专利名称：用于制冷剂蒸汽压缩系统的低吸入压力保护的制作方法
技术领域：
本公开一般涉及制冷系统，更具体地涉及用于控制制冷剂蒸汽压缩系统的方法和设备。
背景技术：
传统的蒸汽压缩系统典型地包括压缩机、排热换热器、吸热换热器和设置在吸热换热器上游的膨胀装置。某些系统进一步包括位于排热换热器下游的第二膨胀装置，例如吸入调制阀。这些基本的系统部件通过闭合回路中的工作流体管线互连。根据用于特定应用中的工作流体的特性，蒸汽压缩系统可在亚临界模式或跨临界模式下操作。在以亚临界循环操作的蒸汽压缩系统中，蒸汽排热换热器和吸热换热器在低于工作流体临界压力的压力条件下操作。因而，在亚临界模式，蒸汽排热换热器用作工作流体冷凝器，吸热换热器用作工作流体蒸发器。然而，在以跨临界循环操作的制冷剂压缩系统中，蒸汽排热换热器以超过制冷剂临界压力的制冷剂温度和压力操作，而吸热换热器以处于亚临界范围内的制冷剂温度和压力操作。因而，在跨临界模式，蒸汽排热换热器用作工作流体气体冷却器，吸热换热器用作工作流体蒸发器。在制冷应用中所使用的蒸汽压缩系统，通常称作制冷剂蒸汽压缩系统中，工作流体为制冷剂。装有传统制冷剂的制冷剂蒸汽压缩系统典型地在亚临界模式下操作，传统制冷剂例如是碳氟制冷剂，碳氟制冷剂例如但不限于含氢氯氟烃(HCFC)以及更常见的氢氟烃(HFC)，其中HCFC例如为R22，而HFC例如为R134a、R404A和R407C。替代HCFC或HFC制冷齐IJ，例如二氧化碳的“天然”制冷剂也用在制冷剂蒸汽压缩系统中。因为二氧化碳具有低临界温度，所以装有二氧化碳作为制冷剂的多数制冷剂蒸汽压缩系统被设计用于在跨临界模式下操作。制冷剂蒸汽压缩系统通常用于对将供应到住所、办公楼、医院、学校、餐馆或其他设施内的气候受控舒适区的空气进行调节。制冷剂蒸汽压缩系统也通常用于对供应到陈列柜、市场、冷柜、冷室或商业机构中其他易烂/冷冻产品储存区的空气进行制冷。制冷剂蒸汽压缩系统还通常用在运输制冷剂系统中，用于对供应到通过卡车、铁路、轮船或联运方式运输易烂/冷冻品的卡车、拖车、集装箱等的温度受控货物空间的空气进行制冷。由于制冷剂蒸汽压缩系统为了将货物空间内的产品保持在期望温度必须操作所通过的宽范围的操作负载条件和宽范围的室外环境条件，连同运输制冷剂系统使用的制冷剂蒸汽压缩系统比空气调节或商业制冷应用大致承受更苛刻的操作条件。货物必须被控制在的期望温度根据待保存的货物的性质还能够在宽范围中变化。制冷剂压缩系统不仅必须具有足够的能力使装载在货物空间中的产品温度快速降低至周围温度，而且在运输期间当保持稳定的产品温度时还必须在低负载条件下有效操作。另外，运输制冷剂蒸汽压缩系统承受操作模式与停止模式，即静止状态之间的循环。在更复杂的制冷剂蒸汽压缩系统中，例如那些配备有多级压缩装置和容量调节的那些制冷剂蒸汽压缩系统中，通常提供许多制冷剂流量控制装置，以允许选择性控制通过制冷剂回路各个分支的制冷剂流量。通过流量控制装置的制冷剂流大致遵循绝热膨胀；也就是说，不会增加热或从流中带走热。在许多流量控制装置中，绝热膨胀还遵循等焓线。如果制冷剂在跨临界循环操作，则在一些操作时段，制冷剂压力能够下降而接近或低于三相点压力。可形成固相制冷剂，制冷剂系统并未设计用于固相制冷剂。固相制冷剂可损害部件或造成效率低下，这是不希望的。
发明内容
本公开提供了一种制冷剂蒸汽压缩系统，包括具有吸入端口和排放端口的压缩 机；在下游操作性地耦连到所述压缩机的排放端口的制冷剂排热换热器；在下游操作性地耦连到所述制冷剂排热换热器的制冷剂吸热换热器；将所述制冷剂吸热换热器连接到所述压缩机的吸入端口的压缩机吸入口管线；以及操作性地耦连到所述吸入口管线的绝热膨胀装置。操作性地耦连到所述吸入口管线的传感器测量所述制冷剂的过热值。所述制冷剂蒸汽压缩系统进一步包括与所述传感器通信的控制器。所述控制器被配置成，当所述绝热膨胀装置下游的制冷剂的压力大于阈值时，使所述制冷剂蒸汽压缩系统以第一模式操作，当所述绝热膨胀装置下游的制冷剂的所述压力小于所述阈值时，使所述制冷剂蒸汽压缩系统以第二模式操作。