CN101646909A - 带膨胀器速度控制的制冷剂系统 - Google Patents

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Abstract

一种制冷剂系统，采用膨胀器来膨胀制冷剂并驱动或协助驱动相关压缩机。通过改变压缩机的负载，可调整膨胀器的速度，以实现膨胀制冷剂的期望热力学特性并增强膨胀器运作。

Description

带膨胀器速度控制的制冷剂系统
背景技术
已知制冷剂系统利用循环贯穿闭环回路的制冷剂来调节二次流体。通常，制冷剂系统包括压缩制冷剂、并将制冷剂输送至下游换热器的压缩机。来自该下游换热器的制冷剂经过膨胀装置后到达蒸发器。在传统制冷剂系统中，膨胀装置是固定面积限制或可被控制的阀，使得能调整膨胀量以在制冷剂系统运行中获得期望特性。
在一些先进制冷剂系统中，从制冷剂膨胀过程所得到的可用功用来驱动或协助驱动制冷剂系统内至少一个组件。
在一个已知制冷剂系统配置中，次压缩机与主压缩机并联运作。该次压缩机压缩循环贯穿制冷剂系统的制冷剂的一部分。次压缩机由像涡轮机操作的膨胀器驱动，以接收被压缩的制冷剂，并膨胀该制冷剂至较低的压力和温度。来自该膨胀过程的功用于驱动次压缩机。压缩机和膨胀器位于同一轴上的这种已知组合，被称为压榨器。压榨器的使用在工业中是众所周知的，其中，膨胀器驱动或协助驱动相应压缩机。离开散热换热器的制冷剂进入膨胀器，随后被膨胀到较低的压力和温度。离开膨胀器的两相流进入蒸发器。从膨胀器中的膨胀过程提取的功用来驱动往往与膨胀器位于同一轴上的次压缩机。除了从膨胀过程提取有用功之外，当制冷剂通过膨胀器膨胀时，经过膨胀器的制冷剂获得了更高的冷却热力学势能，因为它遵循更有效的等熵过程。压榨器技术的使用尤其预计将在CO2应用中增长，其中，膨胀能量回收的潜力高于传统制冷剂。
将膨胀器和相关压缩机以紧密联接的机械接合定位(例如设置于同一轴上)的缺点之一是膨胀器速度不能被主动控制。换句话说，膨胀器将停留在某速度上，在该速度上，制冷剂膨胀过程中由膨胀器提取的功率约等于输送至压缩机的功率，并由它平衡。由于膨胀器速度不能被主动控制，膨胀器的膨胀过程通常不是最佳的。如果膨胀过程并非最佳，那么输送至蒸发器的制冷剂的量及其热力学状态，就无法被精确控制。如果制冷剂的输送量不能调整，其可能导致例如跨临界应用中小于最佳气体冷却器的压力和/或压缩机入口处的不良状况。
换言之，为了对于给定工作和环境条件(如气体冷却器压力、吸气过热等)而优化膨胀过程，必须提供改变膨胀器速度的灵活性。提高膨胀器控制的一种方法是安装与膨胀器串联设置的膨胀阀。然而，膨胀阀将减少/限制由膨胀器从膨胀过程中提取的功的量。由于部分膨胀过程发生在膨胀阀中而不是在膨胀器中，因而会发生这种减小。因此，需要优化压榨器操作。
发明内容
本发明中，通过调整膨胀器速度来控制膨胀器中的膨胀过程。膨胀器速度越高，能够经过膨胀器的制冷剂越多。同样，膨胀器速度越低，经过膨胀器的制冷剂越少。通过改变压榨器的压缩机组件上的负载来调整压榨器(机械联接的压缩机-膨胀器配置)的膨胀器速度。压缩机卸载可通过使用如下各种卸载技术实现：例如移动螺杆压缩机的滑动阀，打开涡旋压缩机的旁路端口，使用往复压缩机的吸气截止阀，安装吸气调制阀，或利用任何其他已知的技术以减少压缩机负载。这种压缩机负载的减少引起膨胀器速度的增加。
同样，压榨器的相关压缩机组件的加载导致压榨器的膨胀器组件的速度的减少。因此，通过利用适量的压缩机卸载，我们可以改变压榨器速度，从而优化膨胀过程。这是可实现的，因为当压缩机和膨胀器紧密机械联接(如设置于同一轴上)时，膨胀器速度随压榨器速度变化。与低效的固定截面膨胀装置(如毛细管或孔)相比，改变膨胀器速度的能力类似于通过使用可变限制膨胀装置(如电子膨胀阀)来调整流量。
本发明的这些以及其他功能可从以下说明和附图得到最好理解，以下是简要描述。
附图说明
图1是本发明制冷剂系统的示意图。
图2是另一示意图。
图3是另一示意图。
图4是另一示意图。
具体实施方式
