CN1135036A - 透平膨胀制冷循环中过冷却器的液面控制 - Google Patents

Abstract

在一压缩-膨胀制冷系统中使用一单流体双相透平膨胀器。透平机有固定的预定孔型的喷嘴，并被设计成在稳态正常工况下以最佳状态运行。一主浮阀控制流到透平膨胀器的制冷剂。为了适应非设计工况条件，一旁路管道把透平膨胀器附近的液体制冷剂直接送到蒸发器。在此情况下，当冷凝器贮槽中的液面到达一预定高度时，旁路浮阀打开旁路管道。或者采用一浮开关和一旁路电磁阀。

Description

透平膨胀制冷循环中过冷却器的液面控制

本发明涉及压缩/膨胀制冷，特别是有关采用透平膨胀器来膨胀冷凝后的制冷剂使之减压，回收一部分压缩流体能量的透平膨胀循环的冷冻器、空调器、热泵或制冷系统。

单流体双相流系统在冷凝器热交换器和蒸发器热交换器之间一般采用一膨胀阀、浮阀或其他机械压力调节器，使流体膨胀，即对制冷剂流体进行节流，使之从高压变为低压。

为了提高制冷效率，人们在以前就已提出在制冷循环中使用透平机或透平膨胀器。这需要用某种形式的双相流透平机来用等熵膨胀过程代替节流膨胀阀的等焓膨胀过程。即，透平机吸收一些膨胀制冷剂的能量，把它转换成转动能。同时，进入蒸发器的制冷剂的液体部分增加。最为理想的是，膨胀制冷剂的能量最好可以回收以用来减少驱动系统中压缩机所需要的电动机的能量。

编号为4,336,693的美国专利描述了一种采用反作用式透平机作为膨胀级的制冷系统。在此方法中，用一离心反作用式透平机来完成膨胀过程，并在提取动力之前把蒸汽从液体中分离出来。它的效率高于一般的透平膨胀器。在此专利中，透平机产生的能量能用来驱动一负载，例如发电机。

然而，由于一些原因，起此作用的透平机效率不太高。在大多数制冷过程中，制冷剂从一饱和液体状态变成一低质量的双相液体/蒸汽状态，与压缩机所需要的输入功相比，膨胀过程只产生比较小的功。此外，已有技术使用的透平机不仅容量比压缩机小，而且由于膨胀流体的双相流和速度，透平机在低效率的情况下运行。为了得到最佳效率，双相流透平机还需要一个与压缩机完全不同的速度。因此，由于节流阀的购置成本和维修费用比较低，而透平膨胀器的能量回收所提高的少量节省和效率增益起不了什么作用，所以已有技术的工程实践中不采用透平膨胀器。

只有能满足透平机与制冷系统其余部分的临界关系，单流体双相流透平膨胀器才能成为实用和有效的膨胀器。如果透平机转子有一个能把它用作高效膨胀器的设计速度，透平机与制冷剂的特性如蒸汽密度和双相流声速匹配，制冷系统(即制冷器、冷冻器或空调器)的容量满足透平膨胀器的最佳质量流条件，那么透平机转子轴就可与压缩机的传动装置直接联接。然而，以前的系统没有能达到这些要求，所以没有获得所希望的效率的提高。

对于中、高压制冷剂，例如Rl34A和R22，在里茨等人的编号为4，298，311的美国专利、海斯等人的编号为4.336，693和4，438，638的美国专利中所述类型的双相流透平膨胀器可以采用。这些专利涉及到用一双相工作流体驱动的透平机，其中的流体质量的大部分(例如90％)是液体，一个或多个喷嘴把冷凝后的制冷剂对准转子以使蒸汽和液体的混合物冲击转子。这些透平机被设计成反作用式透平机，使膨胀蒸汽的动能转变成轴的输出动能，而不是转变成热能。在理论上，这可使膨胀之后的工作流体总质量的液体部分达到最大值。

然而，在任何给定的使用场合，提供最佳膨胀的透平机的尺寸并不能供应合适的输出轴动力。对于一给定质量流的透平机的膨胀容量应该与所需的轴速度匹配以便能够和压缩机的传动装置直接联接。

