CN101755175A - 具有级联回路和性能增强部件的制冷系统 - Google Patents

Abstract

一种改善的制冷系统结合有至少两个按级联关系设置的回路。优选地，上级回路利用碳氢制冷剂，下级回路优选地利用二氧化碳制冷剂。优选地，二氧化碳级联回路主要在亚临界区域运行。为了改善级联制冷系统的效率和容量控制，至少一个回路装备了性能增强部件如，例如，由闪蒸罐或经济器热交换器提供的经济器功能。附加的增强部件也可以包括气液热交换器和旁路功能。

Description

具有级联回路和性能增强部件的制冷系统

背景技术

本申请涉及具有至少两个级联回路的制冷系统，特别是具有性能增强部件的级联制冷系统。

例如，两种不同的制冷剂可以在两个回路中的每一个中使用，其中碳氢制冷剂仅能在上级回路中使用而另一种制冷剂在下级回路中使用。碳氢制冷剂的类型可以是，例如，丙烷或异丁烯制冷剂。由于上级回路可以位于封闭空调室之外，它将提供一个易燃制冷剂也位于封闭空间之外的优点，这将减轻对这些制冷剂的易燃忧虑。通过利用两级联回路，上级回路的充电量与单一回路制冷系统相比将会实质上减少。由于上级回路充电量的减小，在此回路中制冷剂的易燃忧虑也会减少。

过去，传统HFC和HCFC制冷剂如R22，R123，R407C，R134a，R410A和R404A，已被利用于空调和制冷应用中。但是，最近，有关全球变暖的忧虑以及，在一些情况下，臭氧耗减促使了自然制冷剂如R744(二氧化碳)，R718(水)和R717(氨)的使用。特别是，二氧化碳是一种很有前途的具有零臭氧耗减潜能和极低全球变暖潜能的制冷剂。因此，二氧化碳越来越广泛地作为传统HFC制冷剂的替代制冷剂使用。但是，利用二氧化碳对于制冷系统设计人员还是存在挑战。由于其低临界点，二氧化碳通常在跨临界循环中运行(在两相汽室之上或临界点之上抵制热量)而其具有确定的关联于排热进程的低效率。因此，利用二氧化碳作为制冷剂的制冷系统不能总是在相同于传统制冷系统的效率等级上运行。

一个用于克服二氧化碳制冷剂缺陷的方式是利用制冷系统的级联设计。例如，两个级联回路中每个回路都可以充入二氧化碳制冷剂。在此情况下，系统可以以此方式设计使得每个回路都具有较低的跨回路压力差，相较于制冷系统仅利用一个回路。通过降低每个级联回路的压力差，压缩机的可靠性和效率可以得到提升。在另一种方式中，下级回路充入二氧化碳制冷剂。由于只有下级回路充入二氧化碳，此回路相较于充入二氧化碳制冷剂的单回路制冷系统(非级联)会在较低的压力下运行。丙烷或类似制冷剂会被上级回路利用。但是，即使在一个回路分裂成两个独立的级联回路之后，制冷系统设计人员还面临着许多关于进一步改进系统的效率和容量控制的挑战。

已知有各种用来增强制冷系统的功能和性能的增强部件。例如，经济器循环可以被结合到制冷系统中以增加其性能。运行一个经济器循环来过冷主制冷剂流，这样做，在一个变化中，是通过分流部分源自主制冷剂流的制冷剂并膨胀此分支制冷剂到某一中间压力实现。此膨胀的制冷剂是在较冷的温度，并进入与经济器热交换器中的主制冷剂流关联的热交换器。在一个经济器循环的变化中，闪蒸罐代替热交换器，在那里气态和液态制冷剂被分开，其中液态流继续通过主回路而气态流则在某一中间压力注入压缩进程。在任何变化中，气态制冷剂会返回压缩机。

另一个增强部件是制冷剂旁路功能。在旁路功能中，至少部分被部分压缩的制冷剂返回制冷剂吸入管路，以允许制冷系统卸载。

还有另一个增强部件是气液热交换器(liquid-suction heat exchanger)。在气液热交换器中，蒸发器下游的制冷剂以与冷凝器下游的制冷剂呈热交换关系的方式通过，以允许附加的过冷和制冷系统的容量增加。在过去，这些增强部件均与标准回路结合，在那里回路具有蒸发器和气体冷却器(或冷凝器)。