所述压缩机继续以所述第一模式和所述第二模式操作。在本公开的一个方面中，所述第二模式包括增大所述吸入口管线中的所述制冷剂的过热值。在本公开的一个方面中，所述系统进一步包括位于所述制冷剂吸热换热器上游的膨胀阀，增大所述过热值包括调节所述膨胀阀。在本公开的一个方面中，使所述制冷剂蒸汽压缩系统以第二模式操作进一步包括在所述压缩机的吸入端口处以小于所述制冷剂的三相点压力的压力操作。在本公开的一个方面中，所述系统进一步包括设置为与所述吸入口管线热接触的加热器，增大所述制冷剂的过热值包括为所述加热器提供动力。在本公开的另一个方面中，所述第二模式包括减少所述绝热膨胀装置上游的压力，直到所述绝热膨胀装置下游的压力高于所述制冷剂的三相点压力。
为了进一步理解本发明，参考下文结合附图对本发明所作的详细描述，附图中
图I示意性地示出了根据本申请的制冷剂蒸汽压缩系统的实施例；
图2示意性地示出了图I的运输制冷单元的示例性实施例；
图3用图表示出了压力-焓图，其显示了图I制冷剂蒸汽压缩系统的示例性热力学制冷剂循环；图4和图5示出了图3的示例性热力学制冷剂循环的一个放大部分；
图6是总体呈现出流程图的框图，其示出了根据本申请的用于操作制冷剂蒸汽压缩系统的方法的示例性实施例。
具体实施例方式参见图1，制冷剂蒸汽压缩系统2可包括耦连到容器6内的封闭空间的运输制冷单元4。容器6可以是温度受控环境，例如是冷藏运输卡车、拖车或集装箱的货箱，或者陈列柜、市场、冷柜、冷室或商业机构中其他易烂/冷冻产品储存区，或者住所、办公楼、医院、学校、餐馆或其他设施内的气候受控舒适区。在公开的示例中，制冷剂蒸汽压缩系统2属于冷藏运输卡车上使用的类型。如图I中所示，运输制冷单元4被配置成保持容器6内的程序控制热环境。在图I中，运输制冷单元4安装在容器6的一端。然而，运输制冷单元4还可被安装到容器6的一侧或更多侧。在一个实施例中，多个运输制冷单元4可被安装到单个容器6。替代性地，单个运输制冷单元4可被安装到多个容器6或单个容器内的多个封闭空间。运输制冷单元4典型地在第一温度下操作以吸入空间，并在第二温度下操作以排出空气。在一个实施例中，来自运输制冷单元4的排气将比吸入空气更温暖，从而运输制冷单元4用于使容器6中的空气变暖。在另一实施例中，来自运输制冷单元4的排气将比吸入空气更凉，从而运输制冷单元4用于冷却容器6中的空气。在一个实施例中，运输制冷单元4可包括一个或更多温度传感器，以连续不断地或重复地监控返回空气温度和/或供应空气温度。如图I所示，运输制冷单元4的供应空气温度传感器(STS)S可分别提供到达运输制冷单元4的供应温度，运输制冷单元4的返回空气温度传感器(RTS) 10可提供到达运输制冷单元4的返回温度。替代性地，可用遥感器来确定供应温度和返回温度。制冷剂蒸汽压缩系统2可将具有受控温度、湿度或/和组分浓度的空气提供到例如容器6中的储存货物的封闭腔中。制冷剂蒸汽压缩系统2在所有类型的环境条件下对于大量的各种货物能够将多个环境参数或者将所有环境参数控制在相应范围内。参照附图的图2，其示出了被设计用于在具有低临界点制冷剂的跨临界循环下操作的制冷剂蒸汽压缩系统2的示例性实施例。低临界点制冷剂例如可以是二氧化碳和含有二氧化碳的制冷剂混合物。然而，应理解，制冷剂蒸汽压缩系统2还可在具有较高临界点制冷剂(例如传统的含氢氯氟烃制冷剂和氢氟烃制冷剂)的亚临界循环下操作。制冷剂蒸汽压缩系统2特别地适合用在运输制冷剂系统中，用于对温度受控封闭体积(例如，用于运输易烂/冷冻商品的卡车、拖车、集装箱等的货物空间)内的空气或其他气态大气进行制冷。制冷剂蒸汽压缩系统2还适合用于对将供应到住所、办公楼、医院、学校、餐馆或其他设施内的气候受控舒适区的空气进行调节。制冷剂蒸汽压缩系统2还可被用于对供应到陈列柜、市场、冷柜、冷室或商业机构中的其他易烂/冷冻产品储存区的空气进行制冷。制冷剂蒸汽压缩系统2包括多级压缩机12，其中制冷剂被压缩至更高温度和压 力。压缩机12可由单相电力、三相电力和/或柴油机提供功率，并且能够例如以恒定速度操作。压缩机12可以是涡旋式压缩机、旋转式压缩机、往复式压缩机等。