用于估算RVCS系统中的制冷剂充注损耗的方法和系统与流程

本发明涉及用于估算制冷剂蒸气压缩系统中(以下被称为RVCS，例如，在制冷系统中或在基于热泵的加热系统中等等)的制冷剂充注损耗的方法和系统。

具体地，本发明涉及用于包括制冷剂的RVCS系统的方法和系统，该制冷剂在环路中在低压侧与高压侧之间循环。该系统的低压侧在膨胀阀与压缩机的吸入侧之间形成用于制冷剂的体积。高压侧在压缩机的排放侧与膨胀阀之间形成用于制冷剂的体积。高压侧包括排热换热器，例如，呈在使用过程中变暖的气体冷却器或冷凝器的形式。高压侧进一步包括接收器从而提供用于制冷剂的存储空间。低压侧包括在使用过程中变冷的蒸发器。

发明背景

例如在超级市场和冷藏库中的制冷系统通常以低速率损耗其制冷剂充注。典型的数字是在每年总充注10％至30％的比率上。这最终由于缺乏制冷剂而导致故障。

为了补偿损耗的制冷剂并且为了避免故障，典型地限定了固定的维护间隔。

制冷剂部分地呈液体形式，并且部分地呈蒸气形式。在蒸发器和排热换热器中的液体的量取决于运行状态并且部分地取决于温度、压力和负载而显著变化。

制冷剂在正常运行过程中迁移。多数RVCS系统因此将包括接收器，该接收器存储一定量的制冷剂来适应在该设备的其他部分中的充注的变化。这使得在正常运转状态下几乎不可能估算充注。

类似的考虑适用于其他在技术上类似的系统，例如，在用于家用加热的热泵系统中和在空调系统中等等。本文中，使用术语RVCS系统涵盖任何种类的基于压缩机和制冷剂的系统，其中通过使用压缩机和制冷剂使热能在热侧与冷侧之间交换。这种系统有时被称为制冷剂蒸气压缩系统。

在市场中对于早期检测低充注状态存在极大兴趣，这使得应可以在故障实际发生之前安排再充注。这可以减少故障量并且防止对紧急维护呼叫的需要。

在再填充过程中，维护人员用粗略估算量的制冷剂对系统进行再填充。现行实践非常不精准，并且典型地专注于避免对系统过量填充，因为如果液体制冷剂从蒸发器逸出则可能引起高成本的压缩机崩溃。

发明说明

为了改善RVCS系统并且尤其为了能够改善维护间隔、为了改善维护和再填充程序的质量、并且为了减少故障的风险，本发明在第一方面中提供一种方法，该方法包括：

●提供水平传感器，该水平传感器被配置成用于提供接收器水平，该接收器水平表明在该接收器中存在的制冷剂的量；

●提供水平模型，该水平模型被配置成用于基于选自由包括至少制冷剂温度的一组运行参数中的参数来提供排热换热器估算，该排热换热器估算表明在该排热换热器中存在的制冷剂的量；并且

●基于该接收器水平和该排热换热器估算来估算制冷剂从该RVCS系统的损耗。

在第二方面中，本发明提供一种控制器，该控制器用于以上描述类型的RVCS系统并且包括处理器，该处理器以一组指令来运行，从而变得被配置成用于执行根据本发明的第一方面的方法。

在第三方面中，本发明提供一种RVCS系统、尤其是制冷系统、并且尤其是具有多个冷却单元或装架的制冷系统，该多个冷却单元或装架通过来自压缩机或包括多个压缩机的压缩机机组的制冷剂供应而单独冷却。根据本发明的第三方面的RVCS系统配备有根据本发明的第二方面的控制器。

以下，主要参照制冷系统对本发明进行描述。然而，任何所披露的特征和方面总体上都可应用于具有例如充注有碳氟化合物制冷剂的类型的RVCS系统，这些碳氟化合物制冷剂例如但不限于诸如R22的氟氯烃化合物(HCFC)、或诸如R134a、R410A和R407C的氢氟烃(HFC)、或诸如R600a和R1270的碳氢化合物(HC)、或二氧化碳。

