CN100458308C - 蒸汽压缩系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种蒸汽压缩系统(10)，包括：主线路，其具有通过主制冷剂管线串联式相连的压缩机(12)、冷凝器(14)、膨胀装置(16)和蒸发器(18)，其中压缩机(12)具有吸入口(15)、排出口(13)和中间压力口(28)；节能线路，其具有辅助膨胀装置(42)和节能制冷剂管线，该节能制冷剂管线连接在冷凝器(14)与所述压缩机(12)的所述中间压力口(28)和所述吸入口(15)中的至少一个之间；旁路线路，其具有连接在中间压力口(28)和吸入口(15)之间的旁路制冷剂管线；以及热交换器(32)，其用于接受来自主制冷剂管线(22)的第一流以及来自节能线路和旁路线路中的至少一个的第二流，第一流和第二流设置成在热交换器(32)内形成热传递关系。

Description

蒸汽压缩系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及蒸汽压缩系统，更具体地涉及这样的蒸汽压缩系统，其使用旁路制冷剂线路和控制装置的改良配置来在部分负载运行时提供增强的系统性能，从而改善装置的寿命周期成本。

背景技术

蒸汽压缩系统经常使用压缩机，例如涡旋压缩机、螺杆压缩机、两级往复式压缩机等。这些压缩机可具有中间压力口，例如在希望降低功率以与外部负载匹配时用于在空载模式下运行，或者在希望增强性能时在节能模式下运行。

令人遗憾的是，当在空载模式下操作典型的压缩系统时，其效率不如所期望的那么好。

因此，需要有一种蒸汽压缩系统，其可在空载模式下以增强的效率运行，同时不损害满载运行。

因此，本发明的首要目的是提供这样一种系统。

本发明的另一目的是提供不增加设备成本的这样一种系统。

本发明的其它目的和优点将在下文中体现。

发明内容

根据本发明，可以容易地实现上述目标和优点。

根据本发明，提供了一种蒸汽压缩系统，包括：主压缩线路，其包括通过主制冷剂管线串联式相连的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器，所述压缩机具有吸入口、排出口和中间压力口；节能线路，其包括辅助膨胀装置和节能制冷剂管线，该节能管线连接在所述冷凝器与所述压缩机上的所述中间压力口与所述吸入口中的至少旁路线路，其包括连接在所述中间压力口和所述吸入口之间的旁路制冷剂管线；以及热交换器，其用于接受来自所述主制冷剂管线的第一流和选择性来自所述节能线路和所述旁路线路中的至少一条线路的第二流，所述第一流和所述第二流定位成在所述热交换器中形成传热关系，其中所述系统可选择性在第一模式和第二模式下工作，在第一模式下所述节能线路工作而所述旁路线路不工作，在第二模式下所述旁路线路工作而所述节能线路不工作，所述热交换器在所述第一工作模式和所述第二工作模式下均工作，以便冷却所述第一流。

此外，可提供一种控制元件，其优选与旁路截流阀和节能截流阀可操作地相关联，并用于选择性地控制这些阀以提供所需的工作级别或模式。可采用这些阀以及附加的管线和阀来提供所需的多种不同工作模式。

根据本发明还提供了一种用于操作蒸汽压缩系统的方法，该蒸汽压缩系统包括：主蒸汽压缩线路，其包括通过主制冷剂管线串联式相连的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器，该压缩机具有吸入口、排出口和中间压力口；节能线路，其具有辅助膨胀装置和节能制冷剂管线，节能制冷剂管线连接在冷凝器与压缩机的中间压力口和吸入口中的至少一个之间；旁路线路，其包括旁路制冷剂管线，该旁路制冷剂管线连接在中间压力口和吸入口之间；以及热交换器，其用于接受来自主制冷剂管线的第一流和选择性地来自节能线路和旁路线路中的至少一条线路的第二流，第一流和第二流设置成在热交换器内形成热传递关系。所述方法包括选择性地使系统在第一模式和第二模式下工作，在第一模式中节能线路工作而旁路线路不工作，在第二模式中旁路线路工作而节能线路不工作，热交换器在第一模式和第二模式中均工作，用于冷却主制冷剂管线中的流体。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细说明：

图1示意性地显示了根据本发明的系统；

图2示意性地显示了根据本发明系统的另一实施例。

具体实施方式

本发明涉及蒸汽压缩系统，更具体地涉及与旁路和节能线路高效连接的蒸汽压缩系统，该系统可有利地实现空载模式和多级卸载水平下的增强操作。

下面的描述针对显示了本发明优选实施例的蒸汽压缩系统来给出。下面提到的系统布置可为压缩机工作提供两相流动。某些类型的压缩机可接受这种流动，这些系统被认为是可在这里使用的蒸汽压缩系统，并且完全属于本发明的范围内。

