CN101142450A - 用于跨临界蒸气压缩系统的高压侧压力调节 - Google Patents
用于跨临界蒸气压缩系统的高压侧压力调节 Download PDFInfo
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Abstract
在诸如用在瓶装饮料的冷却器或小容量空调、冰箱或其它系统中的CO2蒸气压缩系统中，可以排除昂贵的膨胀装置以支持便宜的压力调节器。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求序列号为60/663,960的美国专利申请的权益，该专利申请在2005年3月18日提出申请，并且名称为用于跨临界蒸气压缩系统的高压侧压力调节，该申请的公开内容通过引用结合到本申请中，就如同详细地阐明了一样。
发明背景
本发明涉及制冷。更具体地，本发明涉及饮料冷却器。
作为自然的和不损害环境的制冷剂，CO2(R-744)正引起显著性的注意。在大多数空调器的工作范围内，CO2(二氧化碳)工作在跨临界方式下。图1示意地展示了利用CO2作为工作流体的跨临界蒸气压缩系统20。该系统包括压缩机22、气体冷却器24、膨胀装置26和蒸发器28。示例性的气体冷却器可以各自采用制冷剂-空气热交换器的形式。可以促使空气流通过这些热交换器中的一个或两个。例如，一个或多个风扇30和32可以各自驱动气流34和36通过两个热交换器。制冷剂流动通道40包括从蒸发器28的出口延伸到压缩机22的入口42的吸入管线。排出管线从压缩机的出口44延伸至气体冷却器的入口。附加管线连接气体冷却器的出口到膨胀装置的入口，和连接膨胀装置的出口到蒸发器的入口。
因为CO2的临界温度是87.8，所以跨临界和传统操作之间的主要不同之处是气体冷却器内的热消耗是在超临界区域内。因此，压力不单独地依赖于温度，并且这也提出了系统操作的附加控制和最佳化问题。
对于确定的气体冷却器排出温度而言，当高压侧压力增加时，制冷剂的出口焓减少，产生通过气体冷却器的更高的微分焓。气体冷却器的容量是制冷剂的质量流速和通过气体冷却器的焓的差异的函数。对于饮料冷却器而言，蒸发器可本质上处于冷却器的内部温度。不管外部的条件，特别希望在很窄的范围内去维持这个温度。例如，也许要求去维持内部温度非常接近37。这个温度基本上确定了稳定状态的压缩机吸入压力。
对于确定的压缩机吸入压力，当高压侧压力增加时，由压缩机使用的能量的数量增加，并且压缩机的容积效率减少。当压缩机的容积效率减少时，通过系统的流速减少。当高压侧压力增加时，在气体冷却器容积内，这两个中和作用的平衡典型地加强。然而，超过一定压力，增加的容积数量变得非常小。因为膨胀装置通常是等焓的，所以当高压侧压力增加时，蒸发器容积也显著地增加。
蒸气压缩系统的能量效率，性能系数(COP)，通常表示成系统容量对消耗能量的比率。因为压力的增加明显地既产生了更高的容量又产生了更高的能量消耗，在这两者之间的平衡将支配总的COP。因此，典型地存在着产生最高可能性能的最佳压力。
电子膨胀阀通常用作装置26，以便控制高压侧压力而使CO2蒸气压缩系统的COP最优化。电子膨胀阀典型地包括附着于针形阀的步进电机，以便改变有效阀的开口或流量到很多的可能位置(明显地超过100)。这提供了对较大范围内工作条件的高压侧压力的有效控制。通过控制器50电子控制阀的开口，以使实际的高压侧压力与要求的定点相匹配。这种压力控制方案包括成本相当高的阀、复杂的控制器50以及用于检测高压侧压力的传感器52。这个装置给CO2蒸气压缩系统增加了相当数量的花费，使CO2蒸气压缩系统同HFC系统相比较具有较少的吸引力。
在跨临界蒸气压缩系统使用固定的膨胀装置可能的，但是这种方法具有可能引起性能或功能损失的限制。在稳定的工作状态期间，固定的膨胀装置(例如，固定的孔或毛细管)可以工作得很好，以便调节系统高压侧压力到接近最适宜的压力。在下拉期间，当系统开始工作并且蒸发温度和压力可能是非常高时，通过固定速度和排出量的压缩机的流速可能变得相当地高。这个高的流速可能使高压侧压力超过安全限制。
发明概述
在诸如用在瓶装饮料的冷却器或小容量空调、冰箱或其它系统中的CO2蒸气压缩系统中，可以排除昂贵的膨胀装置以支持便宜的压力调节器。可以通过使用便宜的、多步的且基于一个或多个电磁阀的固定膨胀装置减少潜在的超压。
在附图和下面的说明中阐明了一个或多个本发明实施例的详细资料。通过说明、图示和权利要求，本发明的其它的特征、目的和优点将是明显的。