运输制冷单元4需要来自例如标准商业电力服务的电源单元(未显示)、例如安装在船上的外部发电系统、柴油发电机等的电功率，并能够连接到例如标准商业电力服务的电源单元(未显示)、例如安装在船上的外部发电系统、柴油发电机等。在所示实施例中，压缩机12为单相多级制冷剂压缩机，例如为螺杆式压缩机或往复式压缩机，其被设置在初级制冷剂回路中并具有第一压缩级12a和第二压缩级12b。第一和第二压缩级被设置成串联制冷剂流动关系，其中离开第一压缩级12a的制冷剂直接转到第二压缩级12b进行进一步的压缩。替代性地，压缩机12可包括一对独立的压缩机12a和12b，其经由将第一压缩机12a的排放出口与第二压缩机12b的入口(例如，吸入端口)连接为制冷剂流连通的制冷剂管线在初级制冷剂回路中连接成串联制冷剂流动关系。在独立压缩机的实施例中，压缩机12a和12b可以是涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、往复式压缩机、旋转式压缩机或任何其他类型的压缩机，或者任何这样的压缩机的组合。在图2所示的实施例中，制冷剂蒸汽压缩系统2包括旁路管线14，其提供从压缩机12的排放端口 16返回到压缩机的吸入侧的制冷剂流动通路。设置在旁路管线14中的卸载阀18可被选择性地定位在打开位置和闭合位置，在打开位置，制冷剂流通过旁路管线14，在闭合位置，通过旁路管线14的制冷剂流被部分地节流或切断。制冷剂蒸汽压缩系统2进一步包括制冷剂排热换热器20，其沿着压缩机排放管线22操作性地耦连到压缩机12的排放端口 16。在跨临界循环操作的制冷剂蒸汽压缩系统，例如使用二氧化碳制冷剂的系统中，例如，制冷剂排热换热器20通常被称为气体冷却器。超临界制冷剂(气体)与诸如周围气体或液体(例如，空气或水)成热交换关系通过。在亚临界循环操作的制冷剂蒸汽压缩系统，例如使用碳氟制冷剂的系统中，制冷剂排热换热器20通常被称为冷凝器。冷凝器可包括制冷剂冷凝换热器，热的高压制冷剂蒸汽与冷却介质以热交换关系穿过该制冷剂冷凝换热器，并被冷凝成液体。制冷剂排热换热器20可包括翅管换热器，例如翼翅圆管换热器盘管或翼翅小通道扁管换热器。制冷剂通过一个或更多风扇26与抽出通过换热器20的周围空气成热交换关系穿过蛇管24。来自风扇26的空气流允许从在制冷剂排热换热器20内循环的制冷剂中去除热。周围空气温度传感器(AAT) 28可被定位在风扇26上游，以检测周围空气温度。制冷剂蒸汽压缩系统2可包括接受器30，其沿着冷凝器排放管线32操作性地设置在制冷剂排热换热器20下游，以在低温操作期间为过量液体制冷剂提供存储。在一个示例中，接受器30为具有分离腔34的闪蒸罐接受器，其中液态的制冷剂聚集在分离腔的下部，而蒸汽态的制冷剂聚集在分离腔的位于液体制冷剂上方的部分。在示例中，制冷剂为二氧化碳(CO2)。随着CO2制冷剂离开制冷剂排热换热器20，CO2制冷剂穿过辅助膨胀阀36。辅助膨胀阀36可以是可变控制阀，其可选择性地定位，从而随着制冷剂作为液体制冷剂和蒸汽的混合物进入闪蒸罐接受器30时将制冷剂膨胀到更低压力。闪蒸罐接受器30作为进料控制罐。液体制冷剂下沉在闪蒸罐接受器30的下部，制冷剂蒸汽聚集在上部。过滤干燥器38可沿着制冷剂液体管线40被设置在接受器30下游，以保持制冷剂清洁和干燥。在另一实施例中，接受器30可包括水冷冷凝器和相关管件(未显示)。无论制冷剂蒸汽压缩系统2是否在跨临界循环或亚临界循环操作，该系统进一步 包括制冷剂吸热换热器42，在此也被称为蒸发器，其操作性地耦连在制冷剂排热换热器20与压缩机12的吸入端口 44之间。在蒸发器42中，制冷剂液体或制冷剂液体和蒸汽的混合物与从容器6抽出并返回到容器6的待冷却流体(最通常为空气)成热交换关系穿过。在一个示例中，制冷剂吸热换热器42包括翅管换热器46，制冷剂通过一个或更多蒸发器风扇48与从冷藏容器6中抽出和返回至冷藏容器6的空气成热交换关系穿过该翅管换热器46。翅管换热器46可包括,例如翼翅圆管换热器盘管或翼翅最小通道扁管换热器。蒸发器风扇48可被定位并通过管道输送成使包含在容器6内的空气进行循环。在一个实施例中，蒸发器风扇48将空气流引导越过翅管换热器46的表面，由此从空气中去除热，温度降低的空气然后在容器6的封闭体积内循环，从而降低封闭体积的温度。绝热膨胀装置可沿着蒸发器入口管线50被连接在制冷剂排热换热器20的输出部与制冷剂吸热换热器42的输入部之间。在所公开的实施例中，绝热膨胀装置为用于计量制冷剂流量的电子膨胀阀52，以维持离开蒸发器42的制冷剂蒸汽的期望过热水平。膨胀阀52有助于确保在离开蒸发器42的制冷剂中不存在液体。离开蒸发器42的低压制冷剂蒸汽
