CN101688702B - 制冷设备和与所述制冷设备相关的用于循环制冷剂的方法 - Google Patents

Abstract

一种制冷设备，包括主压缩机(190)、位于所述主压缩机(190)下游并与所述主压缩机(190)流体连通的冷凝器(140)、位于所述冷凝器(140)下游的主膨胀装置(170)以及位于所述主膨胀装置(170)下游并与所述主膨胀装置(170)流体连通的蒸发器(180)，所述制冷设备还包括涡轮压缩机单元(160)以及至少一个热交换器(150，152)，所述涡轮压缩机单元(160)流体连通地位于所述蒸发器(180)与所述主压缩机(190)之间，所述至少一个热交换器(150，152)具有热支路(150c)和冷支路(150f)，所述热支路(150c)在上游经由入口管路(145)连接到所述冷凝器(140)并且在下游经由出口管路(149)连接到所述主膨胀装置(170)，所述冷支路(150f)在上游连接到安装在所述入口管路(145)的支路(146)上的膨胀装置(142，144)并且在下游连接到所述涡轮压缩机单元(160)的涡轮部分(162)。本发明还涉及一种用于在上述装置中循环制冷剂的方法。

Description

制冷设备和与所述制冷设备相关的用于循环制冷剂的方法

技术领域

本发明涉及一种制冷设备，该制冷设备特别适用于在工业制冷设施以及家用空调系统中循环制冷剂的制冷设备以及与所述制冷设备相关的用于循环制冷剂的方法。

背景技术

通常，用于循环制冷剂的设备包括：压缩机，其设计用于压缩蒸气态制冷剂，使制冷剂具有高温和高压值；冷凝器，其能够将经压缩的气态制冷剂冷凝因此转变成液态并将热量释放到外部环境；膨胀单元，其例如是毛细管或者等焓膨胀阀，其用于降低制冷剂的温度和压力；和蒸发器，其从外部环境中吸收热量、冷却外部环境并将热量传递给来自膨胀单元的低温低压的制冷剂，从而所述制冷剂从液态转变为蒸气态(vapour state)。

近年来，为了提高制冷设备的性能已做过许多尝试。一些已遇到损害性能的技术难题，另一些尽管带来了效率的提高，但是也严重的增加了装置的复杂度。一个例子是关于存在两个独立的压缩机的两级压缩装置，其导致了负载的平衡问题和整个装置的更复杂的操纵。

发明内容

本发明的目的是通过提供效率改进的制冷设备以及与所述制冷设备相关的用于循环制冷剂的方法来消除或至少减少上述缺陷。

根据本发明的第一方面，提供一种制冷设备，包括主压缩机、位于所述主压缩机下游并与所述主压缩机流体连通的冷凝器、位于所述冷凝器下游的主膨胀装置以及位于所述主膨胀装置下游并与所述主膨胀装置流体连通的蒸发器，

其特征在于：所述制冷设备包括涡轮压缩机单元以及至少一个热交换器，所述涡轮压缩机单元流体连通地位于所述蒸发器与所述主压缩机之间，所述至少一个热交换器具有热支路和冷支路，所述热支路在上游经由入口管路连接到所述冷凝器并且在下游经由出口管路连接到所述主膨胀装置，所述冷支路在上游连接到安装在所述入口管路的支路上的膨胀装置并且在下游连接到所述涡轮压缩机单元的涡轮部分。

根据本发明的另一方面，提供一种用于在根据本发明的制冷设备中循环制冷剂的方法，所述方法包括以下步骤：

在主压缩机中压缩制冷剂；

在位于所述主压缩机下游并与所述主压缩机流体连通的冷凝器中冷凝所述制冷剂；

在位于所述冷凝器下游的主膨胀装置中膨胀所述制冷剂；

在位于所述主膨胀装置下游并与所述主膨胀装置流体连通的蒸发器中蒸发所述制冷剂；

其特征在于：所述方法还包括：

在所述冷凝步骤和所述膨胀步骤之间的至少一个在至少一个热交换器中进行的热交换步骤，所述热交换步骤是在流入所述至少一个热交换器的热支路中的压缩制冷剂和在所述至少一个热交换器的上游排出、在膨胀装置中冷却并流入所述至少一个热交换器的冷支路中的相关量的压缩制冷剂之间进行的；和

在所述膨胀步骤和所述压缩步骤之间的在涡轮压缩机单元中进行的制冷剂的预压缩步骤，所述预压缩步骤包括在所述涡轮压缩机单元的至少一个涡轮部分中对离开所述至少一个热交换器的冷支路的排出制冷剂的至少一个膨胀步骤。

