CN1836136A - 蒸气压缩***的超临界压力控制 - Google Patents

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Abstract

可调节蒸气压缩***的膨胀机流率以便直接控制过临界***的高压分量内的超临界压力。膨胀机(27)与对膨胀流的蒸气相进行再压缩的再压缩器(32)直接联接。通过借助第一阀(36)来控制再压缩器(32)的流率，从而可控制膨胀机(27)的流率，以便控制流经膨胀机(27)的质量流率并由此控制该***的高压。

Description

蒸气压缩***的超临界压力控制
技术领域
本发明总体上涉及一种通过控制流经膨胀机或膨胀器的流率从而调节过临界蒸气压缩***的高压分量的***。
背景技术
含氯的制冷剂由于其具有破坏臭氧的可能性因此将逐渐地被淘汰。碳氢化合物(HFC)已经作为替代制冷剂，但是这些制冷剂仍然具有增加全球温室效应的可能。还提出使用“天然”制冷剂例如二氧化碳和丙烷作为替代流体。不利的是，这些流体中的绝大多数在使用中存在问题。二氧化碳具有较低的临界点，这使得使用二氧化碳的空调***实际在临界点之上运行，或在大多数情况下过临界运行。亚临界的流体的压力是在饱和状态下(当液体和蒸气都存在时)的温度的函数。然而，当流体的温度高于临界温度(超临界)时，压力是流体的密度的函数。
当蒸气压缩***的运行是过临界的(transcritical)，有利的是可控制该***的高压分量。通过控制该***的高压分量，使得该***的性能和/或效率处于受控状态并得到优化。
在现有技术中，蒸气压缩***的高压分量是借助调节处于气体冷却器的出口的膨胀阀来控制的，这使得可控制该***的性能和效率。还可使用吸入管路热交换器和存储容器来增加该***的性能和效率。
发明内容
过临界蒸气压缩***包括压缩机、气体冷却器、膨胀机、和蒸发器。制冷剂经封闭回路***进行循环。优选的是，二氧化碳用做制冷剂。由于二氧化碳具有低临界点，因此使用二氧化碳作为制冷剂的***通常需要蒸气压缩***以过临界方式运行。当该***以过临界方式运行时，有利的是控制该***的高压分量以便控制且优化该***的性能和/或效率。
膨胀机是从膨胀过程中获取能量的功回收装置。该膨胀机通过提供更等熵的膨胀过程从而提高了该***的效率。增加流经膨胀机的流率可使得更多的质量流离开该***的高压部分，这样减低了在***的高压部分中的瞬时制冷剂质量并降低在***中的高压。使得流经膨胀机的流率降低可使得更少的质量流离开该***的高压部分，这样增加了在***的高压部分中的瞬时制冷剂质量并增加了在***中的高压。
在一个示例中，在膨胀之后，制冷剂流进入分离器罐。膨胀流的蒸气相在再压缩器中被再压缩并且注入到***的高压部分中。优选的是，该制冷剂在气体冷却器的入口处注入。再压缩器与膨胀机直接联接。通过控制流经再压缩器的流率，可控制流经膨胀机的流率并由此控制该***的高压分量。第一阀位于膨胀流与再压缩器之间，以便调节供应给再压缩器的流量并调节流经再压缩器的流率。在气体冷却器内的高压可由控制器来监控。当气体冷却器内的压力改变时，控制器调控第一阀以便实现最佳的***压力。
如果关闭第一阀，供应给再压缩器的流量降低并且再压缩器施加给膨胀机的负荷降低，并且流经膨胀机的流率增加，且降低***的超临界压力。如果打开第一阀，供应给再压缩器的流量增大并且再压缩器施加给膨胀机的负荷增大，并且流经膨胀机的流率下降，并增加***的超临界压力。
该***还可包括位于膨胀流与蒸发器之间的第二阀，以便以经济循环方式工作。第二阀控制在压缩机的吸入口处的过热度以便改变流经蒸发器的质量流率。蒸气流经过蒸气旁通管路可旁通绕过蒸发器，以便冷却压缩机的吸入口。
在另一示例中，来自压缩机的吸入口的制冷剂在压缩器中再压缩。或者，来自气体冷却器的制冷剂与来自再压缩器的制冷剂在热交换器中进行热交换。来自该热交换器的所述制冷剂随后被再压缩。这些替代示例均包括控制流经膨胀机的流率以便控制并优化该***的性能和/或效率的技术方案。
