CN101939601B - 制冷***以及用于制冷的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制冷***(2)包括制冷回路(4)，制冷回路(4)沿流动方向具有压缩机(8)、气体冷却器(10)、第一膨胀装置(12)、中间压力容器(14)、第二膨胀装置(16)、蒸发器(18)、以及使制冷剂循环通过的制冷剂管道(22、24、26、28、30、32)。第一膨胀装置(12)将制冷剂膨胀至中间压力等级。制冷剂管道(22、24、26、28、30、32)的第一制冷剂管道(22)连接压缩机(8)和气体冷却器(10)，制冷剂管道(22、24、26、28、30、32)的第二制冷剂管道(24)连接气体冷却器(10)和第一膨胀装置(12)，第一制冷剂管道(22)、气体冷却器(10)、以及第二制冷剂管道(24)形成了制冷回路(4)的跨临界部分。制冷剂***(2)还包括降低过热单元(6)，降低过热单元(6)与第二制冷剂管道(24)的至少一部分成换热关系，由此将制冷剂降低过热。

Description

制冷***以及用于制冷的方法
技术领域
本发明涉及制冷***以及用于制冷的方法。
背景技术
包括制冷回路的制冷***在本领域内众所周知。通过使诸如CO2的制冷剂在压缩机高压侧上处于跨临界状态(transcritica1s tate)来运转制冷回路的压缩机也是已知的。在这些***中，尤其当压缩机的高压侧在大约120bar的常用压力值下运转时，难以使制冷剂获得期望的冷却。自30℃开始，在高环境温度下达到期望的冷却，会导致低的能量效率。
发明内容
因此，提供一种更有效的制冷***，即使在高环境温度时也可获得期望性能将是有利的。
本发明的示例性实施方式包括一种制冷***，其包括制冷回路，制冷回路沿流动方向具有压缩机、气体冷却器、第一膨胀装置、中间压力容器、第二膨胀装置、蒸发器、以及使制冷剂循环通过的制冷剂管道，其中，第一膨胀装置将制冷剂膨胀至中间压力等级。制冷剂管道的第一制冷剂管道连接压缩机和气体冷却器，制冷剂管道的第二制冷剂管道连接气体冷却器和第一膨胀装置，第一和第二制冷剂管道形成制冷回路的跨临界部分。压缩机可运转以使得制冷剂在跨临界部分内处于跨临界状态。制冷***的特征在于其还包括降低过热(desuperheat)单元，降低过热单元与第二制冷剂管道的至少一部分成换热关系，由此在运转时，将在制冷回路内循环的制冷剂降低过热。
本发明的示例性实施方式还包括一种用于制冷的方法，其包括如下步骤：将制冷剂压缩至跨临界压力等级；冷却气体冷却器内的制冷剂；通过与降低过热单元换热将制冷剂降低过热；通过第一膨胀装置将制冷剂膨胀至中间压力等级；使制冷剂流入中间压力容器内；通过第二膨胀装置进一步膨胀制冷剂；以及使制冷剂流动通过蒸发器，从而冷却蒸发器的环境。
附图说明
以下参照附图更详细描述本发明的实施方式，其中：
图1显示了根据本发明的示例性制冷***的示意图，其中降低过热单元包括制冷剂回路。
图2显示了根据本发明的另一示例性制冷剂***的示意图，其中中间换热回路设置于制冷回路和降低过热单元之间。
具体实施方式
图1显示了根据本发明一个实施方式的制冷***2。制冷***2包括制冷回路4和降低过热单元6。制冷回路4包括常用于跨临界地运转的制冷回路中的六个部件：压缩机8、气体冷却器10、第一膨胀装置12、中间压力容器14、第二膨胀装置16、以及蒸发器18。这些元件由制冷剂管道连接，借助于此，制冷剂循环通过上述元件。第一制冷剂管道22连接压缩机8和气体冷却器10，第二制冷剂管道24连接气体冷却器10和第一膨胀装置12，第三制冷剂管道26连接第一膨胀装置12和中间压力容器14，第四制冷剂管道28连接中间压力容器14和第二膨胀装置16，第五制冷剂管道30连接第二膨胀装置16和蒸发器18，第六制冷剂管道32连接蒸发器18和压缩机8。