通过执行已知为抽空的程序，可以获得在该RVCS的多数部件内部的制冷剂的可复现量。在此，可复现应被理解的意义为在重复程序时在这些部件内部的制冷剂的量将基本上相同。其制冷剂的量将不可复现的仅有部件是排热换热器和接收器。因此，在执行抽空程序之后在接收器中的制冷剂的量的变化加上在排热换热器中的制冷剂的量的变化对应于制冷剂从RVCS的损耗。

在接收器中的制冷剂的量可以借助于水平传感器来确定，从而留下排热换热器作为该系统在充注方面具有高度不确定性的仅有部分。通过本发明，这是通过使用排热换热器的模型进行估算来克服的。在接收器中的水平与在排热换热器中的估算量之和对于无泄露的设备而言预期保持恒定并且当存在泄漏时随时间下降。通过建立基线(即，通过从水平传感器建立信号并且通过在充注之后直接(优选地在充注之后少于一天或一个小时)从水平模型提供排热换热器估算)，就可以充分精确地估算充注损耗的量，从而高度改善维护间隔的定时并且确保更加准确的制冷剂添加量。

该方法可以应用于估算维护间隔，或者该方法可以应用于估算充注特定RVCS系统所需的制冷剂的量。这将使得维护人员能够在维护系统时携带必需量，并且与迄今为止相比将可以允许维护人员将更多制冷剂填充到系统中，迄今为止量被非常粗略且不精确地估算并且因此该量被减少以便将安全措施包括在内来避免由于过量填充而损坏压缩机。

所提及的包括在环路中循环的制冷剂的RVCS系统可以是普通的制冷系统，例如，包括多个压缩机和/或多个排热换热器和/或多个接收器和/或多个膨胀阀和/或多个蒸发器的大型系统。该系统例如可以用于冷藏库，或者该系统可以形成RVCS系统的一部分(空调系统或基于热泵的加热系统)。压缩机例如可以是往复式压缩机或涡旋式压缩机。

该系统因此可以包括一个或多个低压侧以及一个或多个高压侧。

排热换热器可以是传统的冷凝器，其中呈气态的制冷剂被冷却并且变成液体，或者该排热换热器可以是例如来自基于CO₂的系统的已知类型的气体冷却器。

在一个实施例中，该方法包括为系统中的不同排热换热器应用不同的水平模型。

该低压侧可以包括多个不同的部件，包括蒸发器，进入该蒸发器中的制冷剂膨胀并因此变冷。该蒸发器被定位在一个或多个膨胀阀与该一个或多个压缩机的吸入侧之间。

该高压侧包括被定位在该压缩机的排出与该膨胀阀之间的一个或多个排热换热器和一个或多个接收器。该高压侧可以包括多个附加部件。

该水平传感器可以是现有技术中已知的适用于在RVCS系统中水平指示的任何种类的传统传感器。该水平传感器典型地将液体水平转换成可以被控制器读取的电信号，例如，0伏特至10伏特，并且该水平传感器可以优选地直接定位在接收器内部。

被配置成用于提供排热换热器估算的水平模型尤其可以是至少制冷剂的温度的函数、并且还有可能是其他参数(例如，压力)的函数，例如，在系统中的不同位置处的压力之间的压力差的函数。

水平模型将估算在排热换热器中的液体制冷剂的量。

可应用于亚临界操作中的一个可能的模型将排热换热器划分成三段：在区域1中，在边界0至1之间，来自压缩机的热蒸气被冷却至露点。在区域2中，在边界1至2之间，制冷剂被冷凝为液体。在区域3中，在边界2至3之间，液体制冷剂被进一步冷却，还参见图4。

对于这种模型的实践估算公式是：

其中h_i是在边界i处的制冷剂的质量比焓，ρ_L是液体密度，ρ_g是蒸气密度，T_i是在边界i处的温度，T_amb是第二流体的温度，α_i是代表区域i的热传递系数，并且ζ_i是填充有蒸气的区域i的体积的分数(其在区域1中等于一，并且在区域3中等于零)。焓和密度可以借助于流体模型来计算。模型的结果是在排热换热器内部的制冷剂的质量相对于当冷凝器将完全填充有液体制冷剂时将在内部的质量。在排热换热器内部的总制冷剂质量可以因而通过将结果乘以排热换热器的内部体积并且乘以液体密度来获得。

