CN101636622B - 具有可变容积式膨胀机的制冷系统 - Google Patents

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Abstract

一种制冷系统，其结合有一种可变容积式膨胀机。旁通管线选择性地将抵达膨胀机的制冷剂的至少一部分旁通到在该膨胀机内的中间膨胀点。和现有技术相比，在该方式中制冷剂膨胀过程被更有效地控制。

Description

具有可变容积式膨胀机的制冷系统
技术领域
本申请涉及制冷系统，其中通过膨胀机提供膨胀过程。通过控制被分流到膨胀机内的中间膨胀点的制冷剂的量，该膨胀机的容积能够被改变。正如下面将会详述的那样，通过控制被分流的制冷剂的量，整个制冷系统能够被更加有效地控制和运行。
背景技术
制冷系统在空调和制冷技术中是公知的，并且被利用以便对输送到被气候控制的地方或空间的二次流体(例如，空气、水或乙二醇溶液)进行调节。在基本的制冷系统中，压缩机对制冷剂进行压缩，并将该制冷剂向下游输送到第一热交换器，在该第一热交换器处热量被直接或间接地从该制冷剂排到周围环境。从该第一热交换器，该制冷剂会经过膨胀过程，在该过程中该制冷剂将会被膨胀到更低一些压力和温度，然后该制冷剂会通过第二热交换器，在该第二热交换器处由该制冷剂接受来自第二流体的热量，以便冷却将被输送到室内环境的该第二流体。对于在制冷剂临界点之下的系统运行(或者所谓的亚临界运行)而言，第一热交换器常常被称作冷凝器，而对于在制冷剂临界点之上的系统运行(或者所谓的超临界运行)而言，第一热交换器常常被称作气体冷却器。第二热交换器通常运行在亚临界两相区域内，并且被称作蒸发器。
在公知的制冷系统中利用到的一个性能增强选项是膨胀机的使用。同限制型膨胀装置(无论是固定类型还是可调整类型)相比，膨胀机给予了更有效的等熵膨胀过程这样的优点，并且和限制型膨胀装置所用的等焓过程相比在蒸发器中导致了更高的制冷剂冷却潜力。同样，某些膨胀功被恢复以协助驱动制冷系统部件中的至少一个。膨胀功恢复以及在蒸发器内实现的额外的制冷剂冷却潜力这两者对于制冷系统运行而言都是有益的，因为这两者都增大了制冷系统的容量和效率。
对于CO2制冷剂应用，膨胀机的使用特别重要，这是因为在相对基础上，膨胀机对CO2制冷剂比对传统制冷剂提供了大得多的热力循环改善。由于在绝对温标上，CO2系统并不像那些采用常规制冷剂(例如，R22、R410A、R404A、R407C、R134a，等等)的系统一样热力有效，所以在CO2系统内使用膨胀机也是很重要的。
在膨胀机使用中的一个问题涉及到对经过该膨胀机的制冷剂的量进行控制的难度。另外，由于这些系统中CO2循环的跨临界的本质，所以这些系统比采用常规制冷剂的那些系统对于制冷剂填充管理更加敏感。
现有技术的系统依赖在膨胀机周围的制冷剂旁通管(从膨胀机的入口到其出口)来对流经该系统的制冷剂进行调整。换言之，制冷剂流量的一部分被短路以直接从排热热交换器出口进入到蒸发器入口。这种旁通管的使用被证明是没有效率的，这是因为被旁通的制冷剂代表了从膨胀机入口到其出口的直接“泄漏”，该被旁通的制冷剂不参与到功恢复中，并且被公知是导致膨胀机缺乏效率的主要贡献者之一。
发明内容
在本发明所公开的实施例中，通过在膨胀机中提供中间压力端口来调整该膨胀机容积。如果期望使更多的制冷剂通过膨胀机，那么来自该膨胀机入口的制冷剂流量的一部分被分流到该中间膨胀端口。通过被放置在该旁通管线内的合适的尺寸大小和/或足以满足需要的限制部，来控制通过膨胀机的制冷剂的量。优选地，通过流量控制装置(例如，阀)来控制该旁通管线内的制冷剂的流量。举例来说，该阀可以是开/关(ON/OFF)类型，例如，电磁阀。该阀还可以是可调整限制(调制)类型，或者脉动类型，以用于对通过该旁通管线的制冷剂流量的更精确的控制。如果膨胀机包括被彼此串联安装的多个膨胀级或多个膨胀机，那么类似的技术也可以被使用。在这种情形中，一些制冷剂被从上游膨胀级的入口分流进入到位于下游的膨胀级的入口。换言之，在这种情形中，制冷剂被注入到这些膨胀级之间。
在本发明中，通过消除了从高压的排热热交换器到低压的蒸发器的直接“泄漏”途径来提高膨胀过程的效率，同时保持有对通过该膨胀机的制冷剂的量提供精确控制的能力。此外，由于更有效率的等熵过程以及从旁通的制冷剂获得的额外的功恢复，所以制冷系统的运行性能得以提高。
