CN100590372C - 具有改进的液体/蒸汽接收器的制冷回路 - Google Patents

具有改进的液体/蒸汽接收器的制冷回路 Download PDF

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Abstract

制冷回路包括：压缩机、排热热交换器、膨胀阀、接收器(3)、另一膨胀阀/蒸发器，以提供冷却。第二热交换器(24)设置在接收器的上方气体部，和/或第三热交换器(34)设置在接收器的下方液体部。实现了制冷剂的液体/蒸汽的更好分离和/或液态制冷剂的过冷。

Description

具有改进的液体/蒸汽接收器的制冷回路
技术领域
本发明涉及一种制冷回路，该制冷回路包括第一压缩机设备、排热热交换器(heat-rejecting heat exchanger)、第一膨胀设备、具有上部和下部的接收器、第二膨胀设备以及第一蒸发器。该制冷回路还包括位于接收器的上部和压缩机之间的流动通道，该压缩机的压力侧与排热热交换器的入口流动连通。
发明内容
制冷回路的优选类型是设计为将CO2作为制冷剂，但不仅限于此。
制冷回路具有两级膨胀类型，其中首先在第一级膨胀中使制冷剂膨胀。第一级膨胀提供冷却以使接收器中的制冷剂完全冷凝。此外，制冷回路的从接收器延伸到压缩机设备的部分的压力水平远低于制冷回路的从压缩机设备延伸到第一膨胀设备的剩余部分的压力水平。
本发明的目的是提供一种具有改进接收器的制冷回路。
本发明的另一目的是提供一种具有接收器的制冷回路，并且从该接收器的上部输出基本其中没有液滴的闪发气体。
本发明的又一目的是提供具有输出过冷液态制冷剂的接收器的制冷回路。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于按预定流向循环制冷剂的制冷回路，其沿流向包括：第一压缩机设备；排热热交换器；第一膨胀设备；接收器，其内具有上部，与第一膨胀设备流动连通、以及下部；第二膨胀设备，其与接收器的下部流动连通、以及第一蒸发器，并且包括位于接收器的上部和压缩机的吸入侧之间的另一流动通道，该压缩机的压力侧与所述排热热交换器的入口流动连通；其中提供包括下列部件(a)和(b)在内的组中的至少一个部件：(a)第二热交换器设置在所述接收器的所述上部中，该第二热交换器的入口与所述排热热交换器的出口流动连通，而第二热交换器的出口与所述第一膨胀设备的入口流动连通，(b)所述另一流动通道包括第三膨胀设备，以及在其下游处的、设置在所述接收器的所述下部中的第三热交换器。
设置在接收器的上部中的第二热交换器与含在接收器的上部中的蒸汽热交换。任何可能存在于接收器的上部中的液滴被蒸发并带入另一流动通道。
设置在接收器的下部中的第三膨胀设备和第三热交换器向接收器的下部中的液体提供过冷。该过冷液态制冷剂通过第一蒸发器产生更有效的冷却效果并且减少了在回路的从接收器延伸到第二膨胀设备的部分中的制冷剂蒸汽的形成。
总而言之，改进的接收器完美地分离出气相和液相，使得制冷剂的气相基本没有液滴含量并使得液相过冷并且形成蒸汽的趋势很小。
第一压缩机设备可以是单个压缩机或者几个压缩机的并行组。压缩机设备可以具有包括控制其性能的类型，例如通过根据将获得的压缩气态制冷剂的压力水平来控制旋转速度。
与开始于接收器上部的另一流动通道相关的压缩机可以是另一压缩机。与第一次提到的压缩机设备的吸入侧的压力水平相比，该另一压缩机的吸入侧可以处于更高的压力水平，或者与第一次提到的压缩机设备的压力水平基本相等。通过使用一个并且相同的压缩机来压缩来自第二膨胀设备的气态制冷剂和来自接收器上部的气态制冷剂，或者通过将与所述另一流动通道相关的所述另一压缩机结合在构成第一压缩机设备的并行压缩机组中，可以将与所述另一流动通道相关的压缩机与第一次提到的压缩机设备进行组合。
