专利名称：用于控制断续超临界运行制冷回路中的高压的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制断续超临界运行制冷回路中的制冷剂 的高压的方法，该制冷回路在使用中按预定流向循环制冷剂，并沿流向包括压縮机、排热热交换器(heat-rejecting heat exchanger)、与排 热热交换器的出口相关联的控制阀、以及用于控制该控制阀的控制 器。
背景技术：
用于控制亚临界和超临界运行状态下的排热热交换器之后(即， 气体冷却器和/或冷凝器)的制冷剂中的高压的各种方法是公知的。 例如，浮球调节阀是众所周知的用于在亚临界运行制冷回路中进行高 压调节的设备。根据浮球调节阀中的液位，浮球打开或关闭用于将液 态制冷剂抽入制冷回路的出口，并且一般抽入到接收器中，在将制冷 剂传送到制冷用户前，在接收器中，收集并存储制冷剂。另一方面， 气态制冷剂不会抬高浮球，使得出口会保持关闭。相应地，将升高排 热热交换器中的液压，从而确保液态制冷剂向浮球调节阀传送。在超临界运行模式下，排热热交换器之后不会存在液态制冷剂， 并且浮球调节阀不能进行高压调节。然而，在超临界模式下，在气体 冷却器出口温度和COP (性能系数)最大时的制冷剂的高压之间存 在相关性。对本领域技术人员来说，用于计算超临界模式下的该最优 高压的各个公式是公知的，借助于分别与排热热交换器和气体冷却器 的出口相关联的控制阀，制冷剂压力可以根据该公式来控制。例如，在将C02作为制冷剂的情况下，断续超临界运行的制冷回路断续运行在超临界运行模式下，其中离开气体冷却器的制冷剂处于 气态。它们还断续运行在亚临界或"正常"模式下，此时离开冷凝器 的制冷剂处于流态。制冷回路是否运行在超临界或亚临界模式下取决
于制冷剂在排热热交换器中分别被冷却和冷凝时相对媒介的温度。因 为该媒介一般是周围的空气，所以亚临界运行模式也称为"冬季模 式"，而超临界运行模式也称为"夏季模式"。可选地，媒介可以是水 或盐水。在靠近临界点的边界区域中，对制冷剂的高压的控制是这类制冷 回路的一个问题，在临界点处超临界运行模式将转换到亚临界运行模 式，反之亦然。发明内容因此，本发明的目的是提供一种用于在靠近临界点的边界区域中 控制断续超临界运行的制冷回路的方法。根据本发明的实施例，该目的将通过以下步骤实现(a) 在亚临界模式下，控制控制阀，以便保持预定的"亚临界压力"， 该预定的"亚临界压力"确保排热热交换器的出口处的液态制冷剂的 预定过冷；(b) 在超临界模式下，控制控制阀，以便保持排热热交换器的出 口处的超临界制冷剂的预定的"超临界压力"，优化该预定的"超临 界压力"以使效率最优；以及(c) 在靠近临界点的边界区域中的边界模式下，根据"连续压力" 来控制控制阀，基于步骤(a)和(b)中的预定的"亚临界压力"和预定 的"超临界压力"来确定该"连续压力"。根据本发明，控制阀控制用于亚临界模式、超临界模式以及边界 模式的高压。在超临界模式下，控制器基本采用与现有技术相同的方 法来控制控制阀，即基于公知的针对最优效率的相关性，可以通过考 虑排热热交换器的特定类型的系数进行调整；使得获得制冷回路的最 优效率或接近最优效率。在亚临界模式下，控制器对类似于浮球调节 阀的控制阀进行控制，使得只允许液态制冷剂通过控制阀。提供排热 热交换器的出口处的液态制冷剂的预定过冷，用以确保允许液态制冷 剂通过控制阀。在超临界模式和亚临界模式下的控制比较常规时，问题主要存在