图1显示了根据本发明的蒸汽压缩系统10。蒸汽压缩系统10包括具有压缩机12、冷凝器14、膨胀装置16和蒸发器18的主蒸汽压缩线路。这些部件通过主制冷剂管线串联式相连以提供制冷剂流，其中制冷剂从压缩机12上的排出口13通过管线20流到冷凝器14，再从冷凝器14通过管线22流到膨胀装置16，再从膨胀装置16通过管线24流到蒸发器18，再从蒸发器18通过管线26返回到压缩机12上的吸入口15。

还提供了节能线路，该线路连接在冷凝器14与压缩机12上的中间压力口28和吸入口15中的至少一个之间。该线路优选以节能制冷剂管线40的形式来提供，其从冷凝器14通向辅助膨胀装置42，再从辅助膨胀装置42经节能制冷剂管线44到达热交换器32。在节能线路的典型工作模式中，节能线路从热交换器32经管线38延伸到压缩机12上的中间压力口28。

优选沿着节能制冷剂管线、例如沿着管线40设置节能截流阀46，用于选择性地允许或阻塞流经节能线路的流动。或者，如果膨胀装置42是电子膨胀装置，那么就不需要阀40。

另外，根据本发明，系统10还包括旁路线路，其连接在压缩机12的中间压力口28和压缩机12的吸入口15之间。旁路线路允许压缩机12进行空载工作。根据本发明，旁路线路可有利地适用于流经节能热交换器32，以便利用旁路线路的流体来辅助冷却主制冷剂流，从而在空载工作时使用节能热交换器32并提升效率。因此，根据本发明，旁路制冷剂管线38优选通向节能热交换器32，并从热交换器32通过管线36流回压缩机12的吸入口15。旁路截流阀34优选沿着从热交换器32通向吸入口15的旁路管线36设置，用于选择性地允许和阻塞通过旁路线路的流动。

需要指出的是，在本文中提到了阻塞通过一些线路或部件流动。这里使用的该用语表示基本上阻塞了流动而使得所述线路基本上不工作，或者使得流经该线路的大部分流动被阻塞。

另外，根据本发明，主制冷剂管线22经过节能热交换器32，使得主制冷剂管线在热交换器32内与管线38中的流体产生热交换关系。因此，热交换器32可接受来自主制冷剂管线22的第一流，以及来自节能线路和旁路线路中的至少一个的第二流，热传递既发生在满载节能工作时，同时又有利地发生在部分负载工作时。

在这种结构中，当压缩机在空载状态下工作时，阀34可开启以使部分制冷剂流过中间压力口28，这表明部分流经压缩机12的制冷剂已被压缩至中间压力，从而使压缩机12卸载。

在空载工作模式下，主制冷剂流由节能热交换器32辅助冷却，从而实现该工作模式下的系统性能提升。在这点上，取决于中间压力口28的位置，流出该压力口的流体的中间压力与吸入压力非常接近，从而增大了节能热交换器32中的热传递相互作用可利用的温差。

另外，根据本发明，优选可提供控制元件48，如果它是电子式控制型的话则其与截流阀34，36或膨胀装置42可操作地相关联，用于选择性使这些阀中的任何一个处于关闭或开启位置，以便在满载节能模式或空载模式下允许系统10如所需地工作，此时热交换器32仍处于工作状态并可用于提升系统性能。当然，系统10还可以在满载不节能的模式下在阀34，36都关闭时工作。

现在来看图2，图中显示了本发明的另一实施例，其中设置了附加管线和阀，用于为该系统提供额外的不同工作模式。这是特别有利的，因为它允许系统在更紧密地匹配外部负载的情况下工作，而且还可用于扩展系统的工作能力。源于该功能性的优点是，系统开、关模式之间的切换减少，因此提升了系统的长期可靠性。

应当理解，这里描述的节能和旁路线路实际上可以认为是线路的一部分，因为它们包含流动管线和/或部件，而这些线路部分自身并不形成闭合回路。然而，这里使用的用词“线路”具体包括线路元件、部分或片段。另外，节能和旁路线路可以共享在这些工作模式下起不同作用的部件。

图2显示了系统10a，该系统具有类似的部件，即压缩机12、冷凝器14、膨胀装置16和蒸发器18。在图1所示的实施例中，这些部件通过主制冷剂管线20，22，24，26相连，从而形成了主制冷剂线路。