热传递对于所讨论的排热换热器是特定的，并且可以通过实验发现。在以下表格中，提供了热传递系统的实例。

该方法可以具体地应用在具有多个排热换热器的系统中。该方法因此可以包括针对每个排热换热器提供特定的单独的水平模型的步骤，该特定的单独的水平模型被配置成用于提供表明在这些排热换热器中特定一者中存在的制冷剂的量的排热换热器估算。为此目的，每个模型可以取决于排热换热器的特定类型来使用不同的热传递系数。

该系统尤其可以被操作成，在估算制冷剂损耗之前使得以可复现的方式在该低压侧与该高压侧之间分布制冷剂。抽空是在控制着制冷剂进入该一个或多个蒸发器的流动的阀门关闭并且压缩机将低压侧中的压力减少而充分低于正常运行压力并且由此将低压侧中存在的所有制冷剂蒸发的时候。因此在低压侧中存在的制冷剂的量将是可复现的。这导致图2中描绘的一些制冷剂估算设想。

可以通过计算机可控阀来控制防止制冷剂流动到该一个或多个蒸发器中，从而使得可以通过使用微处理器来执行估算制冷剂损耗的整个过程，该微处理器被配置成用于控制水平传感器、温度传感器、可控阀和压缩机的运行或者接收来自该水平传感器、该温度传感器、该可控阀或该压缩机的信号。

在估算制冷剂损耗之前，在排热换热器与接收器之间的第一液体管线和在接收器与膨胀阀之间的第二液体管线填充有呈液体形式的制冷剂。这应用于一些可用制冷剂，但例如不应用于遍布高压侧典型地呈蒸气形式的CO₂。该第一液体管线和该第二液体管线例如可以填充有液体制冷剂，而压缩机的排放侧与排热换热器之间的排放管线填充有气态的制冷剂。

可以基于制冷剂的估算损耗给操作者或维护人员传达警示。可以将警示传达为直接来自前述微处理器的信号。

可以提供可比较的制冷剂水平或泄露水平。作为实例，该方法可以包括将估算与从良好运作的系统获得的估算(例如，当系统是新的时获得的估算)进行对比。通过将制冷剂从RVCS系统的估算损耗与可比较的系统泄露速率进行对比，该方法可以提供泄露速率随时间的增加或者提供对系统降级的指示，并且该方法因此可以包括对整个系统或系统中的特定部件的期望剩余寿命的指示(例如，被提供为整数，例如在某一范围内的数字)。

可比较的系统泄漏速率可以是对制冷剂从系统的损耗的平均值。

该组运行参数可以由以下各项构成：在该排热换热器中的制冷剂的温度、在该排热换热器中的压力、在该压缩机处的吸入压力、流经该排热换热器的第二流体的温度、以及在该蒸发器处的温度。

通过将总水平与预期水平进行对比来估算损耗，其中该总水平构成该接收器水平与该排热换热器估算之和。

该接收器水平可以以特定单位来提供，并且其中该水平模型提供对比例常数的估算，该比例常数被配置成用于将在该排热换热器中的制冷剂中的量转换成该特定单位。

该方法可以包括估算在排放管线中的制冷剂的量的步骤，该排放管线连接该压缩机与冷凝器。

尤其可以例如在压缩机运行时并且优选地通过微处理器完全自动而没有人为干涉地实时估算制冷剂从RVCS系统的损耗。

该方法可以进一步包括基于估算损耗来改变在该RVCS系统中的制冷剂充注水平的步骤。

发明详细说明

以下，将参照多个实施例并且参照附图对本发明进行更详细的描述，在附图中：

图1展示了根据本发明的系统；

图2展示了制冷剂可以如何分布在RVCS的部件内部并且相继获得的采样如何导向对制冷剂损耗量以及对制冷剂损耗速率的估算；

图3展示了该方法可以如何实施；并且

图4展示了冷凝器模型的基础。

应该理解的是，详细说明和具体实例虽然表明了本发明的实施例，但是仅以展示的方式给出，因为从该详细说明中，本领域技术人员将了解在本发明的精神和范围内的各种变化和修改。