可以理解，上述结构是示例性的，且其修改是同样可行的。特别地，可选择用多个部件替换单个部件。例如，压缩机8可以由一组压缩机替换；同样也可有多个蒸发器18，每个蒸发器18与相应的第二膨胀装置16联合。并且，通过以彼此间直接流体连通的方式设置部件，可以省去单独的管道。
图1中制冷回路4还包括从中间压力容器14、特别是其中的气体空间到压缩机8的吸入侧的再反馈通道(refeed passage)，这对于本发明的制冷***是可选的。再反馈通道包括第三膨胀装置20、连接中间压力容器14和第三膨胀装置20的第七制冷剂管道34、以及连接第三膨胀装置20和压缩机8的第八制冷剂管道36。
在图1的示例性实施方式中，降低过热单元6包括降低过热制冷回路40。降低过热制冷回路40沿流动方向包括压缩机42、冷凝器44、以及膨胀装置46。制冷剂管道48连接降低过热制冷回路中的上述元件，并循环通过其中的制冷剂。
制冷回路4的第二制冷剂管道24的一部分与降低过热单元6成换热关系。由换热器38实现换热，换热器38耦接制冷回路4的第二制冷剂管道24的一部分和降低过热制冷回路40的制冷剂管道48的一部分，且其设置于降低过热制冷回路40的膨胀装置46和压缩机42之间。对本领域技术人员显见的是，存在多种实现两元件间换热的方法。术语“换热器”在本文中应该用于包括所有这些等效的解决方案。
还可以理解，降低过热单元6仅在图1所示的示例性实施方式中包括制冷回路40。适用于通过与第二制冷剂管道24的至少一部分进行换热而提供对制冷回路4内制冷剂的降低过热的不同实现方式，也应该落在本发明的范围内。
如下解释根据图1中示例性实施方式的制冷***2的运转：
运转压缩机8，使得诸如CO2的制冷剂以跨临界状态进入第一制冷剂管道22。当使用CO2时，压缩机高压侧的典型压力值达到120bar。然后，制冷剂在气体冷却器10内被冷却。制冷剂离开气体冷却器所具有的温度下限取决于环境温度。因此，制冷剂以高于气体冷却器10的环境温度的温度进入第二制冷剂管道24。
气体冷却器10可具有各种实施方式。在一个实施方式中，用风扇将空气吹送过气体冷却器10的整个结构，从而带走来自制冷回路4中的热。该空气可富含水滴，这增加了被吹送过整个气体冷却器10的流体的热容量。也可设想基于液体冷却的***。其它实施方式对本领域技术人员而言是显见的。
在第二制冷剂管道24的一部分中，制冷剂被降低过热，即通过与降低过热单元6的换热，将处于跨临界状态的制冷剂的温度降低。为此目的，第二制冷剂管道24的一部分设置于换热器38内。
制冷剂流动通过第一膨胀装置12，第一膨胀装置12将制冷剂从跨临界膨胀至中间压力等级。制冷剂通过第三制冷剂管道26到达中间压力容器14。中间压力容器14收集处于中间压力等级下的制冷剂--并且作为本实施例中体现的可选特征--将气态制冷剂和液态制冷剂分离。液相制冷剂流动通过第四制冷剂管道28、第二膨胀装置16以及第五制冷剂管道30，以在二次膨胀之后以制冷剂将在制冷回路4内要达到的最低温度到达蒸发器18。这让蒸发器18的环境得以冷却。在该换热之后，制冷剂通过第六制冷剂管道32流回到压缩机8。气相制冷剂通过第七制冷剂管道34、第三膨胀装置20以及第八制冷剂管道36，从中间压力容器14再反馈到压缩机8，这是因为它不能像液相制冷剂那样有效地用于冷却。
在图1的示例性实施方式中，出自由丙烷、丙烯、丁烷、R410A、R404A、R134a、氨、DP1以及液氢所组成的组中的制冷剂流动通过降低过热单元6的降低过热制冷剂回路40。因为丙烷和丙烯是天然气体，而其它选项是合成气体，因此在很多实施方式中可优选使用丙烷和丙烯。对本领域技术人员显见的是，存在其它的用于降低过热制冷回路40内的制冷剂选项。
