CN102388223A - 双任务压缩机器 - Google Patents
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Abstract
压缩机器包括制冷剂冷凝器、膨胀装置、制冷剂蒸发器、第一压缩机和第二压缩机。每个压缩机被布置成独立于另一压缩机从蒸发器接收较低压力制冷剂蒸气和递送较高压力蒸气给冷凝器。当压缩机器以第一任务模式，例如水冷却模式操作时，第一压缩机操作。当压缩机器以第二任务模式，例如水加热模式或盐水冷却模式之一操作时第二压缩机操作。仅选择第一压缩机用于第一任务的最佳执行且仅选择第二压缩机用于第二任务模式的最佳执行。
Description
相关申请的交叉引用
参考以下专利申请且本申请要求以下专利申请的优先权和权益：在2009年4月9日提交名称为“DUAL DUTY COMPRESSION MACHINE”的美国临时申请No.61/167,978，该申请以其全文引用的方式结合到本文中。
技术领域
本发明大体而言涉及用于建筑物冷却和加热应用或冰蓄热应用的压缩机器，且更特定而言涉及具有双压缩机的压缩机器，一个压缩机专用于水冷冻且另一压缩机专用于水加热或冰蓄热。
背景技术
压缩机器熟知用于提供冷冻水用于建筑物，特别是大型商业建筑物的空调系统。常用类型的压缩冷冻机包括充当制冷剂蒸气冷凝器的壳管式热交换器，充当制冷剂液体蒸发器的壳管式热交换器和离心压缩机，离心压缩机具有与蒸发器成制冷剂流动连通的入口和与冷凝器成制冷剂流动连通的出口。在冷凝器中，水通过热交换管传递，与热制冷剂蒸气成热交换关系，热制冷剂蒸气从压缩机排放到冷凝器的壳内且在热交换器管上流过。这样一来，制冷剂蒸气被冷凝且加热通过热交换器管流动的水。冷凝的液体制冷剂通过膨胀装置传递从而膨胀以形成较低压力、较低温度的制冷剂液体/蒸气混合物。制冷剂液体/蒸气混合物递送到蒸发器的壳内且分散以在其中的热交换管上流过。在蒸发器中，冷却通过热交换器管传递的水且加热制冷剂液体/蒸气混合物，并蒸发液体制冷剂。制冷剂蒸气离开蒸发器的壳且回到压缩机的入口，从而完成制冷剂流动回路。
除了在夏天冷却水用于建筑物空调目的之外，这种类型的压缩机器也可在冬天用于加热水以用于建筑物空间加热目的。但是，设计用于两种目的(即夏天水冷却和冬天水加热)的压缩机器较为复杂，这归因于供应给压缩机器的水的相当不同的温度和需要供应给建筑物用于冷却/加热所需的不同温度。在冬天水加热所需的提升可为夏天水冷却所需提升的将近两倍。因此，在被设计具有单个压缩机的压缩机器中，必须选择压缩机提供充分的容量来满足冬天加热提升要求，且然后在夏天冷却季节以显著减小的容量操作以匹配减小的夏天冷却提升要求。令人遗憾的是，在显著减小容量操作的压缩机，特别是在显著减小容量下操作的离心压缩机，遭受显著的能量效率降低，导致能量浪费和增加的功率消耗成本。
尽管这种类型的压缩机器通常采用单个压缩机，但还已知采用两个压缩机的压缩机器。举例而言，在美国专利No.5,875,637中公开了采用串联排列的两个独立离心压缩机的压缩冷冻机。如该专利中所公开的，第一压缩机通过其入口从蒸发器接收低压制冷剂蒸气且将中压制冷剂蒸气排放到第二压缩机的入口。制冷剂蒸气在第二压缩机中进一步压缩且以相对较高的排放压力排放到冷凝器。
在美国专利No.3,859,820中公开了具有两个离心压缩机的压缩机器的另一实例。如该专利中所公开的，压缩机器包括蒸发器，分成两个单独腔室的冷凝器且两个单独离心压缩机是并联的。每个压缩机从蒸发器接收制冷剂蒸汽作为其输入。但是，每个压缩机将被压缩制冷剂蒸气排放到冷凝器的腔室中相应单独一个内。
