制冷系统
技术领域
本发明涉及蒸汽机械压缩的制冷系统,其中压缩机通过具有至少两个抽吸压力级的回路吸取制冷剂流体。本制冷系统能够应用于任何类型的制冷剂流体,例如成分中含碳的那些制冷剂流体。
背景技术
蒸汽机械压缩的制冷系统是基于挥发性流体在受到的压力减小时蒸发来获得制冷的原理,并且被用在大多数现代应用中,这是因为其概念(Gosney;W.B.,1982,Principles of Refrigeration,CambridgeUniversity Press),甚至还存在有几个其它的制冷原理,例如:热电、斯特林、电热等。
制冷系统最初发展的目的在于获得安全的(无毒的并不易燃的)制冷剂流体,并且在于使其可靠性和操作特性适应于普遍使用,如最初在大约1930年获得的家用密封制冷系统的情况(Nagengast;B.A.,1996,History of sealed refrigeration systems,ASHRAE Journal 38(1):S37,S38,S42-S46,S48,1月)。
考虑到安全制冷剂流体的采用和这些系统的能量效率的改进,应当指出的是,采用二氧化碳(CO2)作为制冷剂流体。
在常规的制冷系统中,在压缩机操作期间,制冷剂流体包括在蒸发器进口中的质量小但是体积大的蒸汽部分和体积小但质量大的液体部分。在膨胀过程中出现在蒸发器进口中的这种蒸汽在穿过所述蒸发器的情况下不会进行热交换,从而降低了热传递效率并且制冷系统由此产生一定的无效,这是因为压缩机消耗能量以沿着整个蒸发器移动该制冷剂流体并且之后压缩该制冷剂流体,而没有所述呈蒸汽形式的制冷剂流体执行热交换。因此,压缩机消耗能量以将该蒸汽从低压压缩至排放压力。
在蒸发器进口中的呈蒸汽形式的制冷剂流体致动为待连续吸取和泵送的蒸汽馏分,不产生制冷容量,但是压缩机消耗能量。在一些已知的现有技术方案中,通过制冷系统在制冷回路中使用蒸汽分离器来实现这种蒸汽的抽取,以使得这种能量损失最小化,从而为回路分级提供更加高效的制冷剂流体膨胀过程。
多压缩级的使用最初称为温德豪森制冷系统(Windhausen;F.,1901,″Improvements in carbonic anhydride refrigerating machine″′British Patent GB9084 of 1901),其显著地提高了制冷循环的能量效率,主要应用于热环境和冷环境之间温差大(高于60摄氏度)的应用,尤其用于某些制冷剂流体,如二氧化碳和氨(Kim;M.H.,Pettersen;J.,Bullard;C.W.,2004,Fundamental process and system design issuesin CO2vapor compression systems.,Progress in Energy andCombustion Science,30(2004)pp.119-174)。
多压缩级的循环以及氨作为制冷剂流体已经广泛地用于工业制冷设备中(Stoecker;W.F.,2001,Handbook of Industrial Refrigeration,Business News Publishing Co.),如附图的图1示意性地示出,其要求在制冷回路中具有两个压缩机10、10’。
在这样的制冷系统中,第一压缩机10具有呈蒸汽形式的制冷剂流体的进口11和出口12,其出口12通过第一蒸汽管道20连接至冷凝器30(气体冷却器)。
冷凝器30具有与压缩机10的出口12连接的蒸汽进口31和借助冷凝管道60、通过膨胀装置120特别是为阀形式的高膨胀装置121连接到分离构件50(膨胀或闪蒸蒸汽分离器)的第一进口51上的液体出口32。
分离构件50还具有:第二蒸汽进口52,其通过安装有第二压缩机10’的管道70连接至与待冷却介质M操作地相关联的蒸发器90;蒸汽出口53,其通过第二蒸汽管道40连接至压缩机10的进口11;以及液体出口54,其通过液体管道80连接至膨胀装置120的进口,其中该膨胀装置120尤其是为与蒸发器90连接的阀形式的低膨胀装置122。
