Способ управления подачей холодильного агента в испаритель на основе измерений температуры

Изобретение относится к холодильной технике. Способ управления подачей холодильного агента в испаритель (2) паровой компрессионной системы (1), причем паровая компрессионная система (1) содержит по меньшей мере один испаритель (2), по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере один конденсатор и по меньшей мере один терморегулирующий вентиль (3), расположенный в контуре циркуляции холодильного агента. Получают температуру T_air воздуха, протекающего через испаритель (2). Управляют степенью открывания терморегулирующего вентиля на основе полученной температуры T_air с целью достижения эталонной температуры T_air,ref воздуха, протекающего через испаритель (2). Обеспечивают сигнал возмущения и настройки степени открывания терморегулирующего вентиля (3) до управляемой степени открывания при наложении на нее сигнала возмущения. Степень открывания терморегулирующего вентиля (3) колеблется около среднего значения, которое представляет собой управляемую степень открывания, обуславливаемую полученной температурой T_air. Отслеживают сигнал температуры S₂, представляющий температуру холодильного агента, выходящего из испарителя (2). Анализируют сигнал температуры S₂ и уменьшают степень открывания терморегулирующего вентиля (3) в том случае, когда указанный анализ показывает, что сухая зона испарителя (2) приближается к минимальной длине. Техническим результатом является обеспечение предварительно заданной целевой температуры в охлаждаемом или нагреваемом объеме и предотвращение достижения компрессора жидким холодильным агентом. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к способу управления подачей холодильного агента в испаритель, в частности в испаритель, который образует часть паровой компрессионной системы, такой как холодильная система, система кондиционирования воздуха или тепловой насос. В соответствии со способом по настоящему изобретению подача холодильного агента в испаритель может управляться таким образом, который обеспечивает требуемую целевую температуру в охлаждаемом или нагреваемом объеме одновременно с предотвращением поступления жидкого холодильного агента во всасывающую линию и исключительно на основе измерений температуры.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Паровые компрессионные системы, такие как холодильные системы, системы кондиционирования воздуха или тепловые насосы, как правило, содержат по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере один конденсатор, по меньшей мере одно дросселирующее устройство, например, в виде терморегулирующих вентилей, и по меньшей мере один испаритель, расположенный вдоль пути потока холодильного агента. Холодильный агент циркулирует по пути холодильного агента и поочередно расширяется и сжимается, и в конденсаторах и испарителях происходит теплообмен. Дросселированный холодильный агент поступает в испаритель в смешанном состоянии газообразного и жидкого холодильного агента. По мере того как холодильный агент проходит через испарители, он испаряется через каждый испаритель во время теплообмена с потоком вторичного холодоносителя, таким как воздушный поток. Для того чтобы использовать потенциальную холодопроизводительность данного испарителя в максимальной степени, желательно, чтобы жидкий холодильный агент присутствовал по всей длине испарителя. С другой стороны, нежелательно, чтобы жидкий холодильный агент проходил через испаритель во всасывающую линию, так как это может привести к повреждению компрессора, если жидкий холодильный агент достигает компрессоров. Поэтому желательно управлять подачей холодильного агента в испарители таким образом, чтобы в данном испарителе граница между холодильным агентом в смешанной фазе и газообразным холодильным агентом находилась точно на выходе испарителя.

С целью получения этого часто измеряется и/или вычисляется теплота перегрева холодильного агента, выходящего из испарителя. Теплота перегрева - это разница между температурой холодильного агента, выходящего из испарителя, и точкой росы холодильного агента, выходящего из испарителя. Низкое значение теплоты перегрева, таким образом, указывает на то, что температура холодильного агента, выходящего из испарителя, находится близко к точке росы, в то время как высокое значение теплоты перегрева указывает на то, что температура холодильного агента, выходящего из испарителя, значительно выше, чем точка росы, и что поэтому значительная часть испарителя содержит газообразный холодильный агент. В той части испарителя, которая содержит газообразный холодильный агент, теплопередача между окружающей средой и холодильным агентом, протекающим в испарителе, значительно ниже, чем в той части испарителя, которая содержит смесь газообразного и жидкого холодильного агента. Поэтому общая эффективность испарителя снижается, когда значительная часть испарителя содержит газообразный холодильный агент. Затем предпринимается попытка управлять подачей холодильного агента в испаритель таким образом, что величина теплоты перегрева поддерживается на небольшом, но положительном уровне.

Для того чтобы получить значение теплоты перегрева холодильного агента, выходящего из испарителя, обычно измеряется температура, а также давление холодильного агента, выходящего из испарителя. Датчик давления, необходимый в этом случае, вносит риск того, что датчик давления выходит из строя или неправильно работает, тем самым делая невозможным измерение величины теплоты перегрева до тех пор, пока датчик давления не будет отремонтирован. Кроме того, датчик давления вносит риск утечек в системе.

В документе WO 2012/052019 А1 описывается способ управления подачей холодильного агента в испаритель, в котором точка SH=0 может быть определена только на основе сигнала измеряемой температуры. Компонент, такой как терморегулирующий вентиль, вентилятор или компрессор, приводится в действие таким образом, что сухая зона испарителя изменяется. Сигнал температуры, представляющий температуру холодильного агента, выходящего из испарителя, измеряется и анализируется, например, включая получение скорости изменения сигнала. Затем определяется значение температуры, когда коэффициент усиления передаточной функции между приведенным в действие компонентом и сигналом измеряемой температуры падает от максимального значения до минимального значения. Величина определенной температуры определяется в качестве соответствующей нулевому значению теплоты перегрева (SH=0).

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель вариантов осуществления настоящего изобретения состоит в предоставлении способа управления подачей холодильного агента в испаритель, в котором подача холодильного агента при нормальных условиях управляется с целью обеспечения предварительно заданной целевой температуры в охлаждаемом или нагреваемом объеме, в то время как предохранительный механизм предотвращает достижение компрессора жидким холодильным агентом.