在这种两个压缩机的压缩机器中，相对于单个压缩机的压缩机器可实现增加的容量，因为两个压缩机无论是安置成串联排列还是并联排列，同时操作。在两个离心压缩机的串联排列中，可实现增加的容量，因为增添了在单独压缩机中发展的制冷剂压力的独立升高。在两个离心压缩机的并联排列中，可实现增加的容量，因为所有制冷剂通量为通过两个离心压缩机的制冷剂流量之和。但增加的容量是付出代价的，因为每个压缩机必须具有其自己的驱动马达、起动器和控制装置。此外，需要总系统控制装置更复杂。
发明内容
在本发明的一方面，提供一种压缩机器，其用于以第一任务模式和第二任务模式之一选择性操作。该压缩机器包括以串联制冷剂流动关系安置的制冷剂冷凝器、膨胀装置、制冷剂蒸发器和压缩装置。该压缩装置包括第一压缩机和第二压缩机，其中的每一个被布置成独立于另一压缩机从蒸发器接收较低压力的制冷剂蒸气和递送较高压力蒸气给冷凝器。选择第一压缩机用于压缩机器以第一任务模式最佳操作和选择第二压缩机用于压缩机器以第二任务模式最佳操作。在一实施例中，第一任务模式具有第一提升要求且第二任务模式具有第二提升要求，第二提升要求大于第一提升要求。在一实施例中，第一任务模式可为水冷却模式且第二任务模式可为水加热模式或盐水冷却模式之一。
提供与第一压缩机和第二压缩机中每一个在操作上相关联的控制器，其在压缩机器以水冷却模式操作时选择性地操作第一压缩机，且在压缩机器以水加热模式操作时选择性地操作第二压缩机。该控制器在该压缩机器以水冷却模式操作时导向电功率给第一驱动马达以驱动第一压缩机，且当压缩机器以水加热模式操作时导向电功率给第二驱动马达以驱动第二压缩机。在一实施例中，第一压缩机和第二压缩机中的每一个包括离心压缩机。
在本发明的一方面，提供一种操作压缩机器以选择性地冷却水或加热水的方法，该压缩机器具有：冷凝器和与冷凝器成制冷剂流动连通的蒸发器；第一压缩机，其用于从蒸发器接收制冷剂蒸气且递送制冷剂蒸气给冷凝器；以及，第二压缩机，其用于从蒸发器接收制冷剂蒸气且递送制冷剂蒸气给冷凝器。该方法包括以下步骤：以水冷却模式或水加热模式之一选择性地操作压缩机器；当压缩机器以水冷却模式操作时操作第一压缩机；以及当压缩机器以水加热模式操作时操作第二压缩机。
在本发明的一方面，提供一种设计压缩机器以第一任务模式或第二任务模式之一选择性地操作的方法，该压缩机器具有：冷凝器和与冷凝器成制冷剂流动连通的蒸发器；第一压缩机，其用于从蒸发器接收制冷剂蒸气且递送制冷剂蒸气给冷凝器；以及，第二压缩机，其用于从蒸发器接收制冷剂蒸气且递送制冷剂蒸气给冷凝器。该方法包括以下步骤：选择第一压缩机在第一任务模式最佳地执行任务；以及选择第二压缩机在第二任务模式最佳地执行任务。在一实施例中，第一任务模式具有第一提升要求且第二任务模式具有第二提升要求，第二提升要求大于第一提升要求。在该方法的一实施例中，选择第一压缩机以在第一任务模式最佳地执行任务的步骤包括选择第一压缩机在水冷却模式最佳地执行任务，且选择第二压缩机在第二任务模式最佳地执行任务的步骤包括选择第二压缩机以在水加热模式或盐水冷却模式之一中最佳地执行任务。
附图说明
为了进一步理解本公开内容，现将参考下文要结合附图阅读的详细描述，在附图中：
图1是根据本发明的压缩机器的示例性实施例的透视图；
图2是描绘了图1的压缩机器的示意图。
