CN101573568A - 具有膨胀器的系统的制冷剂注入 - Google Patents

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Abstract

一种制冷剂系统包括膨胀器。至少部分制冷剂绕过蒸发器被注入压缩过程，以冷却主制冷剂气流和压缩机元件。在所公开的实施方式中，注入制冷剂可在膨胀器中部分膨胀，并被导入压缩机吸气或压缩过程中的中间点。阀可控制注入制冷剂量，以获得制冷剂系统的期望操作特性。

Description

具有膨胀器的系统的制冷剂注入
技术领域
本申请涉及一种制冷剂系统，该制冷剂系统利用膨胀器提供更有效的膨胀过程，并从这膨胀过程回收至少部分能量，至少部分被膨胀的制冷剂被注回压缩过程，以降低排气温度。
背景技术
制冷剂系统利用通常在闭环制冷剂循环中循环的制冷剂，调节要被送到气候受控环境的次级流体，如空气、水或乙二醇溶液。通常，在基本的制冷剂系统中，压缩机压缩制冷剂，并将该制冷剂输送至第一换热器，该第一换热器对于亚临界应用是冷凝器，对于跨临界应用则是气体冷却器。在第一换热器中，热量从制冷剂排出并由另一次级流体吸收，如环境空气。来自第一换热器的制冷剂经过膨胀过程，在膨胀过程期间该制冷剂的压力和温度都降低。在膨胀装置的下游，制冷剂经过第二换热器，或所谓的蒸发器，然后回到压缩机。在第二换热器中，制冷剂被蒸发，且通常被过热，同时冷却要输送至气候受控环境的次级流体。
膨胀装置可为所谓的被动或主动类型。被动膨胀装置通常以节流孔或阀为代表。通过这些装置的制冷剂膨胀遵循低效等焓热力学过程。在制冷剂系统中已知的一种选择是使用主动膨胀装置或膨胀器，主动膨胀装置遵循热力学上更有效的等熵过程，主动膨胀装置可为涡轮、活塞膨胀器(自由活塞型或连接活塞型)，涡旋膨胀器、螺杆膨胀器或将制冷剂从高压膨胀至低压的任何其他类型膨胀器。该膨胀器通常从该膨胀过程回收至少部分能量，该至少部分能量被用于至少部分地驱动其他部件，如制冷剂系统的多个部件之一，例如压缩机、风扇或泵。通过回收这部分能量和利用在热力学上更有效的等熵膨胀过程，这些膨胀器提高了制冷剂系统的性能(效率和容量)。
在多种制冷剂系统设计中所使用的另一特征是将部分制冷剂注回压缩过程。注入压缩过程的制冷剂通常为气态和液态的两相混合物。该气液混合物冷却压缩机元件以及主压缩制冷剂流。在这较冷的两相混合物经历蒸发和与较热的主制冷剂蒸汽混合时，主制冷剂流得到冷却。
制冷剂注入冷却特征对高压制冷剂系统更加重要，特别是对于运行在跨临界循环中的制冷剂系统，如CO2制冷剂系统。相比以前使用的常规制冷剂，这些制冷剂在更高压力和更高压力比下运行，由此促成更高的排气温度。此外，在大多数情况下，跨临界循环比常规的亚临界循环效率低，其需要更高的排气压力或增强性能的其它手段，例如，吸液式换热器，这两者都提高了制冷剂的排气温度。具体来说，CO2制冷剂具有较高多变指数值(相比其他的常规制冷剂)，该较高多变指数值也不受欢迎地影响排气温度。另一方面，在跨临界循环中，压力和温度实质上相互独立，所以排气温度的降低可带来性能优化、操作界限扩展和可靠性改善的额外好处。
这种注入制冷剂的使用在本领域中是已知的，本领域技术人员会获知何时希望注入制冷剂以及期望注入制冷剂的多少。例如，制冷剂可注入压缩过程以维持压缩机的排气温度，从而控制排气或吸气过热，等等。
不过，从未有人提出过这样一种制冷剂系统，尤其与可在跨临界循环中运行的CO2应用相关的制冷剂系统，该系统使用结合了制冷剂注入冷却的膨胀器。
发明内容
在本发明公开的实施方式中，制冷剂系统结合了膨胀器，该膨胀器被用于有效地将制冷剂从高压膨胀至低压，并从该膨胀过程回收至少部分能量以协助驱动该制冷剂系统的多个部件之一。在一种公开的实施方式中，该膨胀器协助驱动与该制冷剂系统相关的至少一个压缩机。与此同时，在该膨胀器中至少部分已经膨胀的制冷剂部分被注入压缩过程，以降低在压缩机中压缩的主制冷剂流的排气温度。在现有技术中，注入制冷剂转移自膨胀装置上游的位置，因此该转移的制冷剂并未膨胀(甚至是通过膨胀器部分膨胀)，所以相比本发明，现有技术制冷剂系统中可从膨胀过程回收的膨胀很少。
在一种公开的实施方式中，从膨胀器中的膨胀过程的中间点取来的制冷剂部分，被返回至通向单级或多级压缩机的吸气管路。在另一种实施方式中，从膨胀器中的膨胀过程的中间点分流部分制冷剂，并将该部分制冷剂返回至压缩过程的中间点，该中间点可位于多级压缩级之一内或多级压缩级之间。
在另外一种实施方式中，从膨胀器下游取部分制冷剂并将其注入压缩机吸气。在所有情况下，蒸发器被这部分注入制冷剂绕过。