降低过热制冷回路40的制冷剂由压缩机42压缩。在图1所示实施方式中，制冷剂未达到跨临界状态。制冷剂在换热器38与压缩机42之间、以及压缩机42与冷凝器44之间均处于气相。在冷凝器44之后以及直到换热器38为止，制冷剂处于液相。制冷剂流动通过冷凝器44和膨胀装置46，使得制冷剂以已冷却过的状态离开膨胀装置46，并且能够使热传递到它。
然后，降低过热制冷回路40中的制冷剂流动通过换热器38，在换热器38内进行该制冷剂与循环通过制冷回路4的制冷剂之间的换热。当流动通过换热器38时，由于制冷回路4中的制冷剂在第二制冷剂回路24内处于高于降低过热制冷回路40中制冷剂温度的温度，因此热从制冷回路4中的制冷剂传递到降低过热制冷回路40中的制冷剂。亦即，在降低过热制冷回路40中的制冷剂回流到降低过热制冷回路40的压缩机42之前，降低过热制冷回路40中制冷剂的热容量用于换热器38中。
在图1中，显示了处于顺流状态的换热器38。换热器也可以具有逆流或其他的方式连接。逆流通常更有效，因此逆流可为优选选择。
图2显示了根据本发明另一实施方式的制冷***2。制冷回路4和降低过热单元6与图1中的对应部件具有相同结构。它们的运转也大致相同。因此，相似的参考标号表示相似的元件。
与图1相比，不同之处在于制冷回路4和降低过热单元6之间实现换热的方式。在图2的实施方式中，通过中间换热回路50实现换热。在这种实施方式中，制冷回路4和降低过热单元6不成直接换热关系。
中间换热回路50包括第一换热器52和第二换热器54。第一换热器52建立了制冷回路4与中间换热器回路50之间的换热关系。第二换热器54建立了中间换热器回路50与降低过热单元6之间的换热关系。制冷剂通过中间换热器回路50流动，重复流动通过第一换热器52并随后通过第二换热器54。诸如泵抽装置等保持制冷剂或载冷剂流动的装置在图2中并未显示，但对本领域技术人员而言是显见的。
中间换热回路50中的制冷剂或载冷剂，例如水或盐水，在第二换热器64内被冷却下来，从而将热传递到降低过热单元6中的制冷剂。另一方面，在第一换热器52内，热从流动通过第二制冷剂管道24的制冷回路4中的制冷剂传递到中间换热回路50中的制冷剂。换热器52和54可以具有顺流、逆流或其它的方式连接。逆流通常更有效，因此逆流可为优选选择。
由于制冷回路4和降低过热单元6在空间上分离，因此这种结构容许更灵活地放置制冷回路4和降低过热单元6。但制冷回路4中的制冷剂仍由降低过热单元6降低过热。对本领域技术人员显见的是，中间换热器回路50可由任何能够将热从第一换热器52传递到第二换热器54的装置替换。在适当温度等级下，中间回路50和降低过热单元6也可用于冷却其它有需要的冷消耗装置，例如空调设施。
如上所述，本发明的示例性实施方式使得制冷***更加有效，特别是使得制冷回路被更有效地运转。除了气体冷却器外，降低过热单元为制冷回路中跨临界部分的制冷剂提供了第二种冷却方式。这使得制冷回路中的制冷剂更有效地冷却。特别地，这种结构容许弥补跨临界运转的制冷回路所具有的能量缺点。由于在跨临界运转的气体冷却器内没有发生冷凝，因此传递到环境的能量并不一样多。跨临界运转的制冷回路所具有的这种固有缺点部分地由降低过热单元弥补，这使得可以在高温下运转制冷***，而无需过度提高压缩机压力侧上制冷剂的压力和温度。不将降低过热单元并入制冷回路中，具有很多优点：不管制冷回路的布局如何，降低过热单元都可以非常紧凑的方式形成。并且，具有很少或没有适应性改变/变型的降低过热单元可用于各种制冷回路，这容许了以极具成本效益的方式生产。降低过热单元还可利用在高环境温度下不具有相同缺点的冷却技术。紧凑设计容许采用高效和成本效益的结构，并且在具有降低过热制冷剂回路的情况下，容许使用最小量的制冷剂。在控制制冷***时，调整降低过热单元的冷却能力，包括关断降低过热单元，以及因此调整对制冷回路中制冷剂的降低过热，提供了另一自由度。
