CN103216981A - 无霜空气处理机组及其比例-积分-微分控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无霜空气处理机组及其比例-积分-微分控制方法，机组包括沿制冷剂流向依次连接的压缩机组件、冷凝器、电子膨胀阀和蒸发器总成构成的循环工作回路，以及可控硅功率调整器。当计算控制器接收到温湿度传感器传输来的室外温度参数低于0℃时，则根据接收到的空气温度湿度参数、空气压力参数和蒸发器表面温度参数进行运算，根据运算结果控制电子膨胀阀的开度，通过电子膨胀阀开度的增大或减小调节蒸发器表面温度；同时可控硅功率调整器通过接收到压缩机吸气温度和吸气压力判断压缩机吸气过热度，调节电加热器功率增大或减小，维持压缩机吸气过热度保持在设定值范围内。本发明实现了维持系统安全、高效运行的目的。

Description

无霜空气处理机组及其比例-积分-微分控制方法

技术领域

本发明属于空调技术领域，涉及一种无霜空气处理机组及其比例-积分-微分控制方法。

背景技术

焓差法制冷空调性能试验装置，往往需要空气处理机组来控制试验环境的温度和湿度，满足被试机组的运行工况要求。比如风冷冷风单元式空气调节机进行名义制冷性能试验的时候，室外侧试验环境间的干湿球温度要控制在35℃/24℃，而室内侧试验环境间的干湿球温度要控制在27℃/19℃，无论室外还是室内侧试验环境间的干湿球温度控制都是通过空气处理机组实现的。

按照功能段划分空气处理机组可以分为初效过滤段、蒸发盘管段、加热盘管段、加湿盘管段和风机段等等。当被试机组需要进行融霜工况等湿度极端的条件下，空气处理机组往往会发生结霜现象。即当蒸发器翅片表面温度低于0℃且低于空气露点温度时，翅片表面将会结霜。结霜不仅增加换热器与空气的传热热阻，而且增加了空气侧阻力，导致空气流量减小，使空气处理机组制冷量大幅度降低，严重时将导致机组无法正常运行，引起电机烧毁等故障。

目前针对空气处理机组常用的除霜方法有电加热法、热气旁通法和备用机组的方法。电加热法通过电加热的方式融霜，简单易行，但需要消耗高品位的电能，不符合节能环保理念；热气旁通法是指压缩机排出的高温高压气体通过旁通管旁通一部分至室蒸发器（外侧换热器）进行融霜，缺点是除霜时间较长，且会降低机组出力；所谓备用机组方法，是指当一台空气处理机组结霜严重的时候，开启另外一台空气处理机组，两台机组交替使用。由于试验环境间的温湿度条件没有发生明显改变，备用机组结霜后也是难以融霜的，所以这种方法其实也是一种权宜之计。

美国橡树岭国家实验室在“The Development of a Fross-Less Heat Pump”论文中认为向气液分离器中的制冷剂加入适量的热量，可以升高压缩机的吸气温度和吸气压力，进而可以提高室外蒸发器盘管表面温度，降低室外蒸发器盘管上霜形成和堆积的速度。但是蒸发器表面温度的升高会降低与空气之间的传热温差，制冷剂从空气中吸收的热量减少，设置完全吸收不到热量而变成完全电加热；向气液分离器中加入适量的热量，并没有确切的数值表达，没有实用价值，而且电加热器功率不可调节，不能随室外温度的变化加以调节，有可能在室外温度调节不是很恶劣时导致压缩机排气温度过高，影响压缩机的正常运行，并且有可能导致室内送风温度过高，反而降低室内热舒适性。

综上，现有的技术都只是片面地关注了空气处理机组的结霜和融霜问题，在系统外部间断地进行除霜，因而不能保证机组以及压缩机的平稳连续运行，长期使用会影响机组的使用寿命。

发明内容

技术问题：针对现有空气处理机组运行效率不高，被试机组融霜等高湿工况结霜，系统寿命短等缺陷，本发明提供一种运行效率高，监测控制精确，在低温高湿的环境下能连续运行，电加热器功率可根据室外气象条件调节以降低能耗，能保证压缩机安全运行，系统寿命长的无霜空气处理机组，同时还提供了一种该机组的比例-积分-微分控制方法。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的无霜空气处理机组，包括沿制冷剂流向依次连接的压缩机组件、冷凝器、电子膨胀阀和蒸发器总成构成的循环工作回路，以及可控硅功率调整器。