附图说明

从下面参考附图对本发明的当前优选实施例的详细描述中，本发明的特定特征和优点将更为清楚地显现，本发明的优选实施例仅仅通过非限定性的例子给出，附图中：

图1示出根据现有技术的制冷设备的示意图；

图2示出在图1的制冷设备中循环的制冷剂的压焓图；

图3是示出根据本发明的制冷设备的示意图；

图4示出在图3的制冷设备中循环的制冷剂的压焓图。

在附图中，相同的部件和构件用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1和图2分别示出特别适用于冷冻食品的常规类型的制冷设备10和在制冷设备中循环的制冷剂的压焓图。如图所示，制冷设备10由压缩机12、与压缩机12流体连通的冷凝器14、与冷凝器14流体连通的等焓膨胀阀16、在上游与等焓膨胀阀16流体连通并且在下游与压缩机12流体连通的蒸发器18形成。

制冷剂(例如氟里昂)以低温低压(例如35℃和1.33巴)的过热蒸气的形式进入压缩机12(压焓图中点1^＊)，被压缩，并以高压高温(例如+65℃和16巴)进入冷凝器14(压焓图中点2^＊)。在冷凝器14中，制冷剂冷却，从过热蒸气态(点2^＊)转变为液态(压焓图中点3^＊)，并向外部环境释放热量q_out。离开冷凝器14的液态制冷剂经过等焓膨胀阀16而膨胀并且压力降低，而没有与外部环境发生热交换(等焓变化)。离开膨胀部件的制冷剂(压焓图中点4^＊)进入蒸发器，在蒸发器中制冷剂从外部环境中吸收热量q_in而从液态转变为过热蒸气态(压焓图中点1^＊)。

参考图3，该图示出本发明的优选实施例，整体由附图标记100表示的用于循环制冷剂的设备包括以下构件：常规的制冷设备(即主冷凝器140)、主膨胀装置(例如主等焓膨胀阀170)、蒸发器180和主压缩机190。

上述常规设备还补充有由图3中虚线限定的框内理论上所包围的一些构件，这些构件包括第一和第二热交换器150、152以及涡轮压缩机单元160，所述第一和第二热交换器150、152串连布置在冷凝器140和主膨胀阀170之间，所述第一和第二热交换器分别例如是通常用在制冷部分中的板式或管束式热交换器，所述涡轮压缩机单元160插在主压缩机190和蒸发器180之间，并且设置有压缩部分166以及第一和第二涡轮部分162、164，第一和第二涡轮部分162、164分别由相应的热交换器150、152的出口供应。

更具体地，冷凝器140经由入口管路145连接到第一热交换器150的高温制冷剂回路(下面称为“热支路”150c)。入口管路145具有与该入口管路分支的管路146，该管路146包含第一膨胀装置(例如第一膨胀阀142)，该第一膨胀装置通向第一热交换器150的低温制冷剂回路(下面称为“冷支路”150f)。第一热交换器150的热支路150c的出口经由连接管路147连接到第二热交换器152的高温制冷剂回路(下面称为“热支路”152c)的入口，而第一热交换器150的冷支路150f的出口连接到涡轮压缩机单元160的第一涡轮部分162的入口。

将第一和第二热交换器150、152连接到一起的管路147具有支路148，该支路148设置有第二膨胀装置(例如第二膨胀阀144)，该第二膨胀装置通向第二热交换器152的低温制冷剂回路(下面称为“冷支路”152f)。第二热交换器的热支路152c的出口经由出口管路149连接到主膨胀阀170，而冷支路152f的出口连接到涡轮压缩机单元160的第二涡轮部分164的入口。

蒸发器180的出口连接到涡轮压缩机单元160的压缩部分166的入口，压缩部分166的出口与主压缩机190流体连通。

下面参考图4中所示的有关循环通过根据图3的制冷设备的制冷剂的压焓图，对根据图3的制冷设备的运行原理进行描述。在当前讨论的具体例子中，所述制冷设备用于快速冷冻食品。为此，在制冷设备中循环的制冷剂的温度在数值T_min＝-40℃和数值T_max＝63.7℃之间变化，并且制冷剂选择氟利昂。可以理解的是，根据本发明的制冷设备适用于多种用途(例如家用空调)，从而根据预定用途，物理状态1-14的压力值和温度值以及在制冷设备中循环的制冷剂的类型都可以相应地变化。