蒸发器90具有通过液体管道80与高膨胀装置121连接的蒸汽-液体混合物进口91和通过第二压缩机10’、借助于管道70与分离构件50的第二进口52连接的蒸汽-液体混合物出口92。
低膨胀装置122和高膨胀装置121设置在制冷系统回路中,以在分离构件50中形成确定的压力条件,从而形成预先限定用于制冷系统适当操作的有差别的压力水平。这样的膨胀装置120,不论低膨胀装置122还是高膨胀装置121,都可以具有固定限制孔的形式,例如具有或不具有可变流动的毛细管或限制阀(例如由控制单元控制的电子控制阀),以便改变制冷回路中制冷剂流体流动的限制程度。
在另外的使用双级压力的已知制冷方案中,(Voorhees;G.,1905,Improvements relating to systems of fluid compression and thecompressors thereof,British Patent GB4448 of 1905;andLavrechenko;G.K.,Zmitrochenko;J.V.,Nesterenko;S.M.andKhmelnuk;G.M.,1997, Characteristics of Voorhess refrigeratingmachine with hermetic piston compressor producing refrigera
在这种构造中,压缩机开始从蒸发器抽吸,并且在抽吸行程的确定级中,活塞的运动将设置在压缩机中的孔打开,该孔允许蒸汽以抽吸压力和排放压力之间的中间压力被喷射到气缸中,使得以高于蒸发器压力的压力开始压缩过程。
使用双级压力循环的另外的已知制冷方案(Plank;R.,1912,Arbeitsverfahren an Kompressionskaltemaschinen,insbesondere furKa.ltetra.ger mit tiefer kritischer Temperatur,德国专利DE278095)使用靠近膨胀阀的泵送级。冷却压缩流体的最后步骤基本上在膨胀之前降低了焓,从而增大了制冷容量。由于在压缩的第二级(泵送)中高的制冷剂密度,所需的动力较低,几乎可以与液体泵的动力相比较。
还已知一种双级系统(最初在1931年提出),其使用喷射器来执行蒸发器中低压级的抽吸(Disawas;S.,Wongwises;S.,2004,Experimental investigation on the performance of the refrigerationcycle using a two-phase ejector as an expansion device,InternationalJournal of Refrigeration,27(2004)587-594;,以及Butrimowicz;D.,Karwacki;J.,Trela;M.,2005,Investigation of two-phase ejector inapplication to compression refrigeration systems,IIR(Int.Inst,ofRefrigeration)International Conference,Vicenza-Italy,Pre-prints,pp.695-702)。
具有多抽吸压力级的制冷系统在采用诸如CO2和氨的制冷剂流体进行工作时是尤其有利的。采用多抽吸压力级的系统敏感地提高了对于这些制冷剂流体的制冷系统的效率,因为其不允许膨胀蒸汽进入蒸发器。在这种情况下,膨胀蒸汽被分离并且以中间压力被压缩机吸取。
在制冷回路中出现的为蒸汽状态的制冷剂流体还被引导至压缩机抽吸,但是其是处于抽吸压力和排放压力之间的中间压力下,同时压缩机还一起吸取呈蒸汽形式且处于低压下的制冷剂流体。