但是，所述涉及的增强部件均不能结合到级联制冷系统中。在级联制冷系统中，每个级联回路都不能与蒸发器和气体冷却器一起运行。相反的，下级回路具有蒸发器并与上级回路分享共同的制冷剂到制冷剂热交换器。上级回路具有气体冷却器并和下级回路分享制冷剂到制冷剂热交换器。换句话说，上级回路不与蒸发器关联，而下级回路也不与气体冷却器关联。

本发明提供了附加设计部件增强级联系统性能和功能使其在如本申请主体所描述的广泛运行范围和环境条件下与传统制冷系统具有可比性。

发明内容

在本发明中，级联制冷回路结合到制冷系统设计中。在一个特别的应用中，上级回路包括有碳氢化合物制冷剂，例如丙烷或是异丁烯，其可以被置于室外。上级回路与下级回路级联设置，其中下级回路利用二氧化碳制冷剂。上级回路主要位于室外环境，而下级回路通常位于室内环境。但是，其他位置也会落于本发明的范围。如本发明的一个特征，下级的二氧化碳回路在亚临界区域运行而级联回路外的上级回路将会在跨临界区域运行，如果它也是充入同样的二氧化碳制冷剂。两回路的组合为二氧化碳回路超临界区域运行提供了性能增强。为了增强级联制冷系统的运行，至少有一个回路设置有经济器循环，利用经济器热交换器或是闪蒸罐设置。此外，或者如一个独立部件，至少一个回路可以设置有气液热交换器。进一步的，卸载部件可以提供给一个或两个级联制冷回路。

本发明的这些以及其它优点可以通过以下的说明书和图示来更好的理解，以下是图示的一个简短描述。

附图说明

图1显示了在先技术系统的原理图。

图2一般地图示了此项在先技术的特征。

图3显示了本发明的第一实施例。

图4显示了本发明的第二实施例。

图5显示了本发明的第三实施例。

图6显示了本发明的第四实施例。

图7显示了本发明的第五实施例。

图8显示了本发明的第六实施例。

图9显示了本发明的第七实施例。

图10显示了本发明的第八实施例。

具体实施方式

图1显示了在先技术制冷系统20结合两级联回路21和23。下级回路23包括压缩机，它输送压缩的制冷剂进入制冷剂到制冷剂热交换器24。热交换器24最好位于空调环境之外。制冷剂从热交换器24通过膨胀装置26，并进入室内热交换器28。如已知的，风扇30吹送空气到室内热交换器28外表面之上并输送该空调空气进入环境32。下级回路23会通常的充入会在亚临界区域运行的制冷剂。能够用于此回路的这种制冷剂会是二氧化碳制冷剂，而在下级级联回路中，其还是会在亚临界区域。如果此相同二氧化碳制冷剂用在上级级联回路，其很可能在跨临界方式下运行

在上级回路21中，压缩机34压缩制冷剂并将其输送到第二室外热交换器36中。风扇38吹送空气到热交换器36之上。制冷剂从热交换器36顺流通过到膨胀装置40，然后返回通过制冷剂到制冷剂热交换器24进入压缩机22。

图2显示了制冷系统20的P-h图。

上级回路21能被充入碳氢化合物制冷剂，特别是，此制冷剂是揭示的丙烷或是异丁烯中的一种。已知丙烷和异丁烯作为制冷剂具有良好热物理性质，但是，他们都具有潜在爆炸性，在使用他们时会有安全忧虑，特别是在密闭环境。通过将碳氢化合物制冷剂限制应用于室外热交换器，爆炸问题会被极大的减少。进一步的，通过仅对上级级联回路21充入碳氢化合物制冷剂，制冷系统设计人员减少了制冷系统20中使用的碳氢化合物制冷剂的总量，从而减少了使用碳氢化合物制冷剂的易燃风险。此外，通过将风扇38相对于热交换器36安置于最佳方向，任何泄漏或意外排放到空调环境的碳氢化合物制冷剂会被导向室外环境，从而进一步的减小了爆炸风险。

