CN101688696B - 制冷剂蒸气压缩系统及跨临界运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种制冷剂蒸气压缩系统包括闪蒸罐，其限定有设置在制冷剂回路中的制冷剂排热换热器和制冷剂吸热换热器之间的分离室。主膨胀阀设置在制冷剂回路中的制冷剂吸热换热器上游上并与其以操作方式相关联，以及副膨胀阀设置在制冷剂回路中的闪蒸罐经济器的上游上并与其以操作方式相关联。制冷剂蒸气注入管路在分离室上部和系统的压缩装置的中间压力级以及制冷剂回路的吸入压力部分之间建立制冷剂流连通。制冷剂液体注入管路在所述分离室下部和压缩装置的中间压力级以及制冷剂回路的吸入压力部分之间建立制冷剂流连通。

Description

制冷剂蒸气压缩系统及跨临界运行方法
发明领域
本发明一般涉及制冷剂蒸气压缩系统，并且具体地，涉及同时改进效率和容量以及在跨临界循环运行下改进制冷剂蒸气压缩系统中的制冷剂充注管理。
背景技术
制冷剂蒸汽压缩系统是已知的现有技术，并且其通常用于调节将要供给到住宅、办公楼、医院、学校、饭店或其它设施内的气候控制舒适区的空气。制冷剂蒸汽压缩系统通常还用在制冷供给到展示柜、商品柜、冷冻室、冷藏间或商业机构中其它易坏/冷冻产品存储区的空气。
制冷剂蒸汽压缩系统通常还用在运输制冷系统，用于制冷供给到卡车、拖车、集装箱等的温控货物空间的空气，从而通过卡车、铁路(rail)、轮船运输或者协调联运地运输易坏/冷冻货物。由于广泛的运行负载条件范围以及广泛的室外环境条件范围(在这种室外环境条件下，制冷剂蒸汽压缩系统必须运行，以便将货物空间内的产品保持在期望的温度)，所以与运输制冷系统联合使用的制冷剂蒸汽压缩系统一般会遭受更为严格的运行条件。需要将货物控制在此的期望温度还可以根据保存货物的性质在大范围内变动。制冷剂蒸汽压缩系统必须不仅具有足够容量来快速降低在环境温度下的装入货物空间的产品的温度，当在运输期间保持稳定的产品温度时必须还能在较低负载下有效运行。另外，运输制冷剂蒸汽压缩系统会遭受静止制冷剂蒸汽压缩系统不会遇到的震动和移动的影响。
照惯例，传统的制冷剂蒸气压缩系统通常在次临界制冷剂压力下运行并典型地包括压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀装置和相对于制冷剂流通常设置于蒸发器上游和冷凝器下游的膨胀装置。这些基本的制冷系统组件通过封闭制冷剂回路内的制冷管路相互连接，依据已知的制冷剂蒸气压缩循环进行布置，并在次临界压力范围下以使用的特定制冷剂运行。在次临界范围中运行的制冷剂蒸气压缩系统通常是充入碳氟化合物制冷剂，诸如但不限于，氢氯氟烃(HCFC)，诸如R22，以及更普遍的氢氟烃(HFC)，诸如R134a，R410A，R404A和R407C。
在当今的市场上，对用在空气调节和运输制冷系统替代HFC制冷剂的诸如二氧化碳的“天然”制冷剂表现出较大的兴趣。但是，由于二氧化碳具有低的临界温度，大多数充入二氧化碳作为制冷剂的制冷剂蒸气压缩系统被设计为以跨临界压力方式运行。在次临界循环运行的制冷剂蒸气压缩系统中，冷凝器和蒸发器均是以低于制冷剂临界点的制冷温度和压力运行。但是，在跨临界循环运行的制冷剂蒸气压缩系统中，排热换热器是气体制冷器而不是冷凝器，以超过制冷剂临界点的制冷温度和压力运行，同时蒸发器以在次临界范围中的制冷温度和压力运行。因此，对于以跨临界循环运行的制冷剂蒸气压缩系统而言，气体制冷器内的制冷剂压力和蒸发器内的制冷剂压力之间的差异特征性地基本上大于以次临界循环运行的制冷剂蒸气压缩系统的冷凝器内的制冷剂压力和蒸发器内的制冷剂压力之间的差异。
将经济器结合到制冷剂回路来增加制冷剂蒸气压缩系统的容量也是习惯作法。例如，在一些系统中，制冷剂-制冷剂的换热器作为经济器被结合到制冷剂回路中。第6,058,729号美国专利揭示了一种用于运输制冷单元的将制冷剂-制冷剂的换热器作为经济器结合到制冷剂回路中的次临界制冷剂蒸气压缩系统。揭示的系统还包括用于调节到压缩机吸入进口制冷剂流的吸入调制阀(SMV)和用于压缩机容量控制的中间压力-吸入压力的卸载回路。第7,114,349号美国专利揭示了一种具有普通经济器和在制冷剂回路中相对于制冷剂流设置在冷凝器下游以及相对于制冷剂流设置在蒸发器上游的液吸式换热器(Liquid-suction Heat Exchanger)的制冷剂蒸气压缩系统。尽管通过各种旁路管路和对各种与旁路管路相关的电磁阀的开/关操作，普通换热器可以作为经济换热器或是作为液吸式换热器运行。
第6,694,750号美国专利揭示了一种次临界制冷系统，其包括在制冷剂回路中的冷凝器和蒸发器之间连续设置的第一制冷剂-制冷剂的换热器经济器和第二制冷剂-制冷剂的换热器经济器。制冷剂从冷凝器通过主制冷剂回路到蒸发器，在横穿过主制冷剂回路中的单个蒸发器的膨胀阀之前且在进入蒸发器之前，连续通过第一制冷剂-制冷剂换热器的第一通道，并因此通过第二制冷剂-制冷剂换热器的第一通道。在被注入到压缩进程的高压阶段之前，从冷凝器通过的制冷剂第二部分从主制冷剂回路转向并通过副膨胀阀，并由此通过第一制冷剂-制冷剂换热器第二通道。在被注入到压缩进程的低压阶段之前，从冷凝器通过的制冷剂的第三部分从主制冷剂回路转向并通过另一个副膨胀阀，并由此通过第二制冷剂-制冷剂换热器的第二通道。