系统10a具有节能线路、旁路线路、节能热交换器32和辅助膨胀装置42，它们通过一系列管线和阀相连，以便提供将在下面进一步描述的多种不同的工作模式。

同样，在这一实施例中，压缩机12具有排出口13、中间口28以及吸入口15，旁路线路在中间口28和吸入口15之间同样通过一系列管线和阀来进行连通，以便提供将在下面进一步描述的多种不同的工作模式。

在该实施例中，提供了附加流动管线和阀以实现多种不同的工作模式，这些管线和阀并不重要，在这里不作讨论。在图1中如上所述地讨论了这些工作模式中的其中三种，即节能和旁路线路都不工作的普通工作模式，旁路线路工作而节能线路不工作的纯旁路工作模式，以及节能线路工作而旁路线路不工作的纯节能模式。如从下述讨论中可更好理解的那样，通过附加流动管线和对安装在这些管线中的阀的合适控制，可提供六种附加的重要工作模式。这些模式包括节能线路和旁路线路都处于工作状态、同时有不同部分的流体或没有流体经过热交换器32的四种工作模式，没有流体经过热交换器32的旁路或空载工作模式，以及经过热交换器32的旁路流动与主制冷剂管线22反向的旁路或空载工作模式，其中该流动方向与图1中提供的平行流布置相反。

本发明的系统优选适用于允许在这里介绍的九种不同工作模式中的至少其中三种工作模式。

如下所阐述的那样，这些工作模式中的三种允许在压缩机的吸入口或入口处形成受控的溢流状况。在该受控状况下，希望获得能够避免将过热流体输入压缩机中并因此降低压缩机排放温度的方法。因此，本发明的系统和方法优选用于允许在这三种模式中的至少一种下工作。

这些管线和阀及其使用提供了如下所述的附加工作模式。

图2显示了节能线路，该线路从主制冷剂管线22经管线50延伸到辅助膨胀装置42，再从辅助膨胀装置42沿管线52延伸到节能热交换器32，再从节能热交换器32沿管线54延伸到某一支路，其中管线56通向管线58和压缩机12的中间口28的，同时管线60通向主制冷剂管线26和压缩机12的吸入口15，如图所示。

另外，还有一些形成了旁路线路的管线，它们从中间口28经管线58流到包括管线56、管线62和管线75的支路，其中管线62在节能热交换器32的附近汇入到管线52中，而管线75连接了管线62和26。除了这些管线外，阀64，66，68，70和72如下所述地沿着一些管线设置，这些阀的开启和关闭允许系统10a在上面指出的六种附加的不同模式下工作。

如图所示，阀64沿管线50设置，阀66沿管线56设置，阀68沿管线60设置，阀70沿管线62设置，阀72沿管线75设置，基本上如图所示。

在图1也示出的普通工作模式中，所有阀是基本关闭的，系统10a内的主流动如上所述地流经主制冷剂管线20，22，24和26。这种模式下的压缩机12在满载状态下工作，节能热交换器32基本上不工作。

在纯旁路模式下，阀64，66和72基本关闭而阀68，70开启。这就使节能线路基本上停止工作，但提供了经过旁路线路的流动，其从中间口28离开并经过管线58，流经管线62、阀70和管线52而到达节能热交换器32，该热交换器用于进一步辅助冷却管线22中的主制冷剂流。该旁路流动然后通过管线54和管线60而离开节能交热换器32，流经阀68到达管线26和压缩机12的吸入口15。在这种模式下压缩机12被卸载，同时系统的性能仍然通过节能热交换器的作用得到提高。另外，与图1所示实施例的同向流动布置相比，这种模式下的热交换器在反向流动布置下工作。

在纯节能工作模式下，阀64和66开启而阀68，70和72基本关闭。在这种工作模式下，节能线路起作用，同时制冷剂从主制冷剂管线22经管线50和阀64到达辅助膨胀装置42。制冷剂流然后从辅助膨胀装置42经管线52到达节能热交换器32，再经管线54和阀66到达管线58，流入压缩机12的中间口28。根据这一描述并考虑到上述纯旁路模式的情况，容易清楚本实施例的中间口28可用作压缩机12的入口或出口。关于这一点，压缩机可设置成使得中间口是具有两种功能的单个中间口，或者设有两个不同的端口，在一定中间压力下一个端口特别用于排出，另一端口特别用于吸入。这些布置及其变更中的任何一种都认为完全属于本发明的范围内。

