CN101568769A - 具有经济器、中间冷却器和多级压缩机的制冷剂系统 - Google Patents

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Abstract

一种制冷剂系统具有多级压缩系统。中间冷却器设置在至少两个压缩级之间，以通过与次级流体的相互热传递冷却已经在较低的压缩级中被压缩到中间压力的制冷剂。中间冷却器增强了制冷剂系统性能，提高了压缩机可靠性，并且扩展了操作界限。另外，在该制冷剂系统中结合有至少一个经济器回路，该经济器回路将已经济化制冷剂流返回到在至少两个压缩级之间的位置。

Description

具有经济器、中间冷却器和多级压缩机的制冷剂系统
技术领域
本申请涉及具有多级压缩机的制冷剂系统，该制冷剂系统结合了中间冷却器热交换器和经济器循环的优点。具体地，本申请涉及至少一部分时间运行在跨临界循环中的制冷剂系统。
背景技术
制冷剂系统是已知的，其用于调节次级流体。例如，空调系统对送入气候受控环境内的空气进行冷却和除湿。
基本的制冷剂系统包括压缩机，该压缩机压缩制冷剂并通过排气管路将该制冷剂送往下游至第一热交换器，该第一热交换器就是用于亚临界应用的所谓冷凝器或者用于跨临界应用的气体冷却器。在第一热交换器中，由次级介质(例如环境空气)将热量从制冷剂中移走。来自第一热交换器的制冷剂先经过膨胀装置，再经过第二热交换器或者所谓的蒸发器，在膨胀装置中制冷剂被膨胀到较低的压力和温度，在蒸发器中热量从其他次级流体被传递给制冷剂，这其它次级流体例如是将要被调节并被运送到气候受控环境中的室内空气。然后制冷剂返回压缩机以重复该循环。
为了获得额外的容量、提高系统效率以及获得更高的压缩率，通常是在制冷剂系统中设置多级压缩机。多级压缩机的一些分离的压缩构件或一些分离的压缩机单元串联地布置在制冷剂系统中。具体地，例如在两-级往复压缩机的情况下，两个分离的压缩构件可以由串联连接的不同气缸组代表。由较低级压缩到中间压力的制冷剂从该较低压缩级的排气口被传送到较高压缩级的吸气口。对于多级压缩系统，该过程不断重复。如果压缩机系统的压缩率高(这是多级压缩系统的一般情况)和/或制冷剂吸入温度高(这通常是装备有液体-吸入热交换器的制冷剂系统的情况)，那么制冷剂排气温度也会变得非常高，并且可能超过由安全性或可靠性考虑因素所限定的极限。
因此，在本领域中已知的是在高压缩级和低压缩级之间提供中间冷却器热交换器(或者所谓的中间冷却器)以便扩展操作界限和/或改善系统可靠性。在中间冷却器中，在两个压缩级之间流动的制冷剂一般由次级流体冷却。极常见的是，需要额外的组件和线路以便在中间冷却器中提供制冷剂的冷却。例如，提供风扇或泵以便移动来自于低温度源的次级冷却流体来在中间冷却器中冷却制冷剂。
在制冷剂领域中已知的另一选择是采用经济器循环。经济器循环从液体制冷剂管路分流一部分制冷剂并将分流的制冷剂膨胀到某个中间(在吸气和排气之间)压力。该部分膨胀的分流制冷剂随后流经热交换器，其在该热交换器中与在主制冷剂回路中循环的进入主膨胀装置之前的液体制冷剂流进行热交换。这样，液体管路中的主制冷剂流被冷却，而分流的制冷剂流部分被蒸发并且通常过热。分流的制冷剂随后返回到压缩系统中的中间压力点。同样还已知的是，分离制冷剂的汽相和液相的闪蒸罐可被用作经济器热交换器，本质上为制冷剂系统性能和操作提供类似的优点。
对于多级压缩系统而言，中间冷却器热交换器和经济器循环的结合没有被完全实现，这种结合将对至少部分时间运行在跨临界循环中并且使用自然制冷剂(例如二氧化碳(也称作CO2或R744))的现代制冷剂系统尤为有益。
具体地，对于CO2制冷剂系统，中间冷却器热交换器和经济器循环甚至变得更为重要，这是因为这些系统由高操作压力比导致倾向于在高排气温度下工作，以及因为CO2循环的跨临界性质，还有CO2制冷剂的较高的多变压缩指数。然而，与中间冷却器和经济器相关的线路以及组件的额外成本和复杂性，使得设置中间冷却器可行性很小。然而，出于上述原因，仍然期望为多级压缩机制冷剂系统(特别是CO2制冷剂系统)提供适当的中间冷却器和经济器配置。
发明内容