在另外一种实施方式中，部分制冷剂从膨胀器的上游分流，并被注入压缩机吸气或压缩过程中的中间点，该中间点可位于多级压缩级之一内或多级压缩级之间。尽管每种实施方式都使用单一分流点和单一注入点，但是多个上述分流和注入位置的结合也是可行的，并仍在本发明范围内。
在上述考虑的所有情况下，注入压缩过程的制冷剂处于较低的温度，且在许多情况下，其为两相混合物。因此，该制冷剂能够冷却压缩机的多个元件以及主压缩制冷剂蒸气流。制冷剂注入冷却特征对于高压制冷剂系统更为重要，尤其是对运行在跨临界循环中的制冷剂系统，如CO2制冷剂系统，该系统在更高压力和更高压力比下运行，其促成更高的排气温度。此外，效率较低的跨临界循环需要更高的排气压力或增强性能的其他手段，例如吸液式换热器，这两者都进一步增加了制冷剂的排气温度。具体来说，CO2制冷剂具有较高的多变指数值，其也不受欢迎地影响排气温度。另一方面，在跨临界循环中，压力和温度相互独立，因此降低排气温度可带来性能优化、操作界限扩展和可靠性改善的额外好处。
在其他特点中，制冷剂流量控制装置，如阀，可结合在制冷剂返回管路上，并且可控制该流量控制装置以获得压缩过程中的期望条件。例如，可控制注入制冷剂量以获得期望的排气温度、排气过热，吸气过热等等。例如，该阀可为开/关阀或由多种脉冲或调制技术之一控制，或者该阀也可以是具有可调开口的阀以根据制冷剂系统的测得的操作特性(例如排气温度或吸气过热)来控制注入制冷剂量。同样，本领域技术人员可认知注入多少制冷剂，以及何时期望这样做。本文的发明点就是膨胀器与制冷剂注入冷却的结合使用。从如下描述和附图可以很好地理解本发明的这些及其他特点，接下来是附图的简要说明。
附图说明
图1显示了第一示意图；
图2显示了第二示意图；
图3显示了第三示意图。
具体实施方式
图1显示了结合压缩机22的制冷剂系统20，该压缩机压缩制冷剂并将该制冷剂输送至冷凝器(在亚临界应用中)或气体冷却器(在跨临界应用中)24。在冷凝器或气体冷却器24的下游，制冷剂经过膨胀器26。众所周知，膨胀器可以像涡轮一样运行，其接收压缩制冷剂来驱动膨胀器26的转子。其他膨胀器类型，如活塞膨胀器(自由活塞型或连接活塞型、涡旋膨胀器和螺杆膨胀器，在本领域也都是已知的。在膨胀器26中，制冷剂从较高压膨胀到较低压，遵循更有效的等熵(与等焓相比)膨胀过程，并提供了从该膨胀过程回收能量的机会。图1示意性地示出动力供应连接机构28，该连接机构可为在膨胀器26和压缩机22之间延伸的轴，以通过从膨胀过程回收至少部分能量来协助驱动压缩机22。除了通过轴或变速箱连接机构直接利用机械动力之外，其他能量回收手段，如转换为电能，也是本领域已知的。应当认识到，压缩机22可为多级压缩机，这些级可以串联或并联。替代地，膨胀器26可驱动作为制冷剂系统20一部分的其他部件(风扇、辅助泵等)，或者它可驱动制冷剂系统20外部的其他部件。在结合了主压缩机和次压缩机的制冷剂系统中，膨胀器26可只协助驱动压缩机22，或完全驱动次压缩机。在任何情况下，通过回收膨胀过程的能量，制冷剂系统20的性能(效率和能力)都会得到提高。图没有显示膨胀器的细节，因为它们在本领域都是已知的。在该实施方式中，在膨胀器26的外壳中形成分流端口，以在需要时分流至少部分已至少部分膨胀的制冷剂进入返回管路30中。在其它方面，膨胀器如本领域所知的那样操作。
在膨胀器26的下游，制冷剂穿过蒸发器34，然后返回到压缩机22。
本发明结合了制冷剂返回管路30，该返回管路30将至少部分已部分膨胀的制冷剂(在本实施方式中)返回经过控制阀32至通向压缩机22的吸气管路。该返回制冷剂的温度低于从蒸发器34流至压缩机22的制冷剂的温度。供应该较冷制冷剂的各种好处可包括：降低离开和/或进入压缩机22的制冷剂温度，以及为压缩机22的多种元件提供冷却。此外，通过控制通过控制阀32的制冷剂量，可以按需要调整这些温度。
控制器23操作控制阀32来控制返回制冷剂量，以调整期望的操作特性，例如制冷剂系统20的排气温度、吸气过热和排气过热。控制阀32可设有脉宽调制控制，使得该阀可由控制器23迅速开启和关闭以精确调整注入制冷剂量。阀的各种脉宽调制控制是众所周知的，然而它们并未被结合到具有膨胀器26和冷却制冷剂返回管路30的制冷剂系统20中。控制阀32也可具有可调开口以按需精确测量注入制冷剂的量。
此外，如上面所提及的，由于部分膨胀的注入制冷剂被从膨胀器中的中间位置转移至压缩机，该转移的部分膨胀制冷剂参与部分膨胀过程，由此增加可从该膨胀过程回收的能量。
