УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНОГО КОНТУРА С ВНУТРЕННИМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ Российский патент 2009 года по МПК F25B41/06 F25B1/00 

Настоящее изобретение относится к холодильному контуру для циркуляции хладагента в предварительно определенном направлении потока, содержащему в направлении потока теплоотводящий теплообменник, дроссельный клапан испарителя, испаритель, компрессор, внутренний теплообменник, «холодная сторона» которого находится между испарителем и компрессором, и управляющее устройство для управления дроссельным клапаном испарителя на основании сигналов датчика температуры, выдаваемых датчиком температуры.

В холодильных контурах этого типа датчик температуры находится между испарителем и внутренним теплообменником, и они работают в рабочем режиме, который называется «полузатоплением». Термин «полузатопление» относится к состоянию испарителя, который вместо полного испарения хладагента в испарителе обеспечивает на своем выходе смесь газообразного и жидкого испарителя, которая имеет очень незначительный перегрев. Внутренний теплообменник будет увеличивать перегрев этого газообразного и жидкого хладагента, тем самым испаряя остаток жидкого хладагента и гарантируя надежную работу компрессора, в который направляется хладагент после внутреннего теплообменника. Как хорошо известно, жидкий хладагент на входе компрессора может вызывать серьезные повреждения компрессора.

Чтобы оптимизировать теплообмен в испарителе, на выходе испарителя предусматривается датчик температуры. Наряду с измеренным значением давления вычисляют, например, давление всасывания, температуру испарения и перегрев. На основании температуры или перегрева на выходе испарителя управляющее устройство управляет дроссельным клапаном испарителя, а значит - и потоком хладагента в испаритель. В зависимости от конкретной потребности в охлаждении, требуемой потребителем холода, можно поддерживать оптимальную установку для потока хладагента через испаритель.

Вместе с тем, система зависит не только от потребности в охлаждении, но и от других параметров, подобных температуре окружающей среды и т.д. Например, в режиме работы в летнее время температура конденсации поднимается до 47°С, и может снижаться до 15°С в зимнее время, чтобы оптимизировать потребление энергии холодильного контура. Это приведет к значительно сниженной производительности внутреннего теплообменника из-за разностей температур в зимнем режиме. Вследствие этого жидкость в газообразном хладагенте может проходить в компрессор, поскольку производительность внутреннего теплообменника слишком мала. С другой стороны, в летнем режиме, критической может стать температура на выходе компрессора, что приводит к разложению хладагента и/или смазки, которая обычно присутствует в хладагенте в некотором количестве.

Соответственно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать холодильный контур и способ эксплуатации такого контура, который обеспечивает адаптацию такого контура к разным условиям работы в зимнем и летнем режимах.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения эта задача решается за счет того, что предусматриваются датчик температуры на выходе между внутренним теплообменником и компрессором и управляющее устройство для управления дроссельным клапаном испарителя на основании измерения датчиком температуры на выходе.

