shè)置在氣體冷卻器(2)出口與回?zé)崞?3)進口 I相連的管路上，過熱溫度傳感器(14)設(shè)置在蒸發(fā)器(10)出口的管路上，壓力傳感器(11 )、過熱溫度傳感器(14)和溫度傳感器(13)通過信號線與控制器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述CO2跨臨界循環(huán)的制冷熱泵機組，其特征在于所述節(jié)流閥I(4)為電動調(diào)節(jié)閥，節(jié)流閥II (6)為電動調(diào)節(jié)閥或機械式調(diào)節(jié)閥。
3.權(quán)利要求1所述CO2跨臨界循環(huán)的制冷熱泵機組的控制方法，其特征在于所述控制方法是:控制器(12)根據(jù)壓力傳感器(11)檢測到的氣體冷卻器(2)內(nèi)制冷劑壓力Pk、溫度傳感器(13)檢測到的氣體冷卻器(2)出口制冷劑溫度tk、過熱溫度傳感器(14)檢測到的蒸發(fā)器(10)出口制冷劑過熱度以及系統(tǒng)運行的最高冷卻壓力Pg，控制節(jié)流閥I (4)和節(jié)流閥II (6)的開度；節(jié)流閥I (4)具體控制為；設(shè)定最優(yōu)壓力為Pz, Pz= -0.71471+0.27243tk，控制器(12)將Pk、 Pg、Pz三個參數(shù)進行比較:當(dāng)Pz < Pg，且Pk > Pz時，控制器(12)輸出信號控制節(jié)流閥I (4)閥口開度開大，使Pk = Pz ;當(dāng)Pz彡P(guān)g，且Pk < Pz時，控制器(12)輸出信號控制節(jié)流閥I (4)閥口開度關(guān)小，使Pk = Pz ；^Pz >Pg,且Pk > Pg時，控制器(12)輸出信號控制節(jié)流閥I (4)閥口開度開大，使Pk = Pg;當(dāng)Pz>Pg，且Pk < Pg時，控制器(12)輸出信號控制節(jié)流閥I (4)閥口開度關(guān)小，使Pk = Pg;節(jié)流閥II (6)具體控制為；制冷劑過熱度設(shè)定值為tz,當(dāng)過熱度高于設(shè)定值tz時,開大節(jié)流閥II (6),使制冷劑過熱度趨近設(shè)定值tz,當(dāng)過熱度低于設(shè)定值tz時,關(guān)小節(jié)流閥II (6),使制冷劑過熱度趨近設(shè)定值tz。
全文摘要
本發(fā)明屬于跨臨界CO2制冷熱泵技術(shù)領(lǐng)域。CO2跨臨界循環(huán)的制冷熱泵機組，包括CO2制冷劑壓縮機、氣體冷卻器、回?zé)崞鳌⒐?jié)流閥Ⅰ、氣液分離器、節(jié)流閥Ⅱ、蒸發(fā)器、控制器、壓力傳感器、溫度傳感器和過熱溫度傳感器，各部件通過管路連接成一個閉合系統(tǒng)控制器根據(jù)檢測到的氣體冷卻器內(nèi)制冷劑壓力、氣體冷卻器出口制冷劑溫度、蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度以及系統(tǒng)運行的最高冷卻壓力Pg，控制節(jié)流閥Ⅰ和節(jié)流閥Ⅱ的開度，使機組在高的循環(huán)效率下運行。本發(fā)明的有益效果是當(dāng)環(huán)境溫度或被冷卻間環(huán)境溫度發(fā)生變化時，控制器能調(diào)節(jié)機組使機組在高的循環(huán)效率下運行，方法簡單、易于實現(xiàn)，并且可靠、穩(wěn)定。
文檔編號F25B30/02GK103105021SQ20131002294
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者秦海濤 申請人:秦海濤