透平膨胀循环制冷系统的前提是一个正常的、稳定状态的流速和压头工况。在正常工况下，冷凝器排出的质量流通过双相流透平膨胀器，而膨胀能传递到压缩机驱动机构。这就降低了压缩机所需的轴马力。凡是透平膨胀器设计成一个固定的几何形状的，该透平膨胀器都能在一个质量流和压头工况给定范围有效运行。这些透平膨胀器都设计成在以给定的速度和压力到达喷嘴的液流下运行。如果制冷系统在非设计工况运行，就可能会出现问题。

在非设计工况，压头可能太小或流速太大，使冷凝的制冷剂不能有效地通过透平机喷嘴，因而使冷却器或蒸发器级因缺乏制冷剂而不能有效工作。如果系统压头下降而质量流处在设计流速或高一点，则此流体压力可能太低使所需的液流不能通过透平机喷嘴。于是，液体制冷剂在冷凝器的贮槽内积聚，使蒸发器因缺乏液体制冷剂而不能有效工作。此工况由于冷却器或蒸发器的压力太低而可能迫使制冷系统关闭。

因此，必须采用某些附加装置，即使在设计的压力和质量流之外的工况下运行也能维持制冷剂的稳定，但不影响透平膨胀器的运行。

本发明的一个目的是提供一具有双相流透平膨胀器的制冷系统，该系统采用旁路装置以便在系统的设计范围之外也可运行，从而避免了已有技术的缺点。

根据本发明的一个方面，具有稍许过冷输入状态的单流体双相流透平膨胀器可直接即机械地连接到制冷压缩机的传动机构，它既能等熵地膨胀冷凝的制冷剂，也能回收较大量的制冷剂压缩能，并把回收的能量用于转动压缩机。

对于一100吨到1000吨容量的制冷系统，采用一高压制冷剂如R22或R134A，及一双极感应式电动机(每分钟3000至3600转)驱动的离心或螺旋压缩机，透平机的效率大约为60％。与采用节流膨胀阀的制冷系统相比，该透平机把电动机负荷减少6至15％，具体数字视运行条件而定。一采用低压制冷剂例如R123或R245ca的类似的制冷系统，由于需要加大透平机转子直径和降低转子轴速度而只能回收少量的能量。在理想情况下可回收约2至6％的能量。

凡是透平膨胀器设计成一个固定的几何形状的，该透平膨胀器都能在一个质量流和压头工况给定范围有效运行。这些透平膨胀器都设计成在以给定的速度和压力到达喷嘴的液流下运行。如果制冷系统在非设计工况运行，就可能会出现问题。

在非设计工况，压头可能太小或流速太大，使冷凝的制冷剂不能有效地通过透平机喷嘴，因而使冷却器或蒸发器级因缺乏制冷剂而不能有效工作。如果系统压头下降而质量流处在设计流速或高一点，则此流体压力可能太低使所需的液流不能通过透平机喷嘴。于是，液体制冷剂在冷凝器的贮槽内积聚，使蒸发器因缺乏液体制冷剂而不能有效工作。此工况由于冷却器或蒸发器的压力太低而可能迫使制冷系统关闭。

因此，必须采用某些附加装置，即使在设计的压力和质量流之外的工况下运行也能维持制冷剂的稳定，但不影响透平膨胀器的运行。

本发明的一个目的是提供一具有双相流透平膨胀器的制冷系统，该系统采用旁路装置以便在系统的设计范围之外也可运行，从而避免了已有技术的缺点。

根据本发明的一个方面，具有稍许过冷输入状态的单流体双相流透平膨胀器可直接即机械地连接到制冷压缩机的传动机构，它既能等熵地膨胀冷凝的制冷剂，也能回收较大量的制冷剂压缩能，并把回收的能量用于转动压缩机。

对于一100吨到1000吨容量的制冷系统，采用一高压制冷剂如R22或R134A，及一双极感应式电动机(每分钟3000至3600转)驱动的离心或螺旋压缩机，透平机的效率大约为60％。与采用节流膨胀阀的制冷系统相比，该透平机把电动机负荷减少6至15％，具体数字视运行条件而定。一采用低压制冷剂例如R123或R245ca的类似的制冷系统，由于需要加大透平机转子直径和降低转子轴速度而只能回收少量的能量。在理想情况下可回收约2至6％的能量。

