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1、(10)申请公布号 CN 103105021 A(43)申请公布日 2013.05.15CN103105021A*CN103105021A*(21)申请号 201310022945.9(22)申请日 2013.01.22F25B 30/02(2006.01)F25B 41/06(2006.01)F25B 49/02(2006.01)(71)申请人秦海涛地址 115100 辽宁省营口市大石桥市金桥岳州村17号0-5-7(72)发明人秦海涛(54) 发明名称CO2跨临界循环的制冷热泵机组及其控制方法(57) 摘要本发明属于跨临界CO2制冷热泵技术领域。CO2跨临界循环的制冷热泵机组，包括CO2制冷。
2、剂压缩机、气体冷却器、回热器、节流阀、气液分离器、节流阀、蒸发器、控制器、压力传感器、温度传感器和过热温度传感器，各部件通过管路连接成一个闭合系统：控制器根据检测到的气体冷却器内制冷剂压力、气体冷却器出口制冷剂温度、蒸发器出口制冷剂过热度以及系统运行的最高冷却压力Pg，控制节流阀和节流阀的开度，使机组在高的循环效率下运行。本发明的有益效果是：当环境温度或被冷却间环境温度发生变化时，控制器能调节机组使机组在高的循环效率下运行，方法简单、易于实现，并且可靠、稳定。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书3页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书。
3、3页 附图1页(10)申请公布号 CN 103105021 ACN 103105021 A1/1页21.CO2跨临界循环的制冷热泵机组，包括CO2制冷剂压缩机（1）、气体冷却器（2）、回热器（3）、节流阀（4）、气液分离器（5）、节流阀（6）、出液管（7）、进汽管（8）、出气管（9）、蒸发器（10）和控制器（12），其特征在于所述跨临界CO2制冷剂制冷热泵机组还包括压力传感器（11）、温度传感器（13）和过热温度传感器，所述各部件通过管路连接成一个闭合系统：压缩机（1）排气口与气体冷却器（2）进口相连，气体冷却器（2）出口与回热器（3）进口相连，回热器（3）出口分成两路，一路经过节流阀（6）后。
4、与蒸发器进口相连，另一路经过节流阀（4）与气液分离器进气管（8）相连，气液分离器（5）顶部出气管（9）连通节流阀（6）与蒸发器进口相连的管路，气液分离器（5）底部出液管（7）连通节流阀（6）与蒸发器进口相连的管路，蒸发器（10）出口与回热器（3）进口相连，回热器（3）出口与压缩机（1）吸气口相连，压力传感器（11）设置在压缩机（1）排气口与气体冷却器（2）进口相连的管路上，温度传感器（13）设置在气体冷却器（2）出口与回热器（3）进口相连的管路上，过热温度传感器（14）设置在蒸发器（10）出口的管路上，压力传感器（11）、过热温度传感器（14）和温度传感器（13）通过信号线与控制器相连。2.根。
5、据权利要求1所述CO2跨临界循环的制冷热泵机组，其特征在于所述节流阀（4）为电动调节阀，节流阀（6）为电动调节阀或机械式调节阀。3.权利要求1所述CO2跨临界循环的制冷热泵机组的控制方法，其特征在于所述控制方法是：控制器（12）根据压力传感器（11）检测到的气体冷却器（2）内制冷剂压力Pk、温度传感器（13）检测到的气体冷却器（2）出口制冷剂温度tk、过热温度传感器（14）检测到的蒸发器（10）出口制冷剂过热度以及系统运行的最高冷却压力Pg，控制节流阀（4）和节流阀（6）的开度；节流阀（4）具体控制为；设定最优压力为Pz，Pz= -0.71471+0.27243tk，控制器（12）将Pk、Pg。
6、、Pz三个参数进行比较：当PzPg，且PkPz时，控制器（12）输出信号控制节流阀（4）阀口开度开大，使Pk = Pz；当PzPg，且PkPz时，控制器（12）输出信号控制节流阀（4）阀口开度关小，使Pk = Pz；当PzPg, 且PkPg时，控制器（12）输出信号控制节流阀（4）阀口开度开大，使Pk = Pg; 当PzPg, 且PkPg时，控制器（12）输出信号控制节流阀（4）阀口开度关小，使Pk = Pg；节流阀（6）具体控制为；制冷剂过热度设定值为tz，当过热度高于设定值tz时，开大节流阀（6），使制冷剂过热度趋近设定值tz，当过热度低于设定值tz时，关小节流阀（6），使制冷剂过热度趋近。