Таким образом, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, температура или перегрев на выходе внутреннего теплообменника используется для установления степени открывания дроссельного клапана испарителя, и при этом гарантируется предназначенное состояние хладагента, проходящего к входу компрессора.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения холодильный контур дополнительно содержит датчик температуры на входе, который находится между испарителем и внутренним теплообменником, при этом устройство управления выполнено с возможностью управления дроссельным клапаном испарителя на основании измерений в датчиках температур на входе и выходе. Вследствие широкого диапазона условий температуры окружающей среды управление на основании показаний датчика температуры на входе может не быть оптимальным управлением для холодильного контура во всем этом широком диапазоне. В частности, может оказаться предпочтительным переключение между датчиком температуры на входе и датчиком температуры на выходе в зависимости от конкретных условий, например - от температуры окружающей среды. Такое переключение может осуществляться либо вручную, либо автоматически. Например, переключение может осуществляться сразу же после того, как температура конденсации опустится ниже предварительно определенного значения. Также можно использовать измерения двух значений для определения или вычисления правильной степени открывания дроссельного клапана испарителя.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения жидкий хладагент, проходящий к дроссельному клапану испарителя, может обеспечивать нагревание для перегрева жидкого и газообразного хладагента, выходящего из испарителя. Для достижения этого эффекта «холодную сторону» внутреннего теплообменника можно разместить в контуре между испарителем и компрессором. Таким образом, хладагент, проходящий к испарителю, который обычно связан с потребителем холода, недогревается, а хладагент, проходящий к компрессору, перегревается, причем оба эти эффекта оказываются выгодными для такого холодильного контура. Кроме того, «горячую сторону» внутреннего теплообменника можно соединить с любым подходящим источником тепла внутри или снаружи холодильного контура. Наличие «горячей стороны» между теплоотводящим теплообменником (и ресивером, соответственно) и дроссельным клапаном испарителя имеет преимущество недогрева хладагента перед дроссельным клапаном испарителя, что приводит к сниженному образованию мгновенно выделяющегося газа в этом месте контура. Наряду с перегревом всасываемого газа, т.е. хладагента, проходящего к компрессору, это обеспечивает оптимальный тепловой сдвиг внутри холодильного контура.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения хладагентом может быть, например, СО₂, и холодильный контур может быть выполнен с возможностью работы в сверхкритическом рабочем режиме, а теплоотводящий теплообменник может быть выполнен с возможностью работы в качестве конденсатора и в качестве газоохладителя. Термин «сверхкритический хладагент» обозначает хладагент, который требует эксплуатации холодильного контура в сверхкритическом состоянии, по меньшей мере, в некоторых режимах. Например, в случае, когда в качестве хладагента используют СО₂, летний режим обычно является сверхкритическим, а зимний режим может быть нормальным рабочим режимом, когда наибольшее давление в контуре охлаждения ниже критического давления. В таком холодильном контуре со сверхкритическим хладагентом теплоотводящий теплообменник обычно называют «газоохладителем», и это означает, что такой газоохладитель оказывается выполненным с возможностью как охлаждения газообразного хладагента в сверхкритическом режиме, так и конденсации газообразного хладагента в нормальном режиме.

Вариант осуществления настоящего изобретения относится к холодильному аппарату, содержащему холодильный контур в соответствии с любым из вышеупомянутых вариантов осуществления предлагаемого холодильного контура, в частности, когда испаритель работает как конденсатор с СО₂-каскадом. Тогда СО₂ используется как низко- и высокотемпературный хладагент. Холодильный аппарат может быть холодильной установкой для супермаркета, и т.д., предназначенной для осуществления охлаждения прилавков-витрин, и т.д. В случае конденсатора с СО₂-каскадом «горячая сторона» внутреннего теплообменника может быть выполнена с возможностью воздействия на газ, выходящий из низкотемпературного компрессора (низкотемпературных компрессоров).

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения также обеспечен способ работы холодильного контура для циркуляции хладагента в предварительно определенном направлении потока, при этом в направлении потока холодильный контур содержит теплоотводящий теплообменник, дроссельный клапан испарителя, испаритель, компрессор, внутренний теплообменник, «холодная сторона» которого находится между испарителем и компрессором, датчик температуры на выходе, находящийся между внутренним теплообменником и компрессором, и управляющее устройство, причем способ включает управление дроссельным клапаном испарителя на основании измерения датчиком температуры на выходе и измерения давления (всасывания). Вообще говоря, предпочтительный вариант осуществления способов, описанных ниже, можно использовать совместно с вариантами осуществления холодильного контура, раскрытого в этой заявке.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения обеспечен способ работы холодильного контура, дополнительно содержащего датчик температуры на входе, находящийся между испарителем и внутренним теплообменником, который включает управление дроссельным клапаном испарителя на основании измерений датчиками температуры на входе и выходе и измерений давления.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения управление дроссельным клапаном испарителя включает стадии, на которых:

управляют дроссельным клапаном испарителя на основании установки температуры на входе в датчике температуры на входе и

сдвигают установку температуры на входе на основании измерения датчиком температуры на выходе.