尽管这些已知的多压力级制冷系统相对于常规制冷系统降低了能量损失,但是它们要求复杂且通常成本相当高的构造,这是因为需要对低压蒸汽和较高压力下的蒸汽进行有差别的压缩,从而需要的压缩机数量(为单体或不为单体)加倍,或者需要在制冷回路中设置可以改变回路中存在的、将与低压蒸汽一起被泵送的蒸汽的压力的元件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种构造简单的制冷系统,其相对于多压力级的制冷系统而言具有较低的成本,消除了多个压缩机的需要。从而,减少了为膨胀蒸汽(或闪蒸蒸汽)形式的制冷剂流体的量,并且当压缩机将制冷剂流体从蒸发器出口中的蒸发压力水平泵送至压缩机的排放压力时,制冷剂流体的压力升高,从而实现压缩机的较高能量效率。
本发明的另一个目的在于提供一种诸如上述的系统,其不需要改变制冷系统的压缩机和蒸发器的特征。
本发明的附加目的在于提供一种上述类型的系统,其在制冷系统的热产量上能够获得显著的改进,并且能够极大地降低成本,尤其是在制冷剂流体为CO2的情况下。
本发明的上述和其它目的是通过提供一种制冷系统实现的,该制冷系统包括:压缩机,其具有呈蒸汽形式的制冷剂流体的进口和出口;冷凝器(或“气体冷却器”),其具有蒸汽进口和液体出口,蒸汽进口连接至压缩机的出口;高膨胀装置,其具有出口和与冷凝器的液体出口连接的进口;分离构件,其具有与冷凝器的液体出口连接的第一进口、与压缩机的进口连接的蒸汽出口、以及液体出口;低膨胀装置,其具有出口和与分离构件的液体出口连接的进口;蒸发器,其具有蒸汽-液体混合物进口和蒸汽-液体混合物出口,该蒸汽-液体混合物进口接收从分离构件通过低膨胀装置的出口的制冷剂流体;选择阀,该选择阀具有:与蒸发器的蒸汽-液体混合物出口连接的第一蒸汽进口;与分离构件的蒸汽出口连接的第二蒸汽进口;以及与压缩机的进口连接的蒸汽出口,所述选择阀在第一抽吸压力下将制冷剂流体保持在选择阀的第二蒸汽进口中和分离构件的内部中,第一抽吸压力大于在选择阀的第一蒸汽进口中和蒸发器的蒸汽出口中主导的第二抽吸压力,并且该选择阀被操作成选择性地并交替地将其第一蒸汽进口和第二蒸汽进口与其蒸汽出口连通,以允许压缩机在所述第一抽吸压力下从分离构件吸取制冷剂蒸汽且在所述第二抽吸压力下从蒸发器吸取制冷剂蒸汽;以及控制单元,该控制单元与选择阀操作地相关联,以操作该选择阀来将分离构件内部中的制冷剂流体的液位保持在预定值内。
本发明提出的构造不仅能够分离在分离构件内的蒸汽,使得仅仅液体制冷剂流体被引导至蒸发器,而且还允许容纳在分离构件内部中的蒸汽在相应的选择阀操作条件下和中间压力下被压缩机选择性地吸取,该中间压力高于蒸发器出口中主导的压力并且低于压缩机的排放压力,从而需要较少的能量消耗来使得制冷剂流体的气态部分返回到制冷回路的高压侧。
附图说明
以下将参考附图,通过本发明的实施例的实例来说明本发明,其中:
图1示意性地示出了现有技术的制冷系统,其呈现为具有两个压缩机的双级抽吸;
图2示意性地示出了根据本发明构造的制冷系统;以及
图3示意性地示出了本发明的制冷系统的另一种构造,但是具有较高水平的控制。
具体实施方式
将针对通过双级蒸汽机械压缩进行操作的制冷系统来说明本发明,如图2和3所示,所述制冷系统包括:单个压缩机10,其具有呈蒸汽形式的制冷剂流体的进口11和出口12,所述出口12连接至冷凝器30,如之前针对图1所示的制冷系统已经描述的。图2和3中所示的那些与图1所示的制冷系统相同的制冷系统的部件及其连接具有相同的附图标记并且这里将不再说明。
在图2和3所示的构造中,冷凝器30的液体出口32通过冷凝物管道60连接至高膨胀装置121的进口,该高膨胀装置121具有连接到分离构件50的第一进口51上的出口。
图2和3所示的本发明的构造中的分离构件50不具有第二进口52,在现有技术中,该第二进口52将蒸发器90连接至所述分离构件50,如下所述。
