用于监测蒸气压缩系统中的制冷剂充注量的方法与流程

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1.本发明涉及一种用于监测蒸气压缩系统中的制冷剂充注量的方法。根据本发明的方法可以及时检测到制冷剂充注量的损失，而不需要专用的传感器。

背景技术：

2.在蒸气压缩系统中，比如在制冷系统中，制冷剂在制冷剂路径中循环，同时交替地通过一个或多个压缩机压缩和通过一个或多个膨胀装置膨胀，并且同时分别在至少一个排热换热器和至少一个蒸发器中经历热交换。在制冷剂路径中循环的制冷剂的量有时被称为制冷剂充注量。
3.随着时间的推移，制冷剂可能从制冷剂路径泄漏，从而使制冷剂充注量减少。如果蒸气压缩系统中的制冷剂充注量减少到低于一定水平，则在制冷剂路径中将不再有足够的制冷剂来确保蒸气压缩系统的正常操作。例如，在蒸气压缩系统是制冷系统的情况下，充注量低可能造成蒸气压缩系统操作低效和/或可能无法在制冷体积(比如展示柜)中维持足够低的温度。这可能导致蒸气压缩系统不能对系统的至少一部分中(比如一个或多个制冷隔室中)提供所需的冷却，并且这可能一直持续到维护人员到达并补充制冷剂充注量。为了避免这种情况，可以监测制冷剂充注量以便在到达临界极限之前允许补充制冷剂充注量。
4.例如可以藉由定位在接收器中的专用的液位传感器来监测制冷剂充注量，该液位传感器布置在制冷剂路径中在排热换热器的出口与膨胀装置的入口之间。这增加了蒸气压缩系统的部件，增加了制造成本和维护成本，因为这种液位传感器也将需要进行正常维护。此外，藉由这种液位传感器可能难以监测制冷剂充注量随时间的变化，并且这种传感器的读数例如由于接收器中的湍流而可能是不可靠的。最后，存在过晚检测到制冷剂充注量减少的风险，在这个意义上，蒸气压缩系统可能无法提供所需的冷却，如以上所描述的。
5.作为替代方案，可以计划定期进行维修检查，以便允许维护人员控制制冷剂充注量。然而，在蒸气压缩系统的泄漏率高于预期的情况下，制冷剂充注量可能在两次计划的维修检查之间的时间到达临界水平。这将导致蒸气压缩系统的操作低效，可能导致系统不能满足冷却需求，如以上所描述的。

技术实现要素：

6.本发明的实施例的目的是提供一种监测蒸气压缩系统中的制冷剂充注量的方法，其中可以快速且可靠地检测到制冷剂充注量的减少，而不增加制造或维护成本。
7.本发明提供了一种用于监测蒸气压缩系统中的制冷剂充注量的方法，蒸气压缩系统包括布置在制冷剂路径中的压缩机单元、排热换热器、高压膨胀装置、接收器、至少一个膨胀装置、以及至少一个蒸发器，压缩机单元包括一个或多个压缩机，每个膨胀装置向(多个)蒸发器中的一个蒸发器供应制冷剂，该方法包括以下步骤：
[0008]-检测流入或流出接收器的净质量流量的变化和/或检测流入或流出接收器的净焓流量的变化，
[0009]-在检测到净质量流量和/或净焓流量的变化之后，监测随时间变化的接收器内的压力，
[0010]-基于监测到的随时间变化的压力，导出代表接收器的动态变化的时间常数，以及
[0011]-基于导出的时间常数，导出关于蒸气压缩系统中的制冷剂充注量的信息。
[0012]
因此，根据本发明的方法是一种用于监测蒸气压缩系统中的制冷剂充注量的方法。在本文的上下文中，术语“蒸气压缩系统”应当被解释为意指以下任何系统：其中流体介质流(比如制冷剂)循环并且被交替地压缩和膨胀，由此提供对一定体积的制冷或加热。因此，蒸气压缩系统可以是制冷系统、空调系统、热泵等。
[0013]
相应地，蒸气压缩系统包括布置在制冷剂路径中的压缩机单元、排热换热器、高压膨胀装置、接收器、至少一个膨胀装置、以及至少一个蒸发器，压缩机单元包括一个或多个压缩机。(多个)膨胀装置例如可以呈膨胀阀的形式，并且每个膨胀装置向蒸发器中的一个蒸发器供应制冷剂。制冷剂在制冷剂路径中循环，并且如以上所描述的，该制冷剂在本文的上下文中被称为制冷剂充注量。