蒸发器总成包括风机、多支路蒸发盘管、过热盘管、温湿度传感器、第一温度传感器、第一压力传感器和计算控制器，过热盘管设置在蒸发器总成中换热效果最差的位置并与多支路蒸发盘管平行。多支路蒸发盘管的制热出口和过热盘管的制热进口连接，温湿度传感器和第一压力传感器设置在蒸发器总成的进风口处，第一温度传感器设置在多支路蒸发盘管的迎风前排中换热最差管路的管壁上，计算控制器采用装载有露点温度计算和温度比较程序的芯片，通过数据连接线分别与温湿度传感器、第一温度传感器、第一压力传感器和电子膨胀阀连接。

压缩机组件包括压缩机、高压开关、油分离器、气液分离器、低压开关、可控功率电加热器、第二温度传感器和第二压力传感器，气液分离器的出口经低压开关与压缩机的吸气口连接，压缩机的排气口依次通过第一单向阀和高压开关后与油分离器的进口连接，低压开关与压缩机吸气口之间的管路上设置有一开口，开口与油分离器的润滑油出口连接，可控功率电加热器设置在气液分离器中，第二温度传感器和第二压力传感器分别设置在压缩机的吸气管管壁上和吸气口处；气液分离器的进口即压缩机组件的吸气端，油分离器的制冷剂出口即压缩机组件的排气端，可控硅功率调整器通过数据线分别与第二温度传感器、第二压力传感器和可控功率电加热器连接。

本发明中，冷凝器的制冷剂出口和电子膨胀阀之间设置有储液器，储液器的制冷剂进口与冷凝器的制冷剂出口连接，储液器的制冷剂出口与电子膨胀阀连接。

本发明中，压缩机的排气口和高压开关之间的管路上设置有第一单向阀，第一单向阀的流通方向是压缩机排气口至高压开关的方向。

本发明中，油分离器的润滑油出口依次连接有过滤网和第一毛细管，然后再同低压开关与压缩机吸气口之间管路上的开口连接。

本发明中，多支路蒸发盘管由多支路蒸发管构成，制冷剂经分液装置分为多路进入这些蒸发盘管中，并在其中充分换热，再经集气装置汇成一路经过位于空气换热效果最差处的过热盘管实现过热。共同过热段的设置，使得制冷剂混合均匀，并且获得一定的过热度，从而提高了系统的性能，同时系统运行的稳定性和安全性也得以保证。对于多支路蒸发盘管，又包括换热性能相对较好和换热性能相对较差的管段，在结霜工况下由于换热效果不同，多支路蒸发管各管段的快速化霜能力也有所不同。而蒸发器单位时间内的总结霜量集中在最前排管上，尤其第一排。故最易结霜的管段位于多支路蒸发管中迎风排换热效果最差的管段。

辅助装置包括温湿度传感器、温度传感器、压力传感器、计算控制器、可控硅功率调整器和可调功率电加热器。温湿度传感器装设在蒸发器的进风口处用于感知空气的温度和湿度参数；第一温度传感器装设在蒸发器总成中多支路蒸发盘管迎风前排换热最差管路的管壁上;第二温度传感器装设在压缩机的吸气管上；第一压力传感器和第二压力传感器分别装设在蒸发器的进风侧和压缩机的吸气口；计算控制器采用装载有露点温度计算和温度比较程序的芯片，计算控制器设在蒸发器的入口侧，并通过数据连接线与温湿度传感器、第一温度传感器、第一压力传感器和电子膨胀阀连接；可控硅功率调整器通过数据连接线与第二温度传感器、第二压力传感器和可调功率电加热器连接。

在融霜等低温高湿工况下，温湿度传感器实时检测室外侧空气的温度和湿度，并传输给计算控制器。当计算控制器接收到的温湿度传感器传输来的温度参数低于0℃时，则根据接收到的空气温度、湿度、压力参数计算空气的露点温度，并与接收到的由第一温度传感器传送来的蒸发器表面温度参数进行比较，进而控制电子膨胀阀的开度。机组运行时，经压缩机压缩排出的气态高温高压制冷剂经过油分离器分离出润滑油后，进入冷凝器冷凝，电子膨胀阀根据计算控制器传输的运算结果调节自身开度，增大或减小制冷剂的流量，改变制冷剂的温度，从而使蒸发器翅片表面温度始终高于结霜点。节流后的低温低压制冷剂经过第二单向阀到蒸发器，制冷剂在多支路蒸发盘管中吸收热量后汇集成一路进入共同的过热盘管段实现过热，随后具有一定过热度的制冷剂进入气液分离器，气液分离器中的可调功率的加热器根据可控硅功率调整器的传输结果调节电加热功率给制冷剂加热，从而保证压缩机进口的吸气过热度。最后具有一定过热度的制冷剂蒸汽回到压缩机，完成整个制冷循环。如此连续不断循环在冷凝器中放出热量。