返回到第一压缩级或第一压缩机12a的吸入端口 44。 在一个实施例中，制冷剂蒸汽压缩系统2进一步包括用于容量调节的第二或备用绝热膨胀阀，即吸入调制阀54。在所示例子中，吸入调制阀54沿着制冷剂吸热换热器42的出口与压缩机卸载旁路管线14的三通管之间的吸入口管线56定位。吸入调制阀54在一个示例中可包括脉宽调制电磁阀。另外，制冷剂蒸汽压缩系统2可包括节热器回路，用于沿着接受器30与压缩机12的中间入口 60之间的注入管线58建立制冷剂蒸汽流。节热器回路包括节热器装置62和节热器膨胀阀64，用于将制冷剂膨胀至低压，从而足以建立蒸汽态制冷剂和液态制冷剂的混合物。在所示实施例中，节热器装置62为闪蒸罐接受器30，节热器膨胀阀64被设置为与节热器装置62操作相关并设置在节热器装置62下游。节热器膨胀阀64可以是例如高压电子膨胀阀。蒸汽注入管线58将闪蒸罐接受器30的分离腔34的上部连接至压缩机12的中间入口 60。制冷剂蒸汽压缩系统2还包括与其操作性地相关用于控制制冷剂蒸汽压缩系统的控制系统。控制系统能够包括控制器66，其能够确定期望的操作模式，在考虑制冷负载需求、环境条件和各种检测到的系统操作参数时基于期望的操作模式来操作制冷剂蒸汽压缩系统2。在所公开的实施例中，控制器66包括微处理器板68,微处理器板68包含微处理器70及其相关的存储器72、输入/输出(I/O)板74，其包括对接收来自系统中各个点的温度输入和压力输入、AC电流输入、DC电流输入、电压输入和湿度水平输入的数字转换器76的模拟。对于系统2内的各种操作参数，控制器66的存储器72能够包含操作者或所有人预选的期望值，包括但不限于，系统2或容器6内的各个位置的温度设定点、压力极限、电流极限、发动机速度极限和关于系统2的任一各种其他期望操作参数或极限。另外，输出/输出板74包括驱动电路或场效应晶体管(FET)和继电器，其接收来自控制器66的信号或电流，并依次控制系统2中的各个外部或外围装置，例如膨胀阀52。在控制器66监控的特定传感器和变换器中，返回空气温度传感器(RTS)IO根据蒸发器返回空气温度将可变电阻值输入到微处理器70中；周围空气温度(AAT)传感器28根据在制冷剂排热换热器20前面读取的周围空气温度将可变电阻值输入到微处理器70中；压缩机吸入温度(CST)传感器78根据压缩机吸入温度将可变电阻值输入到微处理器70;压缩机排放温度(CDT)传感器80根据压缩机12顶罩内的压缩机排放温度将电阻值输入到微处理器70 ;蒸发器出口温度(EVOT)传感器82根据制冷剂吸热换热器42的出口温度将可变电阻值输入到微处理器70 ;压缩机吸入压力(CSP)变换器84根据压缩机12的压缩机吸入值将可变电压输入到微处理器70 ;压缩机排放压力(CDP)变换器86根据压缩机12的压缩机排放值将可变电压输入到微处理器70 ;蒸发器出口压力(EVOP)变换器88根据制冷剂吸热换热器42的出口压力将可变电压输出到微处理器70 ;直流传感器90和交流传感器92(分别为CTl和CT2)根据系统2吸取的电流将可变电压值输入到微处理器70。控制器66处理从各个传感器接收的数据，并控制压缩机12的操作、与制冷剂排热换热器20相关的风扇26的操作、蒸发器风扇48的操作、膨胀阀52的操作和吸入调制阀54的操作。在图2的实施例中，控制器66还可控制无负载阀18的定位，以选择性地打开无负载阀，从而在希望对压缩机的第一级进行卸载时使来自压缩机12的中间压力级的制冷剂通过旁路管线14支路返回到压缩机12的吸入侧。