Установку температуры на входе также можно определить как установку разности температур, т.е. установку перегрева. Фактический перегрев можно вычислить путем вычитания температуры испарения, которую можно вычислить по измеренному давлению всасывания, из температуры на входе. Аналогичным образом можно определить установку перегрева.

Термины «температура на входе» или любая другая «температура», «измерение температуры», и т.д., не обязательно должны означать «температуру» в точном смысле этого слова, а могут отображать величину, указывающую конкретное значение температуры. Аналогичным образом, достаточно того, что датчики температуры выдают данные, указывающие конкретную температуру, хотя они могут также быть датчиками того типа, которые выдают точное значение температуры. В соответствии с таким способом датчик температуры на входе, т.е. температуры на выходе испарителя, будет управлять степенью открывания клапана испарителя, как обычно. Вместе с тем, адаптация установки для такого управления осуществляется на основании температуры на выходе внутреннего теплообменника. Таким образом, датчик температуры на выходе попросту оказывает влияние на установку для регулирования или управления, а управление осуществляется с использованием измерения температуры на входе для оптимизации эффективности испарителя и всей системы в целом.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения характеристическая постоянная времени для сдвига установки температуры на входе или перегрева существенно больше, чем характеристическая постоянная времени для управления дроссельным клапаном испарителя на основании температуры на входе. Это гарантирует, что в основном температура на входе или измерение температуры на входе вместе с температурой испарения обуславливают привод дроссельного клапана испарителя. Вместо использования большей характеристической постоянной времени для сдвига установки температуры на входе или перегрева можно определить относительно широкий допустимый диапазон для измерений датчиком температуры на выходе, вследствие чего сдвиг установки температуры на входе или перегрева осуществляется лишь тогда, когда измерения температуры на выходе оказываются вне допустимого диапазона.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения стадия сдвига включает стадию, на которой сравнивают измерение датчиком температуры на выходе с установкой температуры на выходе или диапазоном температуры на выходе и уменьшают установку температуры на входе или перегрева, если измерение датчиком температуры на выходе превышает установку температуры на выходе или верхний предел диапазона установки температуры на выходе, и увеличивают установку температуры на входе, если измерение датчиком температуры на выходе ниже установки температуры на выходе или нижнего предела диапазона установки температуры на выходе, соответственно.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения стадия управления дроссельным клапаном испарителя также включает стадии, на которых:

вычисляют первую степень открывания дроссельного клапана испарителя на основании измерения датчиком температуры на входе и давления всасывания;

вычисляют вторую степень открывания дроссельного клапана испарителя на основании измерения датчиком температуры на выходе и, возможно, давления всасывания;

определяют меньшее значение из первой и второй степеней открывания и

управляют дроссельным клапаном испарителя на основании такой меньшей степени открывания.

При управлении такого типа либо измерение датчиком температуры на входе, либо измерение датчиком температуры на выходе, возможно, вместе с измерениями давления всасывания, обеспечивает управление клапанами испарителя. Можно использовать либо отдельную установку температуры или перегрева, либо диапазон температуры или перегрева для датчика температуры на входе и/или датчика температуры на выходе. Такая установка или такой диапазон температуры может быть либо фиксированной или фиксированным, либо, в альтернативном варианте, может управляться управляющим устройством.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения характеристическая постоянная времени для управления на основании измерения датчиком температуры на выходе существенно больше, чем характеристическая постоянная времени для управления дроссельным клапаном испарителя на основании измерения датчиком температуры на входе. Кроме того, при наличии датчика температуры на выходе, аналогичного тому, который описан выше, можно использовать более широкий диапазон температуры.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения установка соответствующего верхнего предела диапазона температуры на входе примерно на 3 К превышает температуру насыщенного газообразного хладагента в этом месте контура.