图2显示另一种实施方式40，在该实施方式中有由两级压缩级42和44组成的双级压缩机。众所周知，两级压缩级42和44可为两个独立的压缩机单元或同一压缩机内的两级压缩级，例如往复式压缩机内的两组汽缸。动力供应连接机构28只协助驱动一个较低级压缩机42。要理解的是，替代地，较高级压缩机44可利用从膨胀器26回收的能量。在本实施方式中，离开膨胀器26的制冷剂通过返回管路46返回到处在压缩级42和44之间的中间返回点50中。返回管路46还具有控制阀48。控制阀48的操作类似于控制阀32。本实施方式的不同之处在于：制冷剂返回管路46的返回点50是处在多级压缩机系统的两级压缩级42与44之间的中间位置。该制冷剂系统的功能类似于图1的实施方式。需注意的是，制冷剂系统40可采用两个以上的连续压缩级，且注入返回点可位于任意的这些压缩级之间。
图3显示了另一种实施方式60，其类似于图1的实施方式。然而，返回管路64取自膨胀器26下游的点68。同样地，控制控制阀66，使得到达压缩机62的制冷剂量得到调整，以获得制冷剂系统60的期望特性。在这种布置中，可以在点68与蒸发器34的入口之间增加节流孔或其他流量限制装置，以确保有足够的压差驱动期望量注入制冷剂通过制冷剂返回管路64。此外，在本实施方式中，注入制冷剂参与整个膨胀过程，使得从膨胀过程可回收最大能量，其提高了制冷剂系统60的性能(能力和效率)。
尽管在图1-3的实施方式中至少部分制冷剂是从该制冷剂已至少部分膨胀的地方分流，在某些应用中，有可能从冷凝器或气体冷却器24与膨胀器26中间的位置分流制冷剂，这时候几乎未产生膨胀，并将这部分制冷剂重新送至压缩机吸气或压缩过程中的中间点，上文已对此进行解释。
尽管每种实施方式都是使用单一分流点和单一注入点，但是多个分流和注入位置的组合也是可行的，并且仍在本发明范围内。此外，应该指出的是，对于采用串轴式压缩机的制冷剂系统，可以向所有串轴式压缩机或只向某些成串轴操作的压缩机提供制冷剂注入以及回收能量连接。
如上文所述，制冷剂注入冷却特点对于高压制冷剂系统更为重要，尤其对于在跨临界循环中运行的制冷剂系统，如CO2制冷剂系统，这些高压制冷剂系统在高压和高压力比下运行，其促成更高的排气温度。此外，低效跨临界循环需要更高的排气压力或增强性能的其他手段，例如吸液式换热器，这两者都进一步提高制冷剂排气温度。具体来说，CO2制冷剂具有较高的多变指数值，其也不受欢迎地影响排气温度。另一方面，在跨临界循环中，压力和温度相互独立，这为制冷剂系统设计者提供了额外的灵活性和设计机会。因此，由本发明制冷剂注入所提供的排气温度的降低，与膨胀器提供的循环增强机会一起，对于这些应用中的性能优化、操作界限扩展和可靠性改善是更加重要且更加有益的。
尽管已公开了本发明的优选实施方式，本领域技术人员仍可认识到在本发明范围内可以进行某些改动。出于该原因，应由权利要求书确定本发明的真正范围和内容。

Claims (28)

1.一种制冷剂系统，包括：
压缩机，该压缩机可操作压缩制冷剂并输送该制冷剂至下游的第一换热器，来自所述第一换热器的制冷剂流过膨胀器，在该膨胀器中制冷剂膨胀并驱动膨胀器元件，所述膨胀器元件的机械运动用于至少部分地驱动至少一个部件，在所述膨胀器下游流动的制冷剂经过第二换热器，该制冷剂从所述第二换热器经过压缩机吸气管路回到所述压缩机；以及
至少部分制冷剂从所述第一和第二换热器中间的位置分流，该位置在所述第一换热器的下游，该至少部分制冷剂通过返回管路返回至处于所述第二换热器下游并处于第一换热器上游的位置。
2.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述至少一个部件是所述压缩机。
3.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述返回制冷剂返回至所述压缩机上游的吸气点。
4.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述返回制冷剂返回至所述压缩机中的中间点。
5.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述返回制冷剂在所述膨胀器中至少部分已被膨胀。
6.根据权利要求5所述的制冷剂系统，其特征在于：所述返回制冷剂从所述膨胀器中的膨胀过程的中间点分流。
7.根据权利要求5所述的制冷剂系统，其特征在于：所述返回制冷剂从所述膨胀器下游的位置分流。
8.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：在所述返回管路中布置有流量控制装置，所述流量控制装置可操作控制返回制冷剂量。
