ХОЛОДИЛЬНИК С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ЗАДАВАЕМЫХ УСТАНОВОК
REFRIGERATOR WITH CONTROL OF SPECIFIED SETTINGS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к холодильникам для выдачи охлажденной текучей среды. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления холодильником с воздушным охлаждением с увеличенной эффективностью в изменяющихся условиях.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В некоторых вариантах осуществления изобретение обеспечивает получение холодильной системы для создания потока охлажденной текучей среды, такой как вода, причем холодильная система включает множество компрессоров, имеющих входы и выходы по меньшей мере один конденсатор, имеющий вход и выход, причем вход конденсатора сообщается по текучей среде с выходами компрессора, вентилятор для нагнетания окружающего воздуха через конденсатор, расширительный клапан, имеющий вход и выход, причем вход сообщается по текучей среде с входом конденсатора, испаритель, имеющий вход и выход, причем вход сообщается по текучей среде с выходом расширительного клапана и выходом, сообщающимся по текучей среде с входами компрессора, и клапан выравнивания нагрузки, имеющей вход и выход, причем вход сообщается по текучей среде с выходами компрессора, и выход сообщается по текучей среде с выходом расширительного клапана. Клапан выравнивания нагрузки может отводить избыточное давление от выходов компрессора к выходу расширительного клапана для снижения отношения давления выхода компрессора к давлению входа компрессора. Холодильная система также включает систему управления, которая регулирует задаваемую установку регулирования напора конденсатора в зависимости от температуры окружающей среды и нагрузки холодильной системы. Система управления может регулировать задаваемую установку регулирования напора для уменьшения отбора входной мощности компрессора и отбора входной мощности вентилятора для данной нагрузки и температуры окружающей среды, в условиях которых работает холодильная система.
В некоторых вариантах его осуществления изобретение обеспечивает получение способа работы холодильной системы с воздушным охлаждением, в котором задаваемая установка регулирования напора конденсатора холодильной системы динамически регулируется согласно заданному алгоритму для поддержания задаваемой установки регулирования напора на уровне, соответствующем самой низкой комбинированной подводимой мощности компрессора и подводимой мощности вентилятора для нагрузки холодильной системы и температуры окружающей среды вокруг конденсатора. Заданный алгоритм может генерироваться посредством определения задаваемой установки регулирования напора, соответствующей самой низкой комбинированной входной мощности компрессора и входной мощности вентилятора для конкретной нагрузки холодильной системы и температуры окружающей среды, при этом индивидуальные задаваемые установки регулирования напора определены в широком диапазоне комбинаций нагрузки холодильной системы и температуры окружающей среды.
Согласно одной конструкции, изобретение обеспечивает получение холодильной системы, содержащей:
компрессор, работающий со скоростью компрессора между первой скоростью и второй скоростью для подачи потока сжатой текучей среды к коллектору под давлением компрессора;
конденсатор, сообщающийся по текучей среде с коллектором для приема сжатой текучей среды;
вентилятор конденсатора, работающий со скоростью вентилятора между минимальной скоростью вентилятора и максимальной скоростью вентилятора для направления охлаждающего потока к конденсатору для охлаждения сжатой текучей среды;
испаритель, установленный для приема потока сжатой текучей среды и действующий для охлаждения второй текучей среды; и
контроллер, работающий по меньшей мере частично на основе измеренной температуры второй текучей среды для вычисления нагрузки холодильной системы и для изменения скорости компрессора на основе вычисленной нагрузки, и дополнительно работающий по меньшей мере частично на основе измеренной температуры охлаждающего потока для определения желательного давления и для изменения скорости вентилятора таким образом, что давление компрессора равно желательному давлению.
Предпочтительно компрессор представляет собой первый из множества компрессоров, каждый из которых избирательно работает со скоростью компрессора.
Каждый из компрессоров предпочтительно представляет собой центробежный компрессор.
Конденсатор может включать в себя множество теплообменников, каждый из которых установлен для приема части сжатой текучей среды и выпуска охлажденной сжатой текучей среды в коллектор конденсатора.
Вентилятор конденсатора предпочтительно представляет собой один из множества вентиляторов, и в котором по меньшей мере один вентилятор связан с каждым из теплообменников.