在本发明所公开的一种实施方式中，制冷剂系统具有串联连接的至少两级压缩级。当从较低的压缩级流向较高的压缩级时，制冷剂渐近地被压缩到较高的压力。在至少两个压缩级之间布置有至少一个中间冷却器，以在制冷剂离开较低级之后进入较高级之前对该制冷剂进行冷却。另外，该制冷剂系统结合至少一个经济器循环，分流的制冷剂部分从经济器分支返回至处在较高和较低压缩级之间的中间压缩点。在一种实施方式中，具有串联连接的至少三级压缩级，分流的制冷剂部分返回至压缩循环中的两级压缩级之间的点，这两级压缩级不同于中间冷却器所处的压缩级。在该实施方式中，中间冷却器优选地设置在已经济化的分流制冷剂的返回点的下游。在另一种实施方式中，中间冷却器和经济器分支的分流制冷剂返回点设置在相同的两级压缩级之间，该已经济化制冷剂返回点优选位于中间冷却器热交换器的下游。
优选地，中间冷却器热交换器设置在多级压缩系统(具有多于两级压缩级)的较高压缩级之间，在这里制冷剂温度已经达到较高值，其在制冷剂和次级流体之间产生了较大的温度差，增强了排热能力，以及提高了制冷剂系统的性能。这在直接或间接地(例如，通过具有中间流体的辅助回路，例如自来水)使用环境空气(特别是高环境温度下的空气)作为次级流体时尤为有益的。中间冷却器和经济器回路的位置可以互换，中间冷却器设置在较低压缩级之间而经济器回路设置在较高压缩级之间，这取决于中间冷却器中所采用的次级流体的温度以及经济器回路的容量与效率的权衡。
另一方面，在策略上将经济器回路设置在较低压缩级之间实现了经济器热交换器中较大的温度差，并因此实现了蒸发器中较高的制冷剂冷却潜能以及提高了制冷剂系统性能(容量和/或效率)。同时，在压缩级之间注入的较低温制冷剂进一步降低了排气温度，提高了整个压缩系统的可靠性，扩展了制冷剂系统的操作界限并且提高了蒸发器去湿能力。最后，将经济器回路设置在较低压缩级之间实现了制冷剂系统卸载策略的更大步长，这是大多数的应用中所期望的。
这在跨临界操作的情况下尤为重要，在这里高压侧温度和压力彼此独立。在跨临界操作中，排气压力不再受排气温度限制，该排气压力能被调节到提供最佳性能水平的值。因此，在这样的情况下，通过最优化排气压力能够进一步提高制冷剂系统的效率和容量。
在另一种实施方式中，中间冷却器和经济器回路设置在相同的压缩级之间。再者，中间冷却器和经济器回路相对于制冷剂流的相对位置主要取决于中间冷却器中所采用的次级流体的温度以及经济器回路的容量-效率权衡。
通过下文的说明和附图可以很好地理解本发明的这些和其他特征，接下来是对附图的简要描述。
附图说明
图1表示结合本发明的制冷剂系统的第一示意图；
图2表示结合本发明的制冷剂系统的第二示意图。
具体实施方式
图1示例了一种制冷剂系统20。三级压缩级24，26和28串联布置在制冷剂系统20中以渐近地将制冷剂从吸气压力压缩到排气压力。虽然多级压缩机系统由串联布置的分离的压缩机单元代表，如图1所示，但是可以采用分离的压缩构件来代替一些或者全部的压缩机单元。具体地，例如在三-级往复压缩机的情况下，三个分离的压缩构件可代表串联连接的不同气缸组。由第一级从吸气压力压缩到第一中间压力的制冷剂从该第一级的排气口被运送到第二级的吸气口。制冷剂蒸汽由第二级压缩到第二中间压力并且从该第二级的排气口被运送到第三级的吸气口。最后，由第三级压缩到排气压力的制冷剂从该第三级的排气口被运送到制冷剂系统的排气管路。中间冷却器热交换器30设置在第二压缩级26和第三压缩级28之间。次级流体，例如由风扇32所吹的空气，穿过中间冷却器30以冷却该制冷剂。
在中间冷却器中冷却制冷剂30提高了系统容量和效率，因为压缩机排气温度降低了，第一或者室外热交换器34(亚临界循环中的冷凝器以及跨临界循环中的气体冷却器)能够将制冷剂冷却到较低的温度，最终给进入蒸发器50的制冷剂提供较高的冷却潜能。压缩机功率也降低了，因为从压缩过程中移走的热量降低了室外热交换器34的工作压力。另外，如果制冷剂系统20运行在跨临界循环中，在该跨临界循环中高压侧的温度和压力彼此独立，排气压力不再受限于排气温度，因此可被调节到与最佳性能水平相对应的值。此外，在亚临界和跨临界循环中，从最高的第三压缩级28排出的制冷剂的温度得到降低，其提高了压缩系统的整体可靠性。因此，制冷剂系统20的性能(效率和容量)得到了提高，并且压缩机的可靠性得到了改善。
本发明对于用CO2作为制冷剂的制冷剂系统尤为有益，因为CO2制冷剂具有高的多变压缩指数值，以及这样的系统的排气操作压力以及压力比可以非常高，其促进了高于正常的排气温度。而且，本发明可扩展到利用其他制冷剂的制冷剂系统。
优选地，中间冷却器热交换器30设置在较高压缩级之间，例如图1中的压缩级26和28，在这里制冷剂温度已经达到较高值，其实现了制冷剂和次级流体之间较大的温度差，增强了排热能力以及提供了制冷剂系统20的卓越性能。这在直接或间接(例如，通过具有中间流体的辅助回路，例如自来水)地用环境空气作为次级流体时尤为有利，特别是在高环境温度下。