Дополнительная цель вариантов осуществления настоящего изобретения состоит в предоставлении способа управления подачей холодильного агента в испаритель во время процесса захолаживания, при котором обеспечивается быстрое захолаживание одновременно с предотвращением достижения компрессора жидким холодильным агентом.

В соответствии с первым аспектом изобретения предлагается способ управления подачей холодильного агента к испарителю паровой компрессионной системы, причем паровая компрессионная система содержит по меньшей мере один испаритель, по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере один конденсатор и по меньшей мере один терморегулирующий вентиль, расположенный в контуре циркуляции холодильного агента, при этом способ включает этапы:

- получения температуры T_air воздуха, протекающего через испаритель,

- управления степенью открывания терморегулирующего вентиля на основе полученной температуры T_air с целью достижения эталонной температуры T_air, _ref воздуха, протекающего через испаритель,

- обеспечения сигнала возмущения и настройки степени открывания терморегулирующего вентиля до управляемой степени открывания при наложении на нее сигнала возмущения,

- отслеживания сигнала S₂ температуры, представляющего температуру холодильного агента, выходящего из испарителя,

- анализа сигнала S₂ температуры и

- уменьшения степени открывания терморегулирующего вентиля в случае, когда указанный анализ показывает, что сухая зона испарителя приближается к минимальной длине.

В данном контексте термин "паровая компрессионная система" должен интерпретироваться как означающий любую систему, в которой поток жидкой среды, такой как холодильный агент, циркулирует и поочередно сжимается и расширяется, тем самым обеспечивая либо охлаждение, либо нагрев объема. Таким образом, паровая компрессионная система может представлять собой холодильную систему, систему кондиционирования воздуха, тепловой насос и т.д.

Паровая компрессионная система содержит по меньшей мере один испаритель, по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере один конденсатор и по меньшей мере один терморегулирующий вентиль. Таким образом, паровая компрессионная система может содержать только один из каждых этих компонентов, или паровая компрессионная система может содержать два или более из любых этих компонентов. Например, паровая компрессионная система может содержать один компрессор, или она может содержать два или более компрессоров, например, расположенных в многокомпрессорном агрегате. Аналогичным образом, паровая компрессионная паровая система может содержать только один испаритель, или она может содержать два или более испарителей. В последнем случае каждый испаритель может быть выполнен с возможностью обеспечения охлаждения отдельного охлаждаемого объема. Отдельные охлаждаемые объемы могут быть, например, отдельными витринами супермаркета. В любом случае каждый испаритель предпочтительно соединен с отдельным терморегулирующим вентилем, который управляет подачей холодильного агента в тот испаритель независимо от подачи холодильного агента в другие испарители. Кроме того, испарительный агрегат может содержать одну секцию, или две, или более секций, которые могут быть соединены последовательно или параллельно.

Способ в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения относится к управлению подачей холодильного агента в один испаритель через соответствующий терморегулирующий вентиль. Тем не менее, этот испаритель может быть очень удачно расположен в паровой компрессионной системе, содержащей один или несколько дополнительных испарителей, в этом случае подача холодильного агента к этим дополнительным испарителям регулируется отдельно.

Согласно способу в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения первоначально получают температуру T_air воздуха, протекающего через испаритель. Это может быть предпочтительно выполнено посредством одного или нескольких датчиков температуры, расположенных в воздушном канале через испаритель. Температура T_air может быть, например, температурой воздуха, протекающего к испарителю, температурой воздуха, протекающего от испарителя, или взвешенным значением температуры воздуха, протекающего к испарителю, и температуры воздуха, протекающего от испарителя. Ниже это будет описано более подробно. В любом случае T_air представляет собой температуру, преобладающую в охлаждаемом объеме, расположенном вблизи испарителя. Соответственно, T_air отражает потребность охлаждения охлаждаемого объема.

Затем степень открывания терморегулирующего вентиля управляется на основе полученной температуры T_air с целью достижения эталонной температуры T_air, _ref воздуха, протекающего через испаритель. Как было описано выше, T_air отражает температуру, преобладающую в охлаждаемом объеме, и, таким образом, потребность охлаждения охлаждаемого объема. Эталонная температура T_air, _ref воздуха является целевой температурой, которую желательно получить в охлаждаемом объеме. Таким образом, сравнивая полученную температуру T_air с эталонной температурой T_airr, _ref воздуха, может быть обнаружено, близка ли или далека преобладающая температура в охлаждаемом объеме к требуемой целевой температуре. В случае, когда преобладающая температура находится далеко от целевой температуры, крайне требуется дальнейшее охлаждение, и подача холодильного агента в испаритель должна быть такой, чтобы обеспечить сильное охлаждение, насколько это возможно. Аналогично этому, в том случае, когда преобладающая температура близка к требуемой целевой температуре, потребность в дальнейшем охлаждении несколько ниже, и подача холодильного агента в испаритель может управляться таким образом, который обеспечивает меньшее охлаждение, но который взамен этого обеспечивает низкое потребление энергии.

Таким образом, при нормальных условиях подача холодильного агента в испаритель управляется исключительно таким образом, который обеспечивает получение требуемой целевой температуры в охлаждаемом объеме.

Следует отметить, что увеличение степени открывания терморегулирующих вентилей приводит к увеличению подачи холодильного агента в испаритель, а уменьшение степени открывания терморегулирующих вентилей приводит к уменьшению подачи холодильного агента в испаритель.