图1例示了制冷剂系统20。主压缩机22压缩从主吸气管路24接收的制冷剂。如图所示，次吸气管路26通过次压缩机28输送部分制冷剂流。由次压缩机28压缩的制冷剂通过次排气管路30输送到位于制冷剂系统20高压侧的主排气管路46，从而与由主压缩机22输送来的制冷剂相合并。合并后的制冷剂流经过散热换热器32，在散热换热器32中热量由通常输送至周围环境的二次流体从制冷剂中移走。如果制冷剂经过换热器32内的临界点以下的热力学状态，散热换热器32被称为冷凝器，或者如果制冷剂经过换热器32内的临界点以上的热力学状态，散热换热器32被称为气体冷却器。
在冷凝器32的下游，膨胀至较低的压力和温度的膨胀过程在膨胀器34中发生。众所周知，膨胀器34从散热换热器(亚临界冷凝器或超临界气体冷却器)32带走被压缩的制冷剂，并利用被压缩的制冷剂的能量驱动膨胀器，同时被压缩的制冷剂“等熵”膨胀到较低的压力和温度。轴36(替代地，发电机)由膨胀器34驱动，且该轴(或发电机的功率)反过来驱动次压缩机28。这种系统就是所谓的“压榨器”。
换热器或蒸发器38设置在膨胀器34下游。蒸发器38位于制冷剂系统20的低压侧，且热量从输送到气候控制空间的二次流体传递至蒸发器38中的制冷剂。制冷剂从膨胀器34经过蒸发器38，随后回到吸气管路24以返回至压缩机22和28。到此为止，制冷剂系统20是本领域众所周知的。显然，基本制冷剂系统20可具有额外的特征或增强选择。制冷剂系统配置中所有这些变化都在范围内，并可平等地受益于本发明。
制冷剂系统20的控制器50操作组件(诸如都与次压缩机28相关的旁通阀40和/或吸气调制阀44)，以限制由次压缩机28压缩的制冷剂的量，从而卸载压缩机28。通过减少由次压缩机28压缩的制冷剂的量，可增加与压缩机28机械联接的膨胀器34的速度。膨胀器速度的调整实现了特定运行条件下优化的膨胀制冷剂的期望热力学特性。在本领域中，将膨胀制冷剂的期望热力学特性调整至运行条件的特定设置是众所周知的，并已用于电子膨胀阀的运行和控制。然而，实现膨胀制冷剂的期望热力学特性受限于采用膨胀器的系统，因为膨胀器速度通常不是被主动控制的。
然而，通过利用控制器50，并选择性地操作例如旁路阀40以控制通过旁路管路42绕行的制冷剂的量，或者通过限制经过吸气调制阀44并到达次压缩机28的制冷剂的量，可控制由次压缩机28压缩的制冷剂的量，及由此控制膨胀器34的速度。控制器50也可以脉宽调制模式操作，以在打开和关闭位置间迅速循环阀40或44，从而精确控制由次压缩机28压缩的制冷剂的量。显然，阀40和44可相互结合运行，以获得次压缩机28的期望卸载水平。
压缩机卸载可通过使用各种卸载技术实现，例如：移动螺杆压缩机的滑动阀，打开涡旋压缩机的旁路端口，使用往复压缩机的吸气切断，安装吸气调制阀，或利用任何其他已知的技术以减少压缩机负载。
为了操作本发明并利用本发明的优势，膨胀器34不必连接到与散热换热器32相关的高压源和与蒸发器38相关的低压源。如图2所示，为了执行膨胀功能，膨胀器可连接到制冷剂系统120中的中间压力点。在制冷剂系统120中，主压缩机可由两个串联连接的压缩机级22和222组成。在图2所示实施方式中，膨胀器34纳入到与注汽或节约器循环相关的环路中，其中，膨胀器34使制冷剂从与散热换热器32相关的压力膨胀至近似于第一压缩级22与第二压缩级222之间压力的中间循环压力。节约器循环是本领域众所周知的，由于连续压缩级22和222之间的制冷剂注汽，节约器循环所提供的优势与节约换热器224中获得的额外过冷以及更高效压缩过程相关。在膨胀器34中经受从高压侧膨胀至中间压力的制冷剂向节约换热器224中的主流提供了更大的过冷，其中，主流在主膨胀装置226中经受膨胀。实现进入蒸发器38的制冷剂中这种更大的过冷和更高的冷却热力学势，由于与传统膨胀装置提供的等焓膨胀过程相比更有效的等熵膨胀过程。膨胀装置226可为例如固定面积节流孔、毛细管、恒温膨胀阀、电子膨胀阀，另一膨胀器或不同膨胀装置的组合。如图1的实施方式所示，图2实施方式的膨胀器34与次压缩机28相关，并利用了该压缩机的选择性卸载，如上所述。在这种情况下，次压缩机28与主压缩机22并联设置(或串轴)运行，主压缩机22与次压缩机28的组合提供了由吸气压力至中间压力的第一压缩阶段。当然，如本领域所知，两个压缩级22和222可设置在单个压缩机壳体内。