参照以下的描述将更好地理解本发明的这些和其它的特征。
附图说明
通常参照以下的附图和当前的优选实施例，本领域的普通技术人员可容易地理解本发明的多个特征和优点。在附图中：
图1示出了现有技术的蒸气压缩***的示意图；
图2示出了过临界蒸气压缩***的热力图；
图3a示出了过临界蒸气压缩***的第一示例的示意图，其包括再压缩器以便调节膨胀机流率以便控制该***的高压分量；
图3b示出了过临界蒸气压缩***的第一示例的示意图，其包括由马达调节的再压缩器以便调节膨胀机流率以便控制该***的高压分量；
图4a示出了过临界蒸气压缩***的第二示例的示意图，其包括再压缩器以便调节膨胀机流率以便控制该***的高压分量；
图4b示出了过临界蒸气压缩***的第二示例的示意图，其包括由马达调节的再压缩器以便调节膨胀机流率以便控制该***的高压分量；
图5a示出了过临界蒸气压缩***的第三示例的示意图，其包括再压缩器以便调节膨胀机流率以便控制该***的高压分量；
图5b示出了过临界蒸气压缩***的第三示例的示意图，其包括由马达调节的再压缩器以便调节膨胀机流率以便控制该***的高压分量；
具体实施方式
图1示出了现有技术的蒸气压缩***20，其包括具有马达30的压缩机22、散热的热交换器(作为过临界循环中的气体冷却器)24、膨胀阀26、和吸热的热交换器(蒸发器)28。
制冷剂循环流经封闭的回路循环20。优选的是，二氧化碳用做制冷剂。尽管参照二氧化碳进行描述，但是也可使用其它的制冷剂。由于二氧化碳具有较低的临界点，因此使用二氧化碳作为制冷剂的***通常需要蒸气压缩***20以过临界方式运行。当该***20以过临界方式运行时，有利的是可调节该蒸气压缩***20的高压分量。通过调节该***20的高压，从而控制且优化该***20的性能和/或效率。
制冷剂以高压且高焓离开压缩机22，如图2中的点A所示。当制冷剂以高压流经气体冷却器24时，该制冷剂的热量和焓散失，以便以低焓且高压离开气体冷却器24，如点B所示。当制冷剂流经膨胀阀26时，存在如点C所示的等焓的压力降低。在膨胀之后，制冷剂流经蒸发器28并且以高焓且低压离开，如点D所示。在制冷剂流经压缩机22时，该制冷剂再次获得高压和高焓以便完成该循环。
在该***20的高压分量中超临界压力是温度和密度的函数。密度是质量和容积的函数。在该***21的高压分量中的容积通常是恒定的，并且该***20的高压部分的温度通常不受到控制以便使得***20的效率最大化。因此，过临界***20的超临界压力是通过控制在该***20的高压分量内的质量来控制的。在该***20的高压分量内的质量是离开压缩机22的质量流率和进入膨胀阀26的质量流率的函数。因此，控制流经膨胀阀26的流率可直接地控制过临界***20的高压分量内的超临界压力。
图3a是本发明的***21的第一示例的示意图。该***包括膨胀机27。该膨胀机27是从膨胀过程中获取能量的功回收装置。在膨胀机中可获取的可用能量是流经膨胀机27的流率、在膨胀机27的入口压力与出口压力之间的等焓(焓恒定)膨胀与等熵(熵恒定)膨胀之间的焓差、以及膨胀效率的乘积。该乘积通常是高压与低压之间的压力差和流经膨胀机27的质量流率的函数。
膨胀机27借助提供更加等熵(熵恒定)的膨胀过程从而提高了该***21的效率，这与使用现有技术的膨胀阀26或节流孔而提供的等焓(焓恒定)膨胀过程相反。这种更等熵的膨胀过程使得进入蒸发器28的制冷剂的焓下降，这样使得在蒸发器28中吸收更多的热量并且由此增加该***21的冷却能力。通过获取膨胀的能量并且使用这些能量来补偿正常***能量需求，该膨胀机27还提高了该***21的效率。
通过调节流经膨胀机27的流率，可控制在***21中的高压。增加流经膨胀机27的制冷剂流率可使得更多的质量流离开该***21的高压部分，这样减低了在***21的高压部分中的瞬时制冷剂质量并降低在***21中的高压。使得流经膨胀机27的流率下降可使得更少的质量流离开该***21的高压部分，这样增加了在***21的高压部分中的瞬时制冷剂质量并增加了在***21中的高压。