制冷剂在蒸发器中吸收热量，对于蒸发器总成中的多支路蒸发盘管，换热效果好的管段蒸发速率快不容易结霜，换热效果差的管段更容易结霜。而蒸发器单位时间内的总结霜量集中在最前排管上，尤其第一排。所以，将第一温度传感器装设在蒸发器总成中多支路蒸发盘管迎风前排换热最差管路的管壁上能检测到翅片表面的最低温度。当该温度传感器检测到室外蒸发器盘管出口的壁面温度无限接近空气露点温度即翅片将结霜时，计算控制器会及时作出反馈，控制增大电子膨胀阀的开度10步长即增大通过蒸发器的制冷剂流量，蒸发器内的换热量一定时，流经蒸发器的制冷剂的进出口焓差会减小，制冷剂的温度会提高，从而提高蒸发器的翅片表面温度，维持制冷剂与室外空气之间足够的传热温差，使翅片表面始终保持无霜。当电子膨胀阀开度增大时，制冷剂流量随之增大，极易造成蒸发器内的制冷剂不完全蒸发，即蒸发器出口的气态制冷剂中混有液态制冷剂，即使安装气液分离器也不能做到完全分离，压缩机进口的吸气过热度也会减小，严重时甚至会导致压缩机吸气带液，影响压缩机的安全运行。我们吸收美国橡树岭实验室的观点并加以提升改进：在气液分离器中设置了可调功率的电加热器，可控硅功率调整器通过接收到的压缩机吸气温度和吸气压力判断压缩机吸气过热度，调节气液分离器中的电加热器功率增大或减小，维持压缩机吸气过热度保持在6℃，精度±0.5℃。本发明通过电子膨胀阀开度的调节和气液分离器中电加热器功率调节的配合，实现维持系统安全、高效运行的目的。

本发明对上述机组进行比例-积分-微分控制的方法为：

同步进行蒸发器翅片表面温度调节和压缩机的吸气过热度调节，其中，蒸发器翅片表面温度调节的具体方法为：

温湿度传感器实时检测进风口的空气温度和湿度，并传输给计算控制器，当计算控制器接收到的温湿度传感器温度参数低于0℃时，则根据由温湿度传感器传输来的空气温度和湿度参数、由第一压力传感器传输来的空气压力参数进行运算，计算出空气露点温度后，与由第一温度传感器传输来的蒸发器翅片表面温度比较：当翅片表面温度高于空气露点温度的值不大于0.2℃时，则计算控制器控制增大电子膨胀阀的开度10步长；当翅片表面温度高于空气露点温度的值大于0.2℃且不大于0.5℃时，则计算控制器维持电子膨胀阀的开度不变；当翅片表面温度高于空气露点温度大于0.5℃时，减小电子膨胀阀的开度5步长；

压缩机的吸气过热度调节的具体方法为：

可控硅功率调整器接收由第二压力传感器传输来的压力参数，通过该压力参数得到对应的制冷剂饱和温度，并与接收到的由第二温度传感器传输来的温度参数进行对比：当所接收温度参数高于制冷剂饱和温度的值大于6℃时，则可控硅功率调整器减小可调功率电加热器的功率，维持压缩机吸气过热度保持在设定值范围内，否则，可控硅功率调整器增大可调功率电加热器的功率。

电子膨胀阀和气分可调电加热的控制方法如下：

（1）控制电子膨胀阀开度，调节蒸发器的翅片表面温度：电子膨胀阀的开度范围为0-100％，步长为0.1，共1000步。制热工况下，电子膨胀阀的开度通常维持在40-45％，计算控制器每次调控电子膨胀阀开度增大10步长，每次减小5步长。温湿度传感器实时检测室外侧空气的温度和湿度，并传输给计算控制器，当计算控制器接收到的温度参数低于0℃时，则根据由温湿度传感器传输来的空气温度和湿度参数、由第一压力传感器传输来的空气压力参数进行运算，计算出空气露点温度后，与由第一温度传感器传输来的蒸发器总成中多支路盘管迎风排换热最差管路壁面温度比较：当壁面温度高于空气露点温度的值不大于0.2℃时，则计算控制器控制增大电子膨胀阀的开度10步长维持制冷剂与室外空气之间足够的传热温差，使翅片表面始终保持无霜；当壁面温度高于空气露点温度的值大于0.2℃且不大于0.5℃时，则计算控制器维持电子膨胀阀的开度不变；当壁面温度高于空气露点温度的值大于0.5℃时，则计算控制器控制减小电子膨胀阀的开度5步长以减小制冷剂流量，节约气液分离器中电加热器的能耗。