在一些系统中，闪蒸罐经济器被结合到制冷剂回路中的冷凝器和蒸发器之间。在这种情况下，离开冷凝器的制冷剂，在进入闪蒸罐之前，通过膨胀装置(例如恒温膨胀阀或电子膨胀阀)膨胀，在闪蒸罐中膨胀的制冷剂分离为液体制冷剂组分和蒸气制冷剂组分。蒸气制冷剂组分由此从闪蒸罐被引入到压缩进程的中间压力级(intermediate pressure state)。制冷剂的液体组分在进入蒸发器之前被从闪蒸罐引导通过系统主膨胀阀。第5,174,123号美国专利揭示了一种在制冷剂回路中的冷凝器和蒸发器之间结合有闪蒸罐的次临界蒸气压缩系统。第6,385,980号美国专利揭示了一种在制冷剂回路中的气体制冷器和蒸发器之间结合有闪蒸罐经济器的跨临界蒸气压缩系统。
发明内容
作为本发明的一方面，提供制具有主制冷剂回路的冷剂蒸气压缩系统，所述主制冷剂回路包括制冷剂压缩装置，设置于压缩装置下游的制冷剂冷却换热器，设置于制冷剂冷却换热器下游的制冷剂加热换热器，设置于制冷剂回路中的制冷剂冷却换热器下游和制冷剂加热换热器上游的主膨胀装置，以及设置于制冷剂回路中的制冷剂排热换热器下游和主膨胀装置上游的闪蒸罐。闪蒸罐限定分离室，其中液态制冷剂收集在分离室的下部，而气态制冷剂收集在分离室中制冷剂液体上方的部分。副膨胀装置在制冷剂回路中设置于闪蒸罐的上游并以操作方式与其相关联。制冷剂蒸气注入管路在分离室上部和压缩装置的中间压力级以及主制冷剂回路的吸入压力部分之间建立了制冷剂流连通。制冷剂液体注入管路在分离室下部和压缩装置的中间压力级以及主制冷剂回路的吸入压力部分之间建立了制冷剂流连通。在压缩装置的中间压力级以及主制冷剂回路的吸入压力部分之间可以设置旁路管路。
制冷剂蒸气压缩系统可以包括控制系统，控制系统用于有选择地引导制冷剂蒸气从闪蒸罐通过制冷剂蒸气注入管路以在压缩装置的中间压力级处注入主制冷剂回路或者注入主制冷剂回路的吸入部分，以及有选择地引导制冷剂液体从闪蒸罐通过制冷剂液体注入管路以在压缩装置的中间压力级处注入主制冷剂回路或者注入主制冷剂回路的吸入部分。控制系统也可以有选择地或者连同上述动作一起来引导制冷剂从压缩装置的中间压力级进入主制冷剂回路的吸入部分。在一个实施例中，压缩装置可以是具有至少一个第一较低压压缩阶段和第二较高压压缩阶段的单个压缩机。在一个实施例中，压缩装置可以是以连续制冷剂流关系设置在制冷剂回路中的第一压缩机和第二压缩机，且第一压缩机的排放出口与第二压缩机的吸入进口成制冷剂流连通。在单个压缩机布置或者双压缩机布置中，每个压缩机可以是涡旋式压缩机、往复式压缩机或者螺杆式压缩机。
在一个实施例中，控制系统包括控制器和与制冷剂蒸气注入管路和/或制冷剂液体注入管路以操作方式相关联的多个流量控制阀。控制器有选择地控制多个流量控制阀的每个在其各自的打开或关闭位置之间的定位。多个流量控制阀可包括设置在制冷剂蒸汽注入管路的上游部分上的第一流量控制阀，设置在制冷剂液体注入管路的上游部分上的第二流量控制阀，相对于制冷剂流设置在压缩装置的中间压力级的上游和第一流量控制阀以及第二流量控制阀的下游的第三流量控制阀，以及相对于制冷剂流设置在主制冷剂管路的吸入压力部分的上游和对于制冷剂流设置在第一流量控制阀以及第二流量控制阀的下游的第四流量控制阀。在一个实施例中，压缩机卸载旁路管路形成制冷剂蒸气注入管路和制冷剂液体注入管路两者的下游延伸，并且第三和第四流量控制阀设置在压缩机卸载旁路管路上。在一个实施例中，第一、第二、第三和第四流量控制阀中的每一个均包括具有第一打开位置和第二关闭位置的电磁阀。由控制器可操作地控制的吸入调制阀可设置在制冷剂回路中的制冷剂加热换热器的下游和压缩装置的上游。
作为本发明的另一个方面，提供了一种以跨临界循环运行的制冷剂蒸气压缩系统的方法，该方法包括步骤：在两级压缩进程中压缩制冷剂到超临界状态；使得超临界压力的制冷剂通过与其为热交换关系的冷介质；使得超临界状态的制冷剂在第一膨胀步骤中膨胀到次临界压力，以形成包括制冷剂蒸气和制冷剂液体的第一膨胀制冷剂；使得第一膨胀制冷剂分离为制冷剂蒸气部分和制冷剂液体部分；将制冷剂液体部分中的至少一部分在第二膨胀步骤中膨胀到更低压力到包括制冷剂液体的第二膨胀制冷剂；蒸发第二膨胀制冷剂；有选择地使得第一膨胀制冷剂蒸气部分的一部分进入压缩进程的中间级或者进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分；有选择地使得制冷剂液态部分的一部分进入压缩进程的中间级或者进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分。在一个实施例中，该方法还包括有选择地将制冷剂从压缩进程的中间级旁路进入到制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分的步骤。