制冷剂(通常为氟利昂)以温度T₅＝35℃和压力p₅＝16.1巴(压焓图中点1^＊)，即以液/蒸气平衡态从冷凝器140中流出。从冷凝器140中流出的制冷剂的一部分(下面称为第一排出制冷剂s1)经由管路145的支路146被输送到第一等焓膨胀阀142中，在第一等焓膨胀阀142中，该制冷剂部分被冷却到范围在周期的最大温度(T_max＝35℃)和最小温度(T_min＝-35℃)之间的一个温度，优选被冷却到温度T₉＝7℃(压焓图中点9；p₉＝7.48巴)，然后进入第一热交换器150的冷支路150f，而从冷凝器140中流出的制冷剂的剩余部分1-s1以温度T₅和压力p₅直接进入第一热交换器150的冷支路150c。

在第一热交换器150中，包含在热支路150c中的制冷剂部分将热量传递给包含在冷支路150f中的制冷剂部分，从温度T₅＝35℃被冷却到温度T₆＝12℃，并进入压焓图的过冷液体区(点6；p₆＝16.1巴)，而包含在冷支路150f中的制冷剂部分吸收来自包含在热支路150c中的制冷剂部分的热量，从温度T₉＝7℃被加热到温度T₁₀＝12℃，并进入压焓图的过热蒸气区(点10；p₁₀＝7.48巴)。

在第一热交换器150的下游，第二数量的制冷剂被排出，从而离开热支路150c的过冷液体的一部分s2经过第二等焓膨胀阀144，在第二等焓膨胀阀144中，该制冷剂部分被进一步从温度T₆＝12℃冷却到温度T₁₂＝-17℃(压焓图中点12；p₁₂＝3.38巴)，然后进入第二热交换器152的冷支路152f，而离开第一热交换器150的制冷剂的剩余部分1-s1-s2以温度T₆和压力p₆进入第二热交换器152的热支路152c。

在第二热交换器152中，包含在热支路152c中的制冷剂部分将热量释放到包含在冷支路152f中的制冷剂部分，从温度T₆＝12℃冷却到温度T₇＝-12℃，并在图4的压焓图中进一步向左移动到过冷液体区(压焓图中点7；p₇＝16.1巴)，而包含在冷支路152f中的制冷剂部分吸收来自包含在热支路152c中的制冷剂部分的热量，从温度T₁₂＝-17℃被加热到温度T₁₃＝-12℃，并进入压焓图的过热蒸气区(点13；p₁₃＝3.38巴)。

以过热蒸气态离开每个热交换器150、152的第一和第二排出制冷剂s1、s2分别被引入涡轮压缩机单元160的第一和第二涡轮部分162、164。在第一涡轮部分162中，制冷剂膨胀，压力从p₁₀＝7.48巴(T₁₀＝12℃)到p₁₁＝2.03巴(T₁₁＝-25℃)；类似地，在第二涡轮部分164中，制冷剂膨胀，压力从p₁₃＝3.38巴(T₁₃＝-12℃)到p₁₄＝2.3巴(T₁₄＝-25.6℃)。

离开第二热交换器152的热支路152c的制冷剂部分1-s1-s2(压焓图中点7)进入主膨胀阀170，从温度T₇＝-12℃冷却到温度T₈＝-40℃(压焓图中点8；p₈＝1.33巴)，然后进入蒸发器180，在蒸发器180中，该制冷剂部分从外部环境中吸收热量Q_in而从液+蒸气态转变为过热蒸气态(压焓图中点1)。离开蒸发器180的过热蒸气态的制冷剂进入涡轮压缩机单元160的压缩部分166。

压缩部分166由涡轮162和164协同运行，在涡轮162和164中，包含在由第一和第二热交换器150、152供应的过热蒸气态的排出制冷剂s1、s2中的动能转化为机械能，从而对由蒸发器180供应的制冷剂在其进入主压缩机190之前对其进行预压缩(压焓图中点3；T₃＝-22.1℃，p₃＝2.03巴)。