（2）控制气液分离器中电加热器功率，调节压缩机进口的吸气过热度：可控硅功率调整器接收由第二压力传感器传输来的压力参数，通过该压力参数得到对应的制冷剂饱和温度，并与接收到的由第二温度传感器传输来的温度参数进行对比：当所接收温度参数高于制冷剂饱和温度的值不大于6℃时，则可控硅功率调整器连续调节加大电加热器功率，提高压缩机进口的吸气过热度；当所接收温度参数高于制冷剂饱和温度的值大于6℃时，则可控硅功率调整器连续控制电加热器减小加热量。对可调电加热器功率进行PID调节控制吸气过热度，在压缩机吸气过热度发生变化时迅速作出反应，维持压缩机吸气过热度6℃，精度±0.5℃

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1．机组内部平稳连续的调节确保无霜运行，延长压缩机使用寿命：不论是传统的除霜方法还是美国橡树岭论文中中提到的方法，其出发点都在于如何除霜或是减少结霜，且片面地强调结霜和除霜对系统运行效率的影响。这些除霜方法通常选择在系统外部间断地进行除霜，系统始终处在一个波动的状态，不能保证机组以及压缩机的平稳连续运行，完全忽视对压缩机寿命的影响，导致除霜效果未必好，但压缩机寿命很短，达不到设计使用时长；本发明通过电子膨胀阀开度的调节和气液分离器中电加热器功率调节的配合完全克服了这些不足，先是基于系统无霜运行确保系统的出力和运行效率，进而采用一系列技术手段保证压缩机在安全区域内运行，在系统内部实现一种平稳连续的调节，确保压缩机以及整个系统安全、高效、长期运行。空气处理机组可以在更宽的温度范围内高效运行，制冷能力比常规空气处理机组高。

2．机组经济节能。传统的热气旁通法虽然能在一定程度上缓解空气处理机组结霜，但是会造成系统出力减少且消耗电能增加，而且除霜时间很长。本发明的系统则有效解决了这些问题，电加热器功率可根据室外气象条件调节以降低能耗，只需要消耗相对很少的电能即可实现机组无霜运行。

3．机组结构简单、可靠、高效。备用机组方法虽然能通过开启另外一台空气处理机组暂时缓解原空气处理机组结霜严重的情况，但由于试验环境间的温湿度条件没有发生明显改变，备用机组结霜后也是难以化霜的，所以仅是一种权宜之计。本发明只需要在原有空气处理机组的基础上增加一些探测设备和相应的控制机构，对原有系统几乎不做改动，即能达到机组无霜运行，从而实现了控制简单、可靠、高效的目的。

4．通过控制电子膨胀阀开度，调节蒸发器的翅片表面温度，确保机组无霜。相比于传统空气处理机组由压缩机吸气过热度控制热力膨胀阀开度，本发明采用调节电子膨胀阀开度更科学合理，更能有效避免结霜，实现机组无霜运行；通过监测蒸发器盘管出口壁面温度，控制电子膨胀阀开度，调节蒸发器的翅片表面温度，在实时反馈调节中实现对制冷剂蒸发压力和蒸发温度的调节，维持制冷剂与室外空气之间足够的传热温差，确保从空气中吸收足够的热量，保证机组制热量。

5．通过控制气液分离器中电加热器功率，调节压缩机进口的吸气过热度，避免吸气带液。对可调节功率电加热器功率进行PID调节控制吸气过热度，可以在压缩机吸气过热度发生变化时迅速作出反应，维持压缩机吸气过热度在6℃，精度±0.5℃，可以有效避免压缩机吸气带液，确保压缩机安全运行，同时过热度范围足够大，容易实现；电加热器功率可以根据压缩机吸气过热度进行调节，可以降低耗电量，实现节能的目的。

通过控制电子膨胀阀的开度直接调节制冷剂的流量从而控制制冷剂的温度，进而间接控制室外侧换热器（蒸发器）表面温度和与空气之间的温差，保证蒸发器表面无霜且能够从空气中吸收足够的热量；通过气液分离器中可调功率的电加热控制压缩机的吸气过热度，保证压缩机安全稳定运行。电子膨胀阀开度调节和气液分离器中电加热器功率调节技术的结合，克服了现存各种除霜方法片面强调除霜而忽略系统安全运行的不足，本发明具有空气处理机组无霜运行、效率高、运行安全、运行时间长等其他各种方法所不能实现的优点。