[0014]
因此，在蒸气压缩系统的操作期间，在制冷剂路径中循环的制冷剂藉由压缩机单元的压缩机被压缩然后被供应到排热换热器。当穿过排热换热器时，在制冷剂与周围环境或跨排热换热器的次级流体流之间发生热交换，其方式为使得热量从制冷剂排出。排热换热器可以是冷凝器，在这种情况下，制冷剂的气体部分在穿过排热换热器时被至少部分地冷凝。作为替代方案，排热换热器可以是气体冷却器，在这种情况下，穿过排热换热器的制冷剂被冷却、但保持呈气态或跨临界状态。
[0015]
离开排热换热器的制冷剂穿过高压膨胀装置，该制冷剂在该高压膨胀装置中经历膨胀然后被供应至接收器。高压膨胀装置可以呈高压阀的形式、喷射器的形式、或流体并行布置的高压阀和喷射器的形式。
[0016]
在接收器中，制冷剂的液体部分与制冷剂的气体部分分离。制冷剂的气体部分可以被供应至压缩机单元。制冷剂的液体部分被供应至(多个)膨胀装置，该制冷剂的液体部分在(多个)膨胀装置中经历膨胀然后被供应至对应的(多个)蒸发器。在(多个)蒸发器中，制冷剂的液体部分至少部分地被蒸发，同时在制冷剂与周围环境或跨(多个)蒸发器的次级流体流之间发生热交换，其方式为由制冷剂来吸收热量。
[0017]
最后，制冷剂再次被供应至压缩机单元。
[0018]
在根据本发明的方法中，最初检测流入或流出接收器的净质量流量的变化和/或流入或流出接收器的净焓流量的变化。如以上所描述的，制冷剂经由高压膨胀装置进入接收器，并且经由引向(多个)膨胀装置的液体出口或经由引向压缩机单元的气体出口离开接收器。在流入接收器的制冷剂与流出接收器的制冷剂不同的情况下，则有流入或流出接收器的净流量。
[0019]
净流量例如可以用净质量流量来表示。在这种情况下，考虑流入和流出接收器的制冷剂的质量。替代性地或附加地，净流量可以用净焓流量来表示。在这种情况下，考虑流入和流出接收器的制冷剂的焓，并且因此考虑流入和流出接收器的制冷剂的能量。
[0020]
流入和流出接收器的净质量流量和/或净焓流量的变化表明蒸气压缩系统的操作和/或操作状况正在发生变化。这将在下文进一步描述。
[0021]
接下来，在检测到净质量流量和/或净焓流量的变化之后，监测随时间变化的接收
器内的压力。因此，监测接收器内的压力的时间行为如何受到蒸气压缩系统的操作和/或操作状况的变化的影响，这些变化引起检测到的流入或流出接收器的净质量流量的变化和/或净焓流量的变化。
[0022]
接下来，基于监测到的随时间变化的压力，导出代表接收器的动态变化的时间常数。如以上所描述的，由于监测随时间变化的接收器内的压力，因此获得的测量数据包含关于响应于检测到的流入或流出接收器的净质量流量和/或净焓流量的变化的接收器内的压力的时间行为的信息。因此，测量数据还包含关于接收器的动态变化的信息，在这个意义上，包含关于随着时间的变化接收器内的压力如何对给定的质量流量变化和/或给定的焓流量变化作出反应的信息。
[0023]
例如可以使用接收器的质量和/或能量平衡(比如接收器的线性化的质量和/或能量平衡)来导出时间常数。
[0024]
最后，基于导出的时间常数，导出关于蒸气压缩系统中的制冷剂充注量的信息。
[0025]
在包括接收器的蒸气压缩系统中，未使用的制冷剂储存在接收器中。因此，可以从与接收器相关的信息中导出关于制冷剂充注量的信息。更具体地，通过分析与接收器的动态变化相关的数据，可以识别接收器的动态变化与接收器中的充注量之间的关系。由于接收器中的充注量与蒸气压缩系统中的总制冷剂充注量的“未使用”部分相对应，因此接收器中的充注量与总充注量之间存在关系，并且因此可以导出关于蒸气压缩系统中的总充注量的信息。