如果在低于100吨容量的制冷系统中采用该透平膨胀器，而该制冷系统具有一螺旋压缩机或者能达到速度与容量之间临界关系的其它类型的旋转压缩机，那么能量的有效回收也能实现。例如在用高压制冷剂的制冷系统中，该透平膨胀器能直接与一以每分钟12,000转的转速转动的40吨齿轮传动螺旋压缩机或以一每分钟40,000转的逆变器驱动的5吨涡旋压缩机的高速轴直接联接。

除了这两个例子外，压缩机和透平机的许多其他组合也能使用。每一个组合都必须在冷凝器级和蒸发器级内能维持某一稳定状态的制冷剂质量流速和压力大小。该透平机最好具有比较简单的结构，它包括一带周缘叶片的转盘和一容纳转盘且含有一组指向叶片的固定喷嘴的喷嘴块。只要制冷系统在设计的运行工况下运行，通过喷嘴的制冷剂质量流足以满足蒸发器的需要。然而，如果压头下降或质量流速变大，制冷系统在非设计工况下运行，则通过透平机喷嘴的制冷剂质量流太少以致不能满足蒸发器的需要。从而由于较低的蒸发器压力而能导致制冷系统的关闭。

在本发明的几个较佳实施例中，一旁路管道使冷凝器的贮槽与蒸发器相连，以在某些非设计工况期间满足蒸发器的需要。一在冷凝器贮槽中的浮阀或等效的传感装置可以探测出液面超出正常极限的情况。在超出正常范围时，该传感器使一阀打开以使液体流过旁路管道。在正常情况下，在冷凝器的过冷却器部分的液面保持在设计极限内，此时旁路管道保持关闭。因而，在正常情况下，即稳定状态运行期间，所有的液体制冷剂通过透平膨胀器循环以便回收能量并减少压缩机的电动机转矩。然而，当运行工况有变化时，旁路管道接通使液体制冷剂直接从冷凝器贮槽流到蒸发器。

本发明的上述和其他目的、特点和优点可从下面结合附图对一个较佳实施例的详细描述而显得更为清楚。

图1是采用一透平膨胀器的单流体压缩/膨胀制冷系统的示意图，它示出了本发明第一实施例的旁路管道。

图2是采用一透平膨胀器的单流体压缩/膨胀制冷系统的示意图，它示出了本发明第二实施例的旁路管道。

图3、4和5分别是图1实施例的冷凝器级贮槽浮子室的俯视剖视图、主视剖视图和侧视剖视图。

请参阅附图，首先参阅图1。图1示出了一用于热泵、制冷器、冷冻器或空调器的制冷系统10，此制冷系统包括一用电动机12或其它原动机驱动的压缩机11。该压缩机11压缩以液相态和汽相态存在于制冷系统中的工作流体，并把高压、高温的压缩蒸汽排到一冷凝器/过冷却器装置13，该装置13排出工作流体中的热量并把高压蒸汽冷凝成高压液体。冷凝器有一个去除冷凝的蒸汽中热量的主热交换器14和一个去除冷凝的液体中的热量的显热过冷却器15。

液体制冷剂集中在一个阀室28，其中一控制室16有一个调节流量的主浮阀17。液体制冷剂从阀室28经一主透平机管道18流到一透平膨胀器19。高压液体流进高压口并靠膨胀工作流体的动能驱动透平机转子。一部分由压缩机11赋与工作流体的能量由膨胀器19回收。由此另一根管道20把低压的工作流体送进蒸发器21，工作流体在蒸发器中吸收周围区域的热量，所吸收的热量使工作流体从液态转变成汽态。蒸发器21中的蒸汽再次从输入(低压)侧进入压缩机11。在示意图中，从透平膨胀器19到压缩机11之间的连接件22把两者的轴机械地连接起来，而使该透平膨胀器19有效地协助电动机12驱动压缩机11。透平膨胀器19减轻了一部分压缩机对电动机12的功率要求，这样制冷循环的运行效率比用其它类型的膨胀器如节流膨胀阀要高。