附图说明

图1是本发明的无霜空气处理机组原理图。

图2是压缩机组件的原理图。

图3是本发明实施例中平出风蒸发器的结构图。

图4是本发明实施例中平出风蒸发器的空气风速场矢量图。

图中，1-压缩机组件，11-压缩机，12-第一单向阀，13-高压开关，14-油分离器，141-过滤网，142-第一毛细管，15-第二温度传感器，16-第二压力传感器，17-气液分离器，18-低压开关，19-可控功率电加热器，2-冷凝器，3-电子膨胀阀，31-第二毛细管，4-蒸发器总成，41-风机，42-多支路蒸发盘管，421-多支路蒸发盘管中迎风前排换热效果最差管路，43-过热盘管，44-温湿度传感器，45-第一温度传感器，46第一压力传感器，47-计算控制器，5-储液器，6-过滤器，7-可控硅功率调整器，8-截止阀，9-第二单向阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1及图2所示，本发明无霜空气处理机组，包括压缩机组件1，冷凝器2，电子膨胀阀3，蒸发器总成4，储液器5，可控硅功率调整器7。压缩机组件1、冷凝器2、电子膨胀阀3、蒸发器总成4通过管道串联在一个循环的工作回路中，储液器5装设在冷凝器2的出口和电子膨胀阀3之间。

蒸发器总成4包括风机41、多支路蒸发盘管42、过热盘管43、温湿度传感器44、第一温度传感器45和第一压力传感器46和计算控制器47。过热盘管43设置在蒸发器总成4中换热效果最差的位置并与多支路蒸发盘管42平行。分液装置的制热出口和多支路蒸发盘管42的制热进口连接，多支路蒸发盘管42的制热出口和集气装置的制热进口连接，集气装置的制热出口和过热盘管43的制热进口连接，过热盘管43的制热出口和压缩机组件1连接。过热盘管43位于蒸发器总成4中空气换热效果最差处并与多支路换热盘管42平行，共同过热段的设置，使得制冷剂混合均匀，并且获得一定的过热度，从而提高了系统的性能，同时系统运行的稳定性和安全性也得以保证。对于多支路蒸发盘管42，又包括换热性能相对较好和换热性能相对较差的管段，在结霜工况下由于换热效果不同，多支路蒸发管各管段的快速化霜能力也有所不同。而蒸发器单位时间内的总结霜量集中在最前排管上，尤其第一排。故最易结霜的管段位于多支路蒸发管中迎风排换热效果最差的管段421。

压缩机组件1包括压缩机11、第一单向阀12、高压开关13、油分离器14、第二温度传感器15、第二压力传感器14、可控硅功率调整器7、低压开关18、气液分离器17、可控功率电加热器19。气液分离器1的出口经低压开关18与压缩机11的吸气口连接，压缩机11的排气口先后经第一单向阀12和高压开关13和油分离器14的进口连接。气液分离器17的进口即压缩机组件1的吸气端，油分离器14的制冷剂出口即压缩机组件1的排气端，润滑油出口经过滤网141和第一毛细管142与压缩机11吸气管道连接。

辅助装置包括温湿度传感器44、第一温度传感器45、第二温度传感器15、第一压力传感器44、第二压力传感器16、计算控制器47、可控硅功率调整器7和可控功率电加热器19。温湿度传感器44为一个市售产品，装设在蒸发器总成4（室外侧换热器）进风口处，并通过数据连接线与计算控制器47连接，用以实时而准确地检测室外侧空气的温度和湿度，并传输给计算控制器47进行计算控制。第一温度传感器45和第二温度传感器15为两个市售产品，分别装蒸发器总成4中多支路蒸发盘管迎风前排换热最差管路421的管壁和压缩机11的吸气管，用于实时而准确地检测翅片表面最低温度和压缩机11吸气温度；第一压力传感器44和第二压力传感器16为两个市售产品，分别装设在蒸发器总成4进风侧用于检测大气压力和压缩机1吸气口用于检测压缩机11吸气压力。计算控制器47为定制的装载有露点温度计算和温度比较程序的芯片。本计算控制器47设置在蒸发器总成4的入口侧，连接温湿度传感器44、第一温度传感器45、第一压力传感器44，用以实时接收室外空气的温度和湿度，大气压力以及翅片表面和蒸发器盘管出口壁面温度。计算控制器47同时与电子膨胀阀3连接，根据接收到的温度、压力信号及时做出反馈，控制电子膨胀阀3的开度，从而保证蒸发器无霜稳定运行。可控硅功率调整器7与第二温度传感器15、第二压力传感器16以及可调功率电加热器19通过数据传输线连接，可根据温度、压力传感器传输回来的压缩机11吸气温度、压力信号及时作出反馈，控制可调功率电加热器19的加热功率，从而保证压缩机11吸气口的制冷剂气体过热度保持在6℃，精度±0.5℃。

本发明的无霜空气处理机组，蒸发器总成风机41出风位置有三种：上出风、下出风、平出风，与此相对应的空气风速场矢量图为上三角形、下三角形、正三角。本发明以蒸发器总成风机41平出风为例，对本发明做进一步详细的说明。