根据本发明,制冷系统还包括选择阀100(或顺序偏移阀)和控制单元110,该选择阀100具有:第一蒸汽进口101,其与蒸发器90的蒸汽-液体混合物出口92连接;第二蒸汽进口102,其连接至分离构件50的蒸汽出口53;以及蒸汽出口103,其通过第二蒸汽管道40连接至压缩机10的蒸汽进口11,所述选择阀100在第一抽吸压力下将制冷剂流体保持在选择阀100的第二蒸汽进口102中和分离构件50的内部中,第一抽吸压力大于在选择阀100的第一蒸汽进口101中和蒸发器90的蒸汽-液体混合物出口92中主导的第二抽吸压力,并且该选择阀100被操作成选择性地并交替地将其第一蒸汽进口101和第二蒸汽进口102与其蒸汽出口103连通,以允许压缩机10在所述第一抽吸压力下从分离构件50吸取制冷剂蒸汽且在所述第二抽吸压力下从蒸发器90吸取制冷剂蒸汽;该控制单元110与选择阀100操作地相关联,以操作该选择阀来通过分离构件50的液体出口54减少蒸发器90中蒸汽的进入,并且通过分离构件50的蒸汽出口53使得来自分离构件50的蒸汽被压缩的压缩率低于其受到蒸发器90中的压力而被压缩的压缩率。尽管没有示出,但是控制单元可以通过例如致动构件操作选择阀100和膨胀装置120。
由分离构件50和选择阀100(还有将这些元件彼此连接以及将这些元件连接到制冷回路的与其操作地关联的其它部件上的管道)限定的组件限定了双级模拟器(所述组件在图2和3中以虚线示出)。
对于各个所述连接,在连通或转换期间与制冷系统的能力或尺寸成比例地执行选择阀100将其第一和第二蒸汽进口交替连接到压缩机10的抽吸口的操作,使得较小的制冷系统将具有较快的切换,而在较大的制冷系统中,这个切换较慢。
选择阀100还具有以下功能:通过分离构件50的液体出口54减小蒸发器90中蒸汽的供应;以及允许被压缩机10吸取的且来自分离构件50的蒸汽在一压缩率下被压缩,该压缩率即为压缩机10的进口11中的压力与所述压缩机10的出口12中的压力之间的比,也就是该压缩率远小于蒸汽被从蒸发器90吸取时的压缩率,从而消耗较少的能量。
在操作条件变化不大的制冷系统中,例如可以根据预先形成的连通(或切换)时间间隔,以预定并恒定的形式,通过控制单元110的命令执行借助选择阀100进行的从蒸发器90抽吸到压缩机10的蒸汽进口11与从分离构件50抽吸到压缩机10的蒸汽进口11之间的连通切换,从而使得易于以低成本来实施控制。图2中示出了这些系统的实例。
在这些情况下,控制单元110以选择阀100的第一蒸汽进口101和第二蒸汽进口102中的每个与蒸汽出口103之间的固定连通时间间隔来控制选择阀100的操作,第一蒸汽进口101与蒸汽出口103的连通时间低于第二蒸汽进口102与选择阀100的所述蒸汽出口103的连通时间。
对于这种采用固定交换时间的切换操作,控制单元110包括计时器,该计时器确定选择阀100的第一蒸汽进口101和第二蒸汽进口102中的每个与选择阀100的蒸汽出口103之间的连通时间。
在这种构造中,选择阀100的第一蒸汽进口101和第二蒸汽进口102与选择阀100的蒸汽出口103之间的连通时间是不变的,并且由制冷系统的诸如制冷容量和热负荷的构造特征预先限定,简化了控制回路并且降低了部件成本。
对于具有可变操作条件的制冷系统,控制单元110考虑制冷系统中存在的至少一个可变参数以及/或者还考虑待冷却的且与所述制冷系统结合的介质的制冷条件。
在这种情况下,控制单元110以所述选择阀100的第一蒸汽进口101和第二蒸汽进口102中的每个与蒸汽出口103之间交替的可变连通时间来控制选择阀100的操作,所述连通时间由至少一个操作条件限定,该至少一个操作条件与制冷系统的部件相关联和/或与制冷系统外部环境相关联。
在液位为用于选择选择阀100的第一蒸汽进口101或第二蒸汽进口102与蒸汽出口103连接的确定因素的构造(图3)中,本制冷系统包括液位传感器111,该液位传感器111与控制单元110操作地相关联,以将分离构件50内部的液位不断地或周期地告知给控制单元110,所述液位传感器111能够检测分离构件50内部的制冷剂流体的液位的预定最大值和最小值。应该观察到,液位传感器111的设置不是必需的,这样的设置是选择阀100根据受控制单元110控制的可变参数进行操作的情况下的构造选择,例如在图3的构造中。