下级级联回路23优选的在亚临界区域运行。进一步的，虽然上级级联回路21运行碳氢化合物制冷剂已被揭示，但是回路21也可以运行其他适宜的制冷剂。

在揭示的实施例中，附加增强部件被提供以使得级联回路运行的更有效率。

如图3所示，上级级联回路100设置有经济器功能102，其会给此上级级联经济器回路100增加容量和对主制冷剂流的过冷量。必然的，下级级联回路101的性能也会增加，因为在上级级联回路100和下级级联回路101之间提供热传递交互作用方式和作为下级级联回路101冷凝器的制冷剂到制冷剂热交换器104的性能增加。经济器热交换器109和经济器膨胀装置99也被显示了。因此，图3所示的整体级联制冷系统的容量和效率是提高的。作为一个附加增强部件，旁路阀106可被安装来连接上级级联回路100的中间压力边与此回路的吸压边108。选择性的打开旁路阀106为压缩机提供了卸载和为上级级联回路100，以及因而为整个制冷系统提供了容量控制方式。

图3实施例中的由经济器热交换器109为上级级联回路100提供的经济器装置功能也能由，如图4所示的闪蒸罐112以及膨胀装置199提供。

一般来说，经济器回路的使用改进了系统效率，而且还通过选择性配接这些回路提供容量控制。已知的，经济器循环的方案有许多种变化，这些变化全都是有益的并都在本发明的范围内。并且，有选择地打开和关闭旁路阀将为级联制冷系统的容量控制提供附加的灵活性。

上级级联回路100也可设置有气液热交换器(liquid-suction heatexchanger，LSHE)114，如图5所示，再一次的为了改进在此上级级联回路100中获得的容量和过冷量的目的，通过从制冷剂管路116中的热制冷剂转移热量到制冷剂管路108中吸入的制冷剂蒸汽。

此外，图6显示了又一个实施例，其中经济器热交换器109和气液热交换器114部件被结合以获得对于上级级联回路100，并因此对于整个级联制冷系统，容量和效率的更进一步的改进。

图7表现了又一个级联方案，其中经济器热交换器120结合到下级级联回路101中。作为附加可选部件的举例，此下级级联回路101也可设置有卸载阀122，其允许部分制冷剂由中间压力边旁路到压力吸入边。

图8显示了又一个级联方案，其中闪蒸罐130结合到下级级联回路101中。

图9显示了又一个级联方案，其中气液热交换器132结合到下级级联回路101中。图10也显示了又一个级联方案，其中气液热交换器132和经济器热交换器120的功能全都结合到下级级联回路101中。这些增强部件可以被独立使用或是相互结合使用。此实施例显示了下级压缩机202和上级压缩机201。

图10还概要的显示了“黑箱”300，其举例说明了例如由以上任意实施例揭示的性能增强部件。也就是说，两回路全都能具有此部件。

应当指出以上描述的性能增强部件可以被单独的或是相互组合的结合到制冷系统内的每个级联回路并被运行。同样，制冷系统内可以运行两个以上的级联回路也是应该可以理解到的。显然的，在很多情况下，将以上列出的性能增强部件应用到充入的制冷剂不能在基础制冷循环中运行良好的级联回路会更加具有意义。

应当指出，许多不同类型的压缩机可在本发明中使用。例如，滚动式，螺旋式，旋转式，离心式或往复式压缩机可以被采用。

利用了本发明的制冷系统，可以在许多不同的应用中使用，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，以及超市制冷系统。

虽然揭示了本发明的一些实施例，然而，本领域普通技能工人可以发现在本发明的范围内的一些特定的修改。出于这个原因，以下的权利要求应被研究以确定本发明的真正范围和内容。

Claims (42)

1.一种制冷系统包括：

至少一对以级联方式运行的回路，其中第一回路包括第一压缩机，该第一压缩机压缩制冷剂并将其输送给排热热交换器，制冷剂从所述排热热交换器穿过膨胀装置，然后进入制冷剂到制冷剂热交换器，制冷剂从所述制冷剂到制冷剂热交换器返回到所述第一压缩机；

第二回路，所述第二回路包括第二压缩机，所述第二压缩机输送制冷剂到所述制冷剂到制冷剂热交换器，制冷剂从所述制冷剂到制冷剂热交换器通过膨胀装置，然后通过所述热接收热交换器；