Затем обеспечивается сигнал возмущения, и степень открывания терморегулирующего вентиля принимается равной управляемой степени открывания при наложении на нее сигнала возмущения. Таким образом, степень открывания терморегулирующего вентиля колеблется около среднего значения, которое представляет собой управляемую степень открывания, т.е. степень открывания, которая обуславливается полученной температурой T_air. Колебания определяются сигналом возмущения и могут быть, например, синусоидальными, релейного типа или любого другого подходящего типа. Ниже это будет описано более подробно. В данном контексте термин «сигнал возмущения» должен интерпретироваться как означающий сигнал, который изменяется в промежутке времени, который значительно короче, чем промежуток времени, на котором изменяется управляемая степень открывания терморегулирующего вентиля.

Затем отслеживается сигнал S₂ температуры, представляющий температуру холодильного агента, выходящего из испарителя. Это может быть сделано, например, за счет использования датчика температуры, расположенного на пути протекания холодильного агента непосредственно после выхода из испарителя. Таким образом, сигнал S₂ температуры представляет относительную величину значения теплоты перегрева холодильного агента, выходящего из испарителя. Отслеживаемый сигнал S₂ температуры анализируется.

И, наконец, степень открывания терморегулирующего вентиля уменьшается в том случае, когда анализ отслеживаемого сигнала S₂ температуры показывает, что сухая зона испарителя приближается к минимальной длине.

В данном контексте термин «сухая зона испарителя» должен интерпретироваться как означающий часть испарителя, содержащую только газообразный холодильный агент. Сухая зона значительной длины, таким образом, указывает на то, что жидкий холодильный агент испаряется в испарителе задолго до достижения выхода из испарителя, в то время как сухая зона короткой длины указывает на то, что жидкий холодильный агент присутствует вдоль значительной части испарителя. Соответственно, когда сухая зона испарителя приближается к минимальной длине, то граница между смешанным жидким/газообразным холодильным агентом и чисто газообразным холодильным агентом приближается к выходу из испарителя. Как описано выше, когда эта граница достигает выхода из испарителя, существует риск того, что жидкий холодильный агент может проходить через испаритель, и, таким образом, существует риск достижения компрессора жидким холодильным агентом, приводящий вследствие этого к повреждению компрессора. Ввиду этого, когда сухая зона испарителя приближается к минимальной длине, подача холодильного агента в испаритель должна быть уменьшена, чтобы избежать данной ситуации.

Приближается ли сухая зона испарителя к минимальной длине или нет, может быть установлено рядом способов. Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что, когда сухая зона испарителя приближается к минимальной длине, поведение сигнала S₂ температуры значительно изменяется. Таким образом, при анализе сигнала S₂ температуры могут быть обнаружены признаки этих изменений. Например, авторы настоящего изобретения обнаружили, что, если степень открывания терморегулирующего вентиля медленно увеличивается, то температура холодильного агента, выходящего из испарителя, будет резко уменьшаться, когда степень открывания терморегулирующего вентиля достигает уровня, при котором подача холодильного агента в испаритель достаточна, чтобы уменьшить сухую зону испарителя до минимальной длины. Это можно рассматривать как «область неустойчивости». Если степень открывания увеличивается еще больше, существует значительный риск прохождения жидкого холодильного агента через испаритель. Это можно рассматривать как «критическую область».

Таким образом, этап анализа сигнала S₂ температуры может включать получение скорости изменения сигнала S₂ температуры, и этап уменьшения степени открывания может включать уменьшение степени открывания терморегулирующего вентиля в случае, когда абсолютное значение скорости изменения сигнала S₂ температуры достигает максимального значения, например, глобального или локального максимума. Как было описано выше, сигнал S₂ температуры резко уменьшается при вхождении в область неустойчивости. Таким образом, когда абсолютное значение скорости изменения сигнала S₂ температуры достигает максимального значения, то можно сделать вывод о том, что было вхождение в область неустойчивости и что сухая зона испарителя, таким образом, приближается к минимальной длине. Фактическое максимальное значение не является фиксированным или единственным значением, но может меняться в зависимости от рабочей точки. Тем не менее, экстремум сигнала будет достигнут, так как кривая определяет седловую точку, и именно эта седловая точка указывает на то, что было вхождение в область неустойчивости.

До достижения области неустойчивости сигнал S₂ следует по вогнутой кривой, в середине области неустойчивости существует седловая точка и в направлении от области неустойчивости до тех пор, пока испаритель не будет полностью заполнен жидкостью, сигнал S₂ следует по выпуклой кривой. На вогнутой части кривой скорость изменения сигнала является отрицательной и становится меньше при приближении к седловой точке. В седловой точке скорость изменения сигнала S₂ достигает своего минимума. Следовательно, седловая точка, которая представляет собой центр области неустойчивости, может быть идентифицирована путем вычисления минимума скорости изменения сигнала S₂. В силу того, что терморегулирующий вентиль открывается в значительной степени во время осуществления этого процесса, то очевидно, что сухая зона испарителя приближается к минимальной длине. Соответственно, степень открывания терморегулирующего вентиля должна быть уменьшена в этой точке для того, чтобы избежать вхождения в критическую область.

В качестве альтернативы этап анализа сигнала S₂ температуры может включать этапы:

- идентификации составляющей сигнала S₂ температуры, соответствующего сигналу возмущения,

- сравнения идентифицированной составляющей сигнала S₂ температуры с исходным сигналом возмущения и

- определения на основании указанного сравнения, приближается ли сухая зона испарителя к минимальной длине.

Составляющая сигнала S₂ температуры может быть, например, изменениями сигналов S₂ температуры, которые соответствуют изменениям степени открывания, которые определяются сигналом возмущения и/или конкретной частотной составляющей сигнала. Например, в случае, когда сигнал возмущения является синусоидальным сигналом, составляющая может быть, например, частотной составляющей по существу той же частоты, что и синусоидальный сигнал возмущения, или другой частоты. Например, составляющая может быть частотной составляющей, которая представляет собой сумму нескольких синусоидальных сигналов.