制冷回路的制冷剂可为CO2。这使得可以利用作为制冷剂的CO2的有益性能。
在本发明的一个实施方式中，降低过热单元可包括降低过热制冷剂回路。这使得在降低过热单元的结构表现和布局方面具有高度的灵活性。降低过热制冷剂回路可包括压缩机、冷凝器、膨胀装置、以及连接上述降低过热制冷剂回路元件并使制冷剂循环通过的制冷剂管道。这容许了对降低过热制冷剂回路参数的单独设计，例如用于对冷凝器内制冷剂进行期望冷却的***中不同部分的压力值。但是，不管制冷回路的尺寸如何，降低过热单元仍可以非常紧凑的方式形成并且可被使用。
降低过热制冷剂回路中的制冷剂可在降低过热制冷剂回路中的所有部件内都处于非跨临界状态。降低过热制冷剂回路的制冷剂可在非常高的温度下离开压缩机，使得与环境进行高效的换热。结合通过在冷凝器内冷凝制冷剂而进行的能量传递，降低过热单元的降低过热制冷剂回路可以非常高效的方式运转。降低过热制冷剂回路的制冷剂可为由丙烷、丙烯、丁烷、R410A、R404A、R134a、氨、DP1以及液氢所组成的组中的任何一种。
以下也是可能的，即降低过热单元包括用于热电冷却的装置，在一些应用中，该热电冷却装置可比降低过热制冷剂回路更易于运转或者更实用。
如上文所说明的，以下是可能的，即通过换热器实现制冷回路的第二制冷剂管道与降低过热单元之间的换热。换热器可构成为在空间上紧邻制冷回路的第二制冷剂管道和降低过热单元的适当部分。换热器提供了从制冷回路中制冷剂到降低过热单元的高效热传递。
另一可能的是，制冷***包括与制冷回路和降低过热单元成换热关系的中间换热回路。这容许了制冷回路与降低过热单元在空间上分离。因此，降低过热单元可位于有利环境中，例如位于建筑物的房顶上。通过进一步将制冷回路的气体冷却器与降低过热单元的冷凝器相分离，可提高总***的效率。在使用可燃性制冷剂的情况下，为了安全原因将两个制冷回路分离可能是有利的。此外，中间换热回路具有其自身的自由度，例如所用的制冷剂或制冷剂的流速，中间换热回路给控制整个制冷***提供了另一种方法。中间换热回路可为盐水或水回路。中间换热回路可包括第一换热器和第二换热器，第一换热器用于实现与制冷回路中第二制冷剂管道的换热，第二换热器用于实现与降低过热单元的换热。
在本发明的另一实施方式中，制冷回路中的中间压力容器可在运转时将液态制冷剂与气态制冷剂分离。这容许了在制冷回路中蒸发器的环境内进行更高效的冷却。制冷回路还可包括附加的制冷剂管道和第三膨胀装置，附加的制冷剂管道将中间压力容器的气相部分与压缩机的吸入侧连接，第三膨胀装置设置在附加的制冷剂管道内。根据本发明，这种附加的制冷剂管道可形成较小的尺寸，这是因为提高了对制冷回路中跨临界部分的制冷剂的冷却效率--此冷却由降低过热单元实现，使得制冷剂在到达中间压力容器时，制冷剂的较大部分成为液相。因此，制冷剂的较小部分通过附加的制冷剂管道反馈。
此外可能的是，在运转时，制冷剂的压力在制冷回路的跨临界部分内低于120bar。这容许了使用标准化管件。保持低于120bar的压力对于保持***成本低廉是非常重要的，这是由于能够承受较高压力的管件非常昂贵。也有可能的跨临界部分内制冷剂的压力高于120bar。因此，在世界最炎热的地区中，制冷***也能够非常高效地运行。
在另一实施方式中，降低过热单元可选择性地接通和关断。