本发明的实施例中，蒸发器风机41为平出风，风速的分布矢量图符合正三角形。换热器结构形式确定的情况下，这种特定的送风方式和风速的正三角形分布矢量图具有一一对应的关系。由正三角形风速分布矢量图可见，换热器中部风速大，故当外部空气横掠换热器中部支路时与管内制冷剂发生强制换热效果好，换热器上部以及下部风速小，故当外部空气横掠换热器上部或者下部支路时与管内制冷剂换热效果差，那么在蒸发器总成4中过热盘管43的设置上就有三种选择方式，分别是最上部的一个支路、最下部的一个支路或者最上部与最下部的两个支路同时做为过热盘管43，本实施例选择最上部的一个支路为过热盘管43，并且过热盘管43与多支路蒸发盘管42互相平行，则多支路蒸发盘管的最下部的一个支路421由于换热效果差作为第一温度传感器45安装的管路。在冬季融霜工况下，温湿度传感器44实时检测室外侧空气的温度和湿度，并传输给计算控制器47。当计算控制器47接收到的温湿度传感器44传输来的温度参数低于0℃时，则根据接收到的空气温度、湿度、压力参数计算空气的露点温度，并与接收到的由第一温度传感器45传送来的蒸发器表面温度参数进行比较，从而控制电子膨胀阀3的开度。当该机组运行时，经压缩机11压缩排出的气态高温高压制冷剂经过油分离器14分离出润滑油后冷凝器2冷凝，电子膨胀阀3根据计算控制器47传输的运算结果调节自身开度，增大或减小制冷剂的流量，改变制冷剂的温度，从而使蒸发器翅片表面温度始终高于结霜点。节流后的低温低压制冷剂经过第二单向阀9到蒸发器总成4，制冷剂在多支路蒸发盘管42中吸收热量后汇集成一路进入共同的过热盘管43段实现过热，随后具有一定过热度的制冷剂进入气液分离器17中，气液分离器中的可调功率电加热器19根据可控硅功率调整器7的传输结果调节电加热功率给制冷剂加热，从而保证压缩机11进口的吸气过热度。最后具有一定过热度的制冷剂蒸汽回到压缩机11，完成整个制热循环。如此连续不断循环，进行制冷。

本发明的控制过程：

（1）控制器内露点温度的计算

环境温度低于0℃时，空气露点温度是判断翅片表面是否结霜的重要参数，满足翅片表面温度高于空气露点温度即可实现翅片表面不结霜，实现空气处理机组无霜运行。空气露点温度的具体计算过程如下：

T=273.15+t

t=-100～0℃时

$\ln \left(P_{q\·b}\right)=\frac{c_1}{T}+c_2+c_{3}T+c_4{T}^2+c_5{T}^3++c_6{T}^4+c_7\ln \left(T\right)$

式中c₁=-5674.5359,c₂=6.3925247,c₃=-0.9677843×10^-2

c₄=0.62215701×10^-6,c₅=0.20747825×10^-18

c₆=-0.9484024×10^-12,c₇=4.1635019

t=0～200℃时

$\ln \left(P_{q\·b}\right)=\frac{c_8}{T}+c_9+c_{10}T+c_{11}{T}^2+c_{12}{T}^3++c_{13}\ln \left(T\right)$

c₈=-5800.2206,c₉=1.3914993,c₁₀=-0.048640239

c₁₁=0.41764768×10^-4

c₁₂=-0.14452093×10^-7,c₁₃=6.5459673

t=0～93℃时

t_l=c₁₄+c₁₅ln(P_q)+c₁₆[ln(P_q)]²+c₁₇[ln(P_q)]³+c₁₈(P_q)^0.1984

式中 $\begin{array}{c}{c}_{14}=6.54,c_{15}=14.526,c_{16}=0.7389\\ c_{17}=0.09486,c_{18}=0.4569\end{array}$

t=0～200℃时

t_l=6.09+12.608ln(P_q)+0.4959[ln(P_q)]²

其中，P_q·b为饱和湿空气分压力，P_q为湿空气分压力，

为空气相对湿度，t_l为空气露点温度。

（2）计算控制器47控制过程

计算控制器47将计算所得的空气露点温度与接收到的多支路蒸发盘管42迎风前排换热最差管路421的管壁温度比较，当壁面温度高于空气露点温度不大于0.2℃时，则增大电子膨胀阀3开度10步长；当壁面温度高于空气露点温度不小于0.2℃且不大于0.5℃时，则维持电子膨胀阀开度；当壁面温度高于空气露点温度不小于0.5℃时，则减小电子膨胀阀3开度5步长。

（3）可控硅功率调整器7控制过程

可控硅功率调整器7接受第二压力传感器16和第二温度传感器15传输的压力和温度参数，通过压力参数得到对应的制冷剂饱和温度。以制冷剂R22为例，第二压力传感器的实时压力参数为P,根据公式T_C=-2025.45/(lnP)-21.25)-247.94即可得到制冷剂饱和温度T_C。当所接受温度参数高于制冷剂饱和温度不小于6℃时，则减小可调功率电加热器19功率，否则，加大可调功率电加热器19功率。