在图2所示的实施例中，制冷剂蒸汽压缩系统2可进一步包括制冷剂液体注入管 线92。制冷剂液体注入管线92能够在接受器30下游和膨胀阀52上游的位置处接入到制冷剂液体管线40中，并通向压缩机12的中间入口 60。液体注入流量控制装置94可被设置在液体注入管线92中。液体注入流量控制装置94可包括流量控制阀，其选择性地定位在打开位置与闭合位置之间，在打开位置，制冷剂液体流可穿过液体注入管线92，在闭合位置，通过制冷剂液体注入管线92的制冷剂液体流被减少或阻挡。在实施例中，液体注入流量控制装置94包括两位电磁阀类型，其选择性地定位在第一打开位置与第二闭合位置之间。在图2所示的制冷剂蒸汽压缩系统2的示例性实施例中，通过将制冷剂蒸汽或制冷剂液体注入到从压缩机12的第一压缩级12a进入到第二压缩级12b的制冷剂中，可以实现制冷剂蒸汽或制冷剂液体到压缩机12的中间入口 60中的注入。控制器66还可控制辅助膨胀装置36、节热器膨胀阀64和/或液体注入流量控制装置94的定位。控制器66可响应于制冷剂排热换热器20的出口处的温度和压力测量对辅助膨胀阀36进行定位。控制器66还可控制节热器膨胀阀64的定位，以选择性地允许制冷剂蒸汽从节热器装置62通过注入管线58准入到压缩机12的中间入口 60中。类似地，控制器66还可将液体注入流量控制装置94定位在打开位置，用于选择性地允许制冷剂液体从接受器30通过液体注入管线92注入到压缩机12的中间入口 60中。跨临界制冷剂蒸汽压缩系统2中遇到的一个问题是，在一些操作条件下，制冷剂蒸汽可进入到制冷剂的气相和固相以热力学平衡共存的固体-蒸汽相或者制冷剂的气相、液相和固相以热力学平衡共存的三相点相。在任一1清况，固相的制冷剂能够对压缩机中的旋转部件具有破坏作用，并还可通过阻碍阀内的流动通路等而降低系统性能。参见图2和图3，其参照二氧化碳压力-焓图示出了制冷剂蒸汽压缩系统2 —个实施例的示例性制冷循环。在点A，制冷剂在吸入端口 44处进入压缩机12，并被泵送到更高温度和压力，在点B离开压缩机的第一级。来自蒸汽注入管线58的制冷剂蒸汽与离开压缩机12的第一级的制冷剂混合，如点C所示。制冷剂在压缩机12的第二级被泵送到更高温度和压力，并在排出口 16离开压缩机，如点D所示。从点D到点E，制冷剂穿过制冷剂排热换热器20，并以恒定压力放热。从点E到点F，制冷剂通过辅助膨胀阀36经历绝热膨胀，将制冷剂膨胀到更低压力，从而作为液体制冷剂和蒸汽的混合物进入闪蒸罐接受器30，点F所示。闪蒸罐接受器30中的制冷剂蒸汽绝热地膨胀越过节热器膨胀阀64，从点F到点C所示，其中制冷剂蒸汽被准许通过中间入口 60并与进入压缩机12的第二级的制冷剂混合。闪蒸罐接受器30中的液体制冷剂，如点G所示,绝热地膨胀越过膨胀阀52至点H。从点H到点J,制冷剂穿过制冷剂吸热换热器42并以恒定压力吸热。从点J到点A，制冷剂穿过另一绝热膨胀装置，例如吸入调制阀54，从而以基本恒定的焓降低压力，热力学循环重复。如参见图3会意识到，所公开的制冷剂蒸汽压缩系统2中的最低压力典型地出现在压缩机12的吸入端口 44处，其在吸入调制阀54下游。如果制冷剂压力接近吸入调制阀54 (例如沿着线H-J)上游的三相点压力(例如，对于CO2而言为0. 52MPa)，阀上的绝热膨胀导致恒定的焓压降。在一些条件下，压降导致固相制冷剂的形成。现在参照附图的图4，更为详细地示出了一个这样的条件。在点J，离开制冷剂吸热换热器42的制冷剂刚好在0. 52MPa的三相点压力上方，并且处于足以拥有液体蒸汽相的温度。随着制冷剂穿过吸入调制阀54，压力下降到点A，制冷剂于是占有液体蒸汽相。在该点，固相制冷剂可累积在阀54的部件上，阻挡流动并进一步减少压力。固相制冷剂还可累 积在压缩机12的吸入阀上，从而致使压缩机效率低下地运转或永久性地损害吸入阀。固相制冷剂在压缩冲程开始时期还可损害压缩机圆筒。参照附图的图5，在一个示例性操作条件下，离开制冷剂吸热换热器42的制冷剂完全处于气相，如点J所示，但刚好在0. 52MPa的三相点压力上方。