同样，在图3所示的实施方式220中，次压缩机28可设置为与第二压缩级222并联(或串轴)运作，并将制冷剂从中间压力压缩至排气压力。其他设置也有可能，其中例如，串轴运行的主次压缩机可将制冷剂压缩至比与散热换热器32相关的压力更低的压力。此外，如果制冷循环内有多个中间压力级可用，次压缩机28可在其自身压力级之间运行，并完全不与任何主压缩机串轴运行。这些设置也适用于串联安装的压缩机。
进一步设置是可能的，其中，例如次压缩机28不压缩制冷剂，而是压缩其他一些过程流体。在这种情况下，在图4所示的实施方式320中，次压缩机可例如用于压缩空气，并将其从入口管路321输送至出口管路322。如上所述，相似的旁路设置可用于控制旁路空气量以减少压缩机负载，从而控制膨胀器速度。当然，在这种情况下，由于压缩机28和膨胀器34都位于同一轴上，众所周知地，需要在旋转轴上添加特殊的密封，这将防止制冷剂泄漏到周围环境。
此外，在上述所有实施方式中，连接次压缩机28和膨胀器34的旋转轴36上可安装离合器，以选择性接合和脱离这两个压榨器组件的机械联接。
应当指出，许多不同类型的压缩机和膨胀器可用于本发明。例如，可采用涡旋、螺杆、旋转、离心或往复式压缩机和膨胀器。
利用本发明的制冷剂系统可用于许多不同应用中，包括但不限于，空调系统，热泵系统，海运集装箱单元，冷藏卡车-拖车单元和超市制冷系统。
此外需要知道的是，虽然本发明可用于任何节约制冷剂系统，但是采用CO2作为制冷剂的制冷剂系统将特别受益于本发明，因为这些系统具有传统缺陷，并需要提高性能的附加装置。
尽管本发明的优选实施方式已被公开，本领域技术人员可认识到在本发明的范围进行若干改进。出于这个原因，应考虑以下权利要求以确定本发明的真正范围和内容。

Claims (38)

1.一种制冷剂系统，包括：
主压缩机，所述主压缩机压缩制冷剂，并使该制冷剂循环贯穿所述制冷剂系统；
次压缩机，所述压缩机至少部分由膨胀器驱动，循环贯穿所述制冷剂系统的制冷剂中的至少一部分在所述膨胀器内由高压膨胀至低压；以及
控制器，用于确定膨胀过程的期望特性，且所述控制器能操作控制由所述次压缩机提供的负载，以获得所述膨胀过程的所述期望特性。
2.如权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述高压与系统高压侧换热器相关。
3.如权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述低压与系统低压侧换热器相关。
4.如权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述高压与中间系统压力相关。
5.如权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述低压与中间系统压力相关。
6.如权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述次压缩机压缩所述制冷剂系统中的至少一部分制冷剂。
7.如权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述主压缩机将制冷剂从所述低压压缩至所述高压。
8.如权利要求7所述的制冷剂系统，其特征在于：所述主压缩机由多个压缩机组成。
9.如权利要求8所述的制冷剂系统，其特征在于：所述多个压缩机中的至少两个以串联布置运行。
10.如权利要求9所述的制冷剂系统，其特征在于：所述次压缩机与所述串联连接的压缩机中的至少一个并联运行。
11.如权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述主压缩机和所述次压缩机不是由同一轴连接。
12.如权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述膨胀器和所述次压缩机由同一轴连接。
13.如权利要求12所述的制冷剂系统，其特征在于：所述膨胀器的速度由所述次压缩机上的负载控制。
14.如权利要求13所述的制冷剂系统，其特征在于：控制阀以控制所述次压缩机上的负载。