来自第三压缩级28的制冷剂经过室外热交换器34，然后到达经济器热交换器36。如已知的，分流管路38的分流制冷剂部分从液体管路40分流。分流管路38中的分流制冷剂经过经济器膨胀装置42，在该膨胀装置中分流制冷剂膨胀至某个中间(在吸气和排气之间)压力。在经济器膨胀装置42中的膨胀过程期间，该分流制冷剂部分的温度也被降低。因此，流经经济器热交换器36的分流的已膨胀制冷剂能够冷却液体管路40中的制冷剂。尽管出于简单示例的目的，在该实施方式中，所示两路制冷剂流在相同的方向上流动，但是在实践中，期望的是将这两路流布置成逆流结构。在经济器热交换器36中与液体管路40中的液体制冷剂进行热量相互传递的过程中，分流的制冷剂部分被蒸发并且通常被过热，并通过蒸汽注入制冷剂管路44返回至第一压缩级24和第二压缩级26之间的中间点46。
在经济器热交换器36的下游，已经在经济器热交换器36中被冷却到较低温度并且因而具有较高冷却潜能的液体管路40中的制冷剂经过主膨胀装置48，在该膨胀装置中该制冷剂被膨胀至接近吸气压力的压力，然后再经过蒸发器50，在该蒸发器中该制冷剂调节供应给气候受控环境的次级流体，而制冷剂在进入压缩系统之前被蒸发并且通常过热。制冷剂从蒸发器50返回到第一压缩机级24以重复该循环。
如已知的，在大多数情况下，经济器循环能够增强性能(容量和/或效率)，降低排气温度，提高可靠性，具有更灵活的卸载策略和更好的去湿能力。策略上将经济器回路返回管路44设置在较低压缩级之间，例如图1中的压缩机级24和26，允许在经济器膨胀装置42中将分流的制冷剂部分膨胀到较低的中间压力，因而可以在经济器热交换器36中在要被冷却的液体管路40中的制冷剂与分流的制冷剂部分之间获得较大的温度差。这些较大的温度差进而实现了液体管路40中的制冷剂的较低温度以及蒸发器50中的较高冷却潜能。因此，通过将经济器循环的蒸汽注入管路44定位在较低压缩级之间，可以显著地提高系统的性能(容量和/或效率)和去湿能力。另外，在压缩级24和26之间注入的较冷制冷剂进一步为制冷剂系统20降低了排气温度，提高了整个压缩系统的可靠性并且扩展了操作界限。再者，这对于跨临界操作的情况尤为重要，在跨临界操作中高压侧的温度和压力彼此不直接关联，即排气压力不再受限于排气温度，该排气压力可被调节到提供最佳性能水平的值。因此，在这样的情况下，通过最优化排气压力能够进一步增强制冷剂系统的效率和容量。另外，这在中间冷却器热交换器30单独无法为制冷剂系统20履行期望的功能和无法保证该制冷剂系统20的操作效率和可靠性的情况下是有用的。最后，将蒸汽注入管路44设置在较低压缩级24和26之间，实现了制冷剂系统卸载的大步长，这是大多数的应用所期望的。
通过结合中间冷却器热交换器30和经济器循环和利用两种改进选择的策略定位置，本发明在性能(容量和/或效率)、可靠性、操作界限扩展、卸载能力、除湿灵活性以及精确控制受调节环境的温度和湿度的能力上提供了最多的益处。
虽然图1中只显示了三级压缩级，但是具有多于三级的压缩级的制冷剂系统也同样是有益的并且属于本发明的范围，该制冷剂系统的经济器回路优选设置在较低压缩级之间，中间冷却器热交换器则设置在较高压缩级之间。进一步地，中间冷却器和蒸汽注入管路44的返回点的位置可以互换，中间冷却器30设置在较低压缩级之间而经济器回路设置在较高压缩级之间，这取决于用于在中间冷却器30中冷却制冷剂的流体的温度(获得完全的逆流结构)以及涉及经济器回路的制冷剂系统容量和效率之间的权衡。
图2显示另一种实施方式60，其中制冷剂系统分别结合了较高压缩级62和较低压缩级64，中间冷却器热交换器66和经济器分支的蒸汽注入管路44的返回点68二者均设置在两个压缩级之间。如图所示，在该实施方式中，相对于制冷剂流，蒸汽注入管路44的返回点68位于中间冷却器66的下游。进一步地，在该实施方式中，用于分流部分制冷剂通过经济器热交换器36的分流管路70设置在经济器热交换器36的下游。经济器回路和经济器膨胀装置72的操作同图1中的实施方式。另外，没有使用图1的风扇32，而是使用流体管道80在中间冷却器热交换器66中冷却制冷剂。例如通过泵(未图示)。与图1的实施方式相比，虽然图2中所示的制冷剂系统60对于操作改善具有较差的灵活性以及潜能，但是结合中间冷却器66以及经济器回路所获得的好处仍然显著。显然，相对于制冷剂流，蒸汽注入管路44的返回点68的位置也可以位于中间冷却器热交换器66的上游，并且该位置取决于管道80中的冷却流体的温度，以提供更有效率的整体逆流配置。具有多于两级压缩级的制冷剂系统也同样能受益于该实施方式，在这里中间冷却器热交换器66和经济器回路设置在相同的压缩级之间。