随着制冷剂穿过吸入调制阀54，压降和制冷剂占有固汽相，如点A所示。因而，即使离开制冷剂吸热换热器42的制冷剂处于气相且因此看起来是暖和得足以防止固相形成，严格检验相图表明了存在仍可形成固相制冷剂的小窗。为了防止或减轻固相制冷剂的存在，则控制器66可结合温度和/或压力传感器使用，以使制冷剂蒸汽压缩系统2在不必关闭压缩机12的情况下防止形成固相制冷剂的第二模式下操作。如果吸入口管线56或压缩机吸入端口 44的压力接近制冷剂的三相点压力，则制冷剂的过热值可被增大。如在此使用，制冷剂的过热值被定义成测量的蒸汽温度与相同压力时饱和温度之间的差异。防止固相形成所需的过热值已发现很小，大约1°K。因而，大于1°K的过热值被认为足以防止制冷剂的固相形成。考虑到系统传感器的测量精度，1°K到5°K范围内的过热值被认为足以防止固相形成。参见图4，控制器66可确定，点J处制冷剂的压力足以接近阈值，越过吸入调制阀54的膨胀将导致固相制冷剂的形成，如点A处所示。在一个示例中，阈值可近似为制冷剂的三相点压力。控制器66可采用步长来增大制冷剂的过热值，从而，制冷剂移动至压力-焓图上的点J’。通过这种方式，延伸越过吸入调制阀54的制冷剂将保持为气相，如在点A’所示。显然，吸入调制阀54下游、或压缩机12的吸入口管线56处的压力，可低于制冷剂的三相点压力。在一个实施例中，使制冷剂蒸汽压缩系统2在第二模式操作，包括增大吸入调制阀54上游的制冷剂的过热值。微处理器70接收来自蒸发器出口压力变换器88和/或蒸发器出口温度传感器82的输入，以便确定相图或压力-焓图上的制冷剂的当前热力学状态，例如，制冷剂是否处于蒸汽态、液-汽态或固-汽态。蒸发器出口压力和温度传感器88、82可进一步用于确定吸入调制阀54上游的饱和温度和过热值(如果有)。该信息可反过来用于确定吸入调制阀54上游的制冷剂压力是否低于阈值，例如高于三相点压力的固定值。如果是，则制冷剂的过热值可被增大。例如，制冷剂排热换热器20前面的膨胀阀52可被关闭，导致通过换热器20制冷剂流量更少。流量的减少导致制冷剂例如运动到图4中的点J’。吸入调制阀54下游或压缩机12的吸入端口 44处的制冷剂条件还可被包括在控制环逻辑中。例如，使制冷剂蒸汽压缩系统2以第二模式操作可进一步包括，对微处理器70编程以接收来自压缩机吸入温度传感器78和/或压缩机吸入压力变换器84的输入从而确定制冷剂的热力学状态，并响应传感器78、84增大吸入调制阀54上游的制冷剂中的过热值。控制器66可确定制冷剂蒸汽压缩系统2的未来操作或未来设定点是否将导致制冷剂进入固-汽相。如果是，则控制器66可采用步长来增大制冷剂的过热值。例如，制冷剂蒸汽压缩系统2的容量需求可由吸入调制阀54的位置控制。阀位置(例如，打开百分比)与根据阀的特定特征和当前制冷剂流动条件的压降值相关。阀位置与压降值之间的相关性例如可被保存在控制器66的存储器72的查询表中。当制冷剂蒸汽压缩系统2的能力需求指示吸入调制阀54位置变化时，控制器66可首先确定实现新设定点所需的阀位置，访问查询表以确定阀54上的压降，然后确定吸入调制阀54下游的制冷剂的最后压力，例如图4中的点A处所示。如果下游压力将导致固相制冷剂，则控制器66可被编程以在第二模式下操作，这将在不必关闭压缩机12的情况下防止形成固相制冷剂。第二模式还可包括，响应吸入调制阀54上游的计算的过热值来调节膨胀阀52的位置。在一个示例中，制冷剂蒸汽压缩系统2的制冷容量需要减少，但仍将导致形成固相制冷剂，如上文中所提出的方法确定。膨胀阀52可被关闭，以减少制冷剂流量，这将随后增大离开制冷剂吸热换热器42的制冷剂的温度。制冷剂的过热值的最后增大可由蒸发器出口温度传感器82检测，并且，可响应温度进行对膨胀阀52的位置的进一步调节。在另一示例中，膨胀阀52的位置可响应于感应球(未显示)，其监控吸入调制阀54下游的温度和压力条件，例如压缩机12的吸入端口 44的温度和压力条件。膨胀阀52的位置可被调节为在温度例如低于三相点温度时防止吸入调制阀54下游的压力降低而低于三相点压力。