该预压缩步骤带来相当多的优点。首先，因为机械能由在涡轮162、164中膨胀的排出制冷剂s1、s2提供，所以不需要使用额外的能源。其次，当制冷剂处于最大的特定体积的条件下，涡轮压缩机单元160压缩制冷剂、做功L_TC(图4)，从而主压缩机190不需要做这部分功，由此减少了供给压缩机本身的电能，就压缩机的结构特征而言，这部分功降低了压缩机的效率，特别是减少了压缩机可处理的质量流(mass flow)。另外，涡轮压缩机单元160与主压缩机190流体/动态连接，从而可以独立地适应不同的负载条件，而不需要借助额外的控制。最后，重要的是，尽管伴随着排出制冷剂s1、s2的同时，存在进入蒸发器180的制冷剂的流量同时减少的情况，但是在热交换器150、152中使制冷剂冷却导致蒸发器180的性能得到提高。

在涡轮压缩机单元160中经预压缩的制冷剂进入主压缩机190，在主压缩机190中，该经预压缩的制冷剂被压缩到压力p₄＝16.1巴(压焓图中点4；T₄＝63.7)，然后被输送到冷凝器140的入口。

已经发现，用根据本发明(即包括由涡轮压缩机单元执行的预压缩步骤)的用于循环制冷剂的设备可以得到的性能系数(coefficient ofperformance)COP大于图1和图2中图示类型的常规设备的COP值，所述性能系数定义为从低温源抽取的热量Q和为使用于循环制冷剂的设备运行所做的功L之间的比值，热量Q构成所产生的“冷量”。

具体地，假定排出制冷剂s1、s2分别具有压力p₉＝7.48巴和p₁₂＝3.38巴，热交换器150、152中的最小温度梯度是ΔT_min＝5℃，第一和第二涡轮部分162、164的效率η_T＝0.85，压缩部分166的效率η_C＝0.80并且主压缩机190的效率η_CP＝0.75，对于根据图4的压焓图的物理状态1-14可以获得压力值p、温度值T、焓值h，如下面的表1所示：

表1

物理状态

p(巴)

T(℃)

H(Kj/Kg)

1	1.33	-35	347.6
				2	2.03	-20	358.1
3	2.03	-22.1	356.6
				4	16.1	63.7	415.0
5	16.1	35	254.8
				6	16.1	12	217.5
7	16.1	-12	183.4
				8	1.33	-40	183.4
9	7.48	7	254.8
				10	7.48	12	376.7
11	2.03	-25	354.3
				12	3.38	-17	217.5
13	3.38	-12	362.5
				14	2.03	-25.6	353.8

通常，定义为从低温源抽取的热量Q和为使制冷剂循环设备运行所做的功L之间的比值，热量Q构成所产生的“冷量”。具体地，COP定义为由蒸发器180从外部环境中吸收的热量Q_in和由主压缩机190所做的功L_cp的比值，即：

Q_in＝(1-s1-s2)×(h1-h7)，和

L_cp＝h4-h2

由此，根据表1中所示的数值获得以下：

$\mathrm{COP}=\frac{Q_{\mathrm{in}}}{L_{\mathrm{CP}}}=1.74$

下面的表2概括了在图1和图2中图示类型的常规制冷设备中循环的制冷剂的压力值p、温度值T、焓值h。

表2

物理状态	p(巴)	T(℃)	H(Kj/Kg)
				1	1.33	-35	347.6
2	16.1	65.3	416.9
				3	16.1	35	254.8
4	1.33	-40	254.8

这样给出：

q_in＝(h1-h4)，和

L_cp＝h2-h1

由此，根据表2中所示的数值获得以下：

${\mathrm{COP}}_{\mathrm{st}}=\frac{q_{\mathrm{in}}}{L_{\mathrm{CP}}}=1.34$

与常规类型的制冷设备相比，新型的制冷设备的百分比效益Δ是：

$\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{COP}-{\mathrm{COP}}_{\mathrm{st}}}{{\mathrm{COP}}_{\mathrm{st}}}=30\%$

从到此提供的描述中可以表明的是，根据本发明的制冷设备由于存在涡轮压缩机单元160，因此存在对在主压缩机190上游的、在设备中循环的制冷剂的预压缩，这就使得性能提高了大约30％，所有这些都不需要额外提供能量，而是有利地利用了由涡轮压缩机单元160的一个或多个涡轮部分162、164提供的机械能，该机械能通过使从冷凝器140下游排出的一个或多个排出制冷剂s1、s2膨胀而获得。

尽管已经参考本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应该理解的是，可以应用各种修改和变化，所有这些修改和变化都将落入由所附的权利要求限定的保护范围之内。例如，可以使用单个热交换器和带有单个涡轮的涡轮压缩机单元来代替两个热交换器和带有两个涡轮的涡轮压缩机单元。在该特定例子中，单个热交换器将具有连接在冷凝器和主膨胀阀的热支路以及与涡轮压缩机单元的单个涡轮部分的入口流体连通的冷支路。此外，可以想到每个都带有单个涡轮部分的多个涡轮压缩机来代替具有多个涡轮部分的涡轮压缩机单元。