具体实施方式
现参看附图，其中描绘了压缩机器的示例性实施例，其大体上由附图标记10来标注。该压缩机器10包括以串联制冷剂流动关系安置的制冷剂冷凝器20、膨胀装置25、制冷剂蒸发器30和压缩装置。该压缩装置包括第一压缩机40和第二压缩机50，每一个压缩机被布置成独立于另一压缩机从蒸发器30接收较低压力的制冷剂蒸气和递送较高压力制冷剂蒸气给冷凝器20。提供分别与第一压缩机40和第二压缩机50在操作上相关联的单独驱动马达42、52。第一驱动马达42仅驱动第一压缩机40。第二驱动马达52仅驱动第二压缩机50。在所描绘的示例性实施例中，第一压缩机40和第二压缩机50中的每一个包括离心压缩机。
冷凝器20为液体冷却的冷凝器且可为各种常规设计中的任一设计。举例而言，出于说明而非限制目的，冷凝器20可为壳管式(tube-in-shell)冷凝器，其中传热流体(最通常地且在本文所述的应用中，水)通过容纳于闭合壳中的多管热交换器(未图示)传递，自压缩装置排放的高压高温制冷剂蒸气引入到该闭合壳内。高温制冷剂与通过热交换器的管传递的水成热交换关系在热交换器管外部上传递，由此冷却制冷剂蒸气且将其冷凝为制冷剂液体并加热水。
高压、冷凝的制冷剂液体从冷凝器20通过制冷剂通路11传递到蒸发器30，膨胀装置25安置于制冷剂通路11中。随着高压制冷剂液体穿过膨胀装置25，制冷剂液体膨胀到较低压力和较低温度以形成较低压力和较低温度的制冷剂蒸气或制冷剂液体与制冷剂蒸气的饱和混合物。较低压力、较低温度的蒸气或液体/蒸气混合物经由通路11递送给蒸发器30壳且引入到蒸发器30壳内。
蒸发器30也可具有各种常规设计中的任一设计。举例而言，出于说明而非限制目的，蒸发器30可为壳管式蒸发器，其中传热流体(最通常地且在本文所述的应用中，水或化学盐溶液(盐水))通过容纳于闭合壳中的多管热交换器(未图示)传递，穿过膨胀装置25的较低压力和较低温度的制冷剂液体引入到该闭合壳内。较低温度制冷剂液体收集于壳中，浸没热交换器的管。因此，通过管传递的水或盐水与浸没管的液体制冷剂成热交换关系地传递，由此加热并蒸发制冷剂液体为制冷剂蒸气且冷却水或盐水。
如先前所提到的那样，第一压缩机40和第二压缩机50每一个都布置于制冷剂流动回路中蒸发器30与冷凝器20之间。制冷剂管线47具有通向冷凝器20壳的出口和与第一压缩机40的排放出口连通的入口，由此第一压缩机40将更高压力的热制冷剂蒸气排放到冷凝器20内。同样，制冷剂管线57具有通向冷凝器20壳的出口和与第二压缩机50的排放出口连通的入口，由此第二压缩机50将更高压力的热制冷剂蒸气排放到冷凝器30内。
制冷剂管线43具有通向蒸发器30壳内的入口和与第一压缩机40的吸入口连通的出口，由此第一压缩机40从蒸发器30接收较低压力的制冷剂蒸气。同样，制冷剂管线53具有通向蒸发器30壳内的入口和与第二压缩机50的吸入口连通的出口，由此第一压缩机50从蒸发器30接收较低压力的制冷剂蒸气。第一流动关闭阀45插置于制冷剂管线43中相对于到第一压缩机40的吸入口的制冷剂流动在上游。第二流动关闭阀55插置于制冷剂管线53中相对于到第二压缩机50的吸入口的制冷剂流动在上游。