Холодильная система также может содержать первый датчик, установленный для измерения свойства сжатой текучей среды в коллекторе, где указанное свойство предпочтительно представляет собой давление сжатой текучей среды в коллекторе.
Холодильная система также может содержать второй датчик, установленный для измерения температуры охлаждающего потока, и третий датчик, установленный для измерения температуры второй текучей среды на выходе для второй текучей среды.
Согласно другой конструкции, изобретение обеспечивает получение холодильной системы, содержащей:
компрессор, работающий со скоростью компрессора между первой скоростью и второй скоростью для подачи потока сжатой текучей среды к коллектору;
первый датчик, установленный для измерения свойства сжатой текучей среды в коллекторе;
конденсатор, сообщающийся по текучей среде с коллектором для приема сжатой текучей среды;
вентилятор конденсатора, работающий со скоростью вентилятора между минимальной скоростью вентилятора и максимальной скоростью вентилятора для направления потока окружающего воздуха к конденсатору для охлаждения сжатой текучей среды;
второй датчик, установленный для измерения температуры потока окружающего воздуха;
испаритель, установленный для приема потока сжатой текучей среды и действующий для охлаждения второй текучей среды и выпуска второй текучей среды из выхода;
третий датчик, установленный для измерения температуры второй текучей среды на указанном выходе; и
контроллер, сообщающийся с первым датчиком, вторым датчиком и третьим датчиком, при этом контроллер действует по меньшей мере частично на основе измеренной температуры второй текучей среды для вычисления нагрузки холодильной системы и для изменения скорости компрессора на основе вычисленной нагрузки, при этом контроллер дополнительно работает по меньшей мере частично на основе измеренной температуры потока окружающего воздуха для определения желательной величины и для изменения скорости вентилятора таким образом, что измеренная величина равна желательной величине.
Указанное свойство представляет собой давление сжатой текучей среды в коллекторе или температуру сжатой текучей среды в коллекторе.
Согласно другой конструкции, изобретение обеспечивает получение способа управления холодильником. Способ управления холодильником включает:
работу компрессора со скоростью компрессора для выпуска сжатой текучей среды под давлением компрессора;
направление сжатой текучей среды через конденсатор;
работу вентилятора конденсатора со скоростью вентилятора для направления охлаждающей текучей среды к конденсатору для охлаждения сжатой текучей среды в конденсаторе;
прохождение сжатой текучей среды через расширительное устройство для создания потока охлажденной текучей среды;
прохождение потока охлажденной текучей среды смежно со второй текучей средой для охлаждения второй текучей среды;
измерение температуры второй текучей среды и температуры охлаждающей текучей среды;
вычисления нагрузки холодильника по меньшей мере частично на основе измеренной температуры второй текучей среды;
изменения скорости компрессора на основе вычисленной нагрузки холодильника;
вычисление желательного давления компрессора по меньшей мере частично на основе измеренной температуры охлаждающей текучей среды; и
изменение скорости вентилятора таким образом, что давление компрессора соответствует желательному давлению компрессора.
Способ также может включать: избирательную работу каждого из множества компрессоров со скоростью компрессора для выпуска сжатой текучей среды под давлением компрессора; и
разделение сжатой текучей среды во множество каналов, причем каждый канал направляет сжатую текучую среду к одному из множества теплообменников, которые взаимодействуют для по меньшей мере частичного образования конденсатора.
Другие аспекты изобретения станут очевидными при рассмотрении подробного описания и прилагаемых чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - вид в перспективе холодильной системы согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - схема циркуляции текучей среды холодильной системы, показанной на фиг.1.
Фиг.3a - вид сбоку части холодильной системы, показанной на фиг.1.
Фиг.3b - вид в плане холодильной системы, показанной на фиг.3a.
Фиг.3c - вид переднего торца холодильной системы, показанной на фиг.3a.
Фиг.3d - вид заднего торца холодильной системы, показанной на фиг.3a.
Фиг.4 - график, иллюстрирующий работу холодильной системы, включая цикл пуска согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.5 - график, иллюстрирующий работу холодильной системы, включая альтернативный цикл пуска согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.6 - графическая иллюстрация оптимизированных задаваемых установок регулирования напора в диапазоне нагрузок холодильной системы и температур окружающей среды.