7、设定值tz。权 利 要 求 书CN 103105021 A1/3页3CO2跨临界循环的制冷热泵机组及其控制方法技术领域0001 本发明属于跨临界CO2制冷热泵技术领域。背景技术0002 由于CFCs对于臭氧层和大气变暖的重要影响，保护环境实现CFCs替代成为全世界共同关注的问题。HFCs类制冷剂作为CFCs的替代，虽然不破坏臭氧层，但其明显的温室效应，还是对环境变暖有一定的影响。于是，人们开始大力提倡使用自然制冷剂。CO2自然制冷剂又受到广泛关注，CO2制冷热泵装置的研究与应用又一次成为在全球范围内受重视的热点。0003 现有技术中的跨临界CO2制冷系统主要包括压缩机、冷却器、回热器、节流阀、。
8、气液分离器、蒸发器等，现有技术的跨临界CO2制冷系统的不足是：当系统所处的环境发生变化时，系统中的制冷剂分布会发生变化，由于在气体冷却器中的高温高压CO2制冷剂不能液化，导致各个部件中的制冷剂分布对系统压力的影响较大，制冷系统的高低压力调节困难；由于跨临界CO2的温度和压力不是一一对应，超临界CO2在冷却器中放热，温度变化很大，较大的冷却器进出口温差使跨临界循环效率提高，不同的出口温度，对应一个最优的冷却压力使循环效率最高。所以当环境温度发生变化引起气体冷却器出口温度发生变化时，不能对冷却压力做出相应调整，以保证制冷系统具有较高的性能系数，而且与亚临界循环不同的是，冷却压力并不是越低越好，而是。
9、针对不同的出口温度，存在一个最优值，因此，调节困难。0004 发明内容 本发明为解决上述问题而提出，其目的在于提供一种CO2跨临界循环的制冷热泵机组，机组设置合理、简约紧凑；另外本发明还提供CO2跨临界循环的制冷热泵机组的控制方法，通过对系统冷却压力的控制，维持系统最优化运行。0005 本发明的技术方案是：CO2跨临界循环的制冷热泵机组，包括CO2制冷剂压缩机、气体冷却器、回热器、节流阀、气液分离器、节流阀、蒸发器和控制器，其特征在于：机组还包括压力传感器、温度传感器和过热温度传感器，所述各部件通过管路连接成一个闭合系统：压缩机排气口与气体冷却器进口相连，气体冷却器出口与回热器进口相连，回热器。
10、出口分成两路，一路经过节流阀后与蒸发器进口相连，另一路经过节流阀与气液分离器进气管相连，气液分离器顶部出气管连通节流阀与蒸发器进口相连的管路，气液分离器底部出液管连通节流阀与蒸发器进口相连的管路，蒸发器出口与回热器进口相连，回热器出口与压缩机吸气口相连，压力传感器设置在压缩机排气口与气体冷却器进口相连的管路上，温度传感器设置在气体冷却器出口与回热器进口相连的管路上，过热温度传感器设置在蒸发器出口的管路上，压力传感器、过热温度传感器和温度传感器通过信号线与控制器相连。0006 所述节流阀（4）为电动调节阀，节流阀（6）为电动调节阀或机械式调节阀。0007 本发明所述CO2跨临界循环的制冷热泵机组。
11、的控制方法，其其特征在于所述控制说 明 书CN 103105021 A2/3页4方法是：控制器根据压力传感器检测到的气体冷却器内制冷剂压力Pk、温度传感器检测到的气体冷却器出口制冷剂温度tk、过热温度传感器检测到的蒸发器出口制冷剂过热度以及系统运行的最高冷却压力Pg，控制节流阀和节流阀的开度；节流阀具体控制为；设定最优压力为Pz，Pz= -0.71471+0.27243tk，控制器将Pk、Pg、Pz三个参数进行比较：当PzPg，且PkPz时，控制器输出信号控制节流阀阀口开度开大，使Pk = Pz；当PzPg，且PkPz时，控制器输出信号控制节流阀阀口开度关小，使Pk = Pz；当PzPg, 且。
12、PkPg时，控制器输出信号控制节流阀阀口开度开大，使Pk = Pg; 当PzPg, 且PkPg时，控制器输出信号控制节流阀阀口开度关小，使Pk = Pg；节流阀具体控制为；制冷剂过热度设定值为tz，当过热度高于设定值tz时，开大节流阀，使制冷剂过热度趋近设定值tz，当过热度低于设定值tz时，关小节流阀，使制冷剂过热度趋近设定值tz。0008 本发明的制冷过程是：CO2压缩机吸入制冷剂气体，压缩后排出高温高压气体进入气体冷却器中，经气体冷却器降温后进入回热器中再次冷却，冷却后的CO2制冷剂分别通过并联的两个节流阀：节流阀和节流阀节流，制冷剂经过节流阀节流成气液两相CO2进入到蒸发器中吸热汽化，另。
13、一路经过节流阀节流成气液两相CO2进入到气液分离器中，再分别经过气液分离器的顶部与底部接口管路与节流阀后的制冷剂混合后进入到蒸发器中进行制冷，制冷后制冷剂变成低温低压气液混合物进入到蒸发器中，经过蒸发器吸热变成过热气体后进入到回热器，在回热器中与气体冷却器出来的制冷剂换热，温度升高后进入到压缩机吸入口，如此循环。本发明通过两路节流来调节系统制冷剂分布，从而调节系统压力保持在优化设计工况。节流阀II主要控制蒸发器出口过热度，防止供液过多造成压缩机液压缩或者过热度偏大换热效率下降，功能等同于常规制冷系统的节流阀；节流阀I主要根据冷却压力来调节系统中制冷剂的分布，当冷却压力过高，节流阀开大，使冷却器。