Сравнение идентифицированной составляющей сигнала S₂ температуры с исходным сигналом возмущения показывает, каким образом возмущения, применяемые к степени открывания терморегулирующего вентиля, воздействуют на отслеживаемый сигнал S₂ температуры. Сравнение может быть фактическим сравнением сигнала возмущения с идентифицированной составляющей. В качестве альтернативы это может быть сравнением соответствующих характеристик данных двух сигналов, таких как частота и/или амплитуда.

Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что способ, с помощью которого возмущения применяются к степени открывания терморегулирующего вентиля, влияет на отслеживаемый сигнал S₂ температуры, значительно изменяется при вхождении в область неустойчивости, и поэтому сухая зона испарителя приближается к минимальной длине. Если признаки таких существенных изменений обнаруживаются в ходе анализа сигнала S₂ температуры, то, следовательно, можно сделать вывод о том, что сухая зона испарителя приближается к минимальной длине, и, соответственно, степень открывания терморегулирующего вентиля должна быть уменьшена, чтобы не допустить достижения компрессора жидким холодильным агентом.

Например, в том случае, если идентифицированная составляющая сигнала возмущения имеет основную частоту, то сигнал S₂ температуры может содержать основную частоту, а также одну или несколько дополнительных частотных составляющих, например, соответствующих гармоникам основной частоты. Выполнение быстрого преобразования Фурье (FFT) сигнала S₂ температуры в результате предоставит ряд параметров, соответствующих дополнительным частотным составляющим. Знак этих параметров изменится при достижении седловой точки, как описано выше, т.е. при достижении области неустойчивости. Таким образом, при обнаружении изменения знака параметров степень открывания терморегулирующего вентиля должна быть уменьшена, чтобы избежать достижения компрессора жидким холодильным агентом.

Этап сравнения идентифицированной составляющей сигнала S₂ температуры с исходным сигналом возмущения может включать определение искажения идентифицированной составляющей сигнала S₂ температуры. В некоторых случаях искажение составляющей может существенно измениться при вхождении в область неустойчивости. Таким образом, при обнаружении таких изменений можно сделать вывод о том, что сухая зона испарителя приближается к минимальной длине и что, следовательно, степень открывания терморегулирующего вентиля должна быть уменьшена, чтобы не допустить достижения компрессора жидким холодильным агентом. Искажение, например, может предусматривать то, что сигнал возмущения является идеальным синусоидальным сигналом, в то время как идентифицированная составляющая представляет собой колебание сигнала температуры с частотой, которая может быть аналогична частоте синусоидального сигнала возмущения, но который не является идеальным синусоидальным сигналом. В качестве альтернативы искажение может быть комбинацией нескольких частот, которые являются множителями частоты исходного сигнала возмущения.

В качестве другой альтернативы этап анализа сигнала S₂ температуры может включать идентификацию одного или нескольких статистических элементов сигнала S₂ температуры. Статистические элементы могут, например, включать среднее значение, дисперсию сигнала и т.д. Или статистический элемент может включать другие показатели распределения вероятностей в сигнале S₂ температуры. Например, когда сигнал S₂ температуры приближается к области неустойчивости, возрастает дисперсия сигнала S₂ температуры. Точно так же, когда сигнал S₂ температуры отдаляется от области неустойчивости, соответствующая дисперсия имеет тенденцию значительно уменьшаться.

Сигнал возмущения может быть сигналом синусоидального типа. В этом случае степень открывания терморегулирующего вентиля колеблется в значительной степени синусоидальным образом около значения степени открывания, которое обуславливается температурой T_ajr воздуха, протекающего через испаритель. Частота синусоидального сигнала возмущения может быть распознана в отслеживаемом сигнале S₂ температуры.

В качестве альтернативы сигнал возмущения может быть сигналом релейного типа. В этом случае степень открывания терморегулирующего вентиля колеблется релейным образом, или в виде прямоугольного сигнала, около значения степени открывания, которая обуславливается температурой T_air воздуха, протекающего через испаритель.

В качестве другой альтернативы сигнал возмущения может быть любого другого подходящего типа, предпочтительно периодическим сигналом, например, треугольным сигналом.

Температура T_air может быть температурой воздуха, протекающего по направлению к испарителю. В соответствии с этим вариантом осуществления степень открывания терморегулирующего вентиля управляется на основе температуры, которая преобладает в воздухе в охлаждаемом объеме до того, как воздух проходит через испаритель и посредством этого охлаждается. Можно предположить, что эта температура изменяется относительно медленно, так как она представляет температуру во всем охлаждаемом объеме.

В качестве альтернативы температура T_air может быть температурой воздуха, протекающего от испарителя. В соответствии с этим вариантом осуществления степень открывания терморегулирующего вентиля также управляется на основе температуры, которая преобладает в воздухе в охлажденном объеме. Однако в этом случае температура измеряется в воздухе, который только что прошел через испаритель и который, следовательно, только что был охлажден испарителем. Соответственно, эта температура будет не только отражать температуру, преобладающую во всем охлаждаемом объеме, но также будет отражать мгновенную холодопроизводительность испарителя, так как высокая холодопроизводительность будет уменьшать эту температуру. Таким образом, согласно этому варианту осуществления мгновенная холодопроизводительность испарителя учитывается при управлении степенью открывания терморегулирующего вентиля.

В качестве другой альтернативы температура T_air может представлять собой взвешенное значение температуры воздуха, протекающего к испарителю, и температуры воздуха, протекающего от испарителя. В соответствии с этим вариантом осуществления мгновенная холодопроизводительность испарителя также принимается во внимание при управлении степенью открывания терморегулирующего вентиля. Однако в этом случае воздействие на управляемую степень открывания меньше, чем в варианте осуществления, описанном выше.