Claims (7)

1.一种制冷设备，包括主压缩机(190)、位于所述主压缩机(190)下游并与所述主压缩机(190)流体连通的冷凝器(140)、位于所述冷凝器(140)下游的主膨胀装置(170)以及位于所述主膨胀装置(170)下游并与所述主膨胀装置(170)流体连通的蒸发器(180)，

其特征在于：所述制冷设备包括涡轮压缩机单元(160)以及至少一个热交换器(150)，所述涡轮压缩机单元(160)流体连通地位于所述蒸发器(180)与所述主压缩机(190)之间，所述至少一个热交换器(150)具有热支路(150c)和冷支路(150f)，所述热支路(150c)在上游经由入口管路(145)连接到所述冷凝器(140)并且在下游经由出口管路(149)连接到所述主膨胀装置(170)，所述冷支路(150f)在上游连接到安装在所述入口管路(145)的支路(146)上的膨胀装置(142)并且在下游连接到所述涡轮压缩机单元(160)的至少一个涡轮部分(162)。

2.根据权利要求1所述的制冷设备，其特征在于：所述至少一个热交换器(150)是管束式热交换器。

3.根据权利要求1所述的制冷设备，其特征在于：所述至少一个热交换器(150)是板式热交换器。

4.根据权利要求1所述的制冷设备，其特征在于：所述膨胀装置(142)是等焓膨胀阀。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的制冷设备，其特征在于：所述制冷设备包括第二热交换器(152)，所述涡轮压缩机单元(160)包括第二涡轮部分(164)，所述第二热交换器(152)具有热支路(152c)和冷支路(152f)，所述第二热交换器(152)的热支路(152c)经由连接管路(147)与所述至少一个热交换器的热支路(150c)流体连通，所述第二热交换器(152)的冷支路(152f)在上游连接到安装在所述连接管路(147)的支路(148)上的膨胀装置(144)并且在下游连接到所述涡轮压缩机单元(160)的所述第二涡轮部分(164)。

6.一种用于循环制冷剂的方法，所述方法包括以下步骤：

在主压缩机(190)中压缩制冷剂；

在位于所述主压缩机(190)下游并与所述主压缩机(190)流体连通的冷凝器(140)中冷凝所述制冷剂；

在位于所述冷凝器(140)下游的主膨胀装置(170)中膨胀所述制冷剂；

在位于所述主膨胀装置(170)下游并与所述主膨胀装置(170)流体连通的蒸发器(180)中蒸发所述制冷剂；

其特征在于：所述方法还包括：

在所述冷凝步骤和所述膨胀步骤之间的至少一个在至少一个热交换器(150)中进行的热交换步骤，所述热交换步骤是在所述至少一个热交换器(150)中的热支路(150c)中循环的压缩制冷剂和在所述至少一个热交换器(150)的上游排出、在膨胀装置(142)中冷却并流入所述至少一个热交换器(150)的冷支路(150f)中的相关量(s1)的压缩制冷剂之间进行的；和

在所述膨胀步骤和所述压缩步骤之间的在涡轮压缩机单元(160)中进行的制冷剂的预压缩步骤，所述预压缩步骤包括在所述涡轮压缩机单元(160)的至少一个涡轮部分(162)中对离开所述至少一个热交换器(150)的冷支路(150f)的排出量(s1)的制冷剂的至少一个膨胀步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述方法包括在所述冷凝步骤和所述膨胀步骤之间的所述至少一个热交换步骤的后续步骤：

在与所述至少一个热交换器(150)串联布置的第二热交换器(152)中进行的第二热交换步骤，所述第二热交换步骤是在离开所述至少一个热交换器(150)的热支路(150c)并循环进入所述第二热交换器(152)的热支路(152c)的制冷剂和在所述第二热交换器(152)的上游排出、在膨胀装置(144)中冷却并循环进入所述第二热交换器(152)的冷支路(152f)中的相关量(s2)的制冷剂之间进行的；并且

在所述膨胀步骤和所述压缩步骤之间的所述预压缩步骤由从每个热交换器(150，152)排出的制冷剂在所述涡轮压缩机单元(160)的每个涡轮部分(162，164)中的膨胀提供能量。

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