Ниже, со ссылками на прилагаемый чертеж, приводится более подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения, при этом на единственном чертеже показан холодильный контур в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На чертеже показан холодильный контур 2 для циркуляции хладагента, который состоит из одного или более компонентов, а также СО₂, в предварительно определенном направлении потока.

Холодильный контур 2 можно использовать для охлаждения в супермаркете или промышленного охлаждения. В направлении потока холодильный контур 2 содержит теплоотводящий теплообменник 4, который в случае докритической текучей среды типа СО₂ работает как газоохладитель 4. После газоохладителя 4 СО₂ проходит через регулирующий клапан высокого давления и входит в ресивер 6. Ресивер 6 собирает и запасает хладагент для последующей подачи в один или множество дроссельных клапанов 8 испарителя одного или множества потребителей 12 холода. Кроме того, ресивер 6 отделяет мгновенно образующийся газ, который проходит через регулирующий давление клапан и затем проходит во всасывающий трубопровод 30. С дроссельным клапаном 8 испарителя соединен испаритель 10. Выход 14 испарителя соединен с внутренним теплообменником 16, выход 19 которого соединен с компрессорным узлом 20, содержащим множество компрессоров 22.

Дроссельный клапан 8 испарителя может быть электронным расширительным клапаном (ЭРК). Управление дроссельным клапаном испарителя может осуществляться на основании измеренных значений, например значений температуры и значений давления. Для управления дроссельным клапаном 8 испарителя может быть предусмотрено управляющее устройство 28. Управляющее устройство 28 предпочтительно является управляющим устройством UA300E фирмы Linde. В каких-либо местах между выходом 14 испарителя 10 и входом внутреннего теплообменника, а также выходом 18 внутреннего теплообменника и входом компрессорного узла 22 или компрессора, соответственно, могут присутствовать термометры или датчики 24 и 26 температуры, в частности датчик 24 температуры на входе и датчик 26 температуры на выходе. В случае множества холодильных контуров потребителей можно предусмотреть по одному датчику 26 температуры на выходе для каждого холодильного контура-потребителя. Также можно использовать единственный датчик температуры на выходе в общем всасывающем трубопроводе 30, принадлежащем всем таким холодильным контурам-потребителям. Точно так же, в контуре могут присутствовать манометры или датчики 27 и/или 27' давления, предназначенные для измерения давления всасывания. Измеренное давление всасывания используют для вычисления температуры испарения в испарителях 10. Давление всасывания обычно можно измерять в месте 27, а также в месте 27', получая лишь незначительные различия между ними, которые можно учесть при вычислении давления испарения.

Вместо общего управляющего устройства 28 можно использовать множество управляющих устройств для каждого холодильного контура-потребителя или для каждого датчика 24, 26 температуры, и т.д.

При работе внутренний теплообменник 16 перегревает хладагент, проходящий от выхода 14 испарителя, чтобы гарантировать подачу сухого газообразного хладагента, т.е. «всасываемый газ», в компрессор 22. Всасываемый газ находится на «холодной стороне» внутреннего теплообменника 16, тогда как хладагент высокого давления, текущий по трубопроводу 32, находится на «горячей стороне» внутреннего теплообменника 16, так что тепло передается от «горячей стороны» во всасываемый газ, находящийся на «холодной стороне». Вследствие этого хладагент высокого давления оказывается «недогретым». Недогрев уменьшает количество газа, мгновенно образующегося после дроссельного клапана 8 испарителя. Одновременно происходит перегрев всасываемого газа, что гарантирует подачу сухого всасываемого газа в компрессор 22.