在另一实施例中，系统2可包括位于吸入口管线56中的加热器96。加热器96可位于吸入调制阀54上游或下游。用于防止形成固相制冷剂的第二操作模式可包括，响应吸入口管线56中的一点处的压力和温度来调节加热器96的设定。通过这种方式，制冷剂的过热值被增大，压缩机12可在低于制冷剂的三相点压力下操作，而无需关注固相制冷剂损害压缩机。在另一示例中，压缩机12中的马达所放出的热可用于增大制冷剂的过热值，从而、防止形成制冷剂的固-汽相。该热例如可用作偏移值。通过这种方式，只要来自压缩机马达的热足以将压缩机12的吸入端口 44处的过热值升高至至少I °K，则吸入口管线56中的制冷剂的过热值可小于I °K。在另一实施例中，较高温度的制冷剂可在压缩机12的吸入端口 44之前与吸入口管线56中的制冷剂混合，以防止形成固相制冷剂。参见图2，旁路管线14中的卸载阀18可被打开，以容许热的制冷剂蒸汽流到离开的制冷剂流中。卸载阀18的操作例如可响应于压缩机吸入温度传感器78和压缩机吸入压力变换器84进行。参见图2和图6，公开了一种方法500，用于操作制冷剂蒸汽压缩系统2，以防止形成固相制冷剂。在步骤510，确定绝热膨胀装置，例如吸入调制阀54上游的制冷剂的压力和温度。当在步骤520需要新的设定点或操作条件时，例如将需要阀54的阀位置变化的设定点时，控制器66在步骤530执行计算，以确定新的设定点是否将导致形成固相制冷剂。在一个示例中，利用步骤510获得的压力和温度值并将其应用至包含例如图3中发现的压力-焓值的查询表来执行计算。该计算例如将确定图3、4和5中的点J。控制器66接下来确定绝热膨胀装置的阀设定(例如，打开百分比)以建立设定点。在一个示例中，控制器66根据特定的制冷剂流动条件访问包含阀位置与最后压降值之间相关值的查询表。根据查询表中的值，控制器66确定最后压降是否将导致制冷剂的固相形成。如果是，则控制器66进入第二操作模式，其中制冷剂的过热值被增大，以防止固相形成。制冷剂的过热值可通过上文中所公开的任一方法被增大。本公开提供的一个优点是，制冷剂蒸汽压缩系统2可在更大范围内操作。例如，现有技术中的系统可限制膨胀阀的能力，以将制冷剂压力维持为远高于三相点压力，从而确保吸入调制阀上的后续膨胀将使制冷剂压力保持为高于三相点压力。替代性地，吸入调制阀的能力可因相同原因受限制。通过采用在此所公开的方法和设备，如果压降将导致形成 固相制冷剂，由于过热值将增大，则膨胀阀和吸入调制阀可在更大范围下操作。所公开的系统2的另一优点是，压缩机12可在低于制冷剂的三相点压力时操作，从而对于制冷剂蒸汽压缩系统2允许更大的操作范围，而不会冒固相制冷剂损害压缩机部件或阻挡阀的风险。如果制冷剂压力接近三相点压力，现有技术中的系统已将压缩机关闭。
权利要求
1.一种制冷剂蒸汽压缩系统，包括 用于压缩制冷剂的压缩机，所述压缩机具有吸入端口和排放端口 ； 制冷剂排热换热器，其在下游操作性地耦连到所述压缩机的排放端口 ； 制冷剂吸热换热器，其在下游操作性地耦连到所述制冷剂排热换热器； 压缩机吸入口管线，其将所述制冷剂吸热换热器连接到所述压缩机的吸入端口 ； 绝热膨胀装置，其操作性地耦连到所述吸入口管线； 传感器，其操作性地耦连到所述吸入口管线，用于测量所述制冷剂的过热值；以及 与所述传感器通信的控制器，所述控制器被配置成，当所述绝热膨胀装置下游的制冷剂压力大于阈值时，使所述制冷剂蒸汽压缩系统以第一模式操作，当所述绝热膨胀装置下游的制冷剂压力小于所述阈值时，使所述制冷剂蒸汽压缩系统以第二模式操作； 其中所述压缩机继续在两种模式下操作。
2.根据权利要求I所述的制冷剂蒸汽压缩机，其中所述绝热膨胀装置为吸入调制阀。
3.根据权利要求I所述的制冷剂蒸汽压缩机，其中所述第二模式包括增大所述吸入口管线中制冷剂的过热值。
4.根据权利要求I所述的制冷剂蒸汽压缩机，其中所述第二模式包括减少所述绝热膨胀装置上游的压力，直到所述绝热膨胀装置下游的压力大于所述制冷剂的三相点压力。
5.根据权利要求I所述的制冷剂蒸汽压缩机，其中所述阈值为大于所述制冷剂的三相点压力的固定值。