附图简述
图1是现有技术的蒸气压缩系统的示意图。
图2是第一个发明性的CO2蒸气压缩系统的示意图。
图3是第二个发明性的CO2蒸气压缩系统的示意图。
图4是第三个发明性的CO2蒸气压缩系统的示意图。
图5是第四个发明性的CO2蒸气压缩系统的示意图。
图6是第五个发明性的CO2蒸气压缩系统的示意图。
图7是第六个发明性的CO2蒸气压缩系统的示意图。
图8是第七个发明性的CO2蒸气压缩系统的示意图。
图9是包括制冷和空气管理盒的陈列柜的侧视图。
图10是制冷和空气管理盒视图。
在不同的图中显示的同样的标号和符号表示同样的元件。
详细说明
本发明涉及用于CO2蒸气压缩系统的高压侧压力最优化。对于没有宽阔作业范围的采暖、通风、空调和制冷(HVAC&R)产品而言，用于所有的运行条件的最优的高压侧压力没有大的变化。所以，可以使用固定的膨胀装置(例如，孔或毛细管)去调整高压侧压力，达到用于CO2蒸气压缩系统的所有稳定状态运行条件的预置的不变值。应该确定这个预置值以致于CO2蒸气压缩系统能完成用于整个运行范围的最好的全部的性能系数(COP)。使用固定的膨胀装置能显著地减少CO2蒸气压缩系统中压力控制部件的成本。
对于下拉条件(pulldown condition)而言，压缩机流速将明显地高于在稳定状态条件期间的压缩机流速。可以使高压侧压力最优化，以致CO2蒸气压缩系统的下拉冷却容量可增大，但是，通过压力调节器的流量不超过压缩机的流量(以致系统压力变得特大)。这个用于增大容量的最佳的高压侧压力通常高于用于增大全部性能系数的最佳的高压侧压力。然而，因为在下拉条件下压缩机流速高于在稳定状态条件下的压缩机流速，所以膨胀装置可以构造成在下拉条件期间具有较大的气流容量。简单的多位置膨胀装置也可以提供这个功能。有多种通过使用电磁阀可以达到实现两个或多位置压力控制系统的方法。
下面的例子中反映了图1中基本系统的改进。因此，使用同样的标号表示压缩机22、气体冷却器24和蒸发器28。在任何的重建或再制造情形下，这些部件也可以与基准系统中的那些相同，也可以进一步被改进。图2中展示了系统60，其中制冷剂流动通道62被分成在气体冷却器24出口和蒸发器28入口之间的两个平行的支路/段64和66。第一个支路64具有第一个固定的膨胀装置68。第二个支路串联地包括电磁阀70和第二个固定的膨胀装置72。虽然电磁阀70显示在第二个固定的膨胀装置72的上游位置，但是这个顺序也可以改变。示例性的电磁阀70具有两种设置/情况，一种设置/情况是全封闭的情况，其中没有通过第二个支路66的流动。第二种设置/情况是全开放的情况，允许经过电磁阀70的具有最少量压力损失的通过第二个支路66的流动。
在稳定状态运行条件期间，当压缩机流速相对地低时，电磁阀70充分地关闭。在下拉条件期间，压缩机流速相对地高。在下拉期间，为了避免超压，电磁阀70是打开的，允许气流通过第二个固定的膨胀装置72。当继续提供优良的系统性能时，膨胀装置68和72的组合调节高压侧压力，以便避免超压。
在操作中，依靠配接到控制器76上的一个或更多的温度传感器75和压力传感器可以探测到下拉条件，该控制器76配接成用以控制电磁阀70。控制器76也可以分别配接到压缩机和/或风扇上，以便控制它们的各自的操作。为了图例的简单，虽然传感器和控制器可能存在，但在下面的例子中没有举例说明它们。
图3展示了系统80，其中制冷剂流通道82具有在第一个固定膨胀装置88上游的两个并联段/支路84和86。第一个支路84包括电磁阀90。第二个支路86包括第二个固定的膨胀装置92。在稳定状态运行条件期间，电磁阀处于关闭状态，以便防止通过第一个支路84的流动。在随后流过第一个膨胀装置88之前，第二个支路86起到了具有限流流过第二个固定的膨胀装置92的旁路的作用。在下拉条件期间，电磁阀90是打开的，允许沿着第一个支路84的必要的非限制流动。小的额外的流动可以流过第二支路86，并且组合的流动然后流过第一个膨胀装置88。在替代实施例中，第一个膨胀装置也可以在支路的上游而不是下游。这个系统的控制方法和部件(没有表明)以及下面论述的那些也可能同系统60中的那些相似。
图4展示了另一个系统100，其中流动通道具有在气体冷却器和蒸发器之间的第一段/支路104和第二段/支路106。固定的膨胀装置108位于第一个支路104中。电磁阀110位于第二个支路106中。电磁阀110组合了电磁阀和固定的膨胀装置的特点。具体地说，同电磁阀90的开放情形相比，仍可以相对地限制该开放情形。因此，通过电磁阀的下拉压降是非常重要的，并且通过电磁阀110和固定的膨胀装置的组合去控制系统的高压侧压力到预置的不变的最佳值。对于稳定状态操作而言，电磁阀110是充分关闭的，并且所有的流动流经膨胀装置108。