根据本发明的实施例，制冷回路还包括支路，该支路从位于所述回路的、从所述接收器的所述下部延伸到所述第二膨胀设备的入口的部分中的位置分叉出，该支路沿流动方向包括：第四膨胀设备、第二蒸发器以及第二压缩机设备，并且该支路在其下游端与所述第一压缩机设备的吸入侧流动连通。
在该实施例中，例如出于低温冷藏的目的，该支路提供低温冷却。与该低温冷却相比，第二膨胀设备和第一蒸发器提供中温冷却，例如用于将食物和饮料保持在0℃到10℃的温度水平下。
如果有的话，制冷回路可以包括一个或几个并行设置的第二膨胀设备/第一蒸发器以及包括一个或几个并行设置的第四膨胀设备/第二蒸发器。
制冷回路中的制冷剂可以是单组分制冷剂或多组分制冷剂。
在前面的描述中，已经引用了各种膨胀设备。应该注意，可以提供具有各种结构和设计的膨胀设备。非常常见形式的膨胀设备是膨胀阀。膨胀设备可以是节流设备或节流阀。取决于其位置、温度水平以及压力水平，膨胀设备可以用于将液态制冷剂膨胀为气态制冷剂或者可以将气态制冷剂从较高的压力水平膨胀到较低的压力水平。
本发明还涉及一种包括本申请公开的制冷回路的制冷装置。
本发明的制冷装置可以是热泵。冷却装置和热泵的技术部件是相同的。对于冷却装置，冷却用途是主要用途，而产生的相关热量通常是副产品。对于热泵，产生热量是期望的用途，而蒸发器的相关冷却效果通常认为是无用的副产品。本发明还公开一种具有本申请所公开的回路的热泵。该回路可以称为制冷回路，这是因为其包含经过冷凝和蒸发的制冷剂。有时，在描述热泵时，人们更喜欢使用术语“工作流体”而不是使用术语“制冷剂”。
含有作为制冷剂的CO2的制冷回路可以是运行在跨临界循环下的回路，或者可以是运行在亚临界循环下的回路，或者可以是根据诸如压缩机设备之后的环境温度和压力水平等参数运行在跨临界循环或亚临界循环下的回路。在典型应用中，例如，冷却对温度敏感的产品、低温冷藏、建筑物制冷，至少在夏季时间里，制冷回路在排热热交换器没有达到亚临界温度水平；该回路运行在跨临界循环中。在该情况下，排热热交换器作为气体冷却器运行。在亚临界循环下，排热热交换器作为组合的气体冷却器和冷凝器运行。
接收器的主要功能是永久保持充足数量的液态制冷剂可用并且提供液态制冷剂和气态制冷剂(蒸汽)之间的分离。在跨临界循环的情况下，借助于第一膨胀设备所提供的闪蒸冷却使制冷剂冷凝是另一功能。
本发明的制冷装置/热泵具有多种优选应用领域。最重要的应用是在商店、饭店或其他储存位置冷却食品和饮料；冷却其他对温度敏感的产品，例如药物；低温冷藏；冷却任意种类的建筑；冷却汽车和广义上的任意其他类型的车辆，例如航天器、船舶、铁路车辆等。
本发明还涉及一种制冷方法。在本发明的实施例中，该制冷方法包括下列步骤组合中的至少一个步骤：(i)使位于所述接收器的所述上部中的第二热交换器运行；(ii)使位于所述接收器的所述下部中的第三热交换器运行。
附图说明
下面将介绍本发明的示例性实施例。该实施例的特征是本发明的制冷回路的优选特征：
图1示出了制冷回路的图以用于阐明该回路的基本结构；
图2以较大的比例示出了接收器/分离器，其可以包括在图1的制冷回路中。
具体实施方式
图1示出了整个制冷回路，其包括第一所述(基本)回路、第二所述另一流动通道以及第三所述支路和一些其他部件。
当从压缩机设备6开始并且沿CO2制冷剂的流向行进时，基本回路包括下列部件：
压缩机设备6或6和6’；
管道7；
排热热交换器1(气体冷却器和/或冷凝器)；
管道2；
第一膨胀阀a；
接收器3；
管道4；
两个并行的第二膨胀阀b、c；
两个并行的蒸发器E2、E3；