流经膨胀机27的制冷剂的流率是膨胀机27的速度、在***21的高压部分和低压部分之间的压力差、以及膨胀机27(如果该膨胀机27是容积式膨胀机27的话，例如活塞式、旋转式、涡旋式、螺杆式膨胀机)的排量的函数。通过调节上述的函数中的任何一个函数，从而可调节该***21的高压部分。例如，增加膨胀机27的速度可使得更多的制冷剂流流经膨胀机27，从而降低在该***21的高压部分中的瞬时制冷剂质量并降低该***21的高压部分中的压力。降低膨胀机27的速度可使得更少的制冷剂流流经膨胀机27，从而增加在该***的高压部分中的制冷剂质量并增加该***21的高压部分中的压力。膨胀机27的工作频率还可控制膨胀机27的流率。
在另一示例中，增加膨胀机27的排量可使得更多的制冷剂流流经膨胀机27，从而降低在该***21的高压部分中的瞬时制冷剂质量并降低该***21的高压部分中的压力。降低膨胀机27的排量可使得更少的制冷剂流流经膨胀机27，从而增加在该***21的高压部分中的瞬时制冷剂质量并增加该***21的高压部分中的压力。
在膨胀机27中膨胀之后，制冷剂流进入分离器罐30，其将制冷剂分离成蒸气和液体。制冷剂蒸气进入再压缩器32以便再次压缩该制冷剂蒸气。再压缩的制冷剂蒸气沿路径35注入到***21的任何一更高压力分量的位置。再压缩器32借助管路34与膨胀机27直接联接。在一个示例中，再压缩的流体流在气体冷却器24的入口处注入。
由膨胀过程回收的能量用于在再压缩器32中对膨胀流的蒸气相进行再压缩。由膨胀机27回收的能量还可用于降低该***21的能量需求，这提高了***21的效率。再压缩器32的功率要求是流经该再压缩器32的制冷剂的量、再压缩器32的排量、再压缩器32的入口和出口之间的压力差、以及再压缩器32的效率的函数。
通过控制提供给再压缩器32的制冷剂流的量，可控制流经膨胀机27的制冷剂的质量流率。流经再压缩器32的制冷剂流是在再压缩器32的入口处的制冷剂密度、再压缩器32的排量、和再压缩器32的速度的函数。通过调节这些函数中的任何一个函数，从而可调节流经再压缩器32的制冷剂流、对于膨胀机27的负荷、膨胀机27的速度、并且由此可调节流经膨胀机27的流率。
第一阀36具有节流孔并位于膨胀流与再压缩器32的入口之间，控制该第一阀可调节供应给再压缩器32的流量。第一阀36可由控制器38来控制并且通过增加或降低节流孔的直径来促动。控制器38监控气体冷却器24中的高压并且调控第一阀36的促动以便实现最佳的压力。控制器38可以是用于循环21的主控制器。一旦确定所需的压力，控制器38调控第一阀36以便调节高压。用于确定最佳压力的因素是本领域的技术人员所已知的。通过调节气体冷却器24中的高压，可改变蒸发器28的入口处的制冷剂的焓，从而控制该***20的性能和/或效率。
如果在气体冷却器24中的压力低于最佳压力，可增加该***21的效率。控制器38使得第一阀36中的节流孔打开或增大节流孔的尺寸，这增大了供应给再压缩器32的流量并增大了膨胀机27的负荷。流经膨胀机27的制冷剂的量下降，以便增加***21的超临界部分中的瞬时质量和超临界压力。
如果在气体冷却器24中的压力高于最佳压力，则过多的能量用于压缩制冷剂。控制器38使得第一阀36中的节流孔关闭或减小节流孔的尺寸，这降低了供应给再压缩器32的流量并降低了膨胀机27的负荷。流经膨胀机27的制冷剂的量增加，以便降低***21的超临界部分中的瞬时质量和超临界压力。
该***21还可包括位于膨胀流与蒸发器28之间的第二阀40，并且该***以经济循环方式工作。第二阀40控制在压缩机22的吸入口处的过热度并且改变流经蒸发器28的质量流率。通过关闭第二阀40，在分离器罐30中的蒸气流经过蒸气旁通管路42从而旁通绕过蒸发器28，流向压缩机22的吸入口。