Фиг.7 - графическая иллюстрация отбора входной мощности холодильной системы, как функции задаваемой установки регулирования напора для данной нагрузки и температуры окружающей среды.
Фиг.8 - таблицы экспериментальных данных, поясняющих разность коэффициентов эффективности использования энергии с регулируемыми задаваемыми установками регулирования напора и без них.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Перед тем, как любые варианты осуществления изобретения будут описаны подробно, следует понимать, что изобретение не ограничено его применением к деталям конструкции и расположению узлов, описанным в нижеследующем описании или показанным на чертежах. Изобретение может применяться в других вариантах его осуществления и применяться на практике или осуществляться различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология используется здесь с целью описания и не должна расцениваться как ограничивающая. Предполагается, что использование здесь терминов "включающий", "содержащий" или "имеющий" и их вариантов охватывает элементы, перечисленные далее, и их эквиваленты, а также дополнительные элементы. Если не определено или ограничено иначе, термины "установлен", "соединен", "удерживается" и "соединен" и их варианты используются в широком смысле и охватывают прямые и опосредованные установки, соединения, опоры и связи. Кроме того, термины "соединенный" и "связанный" не ограничены физическими или механическими соединениями или связями.
На фиг.1-3d показана холодильная система 100 для создания потока охлажденной текучей среды, такой как вода, согласно некоторым вариантам осуществления изобретения. Холодильная система 100 включает множество компрессоров 104, один или более конденсаторов 108 и испаритель 112, которые совместно формируют замкнутый контур для циркуляции в нем хладагента. Холодильная система 100 в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1-3d, является одноконтурной системой, то есть хладагент проходит через компрессоры 104 один раз за каждый цикл в холодильной системе 100.
Компрессоры 104 являются компрессорами центробежного типа, каждый из которых вращается на магнитных подшипниках. Как показано на фиг.2, шаровые клапаны 116 расположены на входе 105 каждого компрессора 104 для регулирования потока хладагента в соответствующий компрессор 104. Таким образом, один, два или больше компрессоров 104 могут работать под контролем одновременно для увеличения или уменьшения рабочей производительности холодильной системы 100. Не используемые компрессоры 104 могут оставаться пассивными, пока они не будут приведены в действие для увеличения рабочей производительности холодильной системы 100.
Одна или более линий 120 создают сообщение по текучей среде между выходом или стороной горячего газа каждого компрессора 104 и входом конденсаторов 108. В показанном варианте осуществления изобретения линии 120 для горячего газа между каждым компрессором 104 и конденсаторами 108 соединены параллельно таким образом, что поток горячего газообразного хладагента от компрессоров 104 равномерно распределяется между конденсаторами 108 для конденсации. Различные трубы работают как коллектор 121, который собирает продукт множества компрессоров 104 и затем распределяет этот продукт к множеству конденсаторов 108. Следует отметить, что количество компрессоров 104, используемых в системе, не связано с количеством конденсаторов 108. Таким образом, количество используемых компрессоров 104 может быть равным количеству конденсаторов 108 или может отличаться, как требуется.
В линии 120 для горячего газа между каждым компрессором 104 и конденсаторами 108 расположен контрольный клапан 124, позволяющий горячему газу выходить из компрессоров 104 к конденсаторам 108 и не допускающий обратный поток от конденсаторов 108 к компрессорам 104. В каждой линии 120 для горячего газа между каждым контрольным клапаном 124 и конденсаторами 108 расположен шаровой клапан 128 для поддержания минимального давления, необходимого для прохождения горячего газа от компрессоров 104 к конденсаторам 108. Кроме того, в линии 120 для горячего газа между каждым контрольным клапаном 124 и каждым шаровым клапаном 128 может быть расположен предохранительный клапан 132 для предотвращения работы системы под давлением выше максимального между компрессором 104 и конденсаторами 108.