应当指出的是，本发明可以使用许多不同类型的压缩机。例如，可以采用涡旋式、螺杆式、旋转式或往复式压缩机。较低和较高压缩级的使用可以结合在单个压缩机中，在这种情况下蒸汽注入可以发生在该压缩机的压缩循环的中间位置处。可选地，较高和较低压缩级可由分离的压缩构件代表，蒸汽注入或中间冷却发生在这些级之间。压缩构件可以是分离的压缩机单元或者压缩构件可以是单个压缩机的一部分，这是往复压缩机的情况，对于该往复压缩机，每个压缩构件可由单个的气缸组表示。利用本发明的制冷剂系统可以应用在许多不同的应用中，包括但是不限制于，空调系统、热泵系统、海运集装箱单元、冷冻卡车-拖车的系统以及超市制冷应用。
尽管已公开了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员会认识到在本发明的范围内可以进行一些改动。由于该原因，由应由权利要求来确定本发明的真实范围和内容。

Claims (30)

1.一种制冷剂系统，包括：
相对于制冷剂流成串联连接的至少两级压缩级，设置在所述至少两级压缩级下游的冷凝器，设置在所述冷凝器下游的膨胀装置和设置在所述膨胀装置下游的蒸发器，制冷剂经过所述至少两级压缩级至所述冷凝器、所述主膨胀装置和所述蒸发器，随后返回至所述至少两级压缩级中的较低压缩级；以及
结合在该制冷剂系统中的经济器回路，所述经济器回路包括经济器热交换器，所述经济器热交换器用于接收从主回路的液体管路中分流的一部分制冷剂，该部分制冷剂被膨胀到中间压力，所述分流的被膨胀制冷剂冷却在所述液体管路中流动通过所述经济器热交换器的制冷剂，然后所述分流制冷剂返回至所述至少两级压缩级之间的注入点，在所述至少两级压缩级之间设置有中间冷却器热交换器。
2.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：至少两级压缩级由分离的压缩机单元代表。
3.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：至少两级压缩级由同一压缩机中的多个压缩构件代表。
4.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：具有至少三级所述压缩级，并且所述分流制冷剂的所述注入点和所述中间冷却器设置在不同的压缩级之间。
5.根据权利要求4所述的制冷剂系统，其特征在于：相对于制冷剂流，所述中间冷却器设置在较高压缩级之间，所述注入点则设置在较低压缩级之间。
6.根据权利要求4所述的制冷剂系统，其特征在于：相对于制冷剂流，所述中间冷却器设置在较低压缩级之间，所述注入点则设置在较高压缩级之间。
7.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述分流制冷剂的所述注入点和所述中间冷却器设置在相同的压缩级之间。
8.根据权利要求7所述的制冷剂系统，其特征在于：相对于制冷剂流，所述中间冷却器设置在所述注入点的下游。
9.根据权利要求7所述的制冷剂系统，其特征在于：相对于制冷剂流，所述中间冷却器设置在所述注入点的上游。
10.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述分流制冷剂从所述经济器热交换器上游的位置分流。
11.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述分流制冷剂从所述经济器热交换器下游的点分流。
12.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述制冷剂系统至少一部分时间运行在跨临界循环中。
13.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述制冷剂系统至少一部分时间运行在亚临界循环中。
14.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述制冷剂系统采用CO2作为制冷剂。