回到压缩机设备6的管道5。
压缩机设备6包括三个并行的压缩机和另一压缩机6’，将在下面对其进行更加具体的描述。三个压缩机的吸入侧由公共供应空间20供应。一般地，压缩机设备6将供应的气态CO2压缩到50到120巴(bar)的压力范围内，借此将压缩的气态CO2的温度增大到大约50℃到150℃。在亚临界运行下，压缩的气态CO2的压力一般在40到70巴的范围内。
排热热交换器除去CO2中的热量。在亚临界运行下，一般将CO2冷却到10℃到30℃，并在排热热交换器1中冷凝；在这种情况下，热交换器1作为组合的气体冷却器和冷凝器工作。在跨临界运行下，一般将CO2冷却到25℃到45℃的温度下，而排热热交换器中的CO2中的大部分没有发生冷凝；在这种情况下，其作为气体冷却器工作。为了除去CO2中的热量，对热交换器1进行气体冷却或液体(水)冷却。
利用邻近接收器3设置的膨胀阀使亚临界运行中的蒸汽或液体/蒸汽混合物或者液态CO2膨胀，从而在接收器3的上部提供闪发气体。一般地，接收器3内部的压力水平是30到40巴。接收器3的下部含有液态CO2。接收器3还用作液态CO2和CO2蒸汽的分离器。
利用膨胀阀b和c，液态CO2膨胀，使其温度一般为-15℃到0℃，这导致压力水平一般为20到35巴。蒸发器E2和E3邻近膨胀阀b和c，并且该蒸发器E2和E3用于使得CO2完全蒸发并且提供大的冷却面，适当的冷却从其开始，一般通过利用“冷空气比热空气重”的原理进行空气移动或者通过强制通风进行空气移动。
压缩机设备6和接收器3一般安装在公共金属框架中，该公共金属框架还支撑制冷装置的控制设备。(第一)热交换器1，即排热热交换器，通常位于远离压缩机设备6和接收器3以及膨胀阀8一些距离，例如在建筑物的外部，在此它可以冷却得最好。重要的是应该注意：只有基本回路的从压缩机设备6的压力侧延伸到膨胀阀8的出口侧的部分处于一般在50到120巴的高压水平。基本回路的从膨胀阀a的出口侧延伸到压缩机设备6的吸入侧的其它部分处于两个充分较低的压力水平，即在膨胀阀b和c的前部为30到40巴，而在压缩机设备6的前部一般为25到30巴。因而，将基本回路的第二次提到的部分设计成用于该较低压力水平，即，通过使用壁较薄的管，通过使用较不复杂的连接(其中CO2流过)，以及通过使用适于较低压力水平的蒸发器。
存在另一流动通道，其开始于具有管道12的接收器3的上部(蒸汽部)的出口侧、包含膨胀阀e或者节流阀，最后经由管道11通向压缩机设备6的入口侧。膨胀阀e用于将气态CO2的压力降低到压缩机设备6的吸入侧处存在的水平。
作为选择，可以省去膨胀阀e，并且从接收器3的上部到另一压缩机6’只有管道12、15。该另一压缩机6’的吸入侧处于压缩机设备6的吸入侧20的较高压力水平。所有压缩机6和6’的压力侧都具有相同的压力水平。在不提供另一压缩机6’的情况下，可以从管线15注入到压缩机设备6的一个或几个压缩机中，但这是在第一压缩机级后的一级上进行，使得将闪发气体以压缩机的适当压力水平提供到压缩机设备6。
此外，图1示出了包括下述部件的支路：管道8，其从膨胀阀b和c的上游的管道4分叉出；(第四)膨胀阀d；第二蒸发器E4；管道9；第二压缩机设备10；以及管道11，其提供与第一压缩机设备6的吸入侧的流体流动连接。膨胀阀d和第二蒸发器E4被设计为将液态CO2膨胀到使其压力水平低于存在于压缩机设备6的吸入侧20处的压力水平。蒸发器4处所达到的温度水平低于蒸发器E2和E3处达到的温度水平，从而提供用于低温冷藏或者用于在低温冷藏温度下进行保存的手段。在蒸发器E4中，典型值是7到15巴，温度为-50℃到-25℃。