Конденсаторы 108 охлаждаются воздухом, что означает, что окружающий воздух вокруг конденсаторов 108 получает тепловую энергию от горячего газообразного хладагента, проходящего через конденсаторы 108. Конденсаторы 108 могут быть расположены на удалении от компрессоров 104 и других компонентов холодильной системы 100. Например, конденсаторы 108 могут быть расположены на открытом воздухе, например, на крыше строения, в то время как остальная часть холодильной системы 100 может быть расположена внутри строения. Однако в других вариантах осуществления изобретения, таких как вариант, изображенный на фиг.1, холодильная система 100 собрана как комплексный блок для установки в одном месте (например, на открытом воздухе).
Вентиляторы 133 конденсаторов предназначены для нагнетания окружающего воздуха через конденсатор 108 для облегчения передачи тепла от хладагента внутри конденсатора 108 окружающему воздуху, таким образом, охлаждая хладагент для конденсации. Величина теплопередачи зависит от объема воздуха, продуваемого через конденсаторы 108, который зависит от частоты вращения вентиляторов конденсаторов и температуры окружающего воздуха. Вентиляторы могут приводиться в действие электродвигателями с переменной скоростью вращения, такими как электродвигатели переменного тока с питанием от электронного устройства, для получения изменяемых скоростей вращения для увеличения и уменьшения потока окружающего воздуха через конденсаторы 108, как необходимо.
Как показано на фиг.2, множество линий 136 могут создавать сообщение по текучей среде между выходами конденсаторов 108 и входами одного или более электронных расширительных клапанов 140. Вновь, линии 136 соединены параллельно, таким образом, что поток конденсированного хладагента от конденсаторов 108 равномерно распределяется между расширительными клапанами 140 для расширения. В линиях 136 расположены шаровые клапаны 142 для поддержания минимального давления, необходимого для прохождения хладагента к расширительным клапанам 140. Трубопровод между выходами конденсаторов и расширительными клапанами 140 функционирует как коллектор, который собирает конденсат из конденсаторов 108 и равномерно распределяет жидкость к расширительным клапанам 140.
Электронные расширительные клапаны 140 принимают конденсированный жидкий хладагент от конденсаторов 108 и расширяют жидкий хладагент, превращая его в пар. В показанном варианте осуществления изобретения множество расширительных линий 144 создают сообщение по текучей среде между выходом (выходами) расширительных клапанов 140 и входом испарителя 112.
Как показано на фиг.2, испаритель 112 может быть кожухотрубным испарителем. В других вариантах осуществления изобретения холодильник 100 может включать один или более испарителей, имеющих кожухотрубные конструкции, или, в альтернативном варианте, имеющих другие конструкции, например, такие как типа труба в трубе, пластинчатого типа и т.п. Испаренный хладагент и/или парожидкостная смесь, выпущенная электронными расширительными клапанами 140, проходит через испаритель 112. Когда парожидкостная смесь проходит через испаритель 112, любая жидкость испаряется, и пар перегревается. Линия 152 создает сообщение по текучей среде между выходом испарителя 112 и входами компрессоров 104. Это завершает замкнутый контур, в котором хладагент проходит через холодильную систему 100.
Испаритель 112 включает трубопровод, содержащий поток охлажденной текучей среде. Охлажденная текучая среда проходит во вход 149 трубопровода, через трубопровод в испарителе 112 и выходит через выход 150. Когда испаренный хладагент испаряется внутри испарителя, тепловая энергия передается от охлажденной текучей среды через испаритель 112 хладагенту для передачи энергии, необходимой для испарения всей охлаждающей текучей среды и перегрева испаренного хладагента. Когда энергия передается от охлажденной текучей среды хладагенту, температура охлажденной текучей среды 102 снижается, охлаждая охлажденную текучую среду. Охлажденная текучая среда может быть подана от выхода 150 в любое необходимое место.
Холодильная система 100 может работать с одним компрессором 104, воздействующим на хладагент, или может работать с двумя или более компрессорами 104, воздействующими на хладагент для увеличения охлаждающей способности холодильной системы 100. Второй и последующие компрессоры 104 можно приводить в действие, когда работает первый компрессор 104, для обеспечения дополнительной производительности, если необходимо.