Способ может дополнительно включать этап выполнения процесса захолаживания в том случае, когда температура T_air воздуха, протекающего через испаритель, находится выше предварительно заданного верхнего порогового значения. Если температура T_air превышает заданное верхнее пороговое значение, то можно предположить, что разность между фактической температурой воздуха T_air и целевой температурой или эталонной температурой T_air, _ref является относительно большой, т.е. T_air значительно выше, чем T_air, _ref. В этом случае может возникнуть необходимость быстро уменьшить фактическую температуру T_air воздуха, чтобы быть в состоянии достигнуть T_air, _ref в течение разумного периода времени. В этом случае это может быть получено путем выполнения процесса захолаживания. В данном контексте термин "процесс захолаживания" должен интерпретироваться как означающий процесс, который применяет максимальную или по меньшей мере очень высокую холодопроизводительность для того, чтобы быстро захолаживать или уменьшать температуру воздуха внутри охлаждаемого объема. Это может, например, иметь отношение к выполнению процесса захолаживания, когда система запускается первоначально или когда в охлаждаемом объеме были расположены новые продукты.

Этап выполнения процесса захолаживания может включать этапы:

- открывания терморегулирующего вентиля до максимальной степени открывания,

- отслеживания сигнала S₂ температуры, представляющего температуру холодильного агента, выходящего из испарителя,

- анализа сигнала S₂ температуры и

- уменьшения степени открывания терморегулирующего вентиля в случае, когда указанный анализ показывает, что абсолютное значение скорости изменения сигнала S₂ температуры достигло максимального значения.

Открывание терморегулирующего вентиля до максимальной степени открывания обеспечивает то, что испаритель заполняется так быстро, как это возможно, и, таким образом, гарантируется то, что обеспечивается максимальная холодопроизводительность. Однако это также включает риск того, что жидкий холодильный агент может проходить через испаритель и, возможно, достигать компрессора.

Поэтому сигнал S₂ температуры, представляющий температуру холодильного агента, выходящего из испарителя, отслеживается и анализируется, как описано выше. В случае, если анализ показывает, что абсолютное значение скорости изменения сигнала S₂ температуры достигло максимального значения, степень открывания терморегулирующего вентиля уменьшается.

Как было описано выше, резкое снижение скорости изменения отслеживаемого сигнала S₂ температуры указывает, что было вхождение в область неустойчивости и что поэтому сухая зона испарителя приближается к минимальной длине. Соответственно, это указывает на то, что существует риск того, что жидкий холодильный агент может проходить через испаритель, если максимальная степень открывания терморегулирующего вентиля сохраняется, и, следовательно, степень открывания терморегулирующего вентиля должна быть уменьшена, чтобы избежать этой ситуации.

Таким образом, согласно этому варианту осуществления обеспечивается эффективный процесс захолаживания одновременно с обеспечением того, что жидкий холодильный агент не может достичь компрессора.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается способ управления подачей холодильного агента к испарителю паровой компрессионной системы во время процесса захолаживания, причем паровая компрессионная система содержит по меньшей мере один испаритель, по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере один конденсатор и по меньшей мере один терморегулирующий вентиль, расположенный в контуре циркуляции холодильного агента, при этом способ включает этапы:

- открывания терморегулирующего вентиля до максимальной степени открывания,

- отслеживания сигнала S₂ температуры, представляющего температуру холодильного агента, выходящего из испарителя,

- анализа сигнала S₂ температуры и

- уменьшения степени открывания терморегулирующего вентиля в случае, когда указанный анализ показывает, что абсолютное значение скорости изменения сигнала S₂ температуры достигает максимального значения.

Следует отметить, что специалист в данной области техники легко определит, что любой признак, описанный в сочетании с первым аспектом настоящего изобретения также может быть объединен со вторым аспектом настоящего изобретения, и наоборот. Таким образом, замечания, изложенные выше, в равной степени применимы и здесь.

Процесс захолаживания второго аспекта настоящего изобретения уже был подробно описан выше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение будет далее описано более подробно со ссылками на прилагаемые графические материалы, на которых:

на фиг. 1 представлен график, иллюстрирующий отслеживаемую температуру S₂ в зависимости от степени открывания терморегулирующего вентиля,

на фиг. 2 представлено схематическое изображение части паровой компрессионной системы для осуществления способа в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения,

на фиг. 3 представлено схематическое изображение части паровой компрессионной системы для выполнения способа в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, и

на фиг. 4 представлен график, иллюстрирующий степень открывания терморегулирующего вентиля и отслеживаемую температуру паровой компрессионной системы при выполнении способа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На фиг. 1 представлен график, иллюстрирующий отслеживаемую температуру S₂ холодильного агента, выходящего из испарителя паровой компрессионной системы, в зависимости от степени открывания терморегулирующего вентиля, который управляет подачей холодильного агента в испаритель.

Можно видеть, что, когда степень открывания терморегулирующего вентиля относительно мала, отслеживаемая температура S₂ холодильного агента, выходящего из испарителя, является относительно высокой, близкой к температуре T_air окружающего воздуха. Кроме того, отслеживаемая температура S₂ остается почти постоянной, когда степень открывания терморегулирующего вентиля увеличивается. Это указывает на то, что жидкая часть холодильного агента, который подается в испаритель, испаряется задолго до того, как он достигает выхода из испарителя. Соответственно, величину теплоты перегрева холодильного агента, выходящего из испарителя, можно считать относительно высокой, а риск прохождения жидкого холодильного агента через испаритель является очень низким.

По мере того как степень открывания терморегулирующего вентиля увеличивается далее, отслеживаемая температура S₂ значительно и резко уменьшается до температуры T_e испарения, т.е. температуры, при которой холодильный агент испаряется при давлении, преобладающем в холодильном агенте, или точки росы. Таким образом, когда отслеживаемая температура S₂ приближается к температуре T_e испарения, это указывает на то, что значение теплоты перегрева приближается к нулю. Это указывает на то, что сухая зона испарителя приближается к минимальной длине и что риск прохождения жидкого холодильного агента через испаритель увеличивается.