压缩机器10还可包括控制系统80，其选择性地操作第一压缩机40和第二压缩机50。该控制系统可包括与第一压缩机40和其驱动马达42在操作上相关联的第一控制器80-1和与第二压缩机50和其驱动马达52在操作上相关联的第二控制器80-2以及能根据指示选择性地起动第一压缩机40或第二压缩机50的马达起动器82。该控制系统还可包括主控制器(未图示)，其选择性地独立地命令第一控制器80-1和第二控制器80-2。在其它实施例中，与压缩机器10相关联的控制系统80可包括分别控制第一压缩机40和第二压缩机50的单个控制器。在图示实施例中，控制系统80可被配置成在夏天冷却季节以水冷却模式操作压缩机器10以供应冷冻水给与压缩机器10相关联的建筑物的空调系统(未图示)。控制系统80在冬天加热季节以水加热模式操作压缩机器10以提供热水给与压缩机器10相关联的建筑物的空调系统。举例而言，出于说明而非限制目的，该压缩机器10可需要在夏天冷却季节期间供应在大约7℃(大约45℉)附近温度的冷冻水且在冬天加热季节期间供应大约50℃(大约122℉)附近温度的热水。因此，与水冷却任务相关联的提升要求将小于与水加热任务相关联的提升要求。
在另一应用中，控制系统80可被配置为在夏季以盐水冷却模式操作该压缩机器10以在建筑物被占用的白天时间向与压缩机器10相关联的建筑物的空调系统(未图示)供应冷冻盐水且在建筑物占用率较低的夜晚时间(诸如通常为晚上)供应冷冻盐水给冰储存系统(未图示)以制冰。用于空调任务的冷冻盐水将具有比制冰任务的冷冻盐水低的提升要求。
压缩机器10被设计为以第一任务模式和第二任务模式之一选择性地操作。选择第一压缩机40用于压缩机器10在第一任务模式，例如水冷却模式最佳地操作，且选择第二压缩机50用于压缩机器10在第二任务模式，例如水加热模式或盐水冷却模式最佳地操作。在一实施例中，选择第一压缩机40用于压缩机器的最佳操作，以提供从制冷剂蒸发器传递处于在大约2℃至大约12℃(大约35℉至大约54℉)范围内的温度的冷冻水。在一实施例中，选择第二压缩机50用于压缩机器的最佳操作，以提供从制冷剂冷凝器传递处于在大约40℃至大约60℃(大约104℉至大约140℉)范围内的温度的热水。在一实施例中，选择第二压缩机50用于压缩机器10的最佳操作，以提供冷冻盐水给冰蓄热系统(未图示)以用于制冰。
为了使压缩机器10以第一任务模式，例如水冷却模式操作，控制器80闭合制冷剂管线53上的流动关闭阀55，从而使得第二压缩机55与制冷剂回路隔离，供应电功率给起动器82且命令起动器82致动第一驱动马达42以仅驱动第一压缩机40。或者，为了使压缩机器10以第二任务模式，例如水加热模式或盐水冷却模式操作，控制器80闭合制冷剂管线43上的流动关闭阀45，从而使得第一压缩机40与制冷剂回路隔离，供应电功率给起动器82且命令起动器82致动第二驱动马达52以仅驱动第二压缩机50。因此，当使压缩机器10以第一任务模式操作时，第一压缩机40操作且第二压缩机50停机且与制冷剂回路隔离。相反，当使压缩机器10以第二任务模式操作时，第二压缩机50操作且第一压缩机40停机且与制冷剂回路隔离。
该压缩机器10被设计成通过选择第一压缩机40为仅在水冷却模式最佳地执行任务的第一压缩机和选择第二压缩机50为在水加热模式或盐水冷却模式之一最佳地执行任务的第二压缩机而在水冷却模式和水加热模式或盐水冷却模式具有最佳能量效率。通过选择第二压缩机50在水加热模式或冰储存模式具有最佳容量和效率，其中所需提升可大约为水冷却模式所需提升的两倍，可选择第一压缩机40用于满足较低提升需求的最佳效率和性能，而可选择第二压缩机50来满足较高提升需求的最佳效率和性能。