[0026]
因此，根据本发明的方法允许快速且可靠地、并且基于已经可用于其他目的的测量参数获得关于蒸气压缩系统中的充注量的信息。相应地，不需要专用的传感器，并且因此可以将制造成本和维护成本维持在较低水平。此外，例如可以在线连续监测制冷剂充注量，并且因此可以及早检测到制冷剂充注量的意外减少，因此允许在制冷剂充注量到达临界水平之前补充制冷剂充注量，并且可以阻止泄漏。
[0027]
根据本发明的方法例如可以作为云服务来执行。在这种情况下，该方法例如可以通过被授权经由云服务器从远程位置访问蒸气压缩系统的服务提供商执行。
[0028]
导出关于制冷剂充注量的信息的步骤可以包括估计蒸气压缩系统中的制冷剂充注量。根据该实施例，从时间常数导出实际或绝对制冷剂充注量。因此，可以直接确定制冷剂充注量是否接近临界极限。
[0029]
替代性地或附加地，导出关于制冷剂充注量的信息的步骤可以包括确定制冷剂充注量是否正在减少，并且可以包括确定制冷剂充注量的变化率。这将提供关于制冷剂充注量是否在不久的将来接近临界极限的指示。例如，如果制冷剂充注量已经在长时间段内减少和/或如果制冷剂以比预期更高的速率减少，则即使在不知道绝对制冷剂充注量的情况下，也可以推断，存在制冷剂充注量可能接近临界极限的风险，例如由于系统的泄漏。
[0030]
该方法可以进一步包括引起流入或流出接收器的净质量流量的变化和/或流入或流出接收器的净焓流量的变化的步骤。
[0031]
根据该实施例，流入或流出接收器的净质量流量和/或净焓流量(启动方法并且形成监测接收器内的压力的基础的变化)是主动产生的，目的是允许以上述方式分析接收器的动态行为。因此，可以在任何选择的时间以及每当有需要时导出关于制冷剂充注量的信息，而不必等待恰巧发生净质量流量和/或净焓流量的变化。相应地，可以密切监测制冷剂
充注量，并且如果显示制冷剂充注量以不期望或意外的方式减少，则可以启动快速反应。
[0032]
引起流入或流出接收器的净质量流量的变化和/或流入或流出接收器的净焓流量的变化的步骤可以包括改变供应至和/或离开接收器的制冷剂的温度和/或压力。流入或流出接收器的制冷剂的温度和/或压力的变化将引起流入或流出接收器的净焓流量的变化。流入或流出接收器的制冷剂的温度和/或压力例如可以通过改变跨排热换热器的次级流体流(例如通过改变驱动跨排热换热器的次级流体流的风扇的速度或泵的泵送能力)来改变。
[0033]
作为替代方案，引起流入或流出接收器的净质量流量的变化和/或流入或流出接收器的净焓流量的变化的步骤可以包括增加或减少离开接收器的气体制冷剂的流量。这将改变流出接收器的制冷剂的质量流量，因此改变流入或流出接收器的净质量流量。离开接收器的气体制冷剂的流量例如可以通过操纵接收器的气体出口与压缩机单元之间的连接来增加或减少。例如，可以调节将接收器的气体出口和制冷剂路径的一部分互连的旁通阀的开度，该制冷剂路径将(多个)蒸发器的(多个)出口和压缩机单元互连。替代性地，在接收器的气体出口连接至一个或多个专用的接收器压缩机时，离开接收器的气体制冷剂的流量可以通过增加或减少(多个)接收器压缩机的容量来增加或减少。例如，可以启动或停止(多个)接收器压缩机。应当注意到的是，在本文的上下文中，专用的接收器压缩机可以是可以仅连接至接收器的气体出口的压缩机，或者可以是可以选择性地在连接至接收器的气体出口或连接至(多个)蒸发器的(多个)出口之间切换的压缩机。
[0034]
在任何情况下，流入或流出接收器的净质量流量和/或净焓流量的变化优选地应是突然变化，例如以步进输入的形式，以便正确地激活接收器的动态变化。
[0035]