在第一运行模式中，该方法包括步骤：有选择地使得制冷剂蒸气部分的一部分进入压缩进程的中间压力级；以及有选择地阻塞制冷剂液体部分进入压缩进程的中间压力级或者进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分的通路。在第二运行模式中，该方法包括步骤：有选择地使得制冷剂蒸气部分的一部分进入压缩进程的中间压力级；以及同时有选择地使得制冷剂液体部分的一部分进入压缩进程的中间压力级。在第三运行模式中，该方法包括步骤：有选择地使得制冷剂蒸气部分的一部分进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分；以及同时有选择地使得制冷剂液体部分的一部分进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分。在第四运行模式中，该方法包括步骤：控制闪蒸罐的次临界压力，制冷剂在该压力下通过有选择地使得制冷剂蒸气部分的一部分进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分来分离出制冷剂蒸气和制冷剂液体。
附图说明
为了进一步理解本发明，将参考结合附图进行阅读的本发明的以下详细描述，其中：
图1是图示了依照本发明的制冷剂蒸气压缩系统的第一示范性实施例的示意图；以及
图2是图示了根据本发明的制冷剂蒸气压缩系统的第二实施例的示意图。
具体实施方式
现在参阅图1和图2，图中有绘制的制冷剂蒸气压缩系统10的示范性实施例，该系统10适合用在运输制冷系统中，以在卡车、拖车、集装箱或者运输易腐/冰冻货物装置内制冷空气或者其他气态环境。制冷剂蒸气压缩系统10也适合向住宅、办公楼、医院、学校、餐馆或其他设置的舒适气候控制区域供给空调空气。制冷剂蒸气压缩系统也可用于制冷供给到展示柜、商品柜、冷冻柜、冷藏室或其他商业机构中的易腐/冰冻货品储存区域的空气。
制冷剂蒸气压缩系统10具体地适合在跨临界循环中使用低临界点温度的制冷剂运行，诸如例如但不限于二氧化碳。但是，可理解的是：制冷剂蒸气压缩系统10也可以在次临界循环中使用高临界点的诸如传统的氢氯氟碳化合物和氢氯烃制冷剂运行。制冷剂蒸气压缩系统10包括多级压缩装置20、制冷剂排热换热器40、制冷剂吸热换热器50(在本文中也称作蒸发器)以及与蒸发器50以操作方式相关联的主膨胀阀55，诸如例如电子膨胀阀或是恒温膨胀阀，且制冷管路2，4和6在主制冷剂回路中连接上述部件。
在以跨临界循环方式运行的制冷剂蒸气压缩系统中，制冷剂排热换热器40构成了气体制冷器，超临界制冷剂以与冷介质(诸如例如但不限于周围空气或水)成热交换关系的方式通过该制冷剂排热换热器，并且其在本文中也可被称作气体制冷器。在以次临界循环方式运行的制冷剂蒸气压缩系统中，制冷剂排热换热器40将构成制冷剂冷凝换热器，热的高压制冷剂以与冷介质成热交换关系的方式通过该制冷剂排热换热器。在描述的实施例中，制冷剂排热换热器40包括鳍管换热器42，诸如例如鳍状圆管式换热线圈或鳍状微型通道平管式换热器(mini-channel flat tube heatexchanger)，制冷剂以与周围空气成热交换关系的方式通过该换热器，且周围空气被与气体制冷器40关联的风扇44抽出而通过鳍管换热器42。
制冷剂吸热换热器50用作蒸发器，其中制冷剂液体以与待冷却流体成热交换关系的方式通过该换热器，待冷却的流体最通常的是空气，其被从温度控制环境200中抽出并被返回到此，诸如：冷藏运输卡车、拖车或是集装箱，或是展示柜、商品柜、冷冻柜、冷冻室或其他商业机构的易腐/冷冻产品存储区的货舱，或是住宅、办公楼、医院、学校、餐馆或其他设施内的舒适气候控制区域。在描述的实施例中，制冷剂吸热换热器50包括鳍管换热器52，制冷剂以与空气成热交换关系的方式通过该换热器，且空气通过与蒸发器50关联的蒸发器风扇54被从冷藏货舱200中抽出并被返回到此。鳍管换热器52可以包括例如鳍状圆管式换热线圈或是鳍状微型通道平管式换热器。
压缩装置20用于压缩制冷剂以及使得制冷剂循环通过主制冷剂管路，如将在下文中进一步详细讨论的。压缩装置20可以包括设置于主制冷管路上并具有第一压缩级20a和第二压缩级20b的单个的多级制冷剂压缩机，诸如例如涡旋式压缩机、螺杆式压缩机或往复式压缩机。第一和第二压缩级跟随制冷剂流连续设置使得制冷剂流离开第一压缩级后直接通过第二压缩级以进行进一步地压缩。可替换的，压缩装置20可以包括一对独立的压缩机20a和20b，以连续制冷剂流的关系连接在主制冷管路上，通过制冷管路以制冷剂流连通的方式将第一压缩机20a的排放出口端口与第二压缩机20b的吸入进口端口连接。在独立压缩机实施例中，压缩机20a和20b可以是涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、往复式压缩机、旋转式压缩机或其他类型的压缩机或是这些压缩机的任意组合。在图2中描述的示范性实施例中，压缩机20是具有吸入进口22、排放出口24和端口26的涡旋式压缩机，端口26直接朝向压缩机压缩室的中间压力级开口。