附图说明
从以下详细说明以及附图，本发明的这些特征以及其它特征能够被最佳地理解，以下是对附图的简要说明。
图1示意性示出了现有技术的制冷系统。
图2示出了创造性的制冷系统。
图3示出了创造性的制冷系统的另一个示意性图示。
具体实施方式
图1中图示出现有技术的制冷系统20。正如所公知的那样，压缩机22对制冷剂进行压缩，并将该制冷剂输送到排热热交换器24，该排热热交换器24对于亚临界应用而言是冷凝器，且对于跨临界应用而言是气体冷却器。离开排热热交换器24后，膨胀至更低一些的压力和温度的制冷剂驱动膨胀机26。膨胀机26被示意性示出，并且包括被膨胀流体驱动的移动构件。通过该膨胀机恢复的膨胀功可以被直接地或间接地利用以协助驱动制冷系统部件中的至少一个。换言之，或者直接通过耦接器、离合器、齿轮箱等，或者可被用来驱动发电机以产生电能，该膨胀机能够被连接到其它系统部件，例如，压缩机、风扇或者泵。
为了控制通过膨胀机的膨胀过程，现有技术的制冷系统已经利用了旁路管线28，该旁路管线28在运行情况中当该膨胀机不能处理所有膨胀的制冷剂流量时，则将该制冷剂的至少一部分从排热热交换器24的出口引至蒸发器36的入口。在当膨胀机不能处理所有膨胀的制冷剂流量时的情形中，制冷系统的性能将变成次优化的，其中排热热交换器内的制冷剂压力上升到期望的水平之上，并且蒸发器过热也会潜在地增加到期望值之上。到旁路管线28的入口32延伸至出口点33。当旁通阀34打开时，制冷剂能够流动通过旁通管线28，因而移动通过该回路的制冷剂的量可以增加。不过，该旁通管的使用是没有效率的，这是因为它实质上造成了旁路绕过膨胀机26的高到低的冷却剂“泄漏”。换言之，随着更多的冷却剂被旁路绕过膨胀机26，由该膨胀机恢复的有用的功就越少。此外，冷却剂流动通过旁通阀34的一部分会经历等焓膨胀，该等焓膨胀比膨胀机26内的等熵膨胀过程具有更低的热力效率。
图2中作为制冷系统50示出了本发明。这里，旁通管入口32导向旁通管线52。一个限制部54可以被置于该旁通管线52上，且点56将旁通管线52终止在膨胀机26内的中间膨胀点处。限制部54可以是开/关阀、调制阀或者脉动阀。在该发明中，当制冷剂的至少一部分旁路通过阀54时，全部的制冷剂仍然会移动通过并退出膨胀机26。该制冷剂旁路通过阀54的那部分从中间膨胀点56到膨胀机退出点58继续经历膨胀过程。在该方式中，来自经过旁通管线52的制冷剂的膨胀功的一部分仍会在膨胀机26内被恢复，并且制冷剂被旁通的部分将被(至少部分地)等熵膨胀。同时，通过同一个阀54，膨胀机26上游的压力能够被控制，以便最优化制冷系统50的运行。
通过包括可变容积式膨胀机，本发明增大了制冷系统的效率和容量，同时将系统运行控制在最优域中。本发明可以被扩展至包括若干膨胀级的膨胀机，就像例如，可以是用于多级涡轮机的情形。本发明还可以被扩展至彼此被串联安装的多个膨胀机的系统构造。在这种情形中，如图3中所示的实施例70，中间膨胀点156位于膨胀级(或独立的膨胀机)26A与26B之间。当然，多于两个的膨胀机可以被串联安装，其中旁通管线被引至位于任何级之间的点处。另外，当多于两个的膨胀级被串联连接时，可以安装多于一个的旁通管线。
同样，如果需要，可以具有多个旁通管线52。如图3中所示的实施例，一个旁通管线52从第一膨胀级26A上游的点200延伸通过旁通阀54到达同一膨胀级26A的中间膨胀点202，同时另一个旁通管线52也结合旁通阀154，从第一膨胀级26A的上游的点32延伸到两个膨胀级26A和26B中间的点156。显然，上游的点32和200也可以被组合成一个单独的点。
如上所述，旁通阀54可以是可变面积式的，以便对将多少制冷剂引至旁通管线52中提供依赖条件的控制。旁通阀54还可以以脉冲宽度调制方式运行，例如，旁通阀54迅速地在“开启”和“关闭”位置之间循环。
本发明特别适合于用在将CO2作为制冷剂并入的制冷系统中，在这种制冷系统中使用膨胀机的益处是最显著的。
应当指出的是，许多不同的膨胀机和压缩机类型可以被用在本发明中。例如，可以采用涡卷式、螺旋式、旋转式或者往复式膨胀机和压缩机。