15.如权利要求14所述的制冷剂系统，其特征在于：所述阀为卸载旁路阀。
16.如权利要求14所述的制冷剂系统，其特征在于：所述阀为吸气节流阀。
17.如权利要求14所述的制冷剂系统，其特征在于：所述阀由脉冲宽度调制技术控制，以获得所述的期望负载。
18.如权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述次压缩机压缩循环贯穿所述制冷剂系统的制冷剂之外的流体。
19.如权利要求18所述的制冷剂系统，其特征在于：所述次压缩机压缩空气。
20.一种操作制冷剂系统的方法，包括以下步骤：
(1)提供主压缩机以压缩制冷剂，并使该制冷剂循环贯穿所述制冷剂系统；
(2)提供次压缩机，所述压缩机至少部分地由膨胀器驱动，循环贯穿所述制冷剂系统的制冷剂中的至少一部分在所述膨胀器内从高压膨胀至低压；以及
(3)提供控制器，以确定膨胀过程的期望特性，且所述控制器能操作控制由所述次压缩机提供的负载，以获得所述膨胀过程的所述期望特性。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述高压与系统高压侧换热器相关。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述低压与系统低压侧换热器相关。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述高压与中间系统压力相关。
24.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述低压与中间系统压力相关。
25.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述次压缩机压缩所述制冷剂系统中的至少一部分制冷剂。
26.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述主压缩机将制冷剂从所述低压压缩至所述高压。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述主压缩机由多个压缩机组成。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于：所述多个压缩机中的至少两个以串联布置运行。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于：所述次压缩机与所述串联连接的压缩机中的至少一个并联运行。
30.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述主压缩机和所述次压缩机不是由同一轴连接。
31.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述膨胀器和所述次压缩机由同一轴连接。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于：所述膨胀器的速度由所述次压缩机上的负载控制。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于：控制阀以控制所述次压缩机上的负载。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于：所述阀为卸载旁路阀。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于：所述阀为吸气节流阀。
36.如权利要求33所述的方法，其特征在于：所述阀由脉冲宽度调制技术控制，以获得所述的期望负载。
37.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述次压缩机压缩循环贯穿所述制冷剂系统的制冷剂之外的流体。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于：所述次压缩机压缩空气。
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