Степень сжатия вычисляется на основе измеренного давления хладагента на выходе 106 компрессора и измеренного давления хладагента на входе 105 компрессора. В ходе нормальной работы степень сжатия может изменяться в зависимости от условий окружающей среды, требований к холодильной системе 100 и частоты вращения компрессора. Степень сжатия может изменяться от приблизительно 1,5 до приблизительно 5,5. Однако для инициирования пуска второго компрессора 104, в то время как холодильная система 100 работает, должна быть достигнута пусковая степень сжатия. Пусковая степень сжатия, в типичном случае, меньше фактической степени сжатия. Если фактическая степень сжатия превышает пусковую степень сжатия, компрессор может остановиться. Остановка компрессора - это аэродинамическое состояние, которое происходит, когда степень сжатия динамического компрессора превышает предел остановки. Во время остановки компрессор не способен сжимать текучую среду, поскольку текучая среда не проходит через компрессор или в некоторых условиях проходит в обратном направлении. Это означает, что, хотя второй компрессор 104 работает, хладагент не нагнетается через компрессор 104, понижая эффективность холодильной системы 100.
Для осуществления изменений фактической степени C сжатия в ходе работы холодильной системы 100 в ожидании пуска компрессора, установлена обводная линия 160 между линиями 120 для горячего газа на выходе O компрессора и расширительными линиями 144 между расширительным клапаном 140 и испарителем 112. В обводной линии 160 расположен клапан 164 выравнивания нагрузки для регулирования подачи газообразного хладагента из линии 120 для горячего газа в расширительные линии 144. Когда клапан 164 выравнивания нагрузки закрыт, газообразный хладагент не проходит по обводной линии 160. Однако когда клапан 164 выравнивания нагрузки открыт, газ под давлением из линии 120 для горячего газа отводится в расширительные линии 144. В некоторых вариантах осуществления изобретения клапан 164 выравнивания нагрузки может быть клапаном с электронной модуляцией.
Открывание перепускного клапана 164 уменьшает давление Po выхода компрессора. Когда давление Po выхода компрессора снижается, степень C сжатия также снижается. Открывание перепускного клапана 164 может также немного увеличить входное давление Pi испаренного хладагента на входе компрессора, дополнительно понижая степень C сжатия.
Таким образом, для увеличения производительности работающей холодильной системы 100 инициируют цикл пуска, в ходе которого сначала определяют, является ли фактическая степень C сжатия компрессоров 104 меньшей или равной желательной пусковой степени Cs сжатия. Если фактическая степень C сжатия больше пусковой степени Cs сжатия, то перепускной клапан 164 медленно открывается (частично или полностью) для отвода хладагента под давлением из линии 120 для горячего газа в расширительную линию 140. Перепускной клапан 164 открывается медленно для исключения быстрых изменений давления внутри холодильной системы 100. Например, перепускной клапан 164 может открываться приблизительно на 1% в минуту в течение нескольких минут.
Когда перепускной клапан 164 открыт, степень сжатия контролируется. Когда степень сжатия снижена до точки, равной или меньше пусковой степени сжатия, запускается второй компрессор 104. Желательное пусковое сжатие зависит от конкретной конфигурации компрессоров 104 и холодильной системы 100 и конкретной конфигурации самих компрессоров 104. Типичные пусковые степени сжатия могут составлять от приблизительно 2,0 до приблизительно 3,0. В одном варианте осуществления изобретения пусковая степень сжатия составляет приблизительно 2,4.
На фиг.4 показан график, который иллюстрирует производительность двух компрессоров и полную производительность двухкомпрессорной системы во время цикла пуска холодильной системы 100 с двумя компрессорами согласно варианту осуществления изобретения. В этом варианте осуществления изобретения, в котором пусковая степень сжатия равна 2,4, первым компрессором 104, запущенным для работы холодильной системы 100, является компрессор, имеющий самый меньший срок эксплуатации до настоящего времени. Перед запуском первого компрессора 104 система работает в момент времени A, когда полная производительность системы равна нулю. Этот первый компрессор 104 запускают и выводят на рабочие нагрузки приблизительно до 53% его максимальной производительности, как показано в момент времени B. Термин "нагрузка" означает количество тепла, которое будет извлечено из охлажденной текучей среды в холодильнике. Когда минимальная скорость, например, 29000 оборотов в минуту, достигнута первым компрессором, нагрузку первого компрессора 104 понижают приблизительно до 50% максимальной производительности, как показано в момент времени C. Как только первый компрессор 104 стабилизировался приблизительно на 50% на период задержки, например, 60 секунд, нагрузка первого компрессора 104 может быть отрегулирована для соответствия требуемой нагрузке холодильной системы 100, как показано от момента времени D до момента времени E.