该方法可以进一步包括如下步骤：重复检测流入或流出接收器的净质量流量的变化和/或检测流入或流出接收器的净焓流量的变化的步骤、监测接收器内的压力的步骤以及导出时间常数的步骤，并且导出关于蒸气压缩系统中的制冷剂充注量的信息的步骤可以是基于一系列导出的时间常数执行的。
[0036]
根据该实施例，代表接收器的动态变化的时间常数在一段时间内至少被导出两次，优选地被导出若干次。因此获得在一段时间内依次获得的一系列导出的时间常数。因此，该系列导出的时间常数包含关于接收器的动态变化如何随时间发展的信息，并且因此包含关于蒸气压缩系统中的制冷剂充注量如何随时间发展的信息。因此，通过从一系列导出的时间常数中导出关于制冷剂充注量的信息，获得关于制冷剂充注量的这种时间相关信息。因此，可以立即或几乎立即检测到制冷剂充注量是否以意外或不期望的方式开始减少。
[0037]
该方法可以进一步包括获得接收器中的制冷剂的初始量的测量值的步骤，并且导出关于蒸气压缩系统中的制冷剂充注量的信息的步骤可以包括基于导出的时间常数和接收器中的制冷剂的初始量，导出接收器中的充注量水平的绝对估计值。
[0038]
根据该实施例，在执行该方法时，导出蒸气压缩系统中的实际和绝对制冷剂充注量。为此目的，应用接收器中的制冷剂的初始量，该初始量是初始制冷剂充注量的指示。接收器中的制冷剂的初始量例如可以由执行制冷剂充注量补充的维护人员测量。
附图说明
[0039]
现在将参考附图进一步详细地描述本发明，在附图中：
[0040]
图1是用于执行根据本发明的实施例的方法的蒸气压缩系统的简图，
[0041]
图2展示了流入和流出蒸气压缩系统的接收器的质量流量和焓流量，
[0042]
图3展示了按照根据本发明的实施例的方法，基于代表接收器中的动态变化的时间常数推导关于制冷剂充注量的信息，以及
[0043]
图4是展示执行根据本发明的实施例的方法得到的制冷剂充注量随时间变化的曲线图。
具体实施方式
[0044]
图1是用于执行根据本发明的实施例的方法的蒸气压缩系统1的简图。蒸气压缩系统1包括压缩机单元2、排热换热器3、高压阀4和接收器5，该压缩机单元包括多个压缩机(示出了其中的两个压缩机)。接收器5的气体出口6经由旁通阀7连接至压缩机单元2。接收器5的液体出口8连接至中温膨胀装置9并且连接至低温膨胀装置10。中温膨胀装置9向中温蒸发器11供应制冷剂，并且低温膨胀装置10向低温蒸发器12供应制冷剂。中温蒸发器11例如可以布置成与需要中温的冷却体积(例如超市中通常应维持在大约5℃温度的冷藏展示柜)热接触。低温蒸发器12可以布置成与需要低温的冷却体积(例如超市中通常应维持在大约-18℃温度的冷冻展示柜)热接触。相应地，低温蒸发器12的蒸发温度低于中温蒸发器11的蒸发温度，并且因此穿过低温蒸发器12的制冷剂的压力也小于穿过中温蒸发器11的制冷剂的压力。
[0045]
中温蒸发器11直接连接至压缩机单元2。然而，低温蒸发器12连接至低温压缩机单元13，在低温压缩机单元处，离开低温蒸发器12的制冷剂在与离开中温蒸发器11的制冷剂混合之前，离开低温蒸发器的制冷剂的压力增加。
[0046]
当藉由图1的蒸气压缩系统1执行根据本发明的实施例的方法时，最初检测流入或流出接收器5的净质量流量的变化和/或流入或流出接收器5的净焓流量的变化。净质量流量和/或净焓流量的变化例如可以是主动和故意引起的，例如通过打开或关闭旁通阀7，通过改变高压阀4的开度，通过调节跨排热换热器3的次级流体流(例如通过操纵驱动这种次级流体流的风扇或泵)，和/或以改变流入或流出接收器5的质量流量和/或焓流量的任何其他合适的方式。
[0047]