还可以给多个风扇提供制冷回路的气体冷却器。制冷***的性能可通过运转适当数量的风扇级、以及通过运转降低过热单元而设定，从而使制冷回路内的制冷剂获得期望的降低过热等级。将多个风扇和降低过热单元视作多个冷却性能级，能够实现对制冷剂降低过热的更精细控制。特别地，如果通过运转降低过热单元获得的性能增益小于运行附加的风扇级获得的性能增益，则当在瞬时***条件下不需要大量降低过热时，可减少最小分级性能，这可节省大量能量。相似的考虑也适用于当在制冷回路中采用多个压缩机级的情况。
附图和参考标号列表中的所有部件被示例性地显示为单个部件。每个部件也可为多个部件。
借助于上述的根据本发明示例性实施例中用于制冷的方法，可获得与制冷***相同的优点。这种方法可通过与关于制冷***所述的特征相对应的方法步骤而得到进一步改进。为了避免赘述，将不再重复这种用于制冷的方法的实施方式和改进。
尽管已参照示例性实施方式描述了本发明，但本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明范围的情况下，可进行各种变化以及可对其中的元件进行等效替换。另外，在不脱离本发明本质范围的情况下，可进行很多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本发明的意图并不局限于所披露的特定实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。
参考符号列表
2          制冷***
4          制冷回路
6          降低过热单元
8          压缩机
10         气体冷却器
12         第一膨胀装置
14         中间压力容器
16         第二膨胀装置
18         蒸发器
20         第三膨胀装置
22         第一制冷管道
24         第二制冷管道
26         第三制冷剂管道
28         第四制冷剂管道
30         第五制冷剂管道
32         第六制冷剂管道
34         第七制冷剂管道
36         第八制冷剂管道
38         换热器
40         降低过热制冷剂回路
42           降低过热制冷剂回路压缩机
44           降低过热制冷剂回路冷凝器
46           降低过热制冷剂回路膨胀装置
48           降低过热制冷剂回路制冷剂管道
50           中间换热回路
52           第一中间回路换热器
54           第二中间回路换热器

Claims (16)

1.一种制冷***(2)，其包括制冷回路(4)，所述制冷回路(4)沿流动方向具有压缩机(8)、气体冷却器(10)、第一膨胀装置(12)、中间压力容器(14)、第二膨胀装置(16)、蒸发器(18)、以及使制冷剂从其中循环通过的制冷剂管道(22、24、26、28、30、32)；
其中，所述第一膨胀装置(12)将所述制冷剂膨胀至中间压力等级；
其中，所述制冷剂管道(22、24、26、28、30、32)的第一制冷剂管道(22)连接所述压缩机(8)和所述气体冷却器(10)，所述制冷剂管道(22、24、26、28、30、32)的第二制冷剂管道(24)连接所述气体冷却器(10)和所述第一膨胀装置(12)，所述第一制冷剂管道(22)、所述气体冷却器(10)、以及所述第二制冷剂管道(24)形成了所述制冷回路(4)的跨临界部分；
其中，所述压缩机(8)可运转以使得所述制冷剂在所述跨临界部分内处于跨临界状态；以及
其中，所述制冷剂***(2)还包括降低过热单元(6)，所述降低过热单元(6)与所述第二制冷剂管道(24)的至少一部分成换热关系，由此在运转时，将在所述制冷回路(4)内循环的制冷剂降低过热，