过冷却器15入口处的液面由一浮阀操纵的液面控制系统29控制。大多数液流经一过冷却器排出管27离开显热过冷却器15，然后进入阀室28。在过冷却器15的工作流体的液面由一溢流堰25维持，它允许小部分的冷凝的液体流进控制室16。在控制室16中，主浮阀17随着液面上升或下落，以允许主流经主透平机管道18离开阀室。具有排放口26的排液管路连续地把控制室16减压成系统的低压侧。如果进入过冷却器15的液面低于溢流堰25的入口，则不会有液流进入控制室16。控制室的排放口26会放出控制室的液体，控制室的液面下落，使主浮阀17关闭。由此限制了经管道27离开过冷却器的主流，从而迫使过冷却器15的入口处的液面上升。如果在冷凝器装置13的液面上升到远在控制堰25之上，则过多的液流进入控制室16。在此情况下，控制室排放口26不会以足够快的速度排出液流，控制室16的液面上升，使主浮阀17打开，使得较多的液流经过冷却器排放管道27和主透平机管道18流到透平膨胀器19。由此使过冷却器15入口处的液面下落。为了稳定的运行，流过溢流堰25的制冷剂和流过控制室排放口26的制冷剂将会变得相等，而浮阀14保持在一个稳定的位置。由此使进入过冷却器15的液面保持在一个稳定状态的位置。

大部分液体制冷剂从液面控制系统29经主管道18流进透平膨胀器19。通过一轴或连接件22与压缩机的电动机12相连的透平膨胀器19吸收一部分工作流体的动能并把它传送到电动机12以减少一部分压缩机对电动机12的功率要求。因此，采用透平膨胀器后，制冷循环的运行效率比用其它类型的膨胀器如节流膨胀阀为高。透平膨胀器19的低压排出流经管道20流到蒸发器或冷却器21，其中工作流体吸收周围环境区域的热量，该吸收的热量使工作流体从液态转换成气态。蒸汽再次进入压缩机11的输入端，然后重复循环。

有效地使用透平膨胀器，就可以获得较高的冷却效率。采用高压制冷剂如R12、R22和R134A，普通膨胀阀的节流损失高达20％；而对于低压制冷剂如R123或R245ca，节流损失达12％。但是如果用效率为50％的透平膨胀器代替节流型膨胀器，将能降低很多节流损失。因此，与压缩机轴直接(即机械地)联接的透平膨胀器能显著提高制冷效率。一般来讲，透平膨胀器具有固定的大小和孔尺寸的喷嘴，这些喷嘴是根据制冷系统的稳定状态的运行条件来设计的。1994年4月5日申请的、编号为08/222,966的、共同转让的美国专利申请示出了一透平膨胀器的实例。该申请缓引在此作为参考。

图3、4和5示出了此实施例的一液面控制系统和浮阀的详细情况。这里，液体制冷剂从冷凝器14经溢流堰25流到控制室16，液体上升到一个取决于加热/冷却负荷及其他因素的液面。图4中左边示出的是第一或主浮阀17，右边示出的是旁路浮阀24。阀室28设置在液面控制系统29的中心部分，主管道18通向透平机，而一旁路管道23使阀室28与管道20相连。在此实施例中，旁路阀机构24是成比例的，即，通过旁路管道23由阀控制的流量一般与阀室中液体的在一初始高度液面之上的液面成比例。

一固定几何形状的其大小专为一特定稳定状态而定的透平膨胀器，其功率可能太小，以致在某瞬时或非设计工况下不能处理制冷剂流。即使主浮阀17在其完全打开位置，在过冷却器15入口的液面也可能在主冷凝器14中升高。此工况由于低蒸发器压力而会导致制冷系统的安全关闭，以阻止蒸发器的水/盐水冻结。为阻止制冷系统停止运转，第二或旁路浮阀24开始起作用。旁路浮阀24的驱动高度设置得使它在主浮阀17完全打开之前保持关闭。在系统开始运转期间，在暂态或稳定状态的低压头或大质量流的工况下，旁路浮阀24会按需要打开以允许必须的旁路流量经旁路管道23流到系统20或21的低压侧。在非设计工况期间，旁路管道23在冷凝器组件13的排放管道27、低压管道20和蒸发器21之间连通。管道23向透平机19的附近送去一些液体制冷剂。在正常工况下，阀24关闭，液体制冷剂流过主管道18和透平膨胀器19。

图2示出本发明的第二实施例，在此实施例中，与图1实施例相同的零件或装置除加上撇号外都用相同的编号表示。对主要特点的描述在此不再重复。在此实施例中，当控制室16′中的液面到达一预定高度时，一浮开关30而不是浮阀24被驱动。浮开关驱动一连接在旁路管道23′线路的旁路电磁阀或螺线管31上。由此当非设计工况不允许足够的质量流流过主管道18′和透平机19′时，就打开旁路管道23′使液体流流过。