在检测到流入或流出接收器5的净质量流量和/或净焓流量的变化之后，监测随时间变化的接收器5内的压力。因此获得测量数据，该测量数据提供关于响应于检测到的净质量流量的变化和/或净焓流量的变化，接收器5内的压力如何随时间变化的信息。
[0048]
然后，对获得的测量数据进行分析，以便导出代表接收器5的动态变化的时间常数。最后，基于导出的时间常数，导出关于蒸气压缩系统1中的制冷剂充注量的信息。这是可能的，因为未使用的制冷剂储存在接收器5中，并且因此接收器5的动态变化代表了蒸气压缩系统1中的制冷剂充注量。
[0049]
代表接收器5的动态变化的时间常数例如可以以如下方式导出。
[0050]
可以识别接收器5的质量平衡，假设接收器5中的气体和液体是饱和的，此外假设接收器5中的液体是不可压缩的，并且假设制冷剂在高压阀4之前和旁通阀7之后的密度变化可以忽略不计。接收器5中的制冷剂质量的变化取决于流入接收器5的质量流量与流出接收器5的质量流量之差，即：
[0051][0052][0053]
式中，是流经高压阀4的质量流量，是流经旁通阀7的质量流量，是朝向中温蒸发器11的质量流量，是朝向低温蒸发器12的质量流量，ρ是制冷剂的密度，p表示制冷剂的压力，并且f(od)是包括对应的阀4、7的阀特性的函数。
[0054]
此外：
[0055][0056]
式中，v
l
是接收器5中液体制冷剂的体积，vg是接收器5中气体制冷剂的体积，并且v
t
是接收器5中制冷剂的总体积，即v
t
＝v
l
+vg。
[0057]
此外，接收器5的能量平衡计算如下：
[0058][0059]
式中，h表示焓。换言之，接收器5的内部能量的变化是经由高压阀4进入接收器5的能量以及分别经由旁通阀7和蒸发器11、12离开接收器5的能量的函数。
[0060]
此外：
[0061][0062]
从以上两个方程，可以分离并且带入关于质量平衡的方程，并且得到的质量平衡和能量平衡的组合可以被线性化。然后，可以从线性化的质量和能量平衡导出代表接收器5的动态变化的时间常数τc，并且可以从导出的时间常数τc估计接收器5中制冷剂的液体体积。
[0063]
作为替代方案，时间常数可以基于非线性方法导出，例如应用高阶模型或估计方法。
[0064]
图2展示了流入和流出蒸气压缩系统的接收器5的质量流量和焓流量。蒸气压缩系统可以例如是图1的蒸气压缩系统。可以看出，来自高压阀的质量流量和焓流量h
hpv
经由入口14进入接收器。进一步可以看出，质量流量和焓流量h
bpv
经由气体出口6离开接收器5，并且流向旁通阀并进一步流向压缩机单元。最后，可以看出质量流量和焓流量he经由液体出口8离开接收器5，并且流向膨胀装置并进一步流向蒸发器。
[0065]
流入和流出接收器5的质量流量和焓流量实现接收器5内在气体质量mg、气体焓hg、液体质量m
l
和液体焓h
l
方面的平衡。这些平衡可以例如以上文参考图1所描述的方式计算。
[0066]
图3展示了按照根据本发明的实施例的方法，基于代表接收器中的动态变化的时间常数推导关于制冷剂充注量的信息。
[0067]
左图展示了随着流入或流出接收器的净质量流量和/或焓流量的变化，接收器的
动态变化随时间的变化。可以看出，动态变化总体上随时间变化而变化，并且这以大致规则的时间间隔以
‘
台阶’形式发生。这些时间间隔定义了时间常数τ，它代表接收器的动态变化。
[0068]
函数f定义了接收器的动态变化(尤其是时间常数τ)与接收器中液体制冷剂充注量v
l
之间的关系。因此，基于导出的时间常数τ和函数f，可以导出液体制冷剂充注量v
l
的估计值，如右图所示，该图示出了随时间变化的估计充注量。由于接收器中的液体制冷剂充注量与蒸气压缩系统中的总制冷剂充注量密切相关，如以上所描述的，因此还可以导出总制冷剂充注量的估计值。
[0069]