图1展示了包括压缩机2的RVCS系统1，该压缩机具有吸入侧3和排放侧4。制冷剂在环路中在由压缩机和这一个或多个阀7分开的低压侧5与高压侧6之间循环。该压缩机可以是往复式压缩机、涡旋式压缩机、螺杆式压缩机或对于RVCS系统已知的任何其他类型的压缩机，或者该压缩机可以由包括多个串联联接或并联联接的压缩机的机组构成。

该系统包括从环境吸收热能并且使制冷剂蒸发的一个或多个蒸发器8。该系统进一步包括将来自制冷剂的热能排至周围环境的排热换热器9。

该系统进一步包括用于存储制冷剂的接收器10。该接收器有时被称为闪蒸罐或简单地被称为罐。技术人员将意识到该系统可以含有任何数量的蒸发器、排热换热器、接收器、膨胀阀、压缩机，并且该系统可以进一步含有例如用于防止湿气或冻结、用于测量温度和压力、或者用于控制制冷剂在不同的蒸发器、排热换热器、接收器、膨胀阀和压缩机之间的分布的多个附加部件。

该系统可以以亚临界或超临界循环来运行。制冷剂以压缩且热的状态离开压缩机的压力侧。在排热换热器中，制冷剂冷却。通常的实践是在亚临界运行中将排热换热器称为冷凝器(意味着在排热换热器内部形成液体)或者在超临界运行中称为气体冷却器(意味着在气体冷却器内部的制冷剂处于超临界状态)。经压缩的制冷剂继续行至接收器，该接收器作用为储罐起作用。制冷剂从该接收器继续行至膨胀阀，制冷剂在此膨胀。然后制冷剂进入蒸发器，制冷剂在此蒸发。

水平传感器11与接收器和控制器12相关联。传感器感测驻留在接收器中的例如呈液体形式的制冷剂的水并且产生表明水平的L信号。该信号被传达至控制器。

温度传感器感测在排热换热器中的制冷剂的温度，并且产生表明温度的T信号。该信号被传达至控制器。具体地，可以确定入口处的温度(T₀)和出口处的温度(T₃)以及压力。在内部边界处的温度(T₁和T₂)可以由压力和由流体模型推出，还参照图4。最后，可以使用第二流体的温度(T-环境)。在制冷系统中，这可以是针对冷却排热换热器所应用的空气、水、盐水或制冷剂的温度。

控制器含有微处理器并且具有数据存储能力。微处理器以一组指令来运行，该组指令包括水平模型，该水平模型被配置成用于基于制冷剂的温度来提供表明在排热换热器中存在的制冷剂的量的排热换热器估算。控制器使用模型以及L信号和T信号来提供对制冷剂水平的估算，并且控制器基于该水平来计算制冷剂从系统的损耗。

控制器包括通信接口，该通信接口被配置成用于在达到对于制冷剂水平的极限值时或在达到对于制冷剂损耗的极限值时分派维护指示。该通信接口例如可以通过互联网、通过SMS、通过可听或可读警示信号等分派维护指示。维护指示可以包括有待在所宣布的维护过程中添加的制冷剂的估算量。

通信接口进一步允许将初始启动信号传达至控制器。这种启动信号是在RVCS是新的时(即，当制造了完全空的系统并且当其刚刚被填充以确切已知量的制冷剂时)输入的。一旦接收到启动信号，控制器就使用模型以及L信号和T信号来提供对制冷剂水平的估算。这种估算被标记为零基线估算，其被认为代表完全充注好的系统。

通信接口进一步允许维护人员在以额外的制冷剂充注该系统的修复工作或维护之处之后将维护信号传达至控制器。一旦接收到维护信号，控制器就使用模型以及L信号和T信号来提供对制冷剂水平的估算。这种估算被标记为维护基线估算，其被认为代表估算的完全充注好的系统。

在一个实施例中，控制器贯穿系统的寿命地在确定对于制冷剂从RVCS的损耗的估算时将估算与零基线估算和/或与维护基线估算进行对比。

图3展示了根据本发明的系统的功能，并且图4展示了冷凝器的模型的基础，还参照之前对模型的描述