6.根据权利要求5所述的制冷剂蒸汽压缩机，其中所述阈值等于所述制冷剂的三相点压力。
7.根据权利要求I所述的制冷剂蒸汽压缩机，进一步包括位于所述制冷剂吸热换热器上游的膨胀阀，其中增大所述过热值包括调节所述膨胀阀。
8.根据权利要求7所述的制冷剂蒸汽压缩机，其中调节所述膨胀阀包括关闭所述膨胀阀。
9.根据权利要求I所述的制冷剂蒸汽压缩机，进一步包括设置为与所述吸入口管线热接触的加热器，其中增大所述制冷剂的过热值包括对所述加热器供电。
10.根据权利要求I所述的制冷剂蒸汽压缩机，其中使所述制冷剂蒸汽压缩系统以第二模式操作进一步包括，利用所述压缩机的吸入端口处小于所述制冷剂的三相点压力的压力操作。
11.根据权利要求I所述的制冷剂蒸汽压缩机，进一步包括将所述压缩机的排放端口连接到所述压缩机的吸入端口的旁路管线，所述旁路管线具有卸载阀，用于控制通过其中的制冷剂流，所述第二操作模式包括打开所述卸载阀，以容许较高温度的制冷剂到达所述压缩机的吸入端口。
12.根据权利要求I所述的制冷剂蒸汽压缩机，其中所述制冷剂为二氧化碳。
13.一种用于操作制冷剂蒸汽压缩系统的方法，在所述制冷剂蒸汽压缩系统中包括有压缩机、操作性地耦连到所述压缩机的制冷剂排热换热器、操作性地耦连到所述制冷剂排热换热器的制冷剂吸热换热器以及操作性地耦连在所述制冷剂吸热换热器的出口与所述压缩机的吸入端口之间的绝热膨胀装置，所述包括以下步骤 使所述系统以第一模式操作；确定所述压缩机的吸入口管线中的制冷剂的压力和温度； 计算以所述第一模式操作时所述吸入口管线中的压力是否将导致在所述压缩机的吸入端口中形成固相制冷剂；以及 如果会形成固相制冷剂，那么以第二模式操作，从而防止固相制冷剂形成， 其中所述压缩机继续以两种模式操作。
14.根据所述权利要求13所述的方法，其中所述第二模式增大所述吸入口管线中制冷剂的过热值。
15.根据所述权利要求14所述的方法，其中过热值的增大导致大于I°K的过热值。
16.根据所述权利要求15所述的方法，其中过热值的增大导致I°K到5 °K范围内的过热值。
17.根据所述权利要求13所述的方法，其中所述绝热膨胀装置为吸入调制阀。
18.根据所述权利要求17所述的方法，其中确定所述吸入口管线中压力的步骤包括测量所述吸入调制阀下游的制冷剂压力。
19.根据所述权利要求13所述的方法，其中以第二模式操作的步骤包括增大所述绝热膨胀装置上游的过热值。
20.根据所述权利要求19所述的方法，其中增大所述过热值包括关闭位于通往所述制冷剂排热换热器的入口处的膨胀阀。
21.根据所述权利要求13所述的方法，其中所述制冷剂蒸汽压缩系统进一步包括设置为与所述吸入口管线热接触的加热器，以第二模式操作的步骤包括响应所述压缩机的所述吸入端口中的制冷剂压力对所述加热器供电。
22.根据所述权利要求13所述的方法，其中所述压缩机的所述吸入端口中的压力小于所述制冷剂的三相点。
23.根据所述权利要求13所述的方法，其中所述第二模式包括减少所述绝热膨胀装置上游的压力，直到所述绝热膨胀装置下游的压力高于所述制冷剂的三相点压力。
全文摘要
本公开提供了一种制冷剂蒸汽压缩系统，其包括具有吸入端口和排放端口的压缩机(12)；在下游操作性地耦连到压缩机排放端口的制冷剂排热换热器(24)；在下游操作性地耦连到制冷剂排热换热器的制冷剂吸热换热器(42)；将制冷剂吸热换热器连接到压缩机的吸入端口的压缩机吸入口管线；以及操作性地耦连到吸入口管线的绝热膨胀装置(54)。操作性地耦连到吸入口管线的传感器测量制冷剂过热值。制冷剂蒸汽压缩系统进一步包括与传感器通信的控制器(60)。控制器被配置成，当绝热膨胀装置下游的制冷剂压力大于阈值时，使制冷剂蒸汽压缩系统以第一模式操作，当绝热膨胀装置下游的制冷剂压力小于阈值时，使制冷剂蒸汽压缩系统以第二模式操作。压缩机继续以第一模式和第二模式操作。
文档编号F25B41/04GK102667372SQ201080053522
公开日2012年9月12日 申请日期2010年11月22日 优先权日2009年11月25日
发明者H-J.赫夫, S.杜赖萨米 申请人:开利公司