图4是展示接收器中的制冷剂充注量随时间变化的曲线图。图4的曲线图基于测试期间获得的数据，并且该曲线图包括藉由布置在接收器中的液位传感器获得的测量数据vl meas(黑)以及藉由根据本发明的实施例的方法导出的估计的制冷剂充注量vl hat(白)。可以看出，估计的制冷剂充注量vl hat紧跟测量的液位vl meas。因此，可以推断，根据本发明的方法提供了对接收器中制冷剂充注量的准确估计。

技术特征：

1.一种用于监测蒸气压缩系统(1)中的制冷剂充注量的方法，该蒸气压缩系统(1)包括布置在制冷剂路径中的压缩机单元(2)、排热换热器(3)、高压膨胀装置(4)、接收器(5)、至少一个膨胀装置(9，10)、以及至少一个蒸发器(11，12)，该压缩机单元包括一个或多个压缩机，每个膨胀装置(9，10)向所述蒸发器(11，12)中的一个蒸发器供应制冷剂，该方法包括以下步骤：-检测流入或流出该接收器(5)的净质量流量的变化和/或检测流入或流出该接收器(5)的净焓流量的变化，-在检测到净质量流量和/或净焓流量的变化之后，监测随时间变化的该接收器(5)内的压力，-基于监测到的随时间变化的压力，导出代表该接收器(5)的动态变化的时间常数，以及-基于导出的时间常数，导出关于该蒸气压缩系统(1)中的制冷剂充注量的信息。2.根据权利要求1所述的方法，其中，导出关于制冷剂充注量的信息的步骤包括估计该蒸气压缩系统(1)中的制冷剂充注量。3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括引起流入或流出该接收器(5)的净质量流量的变化和/或流入或流出该接收器(5)的净焓流量的变化的步骤。4.根据权利要求3所述的方法，其中，引起流入或流出该接收器(5)的净质量流量的变化和/或流入或流出该接收器(5)的净焓流量的变化的步骤包括改变供应至和/或离开该接收器(5)的制冷剂的温度和/或压力。5.根据权利要求3所述的方法，其中，引起流入或流出该接收器(5)的净质量流量的变化和/或流入或流出该接收器(5)的净焓流量的变化的步骤包括增加或减少离开该接收器(5)的气体制冷剂的流量。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：重复检测流入或流出该接收器(5)的净质量流量的变化和/或检测流入或流出该接收器(5)的净焓流量的变化的步骤、监测该接收器(5)内的压力的步骤以及导出时间常数的步骤，其中，导出关于该蒸气压缩系统(1)中的制冷剂充注量的信息的步骤是基于一系列导出的时间常数来执行的。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：获得该接收器(5)中的制冷剂的初始量的测量值的步骤，并且其中，导出关于该蒸气压缩系统(1)中的制冷剂充注量的信息的步骤包括基于导出的时间常数和该接收器(5)中的制冷剂的初始量，导出该接收器(5)中的充注量水平的绝对估计值。

技术总结

披露了一种用于监测蒸气压缩系统(1)中的制冷剂充注量的方法，蒸气压缩系统(1)包括布置在制冷剂路径中的压缩机单元(2)、排热换热器(3)、高压膨胀装置(4)、接收器(5)、至少一个膨胀装置(9，10)、以及至少一个蒸发器(11，12)。检测流入或流出接收器(5)的净质量流量的变化和/或检测流入或流出接收器(5)的净焓流量的变化，并且在检测到净质量流量和/或净焓流量的变化之后，监测随时间变化的接收器(5)内的压力。基于监测到的随时间变化的压力，导出代表接收器(5)的动态变化的时间常数，并且基于导出的时间常数，导出关于蒸气压缩系统(1)中的制冷剂充注量的信息。的制冷剂充注量的信息。的制冷剂充注量的信息。