在非设计工况期间，将液体制冷剂旁路到透平机19或19′附近还可采用许多其他可行的实现旁路的实施例。

Claims (6)

1.一种单流体压缩/膨胀制冷装置，它包括：充有以液态和汽态存在于此装置中的流体制冷剂；一压缩蒸汽从而把压缩能增加到制冷剂流的压缩机，该压缩机有一输入轴、一接收减压流体的进入口和一输送升压后流体的输出口；一驱动电动机，它的传动轴与所述输入轴联接以转动该轴；一排出被冷凝的制冷剂中的热量、把压缩蒸汽转变成液体的冷凝装置，所述冷凝装置包括一积聚所述液体的贮槽；一有进入口的透平膨胀器，由所述冷凝装置的所述贮槽提供给它所述液、汽混合的升压流体，用于使所述制冷剂流体膨胀而使所述流体减压，该透平膨胀器包括与所述旋转压缩机的输入轴联接、当制冷剂流体膨胀时至少回收一部分制冷剂流体中的压缩能的输出轴以及一供应所述减压制冷剂流体的输出口；安装在所述透平膨胀器出口和所述压缩机进口之间管路上的蒸发器装置，蒸发器中馈入所述减压制冷剂流体使液态制冷剂蒸发成汽态制冷剂，同时吸收热量，最终把蒸汽再回送到所述压缩机的进入口；以及，一连接在所述冷凝装置和所述蒸发装置之间的旁路管道，包括有选择地允许所述流体经所述旁路管道从所述冷凝装置流到所述蒸发器装置的阀装置和探测所述流体在所述冷凝装置中的积聚程度以驱动所述阀装置的传感器装置。

2.如权利要求1所述的单流体压缩/膨胀制冷装置，其特征在于，所述阀装置包括一个位于所述贮槽内的旁路浮阀。

3.如权利要求1所述的单流体压缩/膨胀制冷装置，其特征在于，所述阀装置包括一个位于所述贮槽内的浮开关和一个设置在所述旁路管道并电气连接于所述浮开关的电磁阀。

4.单流体压缩/膨胀制冷装置，它包括：充有以液态和汽态存在于此装置中的流体制冷剂；一压缩蒸汽从而把压缩能增加到制冷剂流的压缩机；该压缩机有一输入轴、一接收减压流体的进入口和一输送升压后流体的输出口；一驱动电动机，它的传动轴与所述输入轴联接以转动该轴；一排出冷凝的制冷剂中热量、把压缩蒸汽转变成液体的冷凝装置，所述冷凝装置包括一积聚所述液体的贮槽；一在所述贮槽中维持所述贮槽一预定液面并控制所述制冷剂流体流过一管道的主浮阀；一有进入口的透平膨胀器，由所述管道提供给它所述液、汽混合的升压流体，用于使所述制冷剂流体膨胀而使所述流体减压，它包括与所述旋转压缩机的输入轴联接、以当制冷剂流体膨胀时至少回收一部分制冷剂流体中的压缩能的输出轴以及一供应所述减压制冷剂流体的输出口；安装在所述透平膨胀器出口和所述压缩机进口之间管路上的蒸发器装置，蒸发器中馈入所述减压制冷剂流体使液态制冷剂蒸发成汽态制冷剂，同时吸收热量，最终把蒸汽再回送到所述压缩机的进入口；一连接在所述冷凝装置和所述蒸发器装置之间的旁路管道；有选择地允许所述流体经所述旁路管道从所述冷凝装置流到所述蒸发装置的旁路的阀装置；以及，探测所述流体在所述冷凝装置中的积聚程度以驱动所述阀装置的传感器装置。

5.如权利要求4所述的单流体压缩/膨胀制冷装置，其特征在于，所述旁路阀装置包括一旁路浮阀，所述传感器装置包括一在所述贮槽内的浮开关。

6.如权利要求4所述的单流体压缩/膨胀制冷装置，其特征在于，所述旁路阀装置包括一设置在所述旁路管道线路中的电磁阀，所述传感器装置包括一位于所述贮槽中且电气连接于所述电磁阀的浮开关。

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