Область, где отслеживаемая температура S₂ резко уменьшается, может именоваться как «область неустойчивости». При отслеживании и анализе температуры S₂ можно обнаружить вхождение в данную область, например, посредством отслеживания скорости изменения сигнала температуры и определения абсолютного максимального значения скорости изменения, поскольку скорость изменения будет большой и отрицательной. Однако вхождение в область неустойчивости может быть обнаружено другими способами, как описано выше.

Область, где скорость изменения отслеживаемой температуры S₂ вновь уменьшается и температура S₂ очень близка к температуре испарения, может именоваться как "критическая область", потому что это область, где существует высокий риск того, что жидкий холодильный агент может проходить через испаритель, и, таким образом, существует риск того, что жидкий холодильный агент может достигать компрессора.

Таким образом, желательно контролировать степень открывания терморегулирующего вентиля таким образом, чтобы не входить в критическую область. В соответствии с настоящим изобретением это может быть получено за счет снижения степени открывания терморегулирующего вентиля при обнаружении вхождения в область неустойчивости. Когда это происходит, будет достигнута критическая область, если степень открывания терморегулирующего вентиля дополнительно увеличивается. Поэтому можно предотвратить вхождение в критическую область, если степень открывания терморегулирующего вентиля уменьшается при вхождении в область неустойчивости.

Следует отметить, что поскольку температура T_e испарения зависит от давления, преобладающего в холодильном агенте, то при нормальных условиях будет недостаточно измерить температуру S₂ холодильного агента, выходящего из испарителя, и сравнить измеренную температуру с фиксированной температурой испарения. Поэтому в способе согласно настоящему изобретению сигнал S₂ температуры отслеживается и анализируется, например, с получением скорости изменения сигнала температуры, чтобы определить, когда происходит вхождение в область неустойчивости.

На фиг. 2 представлено схематическое изображение части паровой компрессионной системы 1 для осуществления способа в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Паровая компрессионная система 1 содержит испаритель 2, расположенный в контуре циркуляции холодильного агента, вместе с одним или несколькими компрессорами (не показаны) и одним или несколькими конденсаторами (не показаны). Терморегулирующий вентиль 3 также располагается в контуре циркуляции холодильного агента для управления подачей холодильного агента в испаритель 2.

Паровая компрессионная система 1 дополнительно содержит ряд датчиков температуры. Первый датчик 4 температуры расположен в контуре циркуляции холодильного агента после выхода из испарителя 2. Соответственно, первый датчик 4 температуры измеряет сигнал S₂ температуры, который представляет температуру холодильного агента, выходящего из испарителя 2.

Второй датчик 5 температуры расположен во вторичном воздушном потоке через испаритель 2 в месте до того, как воздух достигает испарителя 2. Соответственно, второй датчик 5 температуры измеряет сигнал S₃ температуры, который представляет температуру воздуха, протекающего к испарителю 2.

Третий датчик 6 температуры расположен во вторичном воздушном потоке через испаритель 2, в месте после того, как воздух прошел через испаритель 2. Соответственно, третий датчик 6 температуры измеряет сигнал S₄ температуры, который представляет температуру воздуха, протекающего от испарителя 2.

Сигналы S₃ и S₄ температуры, измеренные вторым датчиком 5 температуры и третьим датчиком 6 температуры, подаются в блок 7 выбора датчиков. Блок 7 выбора датчиков выбирает, следует ли применять один из сигналов S₃ и S₄ температуры при управлении терморегулирующим вентилем 3 или применять ли взвешенное значение двух сигналов S₃ и S₄ температуры. Выбор может быть основан, например, на наличии датчиков 5 и 6 или на выборе установщика. На основе выбора генерируется сигнал T_air температуры, и T_air представляет температуру воздуха, соответствующую выбору, выполненному блоком 7 выбора. Сигнал T_air температуры подается в блок 8 управления, который выполнен с возможностью управления степенью открывания терморегулирующего вентиля 3.

Эталонная температура T_air, _ref воздуха также подается в блок 8 управления. Эталонная температура T_air, _ref воздуха представляет собой эталонную или целевую температуру, которая желательна в воздухе, проходящем через испаритель 2.

Блок 8 управления сравнивает сигнал T_air температуры с эталонной температурой T_air, _ref воздуха и на основе данного сравнения вычисляет степень открывания терморегулирующего вентиля 3. Степень открывания терморегулирующего вентиля 3 выбирается таким образом, что степень открывания обеспечивает подачу холодильного агента в испаритель 2, что вызывает приближение температуры T_air воздуха к эталонной температуре T_air, _ref воздуха. Таким образом, блок 8 управления управляет степенью открывания терморегулирующего вентиля 3 на основе выбранной температуры T_air воздуха с целью достижения эталонной температуры T_air, _ref воздуха.

Сигнал S₂ температуры, измеренный первым датчиком 4 температуры, также подается в блок 8 управления. Таким образом, температура холодильного агента, выходящего из испарителя 2, также может быть учтена при вычислении степени открывания терморегулирующего вентиля 3 блоком 8 управления.

Когда блок 8 управления вычислил степень открывания терморегулирующего вентиля 3, как описано выше, блок 8 управления применяет сигнал возмущения к вычисленной степени открывания. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, сигнал возмущения является сигналом возмущения релейного типа. Полученный в результате сигнал подается в терморегулирующий вентиль 3, и степень открывания терморегулирующего вентиля 3 управляется таким образом, чтобы быть вычисленной степенью открывания при наложении на нее сигнала возмущения.

Таким образом, при нормальных условиях степень открывания терморегулирующего вентиля 3 и, таким образом, подача холодильного агента в испаритель 2 управляются на основе температуры T_air воздуха, чтобы получить эталонную температуру T_air, _ref воздуха, но при наложении сигнала возмущения.