如上所述，图2的实施例提供了两条线路都处于工作状态的附加模式。在两条线路都工作的第一模式中，阀64，66和68开启而阀70，72关闭，使得节能热交换器32对来自节能线路的流体起作用，而旁路线路用于卸载压缩机12。具体而言，在这种布置中，节能线路中的流体从主制冷剂管线22经过管线50、阀64、辅助膨胀装置42和管线52而流到节能热交换器32，这与其它实施例相同。节能流通过管线54离开节能热交换器32，并流经管线60、阀68和主制冷剂管线26到达压缩机12的吸入口15。这种工作模式下的旁路线路同样起作用，旁路流通过管线58从中间口28流出，流经阀66到达管线56。管线56中的旁路流与管线54中的节能流汇合，该汇合流经过管线60、阀68和主制冷剂管线26而到达压缩机12的吸入口15。

在另一种两条线路都起作用的工作模式中，阀64，68和70开启而阀66和72基本关闭。在这种工作模式下，旁路和节能线路都起作用，汇合的旁路/节能流经过节能热交换器32，以便如所需地辅助冷却主制冷剂管线22内的制冷剂。在这种工作模式下，节能线路起作用，流体从主制冷剂管线22经管线50、阀64、辅助膨胀装置42和管线52而到达节能热交换器32。经过旁路线路的流体通过管线58和62流出中间口28，流经阀70而在节能热交换器32的上游与管线52内的节能流汇合。节能流和旁路流的汇合流然后经过节能热交换器32，以便与管线22内的主制冷剂流进行热交换，再从管线54离开。该汇合流然后经管线60、阀68和主制冷剂管线26而返回到压缩机12的吸入口15。这种工作模式可以认为是压缩机12的吸入口15处的受控溢流状况，其有利于降低压缩机的排放温度，并扩展系统的工作能力。

在另一种工作模式下，阀64，66和72开启而阀68和70基本关闭。在这种情况下，采用纯旁路流来在节能热交换器32内进行热交换，同时经过节能线路的流体从膨胀装置42经管线75和阀72到达吸入口15。如同前一工作模式一样，该受控溢状况可用于获得额外的好处。需要指出的是，可利用同时开启图1所示实施例中的阀34，36来实现同样的工作模式。

在另一种旁路工作模式中，阀66和68或70和72开启而其余阀基本关闭。这允许旁路线路作为传统的旁路线路工作，并且不使用节能热交换器便可卸载压缩机。

在另外一种工作模式中，阀64，70和72开启，同时阀66和68基本关闭。这使得流体会流经节能线路和旁路线路而不经过热交换器32，这便要需要之时提供了一种卸载压缩机12的附加级。如上所述，在这种情况下也可实现受控溢流状况。

应当容易理解，阀64，66，68，70和72可以容易地由例如图1所述的控制元件48来控制，该控制元件48可以用于感应或检测与各种压缩机工作参数相关的信息，并利用这些信息来选择合适的工作模式，向各个阀发送控制信号以采取具体的选定工作模式。如上所述，这是特别有利的，因为多种工作模式允许根据本发明的系统10，10a的工作模式与外部载荷更加匹配，还允许系统具有扩展的工作能力以及系统更少的启动/停止，从而进一步增强了系统的可靠性。

应当理解，根据本发明的系统有利地允许多级空载工作，这进一步增强了各个这些模式下的工作效率。

同样应当理解，本发明的特定益处在某些情况(图1)中不需要额外的附加硬件就可得到，该系统可与用作膨胀装置16，42的任何类型的膨胀装置相结合地使用。另外，辅助膨胀装置42可设置为电子流量控制装置，其用于控制经过图1和图2中各线路部分的流量，而不需要阀46，64。

该系统在开放式驱动(open-drive)系统中特别有用，此时额外的电动机热量没有被低压制冷剂吸收，从而增加了可用于辅助冷却热交换器32内的主制冷剂流的有效温差。

应当理解，本发明不仅限于这里显示和描述的说明，该说明被认为仅描述了实施本发明的最佳方式，并且可在元件的形式、尺寸、布置以及操作细节上对其进行修改。相反，本发明旨在包括属于权利要求所限定的本发明精神和范围内的所有这些修改。

Claims (8)

1.一种蒸汽压缩系统，包括：

主线路，其包括通过主制冷剂管线串联式相连的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器，所述压缩机具有吸入口、排出口和中间压力口；