此外，本发明的制冷剂蒸气压缩系统10包括闪蒸罐经济器70，闪蒸罐经济器相对于制冷剂流设置在主制冷剂回路的气体制冷器40的下游和蒸发器50的上游之间的制冷管路4上。副膨胀装置65以与闪蒸罐经济器70操作相关联的方式设置在制冷管路4上并设置在闪蒸罐经济器70的上游。副膨胀装置65可以是电子膨胀阀，诸如在图1和2中描述的，或是固定节流孔膨胀装置(fixed orifice expansion device)。横穿过副膨胀装置65的制冷剂膨胀到足够的低压以形成气态制冷剂和液态制冷剂的混合物。闪蒸罐经济器70限定分离室72，其中液态制冷剂收集在分离室的下部而气态制冷剂收集在分离室72的液体制冷剂上方的部分中。
收集在闪蒸罐经济器70的下部的液体制冷剂由此通过制冷剂管路4并横穿过主制冷剂回路膨胀阀55，膨胀阀55相对于制冷剂流设置在蒸发器50的上游上。随着此液体制冷剂横穿过第一膨胀阀.55，其在进入蒸发器50前膨胀到较低压力和较低温度。蒸发器50构成制冷剂蒸发换热器，膨胀制冷剂以与待被冷却的空气成热交换关系的方式通过该蒸发器，由此制冷剂被蒸发并是典型地被过热。按照惯例，主膨胀阀55测量通过制冷剂管路4的制冷剂流，以便在制冷剂蒸气离开蒸发器50期间保持期望的过热水平，从而确保在离开蒸发器的制冷剂中没有出现液体。离开蒸发器50的低压制冷剂蒸气通过制冷剂管路6返回到图1中描述的实施例中的压缩装置20的第一压缩级或是第一压缩机20a的吸入端口，或者返回到图2中描述的实施例中的涡旋式压缩机20的吸入进口22。
制冷剂蒸气压缩系统10还包括制冷剂蒸气注入管路14和制冷剂液体注入管路18。制冷剂蒸气注入管路14在闪蒸罐经济器70的分离室72的上部和压缩进程的中间级之间以及在分离室72的上部和制冷剂回路的吸入压力部分之间建立了制冷剂流连通。制冷剂液体注入管路18通常凭借连接闪蒸罐70下游和主膨胀阀55的上游的导液制冷剂管路4在闪蒸罐70的分离室的下部和压缩进程的中间级之间以及在分离室的下部和制冷剂回路的吸入压力部分之间建立制冷剂流连通。
在图1中描述的制冷剂蒸气压缩系统10的示范性实施例中，制冷剂蒸气或制冷剂液体注入到压缩进程的中间压力级将通过使得制冷剂蒸气或制冷剂液体注入到从单个压缩机的第一压缩级20a通入到第二压缩级20b或是从第一压缩机20a的排放出口通入到第二压缩机20b的吸入进口的制冷剂中而实现。在图2中描述的制冷剂蒸气压缩系统10的示范性实施例中，制冷剂蒸气或制冷剂液体注入到压缩进程的中间压力级将通过使得制冷剂蒸气或是制冷剂液体通过中间压力端口26注入到涡旋式压缩机20的而压缩室实现。
制冷剂蒸气压缩系统10也可以包括压缩机卸载旁路管路16，压缩机卸载旁路管路在压缩装置20的中间压力级和所述制冷剂回路的吸压部分之间建立制冷剂流连通，如前面提到的，其构成在蒸发器50出口和压缩装置20吸入进口之间延伸的制冷管路6。在图1和图2中描述的示范性实施例中，制冷剂蒸气注入管路14的上游部分和制冷剂液体注入管路18的上游部分均以与压缩机卸载旁路管路16流体连通的方式打开，并且压缩机卸载旁路管路16形成了制冷剂蒸气注入管路14和制冷剂液体注入管路18的两者的下游延伸部。
如图1和图2中所描述的，制冷剂蒸气压缩系统10可以包括以操作方式相关联的控制系统，随之用于有选择地引导来自闪蒸罐70的制冷剂蒸气通过制冷剂蒸气注入管路14或是引导来自闪蒸罐70的制冷剂液体通过制冷剂液体注入管路18，用于在压缩进程的中间压力级处注入主制冷剂回路或者注入制冷剂管路6，其中，中间压力级在第一压缩级或者第一压缩机20a和第二压缩级或者第二压缩机20b之间，制冷剂管路6形成主制冷剂回路吸入部分。在制冷剂蒸气压缩系统10的一个实施例中，控制系统包括控制器100和与制冷剂蒸气注入管路14和/或制冷剂液体注入管路18以操作方式相关联的多个流量控制装置。运行中，控制器100有选择地控制多个流量控制装置的每个在其各自的打开和关闭位置之间定位，以有选择地引导制冷剂流通过制冷剂蒸气注入管路14和制冷剂液体注入管路18。
在图1和2描述的实施例中，控制装置包括设置在制冷剂蒸气注入管路14上游部分上的第一流量控制阀73、设置在压缩机卸载旁路管路16上位于第一流量控制装置和压缩进程的中间压力级之间位置处的第二流量控制装置93、设置在制冷剂液体注入管路18的上游部分上的第三流量控制装置53、以及在第三流量控制装置和制冷剂管路6之间的位置处设置在压缩机卸载旁路管路16上的第四流量控制装置83。上述的每个流量控制装置53，73，83，93可以包括流量控制阀，其有选择地在制冷剂流可从内置有流量控制阀的制冷剂管路通过的打开位置和制冷剂流在通过内置有流量控制阀的制冷剂管路时受阻的关闭位置之间定位。在一个实施例中，每个流量控制阀包括在控制器100的控制下有选择地在第一打开位置和第二关闭位置之间定位的可定位类型的双位电磁阀。