Однако сигнал S₂ температуры, измеренный посредством первого датчика 4 температуры, также подается на анализирующий блок 9. Анализирующий блок 9 анализирует сигнал S₂ температуры, в частности, по отношению к скорости изменения сигнала S₂ температуры. Результат анализа подается на предохранительный логический блок 10. Предохранительный логический блок 10 отслеживает скорость изменения сигнала S₂ температуры, и в случае, когда абсолютное значение скорости изменения сигнала S₂ температуры достигает максимального значения, предохранительный логический блок 10 отправляет сигнал на блок 8 управления, требующий уменьшения степени открывания терморегулирующего вентиля 3. В ответ на этот сигнал блок 8 управления уменьшает степень открывания терморегулирующего вентиля 3.

Как описано выше, когда скорость изменения температуры холодильного агента, выходящего из испарителя 2, резко уменьшается, это признак того, что было вхождение в область неустойчивости и что существует риск вхождения в критическую область, если степень открывания терморегулирующего вентиля 3 не уменьшается. Следовательно, предохранительный логический блок 10 таким образом обеспечивает эффективное предотвращение того, что жидкий холодильный агент может проходить через испаритель 2 и достигать компрессора.

На фиг. 3 представлено схематическое изображение части паровой компрессионной системы 1 для осуществления способа в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. Паровая компрессионная система 1, приведенная на фиг. 3, действует таким образом, который аналогичен работе паровой компрессионной системы, приведенной на фиг. 2, и поэтому работа паровой компрессионной системы 1 не будет подробно описываться здесь.

Паровая компрессионная система 1, приведенная на фиг. 3, дополнительно содержит первый полосовой фильтр 11, через который проходит выбранный сигнал T_air температуры вместе с эталонной температурой T_air, _ref воздуха в блок 12 управления. Блок 12 управления может быть, например, пропорционально-интегральным (ПИ) регулятором. Выходной сигнал блока 12 управления подается в блок 13 суммирования.

Паровая компрессионная система 1 на фиг. 3 также содержит второй полосовой фильтр 14, через который проходит сигнал S₂ температуры, измеренный первым датчиком 4 температуры, перед подачей в блок 13 суммирования.

Блок 13 суммирования дополнительно обеспечивается эталонным сигналом S₂, _ref температуры, представляющим целевую или эталонную температуру для холодильного агента, выходящего из испарителя 2.

Прохождение сигналов T_air и S₂ температуры через полосовые фильтры 11 и 14 обеспечивает то, что для управления степенью открывания терморегулирующего вентиля 3 применяются только сигналы температуры в пределах требуемой полосы частот. Следует отметить, что полосовые фильтры 11 и 14 могут быть удобно реализованы в блоках 12 и 8 управления.

На основе сигналов, подаваемых на них, блок 13 суммирования обеспечивает входной сигнал на блок 8 управления. Входной сигнал отражает сравнение выбранной температуры T_air воздуха и эталонной температуры T_air, _ref воздуха, предоставленных блоком 12 управления, а также сравнение сигнала S₂ измеренной температуры и эталонной температуры S₂, _ref, которое осуществляется блоком 13 суммирования.

На основании входного сигнала блок 8 управления вычисляет степень открывания терморегулирующего вентиля 3, в сущности, как описано выше. Вычисленная степень открывания подается на блок 15 суммирования. Блок 16 возмущения генерирует сигнал возмущения и передает его в блок 15 суммирования. Затем блок 15 суммирования определяет степень открывания терморегулирующего вентиля 3 как вычисленную степень открывания при наложении сигнала возмущения. В варианте осуществления, приведенном на фиг. 3, сигнал возмущения является синусоидальным сигналом.

Предохранительный механизм, обеспечиваемый анализирующим блоком 9 и предохранительным логическим блоком 10, работает, по существу, как описано выше со ссылкой на фиг. 2, за исключением того, что он может применять альтернативные способы обнаружения вхождения в область неустойчивости. Такие альтернативные способы уже были описаны выше.

На фиг. 4 представлен график, иллюстрирующий степень открывания терморегулирующего вентиля и отслеживаемую температуру паровой компрессионной системы при выполнении способа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Паровая компрессионная система может быть, например, паровой компрессионной системой, приведенной на фиг. 2, или паровой компрессионной системой, приведенной на фиг. 3.

График на фиг. 4 иллюстрирует то, как степень 17 открывания изменяется в зависимости от времени и как различные температуры, измеренные в паровой компрессионной системе, реагируют на изменения степени 17 открывания. Следует отметить, что на фиг. 4 для упрощения степень 17 открывания показана без наложенного сигнала возмущения. График 18 представляет температуру холодильного агента, выходящего из испарителя, т.е. соответствующую сигналу S₂ температуры, описанному выше. График 19 представляет температуру воздуха, протекающего к испарителю, т.е. соответствующую сигналу S₃ температуры, описанному выше. График 20 представляет температуру воздуха, протекающего от испарителя, т.е. соответствующую сигналу S₄ температуры, описанному выше. График 21 представляет температуру испарения, т.е. температуру, при которой холодильный агент испаряется в испарителе. Данная температура изменяется в зависимости от давления, преобладающего в холодильном агенте. И, наконец, график 22 представляет эталонную температуру T_air, _ref воздуха.

Как видно из фиг. 4, первоначальные температуры 18, 19 и 20 являются относительно высокими. В частности, обе температуры 19, 20 воздуха значительно выше, чем эталонная температура 22 воздуха, а температура 18 холодильного агента, выходящего из испарителя, значительно выше, чем температура 21 испарения. Это связано с тем, что паровая компрессионная система недавно была включена после того, как была выключена в течение определенного периода времени, и указывает на то, что требуется большая охлаждающая способность для того, чтобы достичь эталонной температуры 22 воздуха. Кроме того, значение теплоты перегрева холодильного агента, выходящего из испарителя, является относительно высоким, и, следовательно, риск прохождения жидкого холодильного агента через испаритель очень низкий.