最后，图1示出了从管道2(其从第一热交换器1通向第一膨胀阀a)分叉出到热交换器E1的管道13，膨胀阀f设置在该管道13中。管道14从热交换器E1通向所述另一压缩机6’的吸入侧。热交换器E1与流过管道2的CO2进行热交换。由于膨胀阀f提供冷却的气态CO2，因此对流经管道2的CO2进行冷却，从而助于CO2的冷凝或者助于液态CO2的过冷。
图2以比图1大的比例示意性示出了接收器3的截面图。接收器3在其内部具有上部3a和下部3b。接收器3中含有一定量的液态CO2，其将接收器3的内部一直填充到高度22。取决于制冷回路的运行条件，该高度22可以高于或低于图2所示的高度。
管线2(在图1的热交换器1的出口和膨胀阀a之间提供流体流动连接)延伸到接收器3中并且连接到设置在接收器3的上部3a中的第二热交换器24。存在另一管道26，其延伸到接收器3的外部并且将第二热交换器24的下游端连接到接收器3的上部3a内，膨胀阀28设置在该管道26中。膨胀阀28在上部3a中产生闪发气体，因而其比流经第二热交换器24的CO2处于较低的温度水平。将上部3a中存在的任何CO2液滴蒸发。这使下列段落中所述的膨胀阀34发生腐蚀的可能性最小。
膨胀阀28与图1所示的膨胀阀a具有相同的功能。差别在于管道2不是直接通向膨胀阀28，而是在膨胀阀28的上游存在第二热交换器24。与不提供第二热交换器24的情况相比，借助于第二热交换器24，离开上部3a的气态CO2含有更少的冷凝CO2。
存在另一管道30，其在接收器3的外部从上部3a通向设置在接收器3的下部3b中的第三热交换器32，膨胀阀34设置在该管道30中。第三热交换器32的下游端通过管道36连接到压缩机设备6的吸入侧20。换言之，膨胀阀34代替了图1所示的膨胀阀e，并且另外提供了第三热交换器32。
通过经过膨胀阀34，CO2变得更冷，并且第三热交换器32提供积累在接收器3的下部3b中的液态CO2过冷。液态、过冷的CO2经由管道4离开下部3b，如图1所示。
流经第三热交换器32的气态CO2得到特定的过热，这减少了将液态CO2带入压缩机设备6的风险。

Claims (18)

1、用于按预定流向循环制冷剂的制冷回路，其沿流向包括：第一压缩机设备(6)；排热热交换器(1)；第二热交换器(24)；第一膨胀设备(28)；接收器(3)，其内具有与所述第一膨胀设备(28)流动连通的上方蒸汽部(3a)、以及下方液体部(3b)；第二膨胀设备(b；c)，其与所述接收器(3)的所述下方液体部(3b)流动连通；以及第一蒸发器(E2；E3)，并且包括位于所述接收器(3)的所述上方蒸汽部(3a)和压缩机的吸入侧之间的另一流动通道(30，36)，所述压缩机的压力侧与所述排热热交换器(1)的入口流动连通；
所述第二热交换器(24)设置在所述接收器(3)的所述上方蒸汽部(3a)中，所述第二热交换器(24)的入口与所述排热热交换器(1)的出口流动连通，并且所述第二热交换器(24)的出口与所述第一膨胀设备(28)的入口流动连通。
2、根据权利要求1所述的制冷回路，其中连接到所述另一流动通道的所述压缩机是所述第一压缩机设备(6)的一部分。
3、根据权利要求1所述的制冷回路，其中所述制冷剂是CO2。
4、根据权利要求1所述的制冷回路，其中所述第一压缩机设备(6)包括几个压缩机的并行组。
5、根据权利要求1所述的制冷回路，还包括支路(8；9；11)，该支路从位于所述回路的、从所述接收器(3)的所述下方液体部(3b)延伸到所述第二膨胀设备(b；c)的入口的部分中的位置分叉出，该支路(8；9；11)沿流向包括：第四膨胀设备(d)、第二蒸发器(E4)以及第二压缩机设备(10)，并且该支路(8；9；11)在其下游端与所述第一压缩机设备(6)的所述吸入侧流动连通。