控制器100不仅控制不同流量控制阀53，73，83，93的运行来有选择地引导制冷剂流通过制冷剂蒸气注入管路14和制冷剂液体注入管路18，还可以控制电子膨胀阀55和65、压缩装置20、以及风扇44和54的运行。按照惯例，除了监视环境条件，控制器100还会通过与控制器100以操作方式相关联并设置于整个系统的选定位置上的各种传感器来监视各种运行参数。例如，在图1和2中描述的示范性实施例中，设置有与闪蒸罐70以操作方式相关联的压力传感器102来感测闪蒸罐70内的压力，提供温度传感器103和压力传感器104来分别感测制冷剂吸入温度和压力，以及提供温度传感器105和压力传感器106来分别感测制冷剂排放温度和压力。压力传感器102，104，106可以是传统压力传感器，诸如例如压力变换器，并且温度传感器103和105可以是传统温度传感器，诸如例如热电偶或热敏电阻。
吸入调制阀(SMV)23可以设置在蒸发器50的出口和压缩装置20的吸入进口之间的制冷剂管路6上。在图1和2中所描述的示范性实施例中，吸入调制阀23定位于蒸发器50的出口和压缩机卸载旁路管路16和制冷剂管路6交叉点之间的制冷剂回路6上。如流量控制阀53，73，83，93，吸入调制阀23的运行是由控制器100控制。当需要增加或减少通过制冷剂回路6到压缩装置20的吸入进口的制冷剂流时，控制器100调制吸入调制阀23以控制制冷系统10的制冷容量。在一个实施例中，吸入调制阀23包括脉宽调制电磁阀。
在图2中所描述的实施例中，制冷剂蒸气压缩系统10包括排放压力-吸入压力的换热器60。换热器60包括设置在气体制冷器40和副膨胀装置65之间的主制冷剂回路的制冷剂回路4上的第一通路62和设置在主制冷剂回路的蒸发器50下游的制冷剂管路6上的并与第一通路62为热交换关系设置的第二通路64。已横穿气体制冷器40的高压制冷剂蒸气以与已横穿蒸发器50的吸压制冷剂蒸气成热交换关系的方式通过第一通道62。按照这种方式，通过制冷剂管路4的高压制冷剂蒸气被进一步地制冷并且通过制冷剂管路6的低压制冷剂蒸气由此被加热。该附加的制冷在高压制冷剂通过副膨胀装置65膨胀之前降低了其热焓。因此，减小了膨胀之后收集在闪蒸罐70中的制冷剂蒸气和制冷剂液体间的比例，这导致较少制冷剂蒸气通过注入端口26被注入到涡旋式压缩机20的压缩室内。收集在闪蒸罐70中的制冷剂的品质此限定降低了涡旋式压缩机的功率要求。此外，低压制冷剂蒸气的进一步加热确保了残留在其中的任意液体被蒸发，并且制冷剂蒸气在通入到压缩装置20的第一压缩级或是第一压缩机20a之前是过热的。
制冷剂蒸气压缩系统10可以依据载荷要求和环境条件以选择运行的模式运行。控制器100基于周围条件和各种感测的系统控制来确定需要的运行模式，然后并据此定位各种流量控制阀。为了以其标准非经济模式运行制冷剂蒸气压缩系统10，即标准循环，控制器100关闭每个流量控制阀53，73，83和93，藉此制冷剂只能循环通过主制冷剂回路，就是从压缩装置20a的排放出口通过制冷剂管路2，4和6，依次横穿气体制冷器40、副膨胀装置65、闪蒸罐70(其在标准模式下仅用作接收器)、主膨胀阀55、蒸发器50和吸入调制阀23并返回到压缩装置20a的吸入进口。
在此非经济模式下，响应于传感器102感测到的压力，控制器100通过有选择地打开流量控制阀73和83来引导制冷剂蒸气从闪蒸罐70通过制冷剂蒸气注入管路14和压缩机卸载旁路管路16进入制冷剂管路6来控制闪蒸罐70内的压力，同时保持流量控制阀53和93关闭。同样，在此非经济模式下，控制器100通过将阀53连同上面的阀构造间歇地打开来引导少量液体通过制冷剂管路18和通过压缩机卸载旁路管路16的一部分进入制冷剂管路6对制冷剂吸入流降温来响应由温度传感器105感测到的高排放温度。
控制器100可以通过关闭流量控制阀53和83以及打开流量控制阀73和93在经济模式下运行制冷剂蒸气压缩系统10，藉此制冷剂不仅循环通过主制冷剂回路，而且循环通过制冷剂蒸气注入管路到压缩装置20a的中间压力级。通过主制冷剂回路的制冷剂从压缩装置20a的排放出口通过制冷剂管路2，4和6，依次横穿气体制冷器40、副膨胀装置65、闪蒸罐70(其在经济模式下用作经济器和接收器)、主膨胀阀55、蒸发器50和吸入调制阀23并返回到压缩装置20a的吸入进口。随着流量控制阀73和93打开，制冷剂蒸气从闪蒸罐70通过制冷剂蒸气注入管路14和压缩机旁路管路16的一部分进入压缩装置20的中间压力级，藉此将经济器循环增加到标准循环运行上。
在此经济循环中，控制器100通过有选择地打开流量控制阀53，73和93来响应由温度传感器105所感测的高排放温度或由压力传感器106所感测的高排放压力，同时保持流量控制阀83关闭，来引导制冷剂蒸气通过制冷剂管路14并且引导制冷剂液体通过制冷剂管路18，同时进入并通过压缩机卸载旁路管路16的一部分进入压缩装置20a的中间压力级。
此外，控制器100可在任意运行模式下卸载压缩装置20，通过关闭流量控制阀53和73以及均打开压缩机卸载旁路管路16上的流量控制阀83和93。随着流量控制阀83和93均被打开，从压缩进程的中间级出来的制冷剂流通过压缩机卸载旁路管路，进入制冷剂管路6，直接返回到压缩装置的吸入侧，藉此旁通过第二压缩级或第二压缩机20a，藉此卸载压缩装置20。可以通过压缩机卸载旁路管路16实现压缩机20的此卸载，以响应高压缩机制冷剂排放温度或用于降低容量或降低压缩机功率。如果需要释放额外的容量，控制器100还可以调制吸入调制阀23。