举例而言，在冬天，递送给蒸发器30的水可从大约7℃(大约45℉)温度的外部水源抽取，且离开冷凝器20以满足空间加热需求的水可需要在大约50℃(大约122℉)的温度，而在夏天，递送给冷凝器20的水可来自大约32℃(大约90℉)温度的室外水源，且离开蒸发器30以满足空调需求的冷冻水可需要在大约7℃(大约45℉)的温度。对于典型单个压缩机的压缩机器，设计者将必需使得压缩机的大小满足与第二任务模式相关联的最大提升要求和压缩容量需求，且简单地预计低于第一任务模式操作期间的最佳效率性能。但是，本发明的压缩机器10在较低提升要求的第一任务模式和较高提升要求的第二任务模式中都提供最佳性能。
此外，在一实施例中，第一压缩机40和第二压缩机50被设计成不同时操作。在此实施例中，选择第一压缩机40在且仅在压缩机器10以水冷却模式操作时操作，且选择第二压缩机50在且仅在压缩机器以水加热模式操作时操作。在此实施例中，仅一个马达起动器82。
现参看图1，应当指出的是第二压缩机50定位成与水进入蒸发器的端部相对，第二压缩机50为被选择以第二任务模式，即具有更高提升要求的任务模式操作的压缩机。实际上，第二压缩机50应定位距到冷凝器的水入口端满足实用的距离以避免蒸发器内液体带出(carry-over)，其由冷凝器与蒸发器之间的压差驱动。
本文所用的术语只是出于描述目的，而非限制目的。本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制意义，而是只是作为教导本领域技术人员采用本发明的基础。虽然参考附图所示的示例性实施例特别地示出且描述了本发明，但本领域技术人员应认识到在不偏离本发明的精神和范围的情况下可做出各种修改。本领域技术人员应认识到在不偏离本发明的范围的情况下等效物可替代参考本文所公开的示例性实施例所描述的元件。
因此，预期本公开内容不限于所公开的特定实施例，而是本公开内容将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
Claims (18)
1.一种双任务压缩机器，其用于以第一任务模式和第二任务模式之一选择性操作，包括：
以串联制冷剂流动关系安置的制冷剂冷凝器、膨胀装置、制冷剂蒸发器和压缩装置，所述压缩装置包括第一压缩机和第二压缩机，所述第一压缩机和第二压缩机中每一个被布置成独立于所述第一压缩机和所述第二压缩机中的另一个从所述蒸发器接收较低压力制冷剂蒸气和递送较高压力蒸气给所述冷凝器，选择所述第一压缩机用于所述压缩机器在所述第一任务模式的最佳操作和选择所述第二压缩机用于所述压缩机器在所述第二任务模式的最佳操作。
2.根据权利要求1所述的压缩机器，其特征在于还包括：控制系统，其在操作上与所述第一压缩机和所述第二压缩机中的每一个相关联，以在所述压缩机器以第一任务模式操作时选择性地使所述第一压缩机操作和在所述压缩机器以所述第二任务模式操作时选择性地使所述第二压缩机操作。
3.根据权利要求1所述的压缩机器，其特征在于，所述第一压缩机和所述第二压缩机中的至少一个包括离心压缩机。
4.根据权利要求1所述的压缩机器，其特征在于还包括仅与所述第一压缩机在操作上相关联的第一驱动马达和仅与所述第二压缩机在操作上相关联的第二驱动马达。
5.根据权利要求4所述的压缩机器，其特征在于，所述控制系统被配置为当以所述第一任务模式操作所述压缩机器时将电功率导向至所述第一驱动马达且当以所述第二任务模式操作所述压缩机器时将电功率导向至所述第二驱动马达。