14、中制冷剂流出量增大，并经过节流后以液态存储在气液分离器中；当冷却压力过低时，节流阀I关小，冷却器中制冷剂流出量减少，但压缩机不断吸气，气液分离器中存储的液态制冷剂逐步补充使冷却压力提高，气液分离器相当于制冷剂存储的缓冲空间。0009 通过本发明，当蒸发器所处环境或气体冷却器所处环境发生变化时，制冷热泵机组可以根据蒸发器的出口处制冷剂过热度、系统的高压侧压力和气体冷却器出口温度，将系统控制在最佳的蒸发温度和高压压力下稳定运行，从而提高系统的冷却效率，同时可以有效地防止高压侧压力异常增加。0010 本发明的有益效果是：当环境温度或被冷却间环境温度发生变化时，控制器能根据制冷剂在气体冷却器的出口温度。
15、传感器检测出的温度和在气体冷却器进口处的压力传感器检测出的压力判断并调节机组使机组在高的循环效率下运行：方法简单、易于实现，并且可靠、稳定。附图说明0011 图1为本发明制冷热泵机组系统原理图。0012 附图中：1- 压缩机；2-气体冷却器；3-回热器；4-节流阀；5-气液分离器；6-节流阀；7-出液管；8-进气管；9-出气管；10-蒸发器；11-压力传感器；12-控制器；说 明 书CN 103105021 A3/3页513-温度传感器；14-过热温度传感器。具体实施方式0013 以下，参照附图和实施例对本发明详细说明。0014 跨临界CO2制冷剂制冷热泵机组包括CO2制冷剂压缩机1、气体冷却。
16、器2、回热器3、节流阀4、气液分离器5、节流阀6、蒸发器10、控制器12、压力传感器11、温度传感器13和过热温度传感器14，各部件通过管路连接成一个闭合系统：压缩机1排气口与气体冷却器2进口相连，气体冷却器2出口与回热器3进口相连，回热器3出口分成两路，一路经过节流阀6后与蒸发器进口相连，另一路经过节流阀4与气液分离器5入口相连，气液分离器5顶部出气管连通节流阀6与蒸发器进口相连的管路，气液分离器底部出液管连通节流阀6与蒸发器进口相连的管路，蒸发器10出口与回热器3进口相连，回热器3出口与压缩机1吸气口相连，压力传感器11连接在压缩机1排气口与气体冷却器2进口相连的管路上，温度传感器13设置。
17、在气体冷却器2出口与回热器3进口相连的管路上，过热温度传感器14连接在蒸发器10出口的管路上，压力传感器11、过热温度传感器14和温度传感器13通过信号线与控制器相连。0015 从压缩机1的高压侧排气管排出的高温高压气体进入到气体冷却器2，被冷却成超临界流体，气体冷却器2出来的超临界流体进入到回热器3里，与从蒸发器10出来的制冷剂进行换热，温度降低后的制冷剂分成两路，其中一路经过节流阀6节流成饱和气液两相CO2制冷剂进入到蒸发器10中进行蒸发制冷，另一路经过节流阀4节流成饱和气液两相CO2进入到气液分离器5中，制冷剂通过气液分离器5底部出液管7和其顶部出气管9与节流阀6出口处制冷剂混合后进入到。
18、蒸发器10进行蒸发制冷。0016 制冷热泵装置所处环境发生变化时，引起制冷剂在系统循环的状态发生变化，控制器12根据压力传感器11检测到的气体冷却器2内制冷剂压力Pk、温度传感器13检测到的气体冷却器2出口制冷剂温度tk、过热温度传感器14检测到的蒸发器10出口制冷剂过热度以及系统运行的最高冷却压力Pg，控制节流阀4和节流阀6的开度；节流阀4具体控制为；设定最优压力为Pz，Pz= -0.71471+0.27243tk，控制器12将Pk、Pg、Pz三个参数进行比较：当PzPg，且PkPz时，控制器12输出信号控制节流阀4阀口开度开大，使Pk = Pz；当PzPg，且PkPz时，控制器12输出信号。
19、控制节流阀4阀口开度关小，使Pk = Pz；当PzPg, 且PkPg时，控制器12输出信号控制节流阀4阀口开度开大，使Pk = Pg; 当PzPg, 且PkPg时，控制器12输出信号控制节流阀4阀口开度关小，使Pk = Pg；节流阀6具体控制为；制冷剂过热度设定值为tz，当过热度高于设定值tz时，开大节流阀6，使制冷剂过热度趋近设定值tz，当过热度低于设定值tz时，关小节流阀6，使制冷剂过热度趋近设定值tz。0017 以上是本发明的一个实施方式，本发明不仅限于此。例如，在本实施方式中，压缩机（1）可以单机双级，也可以是单机单级；节流阀（6）可以是电动式，也可以是机械式；气体冷却器（2）和蒸发器（10）的形式可以是空气源式、水源式等各种形式，而且，上述实施方式中的配管构成等不限于此。说 明 书CN 103105021 A1/1页6图1说 明 书 附 图CN 103105021 A。