利用了本发明的制冷系统可以被用在许多不同的应用中，包括但不限于，空调系统、热泵系统、船舶集装箱单元、制冷式卡车拖车单元、以及超市制冷系统。
尽管已经公开了本发明的优选实施例，但是本领域中的技术人员将会认识到在本发明的范围内将能实现某些修改。由于该原因，所以应当对所附权利要求进行研究以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种制冷系统，包括：
压缩机，所述压缩机对制冷剂进行压缩，并且将所述制冷剂输送到下游的排热热交换器，来自所述排热热交换器的所述制冷剂经过膨胀机，所述膨胀机可操作以从所述制冷剂的膨胀过程恢复至少一部分功；以及
旁通管线，用于选择性地将至少一部分制冷剂从所述膨胀机上游的点旁通到在所述膨胀机内的中间压力点。
2.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述旁通管线具有制冷剂流量限制部。
3.如权利要求2所述的制冷系统，其特征在于，所述制冷剂流量限制部是阀。
4.如权利要求3所述的制冷系统，其特征在于，所述阀是开/关阀。
5.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，所述开/关阀具有在开启和关闭位置之间迅速循环的能力。
6.如权利要求5所述的制冷系统，其特征在于，所述阀的循环率是在1秒至60秒之间。
7.如权利要求2所述的制冷系统，其特征在于，所述制冷剂流量限制部具有可变的节流面积。
8.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，来自所述制冷剂的膨胀过程的所述恢复的部分功被用来协助驱动制冷系统部件中的至少一个。
9.如权利要求8所述的制冷系统，其特征在于，所述系统部件是所述压缩机。
10.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述膨胀机包括多个膨胀级。
11.如权利要求10所述的制冷系统，其特征在于，所述多个膨胀级中的至少一个是独立的膨胀机。
12.如权利要求10所述的制冷系统，其特征在于，所述旁通管线将所述制冷剂从所述多个膨胀级的上游位置旁通到所述多个膨胀级中位于下游的一个膨胀级的上游位置。
13.如权利要求10所述的制冷系统，其特征在于，具有多个旁通管线，所述多个旁通管线从所述多个膨胀级的上游位置延伸到该多个膨胀级中位于下游的一个对应膨胀级的上游位置。
14.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述制冷剂是CO2。
15.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述被恢复的功被用来通过提供转动能和电能中的至少一种来给制冷系统部件中的至少一个或发电机提供动力。
16.一种操作制冷系统的方法，包括步骤：
1)压缩制冷剂，然后将所述制冷剂输送到下游的排热热交换器，所述制冷剂从所述排热热交换器经过膨胀机，所述膨胀机可操作以从所述制冷剂的膨胀过程恢复至少一部分功；以及
2)选择性地将至少一部分制冷剂从所述膨胀机上游的点旁通到在所述膨胀机内的中间压力点。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，控制选择性旁通的阀在开启位置与关闭位置之间迅速地循环。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述阀的循环率是在1秒和60秒之间。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，来自所述制冷剂的膨胀过程的所述恢复的部分功被利用以协助驱动制冷系统部件中的至少一个。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述膨胀机包括多个膨胀级，旁通管线将所述制冷剂从所述多个膨胀级的上游位置旁通到所述多个膨胀级中位于下游的一个膨胀级的上游位置。
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