图5展示了无支路的系统120，其中，沿着流动通道122，电磁阀120和固定的膨胀装置126串联定位。电磁阀124组合了电磁阀和不同于图4中阀110的固定的膨胀装置的特点。具体地说，电磁阀124的阀元件(如：电磁活塞)可以具有一个小孔，以致它的封闭的条件只是部分地封闭的条件。然而，开放的条件是具有低压降的基本上完全开放的条件。因此，在稳定状态运行条件期间，电磁阀124处于通过相对小的流动和产生基本的压降(单独地和与膨胀装置126组合地)的封闭条件。在稳定状态条件下，电磁阀是打开的，允许基本上由膨胀装置126单独控制流速。如其它系统那样，可以改变系列次序。
图6展示了组合系统80和100的特点的系统140。具体地说，在第一个固定的膨胀装置148的上游，流动通道142具有平行的两段/支路144和146。第一个支路144包括电磁阀150。第二个支路146包括固定的膨胀装置152。同电磁阀124相似，示例性的电磁阀150可以具有仅部分封闭的封闭条件。在下拉条件期间，电磁阀150是打开的。在稳定状态条件期间，沿着每一个支路存在相对地小的流动。在下拉条件期间，大量的流动可流过第一个支路144，剩余的流动流过第二个支路146。
图7展示了另一个系统160，其中流动通道162包括组合了电磁阀和孔功能的电磁阀164。具体地说，电磁阀144的元件包括孔以致封闭条件只是部分封闭。在稳定状态条件期间，电磁阀144是在它的封闭条件，伴随着相当少量的流动流过孔。在下拉条件期间，阀是打开的以致大量的流动通过。
图8展示了系统180，其中流动通道182包括在气体冷却器和蒸发器之间段/支路184和186。电磁阀188和190位于其中每个支路上。这些电磁阀的元件可以包括孔。阀上的独立的控制可以提供两个以上的交替性有效的流动限制。例如，用不同尺寸的孔，两个阀提供四种以上不同的有效的限制。最小的限制可能存在于两个阀都打开时。用一个阀关闭而另一个打开，可以完成一对中间阶段的限制。为了提供在三个最少限制条件下更多的琐细的不同，可以设置支路管道的尺寸或电磁阀的尺寸或可以有附加限制，以致在只有一个阀打开时基本上没有自由的流动。备选的实施例能展示象这样串联的电磁阀，而不是并联的。
可以使用多种传感器和/或用户输入去控制电磁阀。通过传感器74可以获得高压侧压力的直接测量。当这个压力超过一个或多个相关的阈值时，控制器76可以引起电磁阀去采取辅助的相对地自由流动状态。备选地或除高压侧压力测量将是传感器74之外，也可以从空气温度传感器接收输入。示例性的传感器75可以定位成暴露于在或来自冷却器内部的空气(例如，暴露于蒸发器28上游的气流36)。传感器75可以构成恒温控制器的部分。因此，通过消除压力传感器52或74，单独使用这样的一个传感器可以使节约成本成为可能。
对于速度和排出量确定的压缩机而言，通过系统的流量是进入到压缩机内的制冷剂和次要程度上的压缩机的压力比的直接函数。入口密度是饱和温度和制冷剂过热量的直接函数。这些又是空气温度、系统尺寸和负荷的直接函数。对于简单的系统而言，作为流过蒸发器的空气温度的函数，可以在设计阶段确定这些参数。可以产生使蒸发器空气温度与制冷剂进气密度相匹配的相互关系。在操作中，在蒸发器出口的温度传感器75下降到预定值下以前，电磁阀将保持在打开的状态。当这个发生时，电磁阀或电磁阀中的一个是关闭的。对于具有多个电磁阀的系统而言，当温度下拉时，可以重复这个步骤进一步减少有效的膨胀孔面积，以致在系统的高压部分去维持起码的最佳压力。
如果直接检测高压侧压力(例如，通过传感器74)，侧可以利用不同的相互关系。最佳高压侧压力可称为蒸发器温度和任选的周围环境温度的函数。可以操纵单个电磁阀或多个电磁阀去维持压力在确定的限度内。
图9展示了具有可移动盒子202的示例性的冷却器200，该可移动盒子202包含制冷剂和空气处理系统。示例性的盒子202安装在壳体的基座204的隔室内。壳体具有在左墙壁和右墙壁之间的内部腔体206、后壁/槽道216、顶壁/槽道218、前门220及基座的隔室。内部包含支撑饮料容器224的垂直排列的架子222。
示例性的盒子202从基座224前面的栅栏吸入空气流34并且从基座的后部排出空气流34。通过移去或打开栅栏可以由基座前面抽出盒子。示例性的盒子通过后部槽道210和顶部槽道218驱动在循环流动通道上的气流36穿过内部206。