于临界点附近的边界区域中，即亚临界和超临界运行之间的过渡区。 对临界点来说，各个亚临界压力和超临界压力的计算可能完全不同。 实际上，诸如制冷剂温度等参数的微小变化可能导致很大的压力跳 跃，从而导致控制阀的控制中的不规则和不连续。为了解决该问题， 出于控制目的，定义了临界点周围或靠近临界点的边界区域，并基于 预定的"亚临界压力"和预定的"超临界压力"来计算和/或定义"连 续压力"。相应地，这样确定的"连续压力"用于将亚临界压力与超 临界压力连续连接。这样，即使在临界点附近也可以分别实现对控制 阀和制冷剂压力的连续控制。根据本发明的实施例，通过根据步骤(a)和(b)确定对于特定运行 状态的"亚临界压力"和"超临界压力"并选择"亚临界压力"和"超 临界压力"中的较高压力，在步骤(c)中确定连续压力。这种具体的解 决方案包括分别计算超临界区域和亚临界区域中的临界点之外的"亚 临界压力"和/或"超临界压力"。尽管各自的计算没有物理意义，各 个值仍然可被用于控制控制阀，并因此控制排热热交换器的出口处的 高压。可以"实时"计算各个值，或者也可以基于先前的计算来计算 各个值并将其作为例如査找表等存储在存储器中。如果在临界压力范 围附近(即，特定应用所定义的边界区域中)超临界压力的压力曲线 和亚临界压力的压力曲线之间存在交叉点，那么该方法特别优选。根据本发明的另一优选实施例，基于所定义的边界区域的下限处 的"亚临界压力"和边界区域的上限处的"超临界压力"之间的边界 区域内的压力值的插值，在步骤(c)中确定连续压力。该插值可以具有 最佳拟合类型，从而努力在这个可应用的区域中尽可能接近地分别与 超临界压力和亚临界压力的曲线相一致。也可以简单地通过直线将边 界区域的下限处的"亚临界压力"和边界区域的上限处的"超临界压 力"相连接。边界区域在临界点附近不一定是对称的。边界区域也可 以完全在临界点的一侧。根据本发明的实施例，步骤(a)包括基于制冷剂的温度和特性并通 过考虑与饱和压力相比的制冷剂的过冷来确定"亚临界压力"。根据本发明的实施例，与饱和压力相比的制冷剂的过冷可以达到 10 Kelvin，优选在2 Kelvin和6 Kelvin的过冷之间。
根据本发明的实施例，基于制冷剂的温度在步骤(b)中确定"超 临界压力"，使得制冷回路的性能系数基本等于最优值。如上所述， 对于排热热交换器的出口处的每个温度，都可以确定产生最优COP 的特定压力。各个公式在具体领域中是公知的，并且优选基于该公式 来计算超临界区域中的高压。排热热交换器的出口处的温度可由众所 周知的设备测量，例如热电偶和其它温度传感器。在计算或确定各个 压力时，不需要测量精确的温度，而只要测量指示温度并考虑该值与 正确温度之间关系的任何值。
根据本发明的实施例，控制阀是压力调节阀，并且根据运行模式， "亚临界压力"、"连续压力"和"超临界压力"中的单独一个控制压 力调节阀的运行。
本发明还涉及一种用于按预定流向循环制冷剂的制冷回路，其沿 流向包括压縮机、排热热交换器、与排热热交换器的出口相关联的 控制阀、以及适于控制该控制阀的控制器(a) 以便在亚临界模式下，保持预定的"亚临界压力"，该预定的 "亚临界压力"确保排热热交换器()的出口 O处的液态制冷剂的预定过冷；(b) 以便在超临界模式下，保持排热热交换器()的出口 ()处 的超临界制冷剂的预定的"超临界压力"，优化该预定的"超临界压 力"以使效率最优；以及(c) 在靠近临界点的边界区域的边界模式下，根据"连续压力"， 基于步骤(a)和(b)中的预定的"亚临界压力"和预定的"超临界压力" 来确定该"连续压力"。控制器可以基于诸如制冷剂特性、温度等相关值来实时计算各个 压力。可选地，可以基于诸如査找表等存储在该控制器的存储器中的 值来确定各个压力。还可以采用实时计算与存储值的组合。控制器可以与控制阀集成在一起。也可以将控制阀的控制器集成 到制冷回路的主控制器。本发明进一步涉及一种包括根据本发明实施例的制冷回路和/或 采用本发明实施例的方法运行的制冷装置。该制冷装置可以是超级市 场用于向陈列柜等提供制冷的制冷系统，或者是工业制冷系统等。
下面，将参考附图更加详细地说明本发明的实施例，其中 图1示出了本发明实施例的制冷回路； 图2是用于清楚说明本发明实施例的p-T图；以及图3是与图2类似的p-T图。