本领域技术人员将发现可对本文中描述的具体示范性实施例进行许多变化。例如，制冷剂蒸气压缩系统也可以次临界循环方式运行，而不是以上文中描述的跨临界循环方式运行。尽管已经根据如图中所示出的示范性实施例具体地显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解：细节上的各种改变可以在不背离由权利要求限定的本发明的精神和范围下在其中产生效果。

Claims (42)

1.一种制冷剂蒸气压缩系统，包括：
主制冷剂回路，包括制冷剂压缩装置，位于所述压缩装置下游的制冷剂排热换热器，位于所述制冷剂排热换热器下游的制冷剂吸热换热器，以及在主制冷剂回路中设置于所述制冷剂排热换热器下游和所述制冷剂吸热换热器上游的主膨胀装置；
闪蒸罐，在主制冷剂回路中设置于所述制冷剂排热换热器下游和所述主膨胀装置上游，所述闪蒸罐限定有分离室，其中液态制冷剂收集在所述分离室的下部而气态制冷剂收集在所述分离室的液体制冷剂上面的部分；
副膨胀装置，在主制冷剂回路中设置于所述闪蒸罐上游并与所述闪蒸罐以操作方式相关联；
制冷剂蒸气注入管路，在所述分离室上部和所述压缩装置的中间压力级以及所述主制冷剂回路的吸入压力部分之间建立制冷剂流连通；以及
制冷剂液体注入管路，在所述分离室下部和所述压缩装置的中间压力级以及所述主制冷剂回路的吸入压力部分之间建立制冷剂流连通，
其中，所述主制冷剂回路的吸入压力部分是在所述制冷剂吸热换热器的出口和所述压缩装置的吸入进口之间延伸的部分。
2.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统还包括控制系统，用于有选择地引导制冷剂蒸气从所述闪蒸罐通过所述制冷剂蒸气注入管路以在压缩进程的中间压力级注入主制冷剂回路或者注入主制冷剂回路的吸入压力部分，以及用于有选择地引导制冷剂液体从所述闪蒸罐通过所述制冷剂液体注入管路以在压缩进程的中间压力级注入主制冷剂回路或者注入主制冷剂回路的吸入压力部分。
3.如权利要求2所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述控制系统包括控制器和与所述制冷剂蒸气注入管路和/或所述制冷剂液体注入管路以操作方式相关联的多个流量控制阀，所述控制器有选择地控制所述多个流量控制阀中的每个在其各自的打开和关闭位置之间的定位。
4.如权利要求3所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述多个流量控制阀包括：
设置在所述制冷剂蒸气注入管路的上游部分上的第一流量控制阀；
设置在所述制冷剂液体注入管路的上游部分上的第三流量控制阀；
相对于制冷剂流设置在所述压缩装置的所述中间压力级的上游和相对于制冷剂流设置在所述第一流量控制阀和所述第三流量控制阀的下游的第二流量控制阀；以及
相对于制冷剂流设置在所述主制冷剂回路的所述吸入压力部分的上游和相对于制冷剂流设置在第一流量控制阀和第三流量控制阀的下游的第四流量控制阀。
5.如权利要求4所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四流量控制阀中的每一个包括具有第一打开位置和第二关闭位置的电磁阀。
6.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统还包括压缩机卸载旁路管路，所述旁路管路在所述压缩装置的中间压力级和所述主制冷剂回路的吸入压力部分之间建立制冷剂流连通。
7.如权利要求6所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述压缩机卸载旁路管路形成了所述制冷剂蒸气注入管路的下游延伸和所述制冷剂液体注入管路的下游延伸。
8.如权利要求7所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统还包括：
设置在所述制冷剂蒸气注入管路的上游部分上的第一流量控制阀；
设置在所述制冷剂液体注入管路的上游部分上的第三流量控制阀；
在所述压缩机卸载旁路管路中相对于制冷剂流设置在所述压缩装置的所述中间压力级的上游上的第二流量控制阀；以及
在所述第三流量控制阀和所述主制冷剂回路的吸入压力部分之间的位置处设置在所述压缩机卸载旁路管路上的第四流量控制阀。
9.如权利要求8所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四流量控制阀中的每一个包括具有第一打开位置和第二关闭位置的电磁阀。
10.如权利要求3所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统还包括吸入调制阀，所述吸入调制阀由所述控制器操作地控制并且在所述主制冷剂回路中设置在所述制冷剂吸热换热器的下游和所述压缩装置的上游上。
11.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统以跨临界循环方式运行。
12.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，制冷剂包括二氧化碳。