图10进一步展示了示例性的盒子202的细节。热交换器28位于由隔热墙242限定的井240内。热交换器28显示成主要位于盒子的上后部的象限内，并且适应于一般向后传递气流36，为了从后部部分排出到盒子的上部端，在离开热交换器后具有向上翻转。排水管250可以延伸通过墙242的底部，以便传递从气流36中冷凝的水到排水盘252。盘252展示有积累的水254。盘252沿着空气槽道256，空气槽道256传递在热交换器24下游的气流34。积累的水254在气流34内加热的空气中的暴露可促进蒸发。
已经介绍了本发明的一个或更多的实施例。然而，应该理解的是，可以作出没有脱离本发明精神和范围的各种变型。例如，当作为现有系统的再制造或现有系统构造的重建而实施时，现有构造的细节可能影响实施的细节。因此，其它的实施例也应在下列的权利要求的范围内。
Claims (11)
1.一种制冷系统(60；80；100；120；140；160；180)，包括：用于在系统操作的至少第一种模式下沿着流动通道(62；82；102；122；142；162；182)驱动制冷剂的压缩机(22)；
在所述第一种模式下沿着所述压缩机下游的所述流动通道的第一热交换器(24)；
在所述第一种模式下沿着所述压缩机上游的所述流动通道的第二热交换器(28)；以及
在所述第一种模式下在所述第一热交换器(24)的下游和所述第二热交换器(28)的上游的所述流动通道内的压力调节器(68；72；88；92；108，110；124，126；148，152；164；188；190)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压力调节器包括非阀门的固定孔膨胀装置(68；72；88；92；108；126；148；152)。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压力调节器包括与电磁阀(124；150)串联的非阀门的固定孔膨胀装置(126；148)，所述电磁阀(124；150)具有设有孔的阀元件。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压力调节器包括与电磁阀(90；150)和旁路管道(86；146)的并联组合串联的非阀门的固定孔膨胀装置(88；148)。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，存在着并联的这样的第一压力调节器和第二压力调节器。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述制冷剂在主要质量部分上包括二氧化碳；并且
所述第一热交换器和所述第二热交换器是制冷剂-空气热交换器。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述第一热交换器和第二热交换器以及所述压缩机是可作为一个单元从所述系统的壳体中移出的，而不需要在之前腾空所述系统的内容物。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述制冷剂基本上由二氧化碳组成；并且
所述第一热交换器和所述第二热交换器是各自具有相关联的风扇的制冷剂-空气热交换器，第一种模式下的穿过所述第一热交换器的空气流是外部到外部的流动，而第一种模式下的穿过所述第二热交换器的空气流是再循环的内部空气流。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统是冷却器，所述冷却器包括：
在0.3至4.0升尺寸范围内的多个饮料容器。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述冷却器选自：
现金操作的自动售货机；
透明的前门、封闭的后部的陈列柜；以及
顶部进入的冷却器柜。
11.一种制冷系统，包括：
在系统操作的至少第一种模式下沿着流动通道驱动以二氧化碳为基础的制冷剂的压缩机；
沿着所述压缩机下游的所述流动通道的第一热交换器；
沿着所述压缩机上游的所述流动通道的第二热交换器；和
在所述第一热交换器下游的和在第二热交换器上游的所述流动通道内的机构，用于在缺少电子膨胀装置的情况下膨胀所述制冷剂。
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