具体实施方式
图1示出用于按预定流向循环诸如C02等制冷剂的制冷回路2。 该制冷回路2可运行在亚临界模式(即"冬季模式")下和超临界模式(即"夏季模式")下。该制冷回路沿流向包括压缩机4,即具 体实施例中的一组单个压缩机6、 8;排热热交换器10;与排热热交 换器10的出口 14相关联的控制阀12;以及用于控制该控制阀12并 可能用于控制整个制冷回路2的控制器16。制冷回路2进一步包括接收器18和一个或多个制冷用户20，每 个制冷用户20包括用户膨胀设备22以及用户蒸发器24。制冷用户 20就是所谓的"中等温度(medium temperature)"用户，其在超级市 场的制冷系统应用中是用于奶制品、肉、蔬菜、水果等的陈列柜，这 要求冷却温度高于冰点或在冰点附近。"低温"制冷回路26可选地或 附加地设置有低温制冷用户28，每个低温制冷用户28包括低温膨胀 设备30和低温蒸发器32。 一组低温环形压縮机34将制冷剂的压力 升高到多压縮机组4的吸入压力。吸入管线36将中等温度制冷用户 20与压缩机组4相连。高压管线38将压缩机组4的输出端与排热热 交换器10的输入端相连，并且热交换器的出口管线40将热交换器 10的出口连接到接收器18。液体管线42将接收器18的液体部与制 冷用户20相连，该制冷用户20具有连接低温制冷用户28的液体分 支管线44。回流管线46将低温压縮机组34的输出端与吸入管线36 相连。闪发气体管线48经由闪发气体膨胀设备50将接收器18的气 体部连接到回流管线46和/或经由闪发气体回流管线52与压縮机组4 中的压縮机8相连。在如本实施例所示的制冷回路2中，控制阀12用作中间膨胀设 备，以将冷却的高压制冷剂膨胀到接收器18中的中等压力水平。典 型地，在运行中，高压管线38中排出的制冷剂具有比较高的压力和 温度。典型CO2制冷回路中的高压水平可以达到120巴(bar)，在夏 季模式下， 一般大约在40和100巴之间，优选为在75巴以上，而在 冬季模式下， 一般大约在40和70巴之间，优选为大约45巴。中等 压力水平通常独立于夏季和冬季模式，并且大约在30和40巴之间， 优选为36巴。同样，吸入管线36中的压力通常也独立于夏季和冬季 模式，并且典型在25和35巴之间，优选为28巴。控制器16通过线54和域56接收输入信息。例如，线54可以 提供排热热交换器10的出口 14处的制冷剂的温度信息，而信号线 56可以提供压力信息。另一条控制线58向控制阀12提供控制信号。 在压力调节阀的情形中，控制信号可以是控制阀12所要保持的期望 压力水平。可选地，控制信号指示控制阀12的开启状态，即x。/。的开 启状态，其中x。/。在0% (阀被关闭)和100% (阀被完全打开)之间。 控制器16基于诸如温度、制冷剂的特性等各个信息来计算取决于运 行模式的各个控制压力并向控制阀12提供各个信息，以便在热交换 器的出口管线40中保持正确的压力水平。图2分别示出排热热交换器的出口 14和控制阀12处的C02制冷 剂的p-T图。图2特别使用虚线60示出C02制冷剂的临界压力为73.8 巴，并且使用虚线62示出其临界温度为31.rC。虚线60和62的交 叉点通常称为"临界点"。曲线64、 66、 68、 70、 72、 74和76表示 制冷剂取决于温度的期望压力。具体而言，曲线66是C02制冷剂的 饱和压力线，而曲线68、 70、 72、 74和76是与饱和压力曲线66相 比较的对应曲线，但是过冷为2 Kelvin (=曲线68)、 4 Kelvin (=曲线 70)、 6Kelvin (=曲线72)、 8 Kelvin (=曲线74)、以及10Kelvin (= 曲线76)。另一方面，曲线64表示对于最优COP (性能系数)的制 冷剂的超临界状态下的理论压力值，其取决于制冷剂的温度。