6、根据权利要求1所述的制冷回路，其中提供几个并行的第一蒸发器。
7、包括如权利要求1到6中任一项所述的制冷回路的制冷装置。
8、用于按预定流向循环制冷剂的制冷回路，其沿流向包括：第一压缩机设备(6)；排热热交换器(1)；第一膨胀设备；接收器(3)，其内具有与所述第一膨胀设备流动连通的上方蒸汽部(3a)、以及下方液体部(3b)；第二膨胀设备(b；c)，其与所述接收器(3)的所述下方液体部(3b)流动连通；以及第一蒸发器(E2；E3)，并且包括位于所述接收器(3)的所述上方蒸汽部(3a)和压缩机的吸入侧之间的另一流动通道(30，36)，所述压缩机的压力侧与所述排热热交换器(1)的入口流动连通；
其中所述另一流动通道(30，36)包括第三膨胀设备(34)，以及在其下游处的、设置在所述接收器(3)的所述下方液体部(3b)中的第三热交换器(32)。
9、根据权利要求8所述的制冷回路，其中连接到所述另一流动通道的所述压缩机是所述第一压缩机设备(6)的一部分。
10、根据权利要求8所述的制冷回路，其中所述制冷剂是CO2。
11、根据权利要求8所述的制冷回路，其中所述第一压缩机设备(6)包括几个压缩机的并行组。
12、根据权利要求8所述的制冷回路，还包括支路(8；9；11)，该支路从位于所述回路的、从所述接收器(3)的所述下方液体部(3b)延伸到所述第二膨胀设备(b；c)的入口的部分中的位置分叉出，该支路(8；9；11)沿流向包括：第四膨胀设备(d)、第二蒸发器(E4)以及第二压缩机设备(10)，并且该支路(8；9；11)在其下游端与所述第一压缩机设备(6)的所述吸入侧流动连通。
13、根据权利要求8所述的制冷回路，其中提供几个并行的第一蒸发器。
14、包括如权利要求8到13中任一项所述的制冷回路的制冷装置。
15、制冷方法，包括：
(a)在制冷回路中循环制冷剂，该制冷回路沿流向包括：第一压缩机设备(6)；排热热交换器(1)；第二热交换器(24)；第一膨胀设备(28)；接收器(3)，其内具有与所述第一膨胀设备(28)流动连通的上方蒸汽部(3a)、以及下方液体部(3b)；第二膨胀设备(b；c)，其与所述接收器(3)的所述下方液体部(3b)流动连通；以及第一蒸发器(E2；E3)；
(b)该制冷回路还包括设置在所述接收器(3)的所述上方蒸汽部(3a)和压缩机的吸入侧之间的另一流动通道(30，36)，所述压缩机的压力侧与所述排热热交换器(1)的入口流动连通；以及
(c)使位于所述接收器(3)的所述上方蒸汽部(3a)中的所述第二热交换器(24)运行。
16、根据权利要求15所述的制冷方法，其中所述制冷剂是CO2。
17、制冷方法，包括：
(a)在制冷回路中循环制冷剂，该制冷回路沿流向包括：第一压缩机设备(6)；排热热交换器(1)；第一膨胀设备；接收器(3)，其内具有与所述第一膨胀设备流动连通的上方蒸汽部(3a)、以及下方液体部(3b)；第二膨胀设备(b；c)，其与所述接收器(3)的所述下方液体部(3b)流动连通；以及第一蒸发器(E2；E3)；
(b)该制冷回路还包括设置在所述接收器(3)的所述上方蒸汽部(3a)和压缩机的吸入侧之间的另一流动通道(30，36)，所述压缩机的压力侧与所述排热热交换器(1)的入口流动连通；以及
(c)使位于所述接收器(3)的所述下方液体部(3b)中的第三热交换器(32)运行，所述第三热交换器(32)包括在所述另一流动通道(30，36)中，所述另一流动通道(30，36)在所述第三热交换器(32)的上游具有第三膨胀设备(34)。
18、根据权利要求17所述的制冷方法，其中所述制冷剂是CO2。
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