13.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述压缩装置包括具有至少第一较低压力压缩级和第二较高压力压缩级的单个压缩机。
14.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述压缩装置包括以连续制冷剂流关系设置在所述主制冷剂回路中的第一压缩机和第二压缩机，且所述第一压缩机的排放出口与所述第二压缩机的吸入进口成制冷剂流连通。
15.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述压缩装置包括涡旋式压缩机。
16.如权利要求13所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统还包括制冷剂-制冷剂的换热器，其具有设置成与第二制冷剂通路为热交换关系的第一制冷剂通路，所述第一制冷剂通路设置在所述主制冷剂回路上的所述制冷剂排热换热器和所述副膨胀装置之间，并且所述第二制冷剂通路设置在所述主制冷剂回路上的制冷剂吸热换热器和所述压缩装置(20)之间。
17.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述压缩装置包括螺杆式压缩机。
18.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述压缩装置包括往复式压缩机。
19.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述主膨胀装置包括电子膨胀阀。
20.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述主膨胀装置包括恒温膨胀阀。
21.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述副膨胀装置包括电子膨胀阀。
22.如权利要求1所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述副膨胀装置包括固定节流孔膨胀阀。
23.一种以跨临界循环方式运行制冷剂蒸气压缩系统的方法，包括步骤：
在两极压缩进程中压缩制冷剂到超临界状态；
使超临界压力的制冷剂以与冷介质成热交换关系的方式通过；
使得超临界状态的制冷剂在第一膨胀步骤中膨胀到次临界压力，以形成包括制冷剂蒸气和制冷剂液体的第一膨胀制冷剂；
使第一膨胀制冷剂分离为制冷剂蒸气部分和制冷剂液体部分；
使至少一部分制冷剂液体部分在第二膨胀步骤中膨胀至较低压力到包括制冷剂液体的第二膨胀制冷剂；
蒸发第二膨胀制冷剂；
有选择地引导制冷剂蒸气部分的一部分进入压缩进程的中间级或者进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分；以及
有选择地引导制冷剂液体部分的一部分进入压缩进程的中间级或者进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分，
其中，所述制冷剂蒸气压缩系统的制冷剂回路包括制冷剂吸热换热器和压缩装置，所述吸入压力部分是所述制冷剂回路中在所述制冷剂吸热换热器的出口与所述压缩装置的吸入进口之间延伸的部分。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过有选择地控制在所述第一膨胀步骤中膨胀的超临界压力制冷剂的流量来将以与冷介质成热交换关系而通过的超临界压力制冷剂的压力控制到期望压力的步骤。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法在第一运行模式时还包括步骤：
有选择地使得制冷剂蒸气部分的一部分进入到压缩进程的中间压力级；以及
有选择地阻塞制冷剂液体部分进入压缩进程的中间压力级或者进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分的通道。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该方法在第二运行模式时还包括步骤：
有选择地使得制冷剂蒸气部分的一部分进入压缩进程的中间压力级；以及
同时有选择地使得制冷剂液体部分的一部分进入压缩进程的中间压力级。
27.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该方法在第三运行模式时还包括步骤：
有选择地使得制冷剂蒸气部分的一部分进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分；以及
同时有选择地使得制冷剂液体部分的一部分进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分。
28.如权利要求23所述的方法，其特征在于，该方法在第四运行模式时还包括通过有选择地使得制冷剂蒸气部分的一部分进入制冷剂蒸气压缩系统的吸入压力部分来控制所述闪蒸罐内的所述次临界压力的步骤。