应该注意，超临界压力的曲线64从超临界区域向左侧外推到亚 临界区域中，而亚临界压力的曲线66到76被外推向超临界区域。具 体而言，亚临界压力曲线66到76在临界点以外、特别在临界压力以 上没有物理意义。对于将超临界压力曲线64外推到亚临界区域，情 形是类似的。如所看到的，超临界压力的曲线64和亚临界区域中的饱和压力 的曲线66在临界点处或临界点附近没有交叉点。这样，如果基于临 界点附近的曲线66来进行亚临界压力的控制，并基于临界点附近的 超临界区域中的曲线64来进行超临界压力的控制，那么将存在接近10巴的大压力差，这样如果制冷剂的温度在临界温度31.rc左右变化时，那么压力将会在亚临界压力和超临界压力之间来回跳跃，这导 致控制不连续。而对于其它过冷温度，例如对于2 Kelvin的过冷或对 于4 Kelvin的过冷，亚临界压力曲线70、 72和超临界压力曲线64之 间的交叉点移向从亚临界到超临界区域的过渡区，但是这种不连续仍 然存在。为了解决该不连续控制问题，靠近亚临界和超临界区域之间的过 渡的边界区域将根据本发明的实施例进行定义。可将边界区域定义在 特定的温度值之间。也可以将边界区域定义为特定压力值之间的区 域。该边界区域的宽度取决于具体曲线、制冷剂、过冷量等，也可以 取决于确定连续压力的具体方法，即插值、选择较高的压力值等。边 界区域的典型宽度可以在2到10 Kdvin之间。特别在亚临界压力曲线和超临界压力曲线之间的交叉点靠近临界压力的情况下，那么实际 上不需要定义边界模式的界限。在该情况下，在交叉点以下的温度范 围中可以采用亚临界压力曲线，而当温度高于交叉点时可以采用超临 界压力曲线。例如，如果亚临界压力曲线72 (4 Kelvin的过冷)和超临界压力 曲线64被用于控制排热热交换器的出口 14处的高压，那么这些曲线 的交叉点会略微低于临界温度，大约在30.7i:，并且对控制阀12的 控制将基于亚临界压力和超临界压力中的较高的值进行，即对于低于 30.7'C的温度，基于亚临界压力曲线72进行，而对于高于该值的温 度，则基于超临界压力曲线64进行。作为可选实例，如果压力调节应该基于亚临界区域中的亚临界压 力曲线76 (10Kelvin的过冷)和超临界区域中的超临界压力曲线64 来进行，那么如图2中所示，这些曲线之间显然没有交叉点。交叉点 可能远在临界温度之上。在该情况中，基于"较高曲线方法"定义"连 续压力"可能失效。可以用备选的插值方法代替。为此目的，例如， 可以将边界区域定义在28和33'C之间，可以在曲线76与边界区域 的下限的交叉点80与曲线64和边界区域的上限的交叉点82之间建 立连续压力曲线78 (图3)。应该注意，在图3的实例中，上、下边 界区域界限是随机选择的。也可以采用其它的边界区域界限。在图3 所示的实例中，连续压力曲线78是交叉点80和82之间的直线。这样，根据这里给出的本发明的实施例，可以实现对排热热交换 器IO的出口处的制冷剂的高压的连续调节。
权利要求
1、 用于控制断续超临界运行的制冷回路(2)的方法，所述制冷回路(2)用于按预定流向循环制冷剂，并且其沿流向包括压縮机(4)、排热热交换器(10)、与所述排热热交换器(10)的出口 (14) 相关联的控制阔(12)、以及用于控制所述控制阀(12)的控制器(16)， 其中，所述方法包括以下步骤(a) 在亚临界模式下，控制所述控制阀(12)，以便保持预定的"亚 临界压力"，所述预定的"亚临界压力"确保所述排热热交换器(10) 的所述出口 (14)处的液态制冷剂的预定过冷；(b) 在超临界模式下，控制所述控制阀(12)，以便保持所述排热 热交换器(10)的所述出口 (14)处的超临界制冷剂的预定"超临界 压力"，所述预定的"超临界压力"被优化为使得效率最优；以及(c) 在靠近临界点的边界区域中的边界模式下，根据"连续压力" 来控制所述控制阀(12)，基于步骤(a)和(b)中的所述预定的"亚临界 压力"和所述预定的"超临界压力"来确定所述"连续压力"。