节能线路，其包括辅助膨胀装置和节能制冷剂管线，所述节能制冷剂管线连接在所述冷凝器与所述压缩机的所述中间压力口和所述吸入口中的至少一个之间；

旁路线路，其包括旁路制冷剂管线，所述旁路制冷剂管线连接在所述中间压力口和所述吸入口之间；和

热交换器，其用于接受来自所述主制冷剂管线的第一流和选择性地来自所述节能线路和所述旁路线路中的至少一条线路的第二流，所述第一流和所述第二流设置成在所述热交换器内形成热传递关系，所述系统可选择性地在第一模式和第二模式下工作，在所述第一模式中，所述节能线路工作而所述旁路线路不工作，在第二模式中，所述旁路线路工作而所述节能线路不工作，所述热交换器在所述第一模式和第二模式中均工作，用于冷却所述第一流。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：旁路截流阀，其沿所述旁路制冷剂管线设置，用于选择性地允许和堵塞经过所述旁路线路的流动；节能截流阀，其用于选择性地允许和堵塞经过所述节能线路的流动，这样，所述系统可选择性地在所述第一模式和所述第二模式下工作。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括控制元件，其与所述旁路截流阀和所述节能截流阀可操作地相连，用于选择性地打开和关闭所述旁路截流阀和所述节能截流阀。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括可选择性地控制经过所述节能线路和所述旁路线路的流动的装置，使得所述系统可在所述第一模式、所述第二模式、第三模式以及至少一种附加模式下工作，其中，在所述第二模式中所述热交换器内的流动是同向的，在所述第三模式中所述节能线路和所述旁路线路不工作，所述至少一种附加模式选自：第四模式，其中所述节能线路和所述旁路线路都处于工作状态，而所述第二流包括来自所述节能线路和所述旁路线路的流体；第五模式，其中所述节能线路和所述旁路线路都处于工作状态，而所述第二流只包括来自所述节能线路的流体；第六模式，其中所述节能线路和旁路线路都处于工作状态，而所述第二流只包括来自所述旁路线路的流体；第七模式，其中所述节能线路和所述旁路线路都处于工作状态，并且绕过所述热交换器而通向所述压缩机的所述吸入口；第八模式，其中所述节能线路不工作而所述旁路线路工作，所述旁路线路绕过所述热交换器而通向所述压缩机的所述吸入口；以及第九模式，其中所述节能线路不工作而所述旁路线路工作，所述第二流包括来自所述旁路线路的流体，并且所述热交换器内的流动是反向的。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，用于进行选择性控制的所述装置可允许所述系统在所述第一模式、所述第二模式、所述第三模式、所述第四模式、所述第五模式、所述第六模式、所述第七模式、所述第八模式、所述第九模式中的任一模式下工作。

6.一种用于操作蒸汽压缩系统的方法，所述蒸汽压缩系统包括：主蒸汽压缩线路，其包括通过主制冷剂管线串联式相连的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器，所述压缩机具有吸入口、排出口和中间压力口；节能线路，其具有辅助膨胀装置和节能制冷剂管线，所述节能制冷剂管线连接在所述冷凝器与所述压缩机的所述中间压力口和所述吸入口中的至少一个之间；旁路线路，其包括旁路制冷剂管线，所述旁路制冷剂管线连接在所述中间压力口和所述吸入口之间；以及热交换器，其用于接受来自所述主制冷剂管线的第一流和选择性地来自所述节能线路和所述旁路线路中的至少一条线路的第二流，所述第一流和所述第二流设置成在所述热交换器内形成热传递关系，所述方法包括选择性地使所述系统在第一模式和第二模式下工作，在所述第一模式中所述节能线路工作而所述旁路线路不工作，在所述第二模式中所述旁路线路工作而所述节能线路不工作，所述热交换器在所述第一模式和第二模式中均工作，用于冷却所述主制冷剂管线中的流体。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括在至少三种不同模式下选择性地操作所述系统，所述至少三种模式选自：所述第一模式；所述第二模式，其中所述热交换器内的流动是同向的；第三模式，其中所述节能线路和所述旁路线路不工作；第四模式，其中所述节能线路和所述旁路线路都处于工作状态，而所述第二流包括来自所述节能线路和所述旁路线路的流体；第五模式，其中所述节能线路和所述旁路线路都工作，而所述第二流只包括来自所述节能线路的流体；第六模式，其中所述节能线路和旁路线路都工作，而所述第二流只包括来自所述旁路线路的流体；第七模式，其中所述节能线路和旁路线路都工作，并且绕过所述热交换器而通向所述压缩机的所述吸入口；第八模式，其中所述节能线路不工作而所述旁路线路工作，所述旁路线路绕过所述热交换器而通向所述压缩机的吸入口；以及第九模式，其中所述节能线路不工作而所述旁路线路工作，所述第二流包括来自所述旁路线路的流体，并且所述热交换器内的流动是反向的。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少三种不同模式包括所述第四模式、所述第六模式、所述第七模式中的至少一种，使得可在所述压缩机的所述吸入口处形成受控的溢流状况。

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