Если требуемая производительность холодильной системы 100 соответствует максимальной производительности первого компрессора 104 (как показано в момент времени E) или превышает ее, будет инициирован цикл пуска для второго компрессора 104, при этом нагрузку первого компрессора 104 понижают приблизительно до 50% его максимальной производительности, и клапан 164 выравнивания нагрузки открывается, если степень сжатия превышает пусковую степень сжатия, как показано в точке F. Первый компрессор 104 продолжает работу приблизительно с 50% его максимальной производительности, пока степень C сжатия не будет равна или меньше желательной пусковой степени Cs сжатия 2, 4, как показано между временем F и G. Когда фактическая степень C сжатия равна или меньше пусковой степени Cs сжатия, второй компрессор 104 начинает работать с нагрузкой приблизительно 53% его максимальной производительности, как показано в момент времени H. Как только минимальная скорость 29000 оборотов в минуту достигнута, нагрузку второго компрессора 104 и первого компрессора 104 понижают или поддерживают приблизительно на уровне 50%, как показано в момент времени I. После минимальной задержки, например, 60 секунд, нагрузку обоих компрессоров 104 регулируют совместно для удовлетворения требуемой производительности холодильной системы 100, как показано между моментами времени I и J. В конструкциях с больше, чем двумя компрессорами, этапы от времени E до J повторяют для запуска третьего, четвертого, пятого и т.д. компрессоров. Следует отметить, что показанная конструкция демонстрирует, что все компрессоры работают с одинаковой производительностью, когда они запущены. Таким образом, если требуется 180% производительности системы, каждый компрессор работает на уровне 90%. Другие системы могут работать по-другому. Например, один компрессор может поддерживаться на уровне 100%, в то время как производительность второго компрессора изменяют для соответствия полной требуемой производительности системы.
Фиг.5 графически иллюстрирует альтернативный цикл пуска для многокомпрессорной холодильной системы 100. Альтернативная последовательность может использоваться в сочетании с последовательностью, показанной и описанной относительно фиг.4. Когда первый компрессор 104 работает, и второй компрессор 104 в готовности к запуску (как показано в момент времени A), клапан 164 выравнивания нагрузки открывается для достижения желательной степени сжатия. Эти этапы могут быть выполнены, как описано относительно фиг.3. Однако если после максимальной задержки, например, 100 секунд, желательная степень сжатия не достигнута, то работу обоих компрессоров 104 останавливают, как показано в момент времени B. Когда оба компрессора 104 закончили процедуры остановки и/или задержки, оба компрессора 104 запускают совместно с нагрузками приблизительно 53% их максимальной производительности, как показано в момент времени C. Как только минимальная эксплуатационная скорость достигнута, нагрузку понижают до 50% для обоих компрессоров 104 на период задержки, как показано в точке D. После периода задержки нагрузку для обоих компрессоров 104 регулируют совместно для удовлетворения требуемой производительности холодильной системы 100, как показано после времени D.
Последовательность на фиг.5 обеспечивает синхронизированный запуск, когда текучий запуск второго компрессора не может быть выполнен.
Различные альтернативы определенным признакам и элементам настоящего изобретения описаны в отношении конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения. За исключением признаков, элементов и способов работы, которые являются взаимно исключающими или являются несовместимыми с каждым вариантом осуществления изобретения, описанным выше, следует отметить, что альтернативные признаки, элементы и способы работы, описанные в отношении одного конкретного варианта осуществления изобретения, применимы к другим вариантам осуществления изобретения.
Например, хотя здесь упомянуты шаровые клапаны 116, 128, контрольные клапаны 124 и клапаны 164 выравнивания нагрузки, в других вариантах осуществления изобретения могут также, или в качестве альтернативы, использоваться другие клапаны, включая, но не ограничиваясь ими, любой пригодный клапан или многоходовые клапаны, такие как контрольный клапан, шаровой клапан, зонтичный клапан, щелевой клапан и т.п., для регулирования потока текучей среды через различные элементы холодильной системы 100 или часть холодильной системы 100.