15.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述中间冷却器和所述注入点相对于制冷剂流的相对位置的限定，至少部分是基于供应给中间冷却器的次级流体源的温度和由经济器回路提供的容量和效率的相对重要性中的至少一个。
16.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述中间冷却器和所述注入点相对于压缩级的绝对位置的限定，至少部分是基于排气温度、环境条件、要求的制冷剂系统效率，要求的制冷剂系统容量，要求的卸载选择和供应给中间冷却器的次级流体源的温度中的至少一个。
17.一种运行制冷剂系统的方法，包括下述步骤：
(1)提供相对于制冷剂流成串联连接的至少两级压缩级、设置在所述至少两级压缩级下游的冷凝器、设置在所述冷凝器下游的膨胀装置和设置在所述膨胀装置下游的蒸发器，制冷剂经过所述至少两级压缩级至所述冷凝器、所述主膨胀装置和所述蒸发器，随后返回至所述至少两级压缩级中的较低的压缩级；以及
(2)提供结合在该制冷剂系统中的经济器回路，所述经济器回路包括经济器热交换器，该经济器热交换器用于接收从主回路中的液体管路中分流的一部分制冷剂，该部分制冷剂被膨胀到中间压力，用所述分流的被膨胀制冷剂冷却在所述液体管路中流动经过所述经济器热交换器的制冷剂，所述分流制冷剂随后返回至所述至少两级压缩级之间的注入点，以及将中间冷却器热交换器设置在所述至少两个压缩级之间。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：具有至少三级所述压缩级，所述分流制冷剂的所述注入点和所述中间冷却器设置在不同的压缩级之间。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：相对于制冷剂流，所述中间冷却器设置在较高的压缩级之间，所述注入点则设置在较低的压缩级之间。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：相对于制冷剂流，所述中间冷却器设置在较低的压缩级之间，所述注入点则设置在较高的压缩级之间。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述分流制冷剂的所述注入点和所述中间冷却器设置在相同的压缩级之间。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：相对于制冷剂流，所述中间冷却器设置在所述注入点的下游。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：相对于制冷剂流，所述中间冷却器设置在所述注入点的上游。
24.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述分流制冷剂从所述经济器热交换器上游的位置分流。
25.根据权利要求所述17的方法，其特征在于：所述分流制冷剂从所述经济器热交换器下游的点分流。
26.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述制冷剂系统至少一部分时间运行在跨临界循环中。
27.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述制冷剂系统至少一部分时间运行在亚临界循环中。
28.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述制冷剂系统采用CO2作为制冷剂。
29.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述中间冷却器和所述注入点相对于制冷剂流的相对位置的限定，至少部分是基于供应给中间冷却器的次级流体源的温度和由经济器回路提供的容量和效率的相对重要性中的至少一个。
30.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述中间冷却器和所述注入点相对于压缩级的绝对位置的限定，至少部分是基于排气温度、环境条件、要求的制冷剂系统效率、要求的制冷剂系统容量、要求的卸载选择和供应给中间冷却器的次级流体源的温度中的至少一个。
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