所述制冷剂到制冷剂热交换器在所述第一回路和第二回路之间提供热量转移联系；

所述第一回路利用第一制冷剂，而第二回路利用第二制冷剂；以及

至少一个附加性能增强部件被结合到所述第一回路和第二回路的至少一个中。

2.如权利要求1所述的制冷系统，其中附加性能增强部件是经济器。

3.如权利要求2所述的制冷系统，其中经济器功能是由经济器热交换器提供的。

4.如权利要求2所述的制冷系统，其中经济器功能是由闪蒸罐提供的。

5.如权利要求2所述的制冷系统，其中旁路功能也被结合到制冷系统中。

6.如权利要求5所述的制冷系统，其中经济器和旁路功能均被包括在第一回路中。

7.如权利要求5所述的制冷系统，其中经济器和旁路功能均被包括在第二回路中。

8.如权利要求2所述的制冷系统，其中经济器被包括在第一回路中。

9.如权利要求2所述的制冷系统，其中经济器被包括在第二回路中。

10.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述附加性能增强部件是气液热交换器。

11.如权利要求10所述的制冷系统，其中经济器也被包括在制冷系统中。

12.如权利要求11所述的制冷系统，其中气液热交换器和经济器均被包括在第一回路中。

13.如权利要求11所述的制冷系统，其中气液热交换器和经济器均被包括在第二回路中。

14.如权利要求10所述的制冷系统，其中气液热交换器被包括在第一回路中。

15.如权利要求10所述的制冷系统，其中气液热交换器被包括在第二回路中。

16.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述第一制冷剂是碳氢化合物。

17.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述第二制冷剂是二氧化碳。

18.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述第一制冷剂和所述第二制冷剂为同样的制冷剂。

19.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述第一制冷剂和所述第二制冷剂为不同制冷剂。

20.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述一对回路中的至少一个回路本身是由一对回路体现的。

21.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述第一回路中具有至少一个附加性能增强部件且所述第二回路中也具有至少一个所述性能增强部件。

22.一种运行制冷系统的方法，包括步骤：

提供至少一对以级联方式运行的回路，其中第一回路包括第一压缩机，该第一压缩机压缩制冷剂并将其输送给排热热交换器，制冷剂从所述排热热交换器穿过膨胀装置，然后进入制冷剂到制冷剂热交换器，制冷剂从所述制冷剂到制冷剂热交换器返回到所述第一压缩机；

提供第二回路，所述第二回路包括第二压缩机，所述第二压缩机输送制冷剂到所述制冷剂到制冷剂热交换器，制冷剂从所述制冷剂到制冷剂热交换器通过膨胀装置，然后通过所述热接收热交换器；

所述制冷剂到制冷剂热交换器在所述第一回路和第二回路之间提供热量转移联系；

所述第一回路利用第一制冷剂，而第二回路利用第二制冷剂；以及

运行至少一个被结合到所述第一回路和第二回路的至少一个中的附加性能增强部件。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述第一回路具有至少一个附加性能增强部件且所述第二回路也具有至少一个所述性能增强部件。

24.如权利要求22所述的方法，其中所述附加性能增强部件是经济器。

25.如权利要求24所述的方法，其中经济器功能是由经济器热交换器提供的。

26.如权利要求24所述的方法，其中经济器功能是由闪蒸罐提供的。

27.如权利要求24所述的方法，其中旁路功能也被结合到制冷系统中。

28.如权利要求27所述的方法，其中经济器和旁路功能均被包括在第一回路中。

29.如权利要求27所述的方法，其中经济器和旁路功能均被包括在第二回路中。

30.如权利要求23所述的方法，其中经济器被包括在第一回路中。

31.如权利要求23所述的方法，其中经济器被包括在第二回路中。

32.如权利要求22所述的方法，其中附加性能增强部件是气液热交换器。

33.如权利要求32所述的方法，其中经济器也被包括在制冷系统中。

34.如权利要求33所述的方法，其中气液热交换器和经济器均被包括在第一回路中。

35.如权利要求33所述的方法，其中气液热交换器和经济器均被包括在第二回路中。

36.如权利要求32所述的方法，其中气液热交换器被包括在第一回路中。

37.如权利要求32所述的方法，其中气液热交换器被包括在第二回路中。

38.如权利要求22所述的方法，其中所述第一制冷剂是碳氢化合物。

39.如权利要求22所述的方法，其中所述第二制冷剂是二氧化碳。

40.如权利要求22所述的方法，其中所述第一制冷剂和所述第二制冷剂为同样的制冷剂。

41.如权利要求22所述的方法，其中所述第一制冷剂和所述第二制冷剂为不同的制冷剂。

42.如权利要求22所述的方法，其中所述一对回路中的至少一个回路本身是由一对回路体现的。

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