Как указано выше, по меньшей мере один конденсатор 108 обычно располагается снаружи и, таким образом, подвергается воздействию изменяющихся в широком диапазоне температур окружающей среды. Когда холодильная система 100 работает при холодной погоде, температуры окружающей среды могут падать до достаточно низкого уровня и существенно понижать температуру конденсации хладагента в конденсаторе 108. Это производит соответствующее понижение напора или входного давления в конденсаторе 108, приводя к уменьшению перепада давлений на уровне расширительного клапана 140. Из-за пониженного перепада давлений на уровне расширительного клапана 140 расход уменьшается, и меньше хладагента проходит из конденсатора 108 к испарителю 112. Как следствие, испаритель 112 не получает достаточного потока хладагента для приема тепла от охлажденной текучей среды, таким образом, что требуемая производительность холодильной системы 100 не удовлетворяется.
Типичные системы управления поддерживают напор конденсатора достаточно постоянным при изменении температур окружающей среды. Например, давление конденсатора может поддерживаться на постоянном уровне или в контрольной точке посредством манипулирования скоростью вентилятора конденсатора с установкой температуры конденсации, которая известна как задаваемая установка регулирования напора, и, таким образом, напора конденсатора. Поскольку напор конденсатора имеет тенденцию отклоняться от желательного уровня, скорость вентилятора изменяется соответственно. Например, когда напор конденсатора имеет тенденцию уменьшаться в результате падения температуры окружающей среды, скорость вентилятора можно автоматически снизить. Объем воздуха, продуваемого через конденсатор 108, таким образом, уменьшается, и это ограничивает количество тепла, которое может быть извлечено из хладагента, когда он проходит через конденсатор 108, обеспечивая то, что давление хладагента остается относительно близким к желательному уровню. Благодаря поддержанию давления на входе конденсатора в контрольной точке, перепад давлений на уровне расширительного клапана 140 будет достаточным для питания должным образом испарителя 112 и удовлетворения требуемой производительности холодильной системы 100.
К сожалению, предшествующие системы управления способны контролировать только одно давление конденсатора и, таким образом, установлены на температуру задаваемой установки регулирования напора, требуемой для сохранения адекватного потока хладагента к испарителю 108, например, для полной производительности. При работе с пониженной производительностью, когда поток хладагента преднамеренно снижен, когда нагрузка холодильной системы 100 снижена, ранее разработанные системы управления будут поддерживать температуру задаваемой установки регулирования напора на одинаковом уровне и для полной, и для пониженной производительности. Во время работы с пониженной производительностью напор конденсатора, таким образом, будет существенно выше, чем необходимо для адекватного питания испарителя 112. Этот более высокий, чем необходимо, напор приводит к ненужному и расточительному потреблению энергии.
С другой стороны, настоящее изобретение обеспечивает динамическое регулирование температуры для задаваемой установки регулирования напора вверх или вниз при изменении нагрузки холодильной системы 100 и условий температуры окружающей среды. Это приводит к оптимальной работе при всех температурах окружающего воздуха и при переменных нагрузках, таким образом, максимизируя эффективность и минимизируя требуемую мощность и эксплуатационные расходы для холодильной системы 100.
Фиг.6 иллюстрирует диапазон оптимальных задаваемых установок регулирования напора для данных требований нагрузки и температур окружающей среды. Когда температура окружающей среды и/или нагрузка изменяется, задаваемая установка регулирования напора регулируется для сохранения увеличенной эффективности холодильной системы 100. Например, при нагрузке 75% и температуре окружающей среды 20°C, задаваемая установка для регулирования напора устанавливается приблизительно на 30°C. Однако когда температура окружающей среды увеличивается до 25°C при постоянной нагрузке 75%, задаваемая установка регулирования напора корректируется вверх до 33°C. Наоборот, если нагрузка холодильной системы 100 снижается с 75% до 50% при постоянной температуре окружающей среды 20°C, задаваемая установка регулирования напора корректируется вниз приблизительно до 27°C.