Для регулирования дроссельного клапана 8 испарителя на основании измерений датчиком температуры можно использовать пропорционально-интегральное (ПИ) или пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) управление. Такое управление может быть встроено в управляющее устройство 28. ПИ- или ПИД-управление датчиком 26 температуры на выходе, находящимся вне внутреннего теплообменника 16, обеспечивает управление перегревом или температурой всасываемого газа. Управляющее устройство 28 или соответствующие отдельные управляющие устройства могут вычислять параллельно степень открывания дроссельного клапана 8 испарителя, при этом меньшая степень определяет степень открывания дроссельного клапана испарителя или электромагнитного расширительного клапана 8. В стандартных рабочих условиях расширением управляет датчик 24 температуры на входе. Если температура на выходе 18 и в датчике 26 температуры на выходе, соответственно, ниже чем ее установка, то управляющее устройство 28 начинает управлять дроссельным клапаном 8 испарителя на основании степени открывания, определенной исходя из такой температуры на выходе. Параметр ПИ-управления в датчике 26 температуры на выходе может быть задан так, что оно будет происходить гораздо медленнее, чем ПИ- или ПИД-управление датчиком 24 температуры на входе. По этой причине можно уменьшить риск колебаний в системе.

В альтернативном варианте, когда используется два датчика 24, 26 температуры, в частности датчик 24 температуры на входе и датчик 26 температуры на выходе, можно сдвигать установку перегрева устройства управления на основании показаний датчика 24 температуры на входе и в зависимости от температуры, выдаваемой датчиком 26 температуры на выходе. В предпочтительном варианте система имеет конструкцию, которая обуславливает сдвиг установки для датчика 24 температуры на входе гораздо медленнее, чем в случае ПИ- или ПИД-управления на основании изменения температуры на входе. Соответственно, не увеличивается риск возникновения колебаний, которые могли бы начаться в случае, если бы управление было основано только на показаниях датчика 26 температуры на выходе.

Холодильный контур (2) для циркуляции хладагента в предварительно определенном направлении потока содержит в направлении потока теплоотводящий теплообменник (4), дроссельный клапан (8) испарителя, испаритель (10), компрессор (22), внутренний теплообменник (16), «холодная сторона» которого находится между испарителем (10) и компрессором (22), датчик (24) температуры на входе, находящийся между испарителем (10) и внутренним теплообменником (16), и датчик (26) температуры на выходе, находящийся между внутренним теплообменником (16) и компрессором (22), и управляющее устройство (28) для управления дроссельным клапаном (8) испарителя на основании измерений датчиками температуры на входе и выходе. Управляющее устройство выполнено с возможностью управления дроссельным клапаном (8) испарителя на основании установки температуры на входе в датчике (24) температуры на входе и сдвига установки температуры на входе на основании измерения датчиком (26) температуры на выходе. Использование изобретения позволит обеспечить адаптацию холодильного контура к разным условиям работы в зимнем и летнем режимах. 6 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Холодильный контур (2) для циркуляции хладагента в предварительно определенном направлении потока, содержащий в направлении потока теплоотводящий теплообменник (4), дроссельный клапан (8) испарителя, испаритель (10), компрессор (22), внутренний теплообменник (16), «холодная сторона» которого находится между испарителем (10) и компрессором (22), датчик (24) температуры на входе, находящийся между испарителем (10) и внутренним теплообменником (16), и датчик (26) температуры на выходе, находящийся между внутренним теплообменником (16) и компрессором (22), и управляющее устройство (28) для управления дроссельным клапаном (8) испарителя на основании измерений датчиками температуры на входе и выходе, при этом управляющее устройство выполнено с возможностью управления дроссельным клапаном (8) испарителя на основании установки температуры на входе в датчике (24) температуры на входе, и сдвига установки температуры на входе на основании измерения датчиком (26) температуры на выходе.

2. Холодильный контур (2) для циркуляции хладагента в предварительно определенном направлении потока, содержащий в направлении потока теплоотводящий теплообменник (4), дроссельный клапан (8) испарителя, испаритель (10), компрессор (22), внутренний теплообменник (16), «холодная сторона» которого находится между испарителем (10) и компрессором (22), датчик (24) температуры на входе, находящийся между испарителем (10) и внутренним теплообменником (16), и датчик (26) температуры на выходе, находящийся между внутренним теплообменником (16) и компрессором (22), и управляющее устройство (28) для управления дроссельным клапаном (8) испарителя на основании измерений датчиками температуры на входе и выходе, при этом управляющее устройство выполнено с возможностью вычисления первой степени открывания дроссельного клапана (8) испарителя на основании температуры на входе, вычисления второй степени открывания дроссельного клапана (8) испарителя на основании температуры на выходе, определения меньшего значения из первой и второй степеней открывания, и управления дроссельным клапаном (8) испарителя на основании такой меньшей степени открывания.

