[發明專利]一種基于壓力－溫度的二氧化碳熱泵的控制方法

有效

• 申請號: 200810017334.4
• 申請日: 2008-01-18
• 公開（公告）號: CN101240962A
• 公開（公告）日: 2008-08-13
• 發明（設計）人: 曹鋒;柴抗抗;王守國;邢子文
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F25B49/02
• 分類號: F25B49/02;F25B30/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 張震國

技術領域

本發明涉及一種二氧化碳熱泵的控制方法，具體涉及一種基于壓力-溫度的二氧化碳熱泵的控制方法。

背景技術

近年來，自然工質二氧化碳因其無毒、不可燃、臭氧破壞指數ODP為0、全球變暖潛值GWP為1等優勢越來越多地受到制冷行業的重視，二氧化碳作為制冷劑的應用研究也越來越顯得重要。但是，它自身也存在很多問題：臨界溫度為31℃，常溫冷卻條件下系統循環的高壓側處于近臨界或超臨界狀態；系統壓力很高；節流損失很大。這些均使得二氧化碳作為制冷劑的系統存在控制上的難度。

現有二氧化碳熱泵的主要部件有：壓縮機，氣體冷卻器，中間換熱器，電子膨脹閥，蒸發器和氣液分離器。低壓側二氧化碳進入壓縮機，被壓縮為高壓二氧化碳氣體，進到氣體冷卻器，在其中被冷卻，放出的熱量用于加熱熱水，經氣體冷卻器后的二氧化碳進入中間換熱器進一步冷卻，然后經過電子膨脹閥節流降溫并部分汽化，濕蒸汽進入蒸發器與空氣換熱變為氣液混合物，經氣液分離器后，進入中間換熱器進一步加熱，出來的二氧化碳氣體進入壓縮機，實現一個完整的循環。

由于系統高壓側壓力較高，能達到100bar以上，同時二氧化碳在高壓側的變化處于超臨界狀態，比較復雜，這些使得二氧化碳熱泵不同于常規熱泵，控制難度相對較大。目前，國內外都在進行二氧化碳熱泵的研究，其中控制方法的研究也略有所見，但是大部分都是針對系統整體運行過程而言，并沒有針對提高二氧化碳熱泵系統工作性能系數提出具體的控制方法。

發明內容

本發明的目的在于針對現有階段二氧化碳熱泵控制技術中的不足，提出一種根據熱泵系統運行性能系數COP與壓縮機排氣壓力的對應關系提高熱泵系統工作性能的基于壓力-溫度的二氧化碳熱泵控制方法。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

1)首先通過氣體冷卻器溫度傳感器、蒸發器翅片溫度傳感器及壓縮機出口壓力傳感器采集熱泵系統的氣體冷卻器出口制冷劑溫度、蒸發器翅片溫度以及壓縮機出口處制冷劑壓力；

2)然后將采集到的溫度信號送入控制裝置，利用popt=2.743tc0.97-0.175te]]>計算得到p_opt，其中t_c為氣體冷卻器出口制冷劑溫度，t_e為蒸發器翅片溫度，p_opt為計算出的壓縮機出口處制冷劑的目標壓力；

3)將壓力傳感器采集到的壓縮機出口處制冷劑壓力p₁與目標壓力p_opt進行對比，得到控制信號，利用PID控制法，輸出控制電流給電子膨脹閥，控制電子膨脹閥的開度，從而調整整個系統的運行參數；

4)循環采集步驟1)中所述溫度、壓力信號，重復步驟2)和步驟3)，最終實現壓縮機出口處制冷劑壓力p₁達到目標壓力p_opt。

本發明的制冷劑為二氧化碳。

本發明通過采集二氧化碳熱泵系統的氣體冷卻器出口制冷劑溫度、蒸發器翅片溫度以及壓縮機出口處制冷劑壓力實現電子膨脹閥開度的控制，從而調節熱泵系統壓力，達到較好的COP值。

附圖說明

圖1為二氧化碳熱泵系統結構示意圖；

圖2為本發明的控制邏輯圖；

下面結合附圖對本發明的內容作進一步詳細說明。

具體實施方式

參見圖1，本發明的二氧化碳熱泵系統流程如下：二氧化碳氣體進入壓縮機1被壓縮后，高溫高壓的二氧化碳氣體進入氣體冷卻器2冷卻，放出的熱量用于加熱熱水，冷卻后的超臨界二氧化碳氣體進入中間換熱器3進一步冷卻，然后通過電子膨脹閥4的節流，進入蒸發器5蒸發換熱，換熱后的低溫低壓二氧化碳制冷劑通過氣液分離器6，分離出低溫低壓二氧化碳制冷劑氣體進入中間換熱器3，對從氣體冷卻器出來的超臨界二氧化碳氣體進一步冷卻，回到壓縮機1，完成一個循環。由于控制需要，該系統還包括，可編程控制器7、壓縮機出口壓力傳感器8、氣體冷卻器溫度傳感器9和蒸發器翅片溫度傳感器10。

參照圖2，二氧化碳熱泵系統啟動后，壓力傳感器8、氣體冷卻器溫度傳感器9和蒸發器翅片溫度傳感器10開始分別采集壓縮機1出口排氣壓力、氣體冷卻器2出口溫度及蒸發器5的翅片溫度，并將采集到的信號送至可編程控制器7。可編程控制器7根據壓力-溫度公式popt=2.743tc0.97-0.175te,]]>利用氣體冷卻器溫度傳感器9和蒸發器翅片溫度傳感器10采集到的溫度值t_c和t_e，計算出此運行工況下最佳COP值對應的最優壓力p_opt，作為控制系統調節的目標壓力值。將壓力傳感器8采集到的實際壓縮機排氣壓力p₁與目標壓力p_opt進行對比，利用PID控制法，輸出一個控制電流給電子膨脹閥4，改變其開度，從而改變蒸發器過熱度和系統流量，最終改變到壓縮機排氣壓力，此壓力被壓力傳感器8采集，送至可編程控制器7，進一步進行運算和控制，最終達到一個穩定模式，壓縮機排氣壓力達到目標壓力p_opt，系統達到較好的工作性能。