9.根据权利要求8所述的制冷剂系统，其特征在于：所述流量控制装置是阀，且所述阀由多种脉宽调制技术之一控制。
10.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述压缩机包括至少两级压缩级。
11.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述压缩机包括至少两级压缩级，且所述返回制冷剂返回至所述两级压缩级之间的点。
12.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述压缩机包括至少两级压缩级，所述膨胀器元件被用于协助驱动所述至少两级压缩级中的至少一级。
13.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述压缩机包括成串轴操作的至少两个压缩机，所述膨胀器元件被用于协助驱动所述至少两个串轴式压缩机中的至少一个。
14.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述压缩机包括成串轴操作的至少两个压缩机，所述返回制冷剂返回至至少两个串轴式压缩机中的至少一个。
15.一种操作制冷剂系统的方法，包括如下步骤：
(1)提供压缩机，该压缩机压缩制冷剂并输送该制冷剂至下游的第一换热器，来自所述第一换热器的制冷剂流过膨胀器，在该膨胀器中制冷剂膨胀并驱动膨胀器元件，所述膨胀器元件的机械运动用于至少部分驱动至少一个部件，在所述膨胀器下游流动的制冷剂经过第二换热器，并从所述第二换热器经过压缩机吸气管路返回至所述压缩机；以及
(2)从所述第一和第二换热器中间的位置分流至少部分制冷剂，该位置在所述第一换热器的下游，该至少部分制冷剂通过返回管路返回至处于所述第二换热器下游并处于所述第一换热器上游的位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述至少一个部件是所述压缩机。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述返回制冷剂返回至所述压缩机上游的吸气点。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述返回制冷剂返回至所述压缩机中的中间点。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述返回制冷剂在所述膨胀器至少部分已被膨胀。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：所述返回制冷剂从所述膨胀器中的膨胀过程中间点分流。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：所述返回制冷剂从所述膨胀器下游的位置分流。
22.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：在所述返回管路中布置流量控制装置，操作所述流量控制装置来控制返回制冷剂量。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：所述流量控制装置是阀，所述阀由多种脉宽调制技术之一控制。
24.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述压缩机包括至少两级压缩级。
25.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述压缩机包括至少两级压缩级，所述返回制冷剂返回至所述两级压缩级之间的点。
26.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述压缩机包括至少两级压缩级，所述膨胀器元件被用于协助驱动所述至少两级压缩级中的至少一级。
27.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述压缩机包括成串轴操作的至少两个压缩机，所述膨胀器元件被用于协助驱动所述至少两个串轴式压缩机中的至少一个。
28.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述压缩机包括串轴操作的至少两个压缩机，所述返回制冷剂返回至所述至少两个串轴式压缩机中的至少一个。
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