3. Холодильный контур (2) по п.1 или 2, в котором «горячая сторона» внутреннего теплообменника (16) расположена между теплоотводящим теплообменником (4) и дроссельным клапаном (8) испарителя.

4. Холодильный контур (2) по п.1 или 2, выполненный с возможностью работы в сверхкритическом рабочем режиме, причем теплоотводящий теплообменник (4) выполнен с возможностью работы в качестве газоохладителя и в качестве конденсатора соответственно.

5. Холодильный аппарат, содержащий холодильный контур (2) по любому из пп.1-4.

6. Холодильный аппарат с СО₂-каскадом, содержащий холодильный контур (2) по п.4.

7. Способ работы холодильного контура (2) для циркуляции хладагента в предварительно определенном направлении потока, при этом контур содержит в направлении потока теплоотводящий теплообменник (4), дроссельный клапан (8) испарителя, испаритель (10), компрессор (22), внутренний теплообменник (16), «холодная сторона» которого находится между испарителем (10) и компрессором (22), датчик (24) температуры на входе, находящийся между испарителем (10) и внутренним теплообменником (16), и датчик (26) температуры на выходе, находящийся между внутренним теплообменником (16) и компрессором (22), и управляющее устройство (28), причем способ включает управление дроссельным клапаном (8) испарителя на основании измерений датчиками температуры на входе и выходе посредством управления дроссельным клапаном (8) испарителя на основании установки температуры на входе в датчике (24) температуры на входе, и сдвига установки температуры на входе на основании измерения датчиком (26) температуры на выходе.

8. Способ по п.7, в котором характеристическая постоянная времени для сдвига установки температуры на входе существенно больше, чем характеристическая постоянная времени для управления дроссельным клапаном (8) испарителя на основании измерения датчиком температуры на входе.

9. Способ по п.7, в котором стадия сдвига включает стадию, на которой сравнивают температуру на выходе с установкой температуры на выходе и уменьшают установку температуры на входе, если температура на выходе превышает установку температуры на выходе, и увеличивают установку температуры на входе, если температура на выходе ниже установки температуры на выходе соответственно.

10. Способ работы холодильного контура (2) для циркуляции хладагента в предварительно определенном направлении потока, при этом контур содержит в направлении потока теплоотводящий теплообменник (4), дроссельный клапан (8) испарителя, испаритель (10), компрессор (22), внутренний теплообменник (16), «холодная сторона» которого находится между испарителем (10) и компрессором (22), датчик (24) температуры на входе, находящийся между испарителем (10) и внутренним теплообменником (16), и датчик (26) температуры на выходе, находящийся между внутренним теплообменником (16) и компрессором (22), и управляющее устройство (28), причем способ включает управление дроссельным клапаном (8) испарителя на основании измерений датчиками температуры на входе и выходе посредством вычисления первой степени открывания дроссельного клапана (8) испарителя на основании температуры на входе, вычисления второй степени открывания дроссельного клапана (8) испарителя на основании температуры на выходе, определения меньшего значения из первой и второй степеней открывания, и управления дроссельным клапаном (8) испарителя на основании такой меньшей степени открывания.

11. Способ по п.10, в котором характеристическая постоянная времени для управления на основании показаний датчика (26) температуры на выходе существенно больше, чем характеристическая постоянная времени для управления на основании показаний датчика (24) температуры на входе.

12. Способ по любому из пп.7-11, в котором установка температуры на выходе примерно на 3К превышает температуру насыщенного газообразного хладагента в этом месте контура (2).