其特征在于，所述气体冷却器(10)设置有多个风扇级，其中，所述制冷***(2)的性能被通过运转适当数量的风扇级、以及通过运转所述降低过热单元(6)而部分地控制，从而获得所述制冷回路(4)内的制冷剂的期望的降低过热等级。
2.根据权利要求1所述的制冷***(2)，其中，所述制冷回路(4)中的制冷剂是CO2。
3.根据权利要求1或2所述的制冷***(2)，其中，所述降低过热单元(6)包括降低过热制冷剂回路(40)。
4.根据权利要求3所述的制冷***(2)，其中，所述降低过热制冷剂回路(40)包括降低过热制冷剂回路压缩机(42)、降低过热制冷剂回路冷凝器(44)、降低过热制冷剂回路膨胀装置(46)、以及使制冷剂循环从其中通过的降低过热制冷剂回路制冷剂管道(48)。
5.根据权利要求3所述的制冷***(2)，其中，所述降低过热制冷剂回路(40)中的制冷剂处于非跨临界状态。
6.根据权利要求3所述的制冷***(2)，其中，所述降低过热制冷剂回路(40)的制冷剂是由丙烷、丙烯、丁烷、R410A、R404a、R134a、氨、DP1以及液氢所组成的组中的一种。
7.根据权利要求1或2所述的制冷***(2)，其中，所述降低过热单元(6)包括用于热电冷却的装置。
8.根据权利要求1或2所述的制冷***(2)，其中，所述第二制冷剂管道(24)与所述降低过热单元(6)之间的换热由换热器(38)实现。
9.根据权利要求1或2所述的制冷***(2)，其中，所述制冷***(2)包括中间换热回路(50)，所述中间换热回路(50)与所述制冷回路(4)和所述降低过热单元(6)成换热关系。
10.根据权利要求9所述的制冷***(2)，其中，所述中间换热回路(50)为盐水或水回路。
11.根据权利要求9所述的制冷***(2)，其中，所述中间换热回路(50)包括第一换热器(52)和第二换热器(54)，所述第一换热器(52)用于实现与所述第二制冷剂管道(24)的换热，所述第二换热器(54)用于实现与所述降低过热单元(6)的换热。
12.根据权利要求1或2所述的制冷***(2)，其中，在运转时所述制冷回路(4)中的中间压力容器(14)将液态制冷剂与气态制冷剂分离。
13.根据权利要求12所述的制冷***(2)，其中，所述制冷回路(4)还包括附加的制冷剂管道(34、36)和第三膨胀装置(20)，所述附加的制冷剂管道(34、36)将所述中间压力容器(14)的气相部分与所述压缩机(8)的吸入侧连接，所述第三膨胀装置(20)设置于所述附加的制冷剂管道(34、36)内。
14.根据权利要求1或2所述的制冷***(2)，其中，在运转时，所述制冷剂的压力在所述制冷回路(4)的跨临界部分内低于120bar。
15.根据权利要求1或2所述的制冷***(2)，其中，所述降低过热单元(6)可选择性地接通和关断。
16.一种用于制冷的方法，其包括如下步骤：
将制冷剂压缩至跨临界压力等级；
冷却气体冷却器(10)内的制冷剂，所述气体冷却器(10)设置有多个风扇级；
通过与降低过热单元(6)换热将所述制冷剂降低过热；
通过第一膨胀装置(12)将所述制冷剂膨胀至中间压力等级；
使所述制冷剂流入中间压力容器(14)内；
通过第二膨胀装置(16)进一步膨胀所述制冷剂；以及
使所述制冷剂流动通过蒸发器(18)，从而冷却所述蒸发器(18)的环境；以及
通过运转适当数量的风扇级、以及通过运转所述降低过热单元(6)部分地控制所述制冷***(2)的性能，从而获得所述制冷回路(4)内的制冷剂的期望的降低过热等级。
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