在连通时间固定的构造中,控制单元110可以根据从所述液位传感器111接收到的信息来控制选择阀100的操作,所述液位传感器111操作为制冷系统的安全构件。本发明可以具有用于控制单元110的不同混合液位,其为:如图2所示,交换时间可以是固定的;或者通过监测分离构件50中的液位以及制冷系统中的其它参数或与制冷系统相关的环境参数(分离构件50中的压力、蒸汽和/或液体量,待冷却的介质M的温度,冷凝器30和压缩机10物理放置的环境的温度,冷凝器30和压缩机10的温度,压缩机马达操作频率等),如图3所示。
根据预先形成为待考虑控制参数的确定的值,控制单元110将控制选择阀100的第一蒸汽进口101和第二蒸汽进口102的选择性切换。
在控制单元110以多于一个的可变参数操作以确定选择阀100的蒸汽进口101、102与选择阀100的蒸汽出口103的交换时间的状态下,对选择阀100的操作控制中的这些可变参数及其优势条件的优先性具有预先的确定,使得制冷系统的操作在与可变参数的一个或其它参数相关的确定的异常状态中不会被削弱。在这些情况下,非主要的可变参数被看作安全可变参数,确保将制冷系统的危险状态和故障减到最小。
应当理解,本说明书示例了控制单元110可能的操作,该操作使得选择阀100的蒸汽进口101、102与蒸汽出口103之间的连接交替进行。因此,考虑具有或不具有确定选择阀100的操作的传感器构件和其它构件的所述操作不应当被认为限制了本发明的概念。在本文的概念中,控制单元110致动选择阀100,以允许仅仅一个压缩机10从分离构件50和蒸发器90中交替地吸取蒸汽。控制单元110允许蒸汽进口101、102中的每个与选择阀100的蒸汽出口103的连通进行选择性的切换,以便维持以不同的压力从分离构件50和蒸发器90中进行抽吸。这种切换可以以固定的或可变的连通时间进行,以便除了制冷系统在传感器构件检测到的确定的特定状态中更好的可靠性之外,还提供控制可变参数的更好的稳定性。
如已经在图1中所述,本发明的制冷系统中的低膨胀装置122和高膨胀装置121可以具有固定限制孔的形式,例如具有或不具有可变流动的毛细管或限制阀(例如由控制单元110控制的电子控制阀),所述低膨胀装置122和高膨胀装置121与控制单元110操作地相关联,以便由控制单元110控制,从而改变制冷回路中制冷剂流体流动的限制程度。所述限制程度被限定为根据需要进行变化,以控制制冷系统中的压力,当选择阀100将分离构件50与压缩机10连通时,该限制由所述压缩机10所需要的抽吸压力确定。
本发明的一些优点是:显著地减少蒸发器进口90中的闪蒸蒸汽(flash vapor),该蒸汽必须被消除或至少最小化,因为其是必须在允许进入蒸发器之前从蒸发器移除的“寄生物”,所述蒸汽在穿过蒸发器时会由于不进行热交换而引起损害。通过使用分离构件50,在分离构件50和蒸发器90之间的第二膨胀装置中闪蒸蒸汽的产生最小化,蒸汽被抑制穿过蒸发器90。此外,当选择阀100的第二蒸汽进口102在中间压力下连接到选择阀100的蒸汽出口103时,分离构件50中的闪蒸蒸汽被压缩机10压缩,该中间压力大于蒸发器90的压力并且小于压缩机排放的压力,从而需要较少的功并且消耗所述压缩机较少的能量来将蒸汽泵送回到制冷系统的冷凝器30,这种泵送一直进行到选择阀100被指示操作其第二蒸汽进口102和其蒸汽出口103之间的流体连通。
作为益处的是,本发明还提供控制系统中形成的不同水平的压力的可能性:冷凝器30(或“气体冷却器”)中的压力;分离构件50中的压力;以及蒸发器90中的压力。压力水平的控制和以较小的压缩率压缩来自分离构件50的蒸汽的可能性提供了执行该过程能量消耗经济性,这与通过减少压缩机数量的现有技术工艺是不同的。
本发明可能的构造选择提供了选择阀100(或顺序偏移阀)与压缩机10的整合。这种整合的目的是,由于相对于回路中具有第二蒸汽管道40而减小了死容积,使系统获得相当大的热产量增长。这种整合的可能性也有利于所提供的装置的构造、驱动、控制和甚至成本。
尽管已经主要考虑所示的回路和蒸发器构造说明了本文的概念,但是应当理解,这些特定的构造并不是对本发明的应用性的任何限制;所要保护的是原理而不仅仅是特定的应用或特定的构造形式。