Как следствие начинается процесс захолаживания. Это включает открывание терморегулирующего вентиля до максимальной степени открывания одновременно с отслеживанием ряда сигналов 18, 19, 20 температуры. Из фиг. 4 ясно видно, что это приводит к быстрому уменьшению измеряемых температур 19, 20 воздуха. Кроме того, температура 18 холодильного агента, выходящего из испарителя, уменьшается и приближается к температуре 21 испарения, т.е. значение теплоты перегрева холодильного агента, выходящего из испарителя, снижается до нуля.

Через некоторое время абсолютное значение скорости изменения температуры 18 холодильного агента, выходящего из испарителя, достигает максимального значения. Это можно увидеть на фиг. 4 в виде резкого понижения температуры 18. Как описано выше, это указывает на то, что было вхождение в область неустойчивости, и, следовательно, в ответ на это степень 17 открывания терморегулирующего вентиля уменьшается до минимального значения. В связи с этим процесс захолаживания завершается и начинается период идентификации системы. Из фиг. 4 ясно видно, что температура 18 действительно приближается к температуре 21 испарения, в то время когда степень 17 открывания снижается до минимального значения.

В течение периода идентификации системы степень 17 открывания терморегулирующего вентиля переключается между максимальным значением и минимальным значением одновременно с отслеживанием температур 18, 19, 20. Можно видеть, что каждый раз, когда температура 18 холодильного агента, выходящего из испарителя, резко уменьшается так, как описано выше, степень 17 открывания переключается из максимального значения в минимальное значение. Одна из целей периода идентификации системы состоит в том, чтобы определить текущую рабочую точку системы.

Через некоторое время период идентификации системы завершается и начинается период нормального управления. В течение периода нормального управления степень 17 открывания терморегулирующего вентиля регулируется на основе температуры 20 воздуха, протекающего от испарителя, с целью достижения эталонной температуры 22. Однако также применяется предохранительный процесс, который обеспечивает то, что степень 17 открывания терморегулирующего вентиля уменьшается до минимального значения в случае, когда было обнаружено вхождение в область неустойчивости, например, посредством анализа скорости изменения сигнала температуры 18. В ситуации, показанной на фиг. 4, температура 18 холодильного агента, выходящего из испарителя, остается значительно выше температуры 21 испарения в течение всего периода нормального управления. Таким образом, нет вхождения в область неустойчивости, отсутствует риск прохождения жидкого холодильного агента через испаритель и, вследствие этого, предохранительный процесс не применяется.

1. Способ управления подачей холодильного агента в испаритель (2) паровой компрессионной системы (1), причем паровая компрессионная система (1) содержит по меньшей мере один испаритель (2), по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере один конденсатор и по меньшей мере один терморегулирующий вентиль (3), расположенный в контуре циркуляции холодильного агента, при этом способ включает этапы:

- получения температуры T_air воздуха, протекающего через испаритель (2),

- управления степенью открывания терморегулирующего вентиля (3) на основе полученной температуры T_air с целью достижения эталонной температуры T_air,ref воздуха, протекающего через испаритель (2),

- обеспечения сигнала возмущения и настройки степени открывания терморегулирующего вентиля (3) до управляемой степени открывания при наложении на нее сигнала возмущения, причем степень открывания терморегулирующего вентиля (3) колеблется около среднего значения, которое представляет собой управляемую степень открывания, обуславливаемую полученной температурой T_air,

- отслеживания сигнала S₂ температуры, представляющего температуру холодильного агента, выходящего из испарителя (2),

- анализа сигнала S₂ температуры, и

- уменьшения степени открывания терморегулирующего вентиля (3) в том случае, когда указанный анализ показывает, что сухая зона испарителя (2) приближается к минимальной длине.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап анализа сигнала S₂ температуры включает получение скорости изменения сигнала S₂ температуры, и при этом этап уменьшения степени открывания включает уменьшение степени открывания терморегулирующего вентиля (3) в случае, когда абсолютное значение скорости изменения сигнала S₂ температуры достигает максимального значения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап анализа сигнала S₂ температуры включает этапы:

- идентификации составляющей сигнала S₂ температуры, соответствующего сигналу возмущения,

- сравнения идентифицированной составляющей сигнала S₂ температуры с исходным сигналом возмущения, и

- определения на основании указанного сравнения, приближается ли сухая зона испарителя (2) к минимальной длине или нет.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что этап сравнения включает определение искажения идентифицированной составляющей сигнала S₂ температуры.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап анализа сигнала S₂ температуры включает идентификацию одного или нескольких статистических элементов сигнала S₂ температуры.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что сигнал возмущения является сигналом синусоидального типа.

7. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что сигнал возмущения представляет собой сигнал релейного типа.

8. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что температура T_air является температурой воздуха, протекающего к испарителю (2).

9. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что температура T_air является температурой воздуха, протекающего от испарителя (2).

10. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что температура T_air представляет собой взвешенное значение температуры воздуха, протекающего к испарителю (2), и температуры воздуха, протекающего от испарителя (2).

11. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что дополнительно включает этап выполнения процесса захолаживания в том случае, когда температура T_air воздуха, протекающего через испаритель (2), находится выше предварительно заданного верхнего порогового значения.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что этап выполнения процесса захолаживания включает этапы:

- открывания терморегулирующего вентиля (3) до максимальной степени открывания,

- отслеживания сигнала S₂ температуры, представляющего температуру холодильного агента, выходящего из испарителя (2),

- анализа сигнала S₂ температуры, и

- уменьшения степени открывания терморегулирующего вентиля (3) в случае, когда указанный анализ показывает, что абсолютное значение скорости изменения сигнала S₂ температуры достигло максимального значения.