电加热器19加热功率值以制冷剂R22、蒸发温度7℃为例。其饱和气态下的比焓h₀=407.4kJ/kg，过热度10℃对应的比焓h₁=415.4kJ/kg，过热度6℃对应的比焓h₂=412kJ/kg。根据蒸发压力、冷凝压力，压缩机11实时制冷剂流量为

。当所接收温度参数高于制冷剂饱和温度的值不大于6℃时，可控硅功率调整器7线性加大电加热器19功率至

当所接收温度参数高于制冷剂饱和温度的值大于6℃时，则可控硅功率调整器7控制维持电加热器19功率为可控硅功率调整器7连续PID调节电加热功率在

范围内保持吸气过热度在6℃，精度为±0.5℃。

本发明的工作流程如下：

气态低温制热工质从蒸发器总成4中过热盘管43排出，进入气液分离器17，可控硅功率调整器7接收由第二压力传感器16和第二温度传感器15传输来的制冷剂压力和温度参数，判断制冷剂过热度即压缩机11吸气过热度，根据制冷剂过热度调节电加热器19功率，维持制冷剂过热度在（6±0.5）℃；过热度满足的制冷剂进入压缩机11，经压缩后变为高温高压的蒸汽进入冷凝器3；计算控制器47接收由温湿度传感器44、第一压力传感器46、第一温度传感器45传输来的参数调节电子膨胀阀3开度，使蒸发器总成4中多支路蒸发盘管迎风前排换热最差管路421的管壁温度高于结霜点，即使蒸发器所有翅片表面温度均高于结霜点，实现热泵热水机组无霜运行。

温湿度传感器44安装在多支路蒸发盘管42和蒸发器风机41之间，用于感知空气的温度和湿度参数。当计算控制器47接收到的温湿度传感器44传输来的温度参数低于0℃时，则根据温湿度传感器44传输来的空气温湿度参数、第一压力传感器46传输来的空气压力参数，按照前述（1）中的过程进行计算，得到空气的露点温度。计算控制器47将计算所得的露点温度与蒸发器盘管出口壁面温度即第一温度传感器45所传输来的温度参数进行对比：当温度传感器45所传输来的温度参数高于计算所得空气露点温度不大于0.2℃时，则增大电子膨胀阀3开度10步长，随着电子膨胀阀3开度的增大，制冷剂流量增大，制冷剂蒸发压力升高，蒸发温度升高，使得第一温度传感器45传输来的温度参数增大，与计算所得空气露点温度差值增大；当第一温度传感器45所传输来的温度参数高于计算所得空气露点温度不小于0.2℃且不大于0.5℃时，则维持电子膨胀阀3的开度不变。当第一温度传感器45所传输来的温度参数高于空气露点温度0.5℃时，减小电子膨胀阀3的开度5步长，随着电子膨胀阀3开度的减小，制冷剂流量减小，制冷剂蒸发压力降低，导致蒸发温度降低，使得第一温度传感器45传输来的温度参数减小，与计算所得空气露点温度差值减小。通过这种过程的重复进行，保证蒸发器总成4中多支路蒸发盘管42迎风前排换热最差管路421的管壁表面温度始终高于空气露点温度，确保空气处理机组无霜运行。

当电子膨胀阀3开度变化时，制冷剂流量随之变化，若电加热器19加热功率不变，则压缩机11吸气过热度会发生变化。例如当膨胀阀3开度增大时，制冷剂流量增加，若不增加电加热器19功率，则压缩机11吸气过热度减小，严重时甚至会导致压缩机11吸气带液，影响压缩机11的安全运行。可控硅功率调整器7通过第二压力传感器16传输来的压力参数得出该压力参数下制冷剂的饱和温度，并与第二温度传感器15传输来的温度参数进行对比，判断制冷剂的过热度。第二温度传感器15传输来的温度参数与饱和温度的差值即为压缩机11吸气过热度。当压缩机11吸气过热度不大于6℃时，可控硅功率调整器7控制增大电加热器19功率，使过热度增大；当压缩机吸气过热度大于6℃时，减小电加热器19功率，使过热度减小。维持压缩机11吸气过热度在（6±0.5）℃之间，这个过热度范围不仅容易实现和控制，而且能够确保压缩机11安全运行，同时避免了能量浪费。

本发明通过新型电子膨胀阀开度调节方法和压缩机吸气过热度控制方法，不仅能够实现空气处理机组无霜运行，而且能够保证压缩机安全运行。

Claims (5)