6.根据权利要求1所述的压缩机器，其特征在于，所述第一任务模式具有第一提升要求且所述第二任务模式具有第二提升要求，所述第二提升要求高于所述第一提升要求。
7.根据权利要求1所述的压缩机器，其特征在于，所述第一任务模式是水冷却模式且所述第二任务模式是水加热模式。
8.根据权利要求1所述的压缩机器，其特征在于，所述第一任务模式是水冷却模式且所述第二任务模式是盐水冷却模式。
9.根据权利要求1所述的压缩机器，其特征在于，所述第一任务模式是水冷却模式且所述第二任务模式是水加热模式和制冰盐水冷却模式之一。
10.一种设计压缩机器以第一任务模式或第二任务模式之一选择性地操作的方法，所述压缩机器具有：冷凝器和与所述冷凝器成制冷剂流动连通的蒸发器；第一压缩机，其用于从所述蒸发器接收制冷剂蒸气且递送制冷剂蒸气给所述冷凝器；以及，第二压缩机，其用于从所述蒸发器接收制冷剂蒸气且递送制冷剂蒸气给所述冷凝器，所述方法包括以下步骤：
选择所述第一压缩机在所述第一任务模式最佳地执行任务；以及
选择所述第二压缩机在所述第二任务模式最佳地执行任务。
11.根据权利要求10所述的设计压缩机器的方法，其特征在于：
选择所述第一压缩机的步骤包括选择第一离心压缩机以仅在所述第一任务模式最佳地执行；以及
选择所述第二压缩机的步骤包括选择第二压缩机以仅在所述第二任务模式最佳地执行任务。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一任务模式具有第一提升要求且所述第二任务模式具有第二提升要求，所述第二提升要求大于所述第一提升要求。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，选择所述第一压缩机以在所述第一任务模式最佳地执行任务的步骤包括选择所述第一压缩机在水冷却模式最佳地执行任务；以及选择所述第二压缩机在所述第二任务模式最佳地执行任务的步骤包括选择所述第二压缩机以在水加热模式或盐水冷却模式之一中最佳地执行任务。
14.一种操作压缩机器以选择性地冷却水或加热水的方法，所述压缩机器具有：冷凝器和与所述冷凝器成制冷剂流动连通的蒸发器；第一压缩机，其用于从所述蒸发器接收制冷剂蒸气且递送制冷剂蒸气给所述冷凝器；以及，第二压缩机，其用于从所述蒸发器接收制冷剂蒸气且递送制冷剂蒸气给所述冷凝器，所述方法包括以下步骤：
以水冷却模式或水加热模式之一选择性地操作所述压缩机器；
仅当所述压缩机器以水冷却模式操作时操作所述第一压缩机；以及
仅当所述压缩机器在水加热模式操作时操作所述第二压缩机。
15.根据权利要求14所述的操作压缩机器的方法，其特征在于：选择所述第一压缩机在水冷冻模式最佳地执行任务且选择所述第二压缩机在水加热模式最佳地执行任务。
16.根据权利要求15所述的操作压缩机器的方法，其特征在于：所述第一压缩机和所述第二压缩机中的至少一个包括离心压缩机。
17.根据权利要求1所述的压缩机器，其特征在于，选择所述第一压缩机用于所述压缩机器的操作，以提供从制冷剂蒸发器传递处于在大约2℃至大约12℃(大约35℉至大约54℉)范围内的温度的冷冻水。
18.根据权利要求1所述的压缩机器，其特征在于，选择所述第二压缩机用于所述压缩机器的操作，以提供从制冷剂冷凝器传递处于在大约40℃至大约60℃(大约104℉至大约140℉)范围内的温度的热水。
Applications Claiming Priority (3)
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