29.一种用于与运输制冷系统结合使用的制冷剂蒸气压缩系统，包括：
主制冷剂回路，包括制冷剂压缩装置，设置于所述压缩装置下游的制冷剂排热换热器，设置于所述制冷剂排热换热器下游的制冷剂吸热换热器，以及在主制冷剂回路中设置于所述制冷剂排热换热器下游和所述制冷剂吸热换热器上游的主膨胀装置；
闪蒸罐，在主制冷剂回路中设置于所述制冷剂排热换热器下游和所述主膨胀装置上游，所述闪蒸罐限定有分离室，其中液态制冷剂收集在所述分离室的下部而气态制冷剂收集在所述分离室的液体制冷剂上面的部分；
副膨胀装置，在主制冷剂回路中设置于所述闪蒸罐上游并与所述闪蒸罐以操作方式相关联；
制冷剂蒸气注入管路，在所述分离室上部和所述压缩装置的中间压力级以及所述主制冷剂回路的吸入压力部分之间建立制冷剂流连通；以及
制冷剂液体注入管路，在所述分离室下部和所述压缩装置的中间压力级以及所述主制冷剂回路的吸入压力部分之间建立制冷剂流连通，
其中，所述主制冷剂回路的吸入压力部分是在所述制冷剂吸热换热器的出口和所述压缩装置的吸入进口之间延伸的部分。
30.如权利要求29所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统还包括控制系统，用于有选择地引导制冷剂蒸气从所述闪蒸罐通过所述制冷剂蒸气注入管路以在压缩进程的中间压力级注入主制冷剂回路或者注入主制冷剂回路的吸入压力部分，以及用于有选择地引导制冷剂液体从所述闪蒸罐通过所述制冷剂液体注入管路以在压缩进程的中间压力级注入主制冷剂回路或者注入主制冷剂回路的吸入压力部分。
31.如权利要求30所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述控制系统包括控制器和与所述制冷剂蒸气注入管路和/或所述制冷剂液体注入管路以操作方式相关联的多个流量控制阀，所述控制器有选择地控制所述多个流量控制阀中的每个在其各自的打开和关闭位置之间的定位。
32.如权利要求30所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统还包括压缩机卸载旁路管路，所述旁路管路在所述压缩装置的中间压力级和所述主制冷剂回路的吸入压力部分之间建立制冷剂流连通。
33.如权利要求32所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述压缩机卸载旁路管路形成了所述制冷剂蒸气注入管路的下游延伸和所述制冷剂液体注入管路的下游延伸。
34.如权利要求33所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统还包括：
设置在所述制冷剂蒸气注入管路的上游部分上的第一流量控制阀；
设置在所述制冷剂液体注入管路的上游部分上的第三流量控制阀；
在所述压缩机卸载旁路管路中相对于制冷剂流设置在所述压缩装置的所述中间压力级的上游上的第二流量控制阀；以及
在所述第三流量控制阀和所述主制冷剂回路的吸入压力部分之间的位置处设置在所述压缩机卸载旁路管路上的第四流量控制阀。
35.如权利要求34所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四流量控制阀中的每一个包括具有第一打开位置和第二关闭位置的电磁阀。
36.如权利要求31所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统还包括吸入调制阀，其由所述控制器操作地控制并且在所述主制冷剂回路中设置在所述制冷剂吸热换热器的下游和所述压缩装置的上游上。
37.如权利要求30所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统以跨临界循环方式运行。
38.如权利要求37所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，制冷剂包括二氧化碳。
39.如权利要求30所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述压缩装置包括涡旋式压缩机。
40.如权利要求30所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述系统还包括制冷剂-制冷剂的换热器，其具有设置成与第二制冷剂通路成热交换关系的第一制冷剂通路，所述第一制冷剂通路设置在所述主制冷剂回路上的所述制冷剂排热换热器和所述副膨胀装置之间，而所述第二制冷剂通路设置在所述主制冷剂回路上的制冷剂吸热换热器和所述压缩装置(20)之间。
41.如权利要求30所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述压缩装置包括螺杆式压缩机。
42.如权利要求30所述的制冷剂蒸气压缩系统，其特征在于，所述压缩装置包括往复式压缩机。
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