1.一种无霜空气处理机组，其特征在于，该机组包括沿制冷剂流向依次连接的压缩机组件（1）、冷凝器（2）、电子膨胀阀（3）和蒸发器总成（4）构成的循环工作回路，以及可控硅功率调整器（7）； 

蒸发器总成（4）包括风机（41）、多支路蒸发盘管（42）、过热盘管（43）、温湿度传感器（44）、第一温度传感器（45）、第一压力传感器（46）和计算控制器（47），所述过热盘管（43）设置在蒸发器总成（4）中换热效果最差的位置并与所述多支路蒸发盘管（42）平行，所述多支路蒸发盘管（42）的制热出口和过热盘管（43）的制热进口连接，所述温湿度传感器（44）和第一压力传感器（46）设置在蒸发器总成（4）的进风口处，所述第一温度传感器（45）设置在多支路蒸发盘管（42）的迎风前排中换热最差管路（421）的管壁上，所述计算控制器（47）采用装载有露点温度计算和温度比较程序的芯片，通过数据连接线分别与温湿度传感器（44）、第一温度传感器（45）、第一压力传感器（46）和电子膨胀阀（3）连接；

所述压缩机组件（1）包括压缩机（11）、第一单向阀（12）、高压开关（13）、油分离器（14）、气液分离器（17）、低压开关（18）、可控功率电加热器（19）、第二温度传感器（15）和第二压力传感器（16），所述气液分离器（17）的出口经低压开关（18）与压缩机（11）的吸气口连接，压缩机（11）的排气口依次通过第一单向阀（12）和高压开关（13）后与油分离器（14）的进口连接，所述低压开关（18）与压缩机（11）吸气口之间的管路上设置有一开口，所述开口与油分离器（14）的润滑油出口连接，所述可控功率电加热器（19）设置在气液分离器（17）中，所述第二温度传感器（15）和第二压力传感器（16）分别设置在压缩机（11）的吸气管管壁上和吸气口处；所述气液分离器（17）的进口即压缩机组件（1）的吸气端，油分离器（14）的制冷剂出口即压缩机组件（1）的排气端，可控硅功率调整器（7）通过数据连接线分别与第二温度传感器（15）、第二压力传感器（16）和可控功率电加热器（19）连接。

2.根据权利要求1所述的无霜空气处理机组，其特征在于，所述的冷凝器（2）的制冷剂出口和电子膨胀阀（3）之间设置有储液器（5），所述储液器（5）的制冷剂进口与冷凝器（2）的制冷剂出口连接，储液器（5）的制冷剂出口与电子膨胀阀（3）连接。

3.根据权利要求1或2所述的无霜空气处理机组，其特征在于，所述压缩机（11）的排气口和高压开关（13）之间的管路上设置有第一单向阀（12），所述第一单向阀（12）的流通方向是压缩机（11）排气口至高压开关（13）的方向。

4.根据权利要求1或2所述的一种无霜空气源热泵热水机组，其特征在于，所述油分离器（14）的润滑油出口依次连接有过滤网（141）和第一毛细管（142），然后再同低压开关（18）与压缩机（11）吸气口之间管路上的开口连接。

5.一种对权利要求1所述的无霜空气处理机组进行比例-积分-微分控制的方法，其特征在于，该方法同步进行压缩机（11）的吸气过热度调节和蒸发器翅片表面温度调节，所述蒸发器翅片表面温度调节的具体方法为：

温湿度传感器（44）实时检测进风口的空气温度和湿度，并传输给计算控制器（47），当计算控制器（47）接收到的温湿度传感器（44）温度参数低于0℃时，则根据由温湿度传感器（44）传输来的空气温度和湿度参数、由第一压力传感器（46）传输来的空气压力参数进行运算，计算出空气露点温度后，与由第一温度传感器（45）传输来的蒸发器翅片表面温度比较：当翅片表面温度高于空气露点温度的值不大于0.2℃时，则计算控制器（47）控制增大电子膨胀阀（3）的开度10步长，当翅片表面温度高于空气露点温度的值大于0.2℃且不大于0.5℃时，则计算控制器（47）维持电子膨胀阀（3）的开度不变；当翅片表面温度高于空气露点温度大于0.5℃时，减小电子膨胀阀（3）的开度5步长；

所述压缩机（11）的吸气过热度调节的具体方法为：

可控硅功率调整器（7）接收由第二压力传感器（16）传输来的压力参数，通过该压力参数得到对应的制冷剂饱和温度，并与接收到的由第二温度传感器（15）传输来的温度参数进行对比：当所接收温度参数高于制冷剂饱和温度的值大于6℃时，则可控硅功率调整器（7）减小可调功率电加热器（19）的功率，维持压缩机（11）吸气过热度保持在设定值范围内，否则，可控硅功率调整器（7）增大可调功率电加热器（19）的功率。

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