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中，通过根据步骤(a)和(b)确 定对于特定运行状态的所述"亚临界压力"和所述"超临界压力"并 选择所述"亚临界压力"和所述"超临界压力"中的较高压力，在步 骤(c)中确定所述连续压力。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述边界区域的下 限处的所述"亚临界压力"和所述边界区域的上限处的所述"超临界 压力"之间的所述边界区域内的所述压力值的应插值，在步骤(c)中确 定所述连续压力。
4、 根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，步骤(a)包 括基于所述制冷剂的特性和温度并通过考虑与饱和压力相比的所述 制冷剂的过冷来确定所述"亚临界压力"。
5、 根据权利要求4所述的方法，其中，与所述饱和压力相比的 所述制冷剂的所述过冷可以达到10 K，并且优选在2 K和6 K的过 冷之间。
6、 根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其中，步骤(b)包 括基于所述制冷剂的所述温度来确定所述"超临界压力"，使得所述 制冷回路(2)的性能系数基本等于最优值。
7、 根据权利要求1到6中任一项所述的方法，其中，所述控制 阀(12)是压力调节阀，并且其中，取决于所述运行模式，所述"亚 临界压力"、所述"连续压力"和所述"超临界压力"中的单独一个 控制所述压力调节阀的运行。
8、 用于按预定流向循环制冷剂的制冷回路(2)，其沿流向包括 压縮机(4)、排热热交换器(10)、与所述排热热交换器(10)的出 口 (14)相关联的控制阀(12)、以及适于控制所述控制阀(12)的 控制器(16):(a) 以便在亚临界模式下，保持预定的"亚临界压力"，所述预定 的"亚临界压力"确保所述排热热交换器(10)的所述出口 (14)处 的液态制冷剂的预定过冷；(b) 以便在超临界模式下，保持所述排热热交换器(10)的所述 出口 (14)处的超临界制冷剂的预定"超临界压力"，所述预定的"超 临界压力"被优化为使得效率最优；以及(c) 在靠近临界点的边界区域中的边界模式下，根据"连续压力"， 基于步骤(a)和(b)中的所述预定的"亚临界压力"和所述预定的"超 临界压力"来确定所述"连续压力"。
9、 根据权利要求8所述的制冷回路(2)，其中，所述控制阀(12) 是压力调节阀。
10、 根据权利要求8或9所述的制冷回路(2)，其中，所述控制 器(16)与所述控制阀(12)集成在一起。
11、 包括根据权利要求8到10中任一项所述的制冷回路(2)的 制冷装置。
全文摘要
用于控制断续超临界运行的制冷回路(2)的方法，该制冷回路(2)包括压缩机(4)、排热热交换器(10)、控制阀(12)和控制器(16)，该方法包括以下步骤(a)亚临界模式，控制控制阀(12)，以便保持预定的“亚临界压力”，其确保排热热交换器(10)的出口(14)处的液态制冷剂的预定过冷；(b)超临界模式，控制控制阀(12)，以便保持排热热交换器(10)的出口(14)处的超临界制冷剂的预定“超临界压力”，优化预定的“超临界压力”以使效率最优；以及(c)在靠近临界点区域中的边界模式下，根据“连续压力”来控制控制阀(12)，基于步骤(a)和(b)中的所述预定的“亚临界压力”和所述预定的“超临界压力”来确定所述“连续压力”。
文档编号F25B41/06GK101124439SQ200580048407
公开日2008年2月13日 申请日期2005年2月18日 优先权日2005年2月18日
发明者B·海因博凯尔 申请人:卡里尔公司