Диагональные линии на фиг.6, представляющие дискретные уровни задаваемой установки регулирования напора, показаны просто для примера и не предусматривают указания на то, что задаваемая установка регулирования напора не перескакивает с одного уровня на следующий при изменениях нагрузки и/или температуры окружающей среды. Скорее, как обозначено штриховкой на заднем плане графика, изменения температуры для задаваемой установки регулирования напора могут быть малыми и постепенными, и могут находиться между смежными диагональными линиями.
Оптимальную задаваемую установку регулирования напора для данной нагрузки и температуры окружающей среды выбирают посредством определения самой низкой полной входной мощности или отбора мощности холодильной системы 100 для диапазона нагрузок и температур окружающей среды. Холодильная система 100 имеет два основных источника отбора мощности: отбор мощности компрессорами 104 и отбор мощности вентиляторами конденсаторов. Центробежные компрессоры 104 и вентиляторы конденсаторов располагают полностью модулированным регулированием скорости. Кроме того, компрессоры 104 и вентиляторы имеют уникальные характеристики отбора мощности или входные характеристики, отличающиеся тем, что зависимость выхода/входа удовлетворяет условиям степенного закона в том, что изменение выдаваемой мощности обратно пропорционально изменению входной мощности в кубе.
Фиг.7 иллюстрирует входную мощность компрессора, входную мощность вентилятора и полную входную мощность, которая принята как сумма входной мощности компрессора и входной мощности вентилятора. Как показано, входная мощность компрессора и входная мощность вентилятора удовлетворяют условиям "кубического закона" уменьшения энергии, указанного выше. Входные мощности компрессора, вентилятора и полная входная мощность показаны для данной нагрузки, в этом случае, нагрузки 50% и для данной температуры окружающей среды, в этом случае, 20°C. Как показано, самая низкая полная входная мощность существует при задаваемой установке регулирования напора приблизительно 27,5°C. Таким образом, когда холодильная система 100 работает при нагрузке 50% при температуре окружающей среды 20°C, задаваемая установка регулирования напора должна быть установлена на 27,5°C с целью минимизировать полную входную мощность холодильной системы 100.
Посредством определения задаваемой установки регулирования напора, соответствующей самой низкой полной входной мощности, в широком диапазоне нагрузок холодильной системы и температур окружающей среды, как показано на фиг.7, желательная задаваемая установка регулирования напора для конкретной нагрузки и температуры окружающей среды может быть определена как изображено на фиг.6.
Холодильная система 100 может включать встроенный микропроцессор или другой контроллер, который использует результаты обширных процедур испытаний задаваемых установок регулирования напора, показанные на фиг.7, и программу прогнозирования рабочих характеристик для определения оптимальной задаваемой установки регулирования напора для любого данного набора рабочих условий холодильной системы 100 для получения самого высокого доступного коэффициента эффективности использования энергии и, таким образом, поддержания отбираемой холодильником мощности на минимальном уровне без ущерба для требуемой производительности холодильной системы 100. Холодильная система 100 может включать датчики для определения температуры окружающего воздуха, давления конденсации, разности температур текучей среды в испарителе 112 и ряде компрессоров 104 при работе и их комбинированной производительности. Данные этих датчиков могут использоваться для определения того, желательно ли изменение задаваемой установки регулирования напора, и какой должна быть новая задаваемая установка регулирования напора. В некоторых вариантах осуществления изобретения оптимальная задаваемая установка регулирования напора может быть определена на основе данных справочной таблицы, которая составлена на основе данных испытаний и расчетных данных. В некоторых вариантах осуществления изобретения задаваемая установка регулирования напора может быть скорректирована, когда производительность холодильной системы 100 опускается ниже контрольной точки. В некоторых вариантах осуществления изобретения контрольная точка может быть приблизительно на 0,1 ниже оптимизированной величины.
Фиг.8 иллюстрирует результаты нескольких испытаний рабочих характеристик холодильной системы 100, в которой используют регулируемую задаваемую установку регулирования напора, и рабочих характеристик холодильной системы 100, в которой используют постоянную задаваемую установку регулирования напора. Как показано согласно испытаниям 1, 2 и 3, при изменяющихся нагрузке и температуре окружающей среды полная входная мощность снижена, в то время как коэффициент эффективности использования энергии увеличен с регулируемой задаваемой установкой регулирования напора согласно настоящему изобретению.