如图3b所示，流经再压缩器32的制冷剂的量可借助使用并调节向再压缩器32提供动力的马达33来进行调节。马达33的速度由控制器38控制。控制器38监控气体冷却器24中的高压并且调控马达33的速度以便实现最佳压力。如果马达33用于调节流经膨胀机27的流率，则不必设置第一阀36。
如果控制器38检测到在气体冷却器24中的压力低于最佳压力，控制器降低马达33的速度，以便降低再压缩器32和膨胀机27的速度和流经它们的流率。当膨胀机27的流率下降时，在***21的超临界部分中的瞬时质量增加，从而增大了在***21中的超临界压力。如果控制器检测到在气体冷却器24中的压力高于最佳压力，控制器38增大马达33的速度，以便增加再压缩器32和膨胀机27的速度和流经它们的流率。当膨胀机27的流率增大时，在***21的超临界部分中的瞬时质量下降，从而降低了在***21中的超临界压力。
图4a是***19的第二示例的示意图。该***19包括与主压缩装置22并联的第二压缩装置39。流向第二压缩装置39的制冷剂沿路径37在吸入收集器29之前或之后从压缩机22的吸入口抽取。膨胀机27的流率以及该***19的超临界部分中的压力可通过调节流向第二压缩装置39的流动来进行调节。可通过操纵控制膨胀机27的速度的调节阀36来调节流向第二压缩装置39的流动。
或者，如图4b所示，第二压缩装置39的流动可通过控制马达33的速度来进行调节，如同***21的情况所述。如果该***19包括马达33，则不必设置调节阀36。***19还可包括容纳***19中的过大充注量的存储罐或收集器29。
在图5a中参照***18示意地示出了本发明的第三示例。在该示例中，从膨胀机27的排出口抽取的流体流与供应给膨胀机27的流体流在热交换器25内进行热交换，以便使得在该流体流中的液体被蒸发，同时提供对于离开气体冷却器24的流体流有利的冷却效果。该流体流随后供应给再压缩器32。膨胀机27的流率以及在***18的超临界部分内的压力可通过调节流向再压缩器32的流动来进行调节。流向再压缩器32的流动可通过操纵位于热交换器25之前或之后的调节阀36来进行调节。
或者，如图5b所示，流向再压缩器32的流动可通过控制马达33的速度来进行调节，如同***21的情况所述。如果该***18包括马达33，则不必设置调节阀36。***18还可包括容纳***18中的过大充注量的存储罐或收集器29。
尽管描述了并示出了本发明的多个示例，但是应当理解膨胀机27的流率可依据其它方法来改变。本领域的普通技术人员应当构思到如果调节流经膨胀机27的流率。
以上的描述仅是本发明原理的示例。虽然已示出并描述了本发明的基本特征，但是应该理解的是，在不脱离本发明精神或保护范围的前提下，本领域中普通技术人员可作出各种替代、修正、和改变。因此，所有这些修正或改变都包含在以下权利要求中所限定的本发明的保护范围内。

Claims (24)

1.一种过临界的蒸气压缩***，其包括：
将制冷剂压缩到高压的压缩装置；
用于冷却该制冷剂的散热的热交换器；
用于使得该制冷剂降低到低压并回收能量的膨胀机，该制冷剂以一膨胀机流率流经该膨胀机，并且该膨胀机流率的调控可调节该***中的所述高压；和
用于使得该制冷剂蒸发的吸热的热交换器。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，还包括与该膨胀机联接以便再压缩离开该膨胀机的所述制冷剂的一部分的再压缩装置，并且可调节流经该再压缩装置的该制冷剂的流率，以便控制流经该膨胀机的该制冷剂的流率。
3.如权利要求2所述的***，其特征在于，还包位于所述膨胀机与所述吸热的热交换器之间的相分离器，并且所述制冷剂的由该再压缩装置再压缩的所述部分离开该相分离器。
4.如权利要求3所述的***，其特征在于，所述制冷剂的由该再压缩装置再压缩的所述部分在该***的高压分量处注入。
5.如权利要求4所述的***，其特征在于，所述***的所述高压分量是所述散热的热交换器的入口。
6.如权利要求2所述的***，其特征在于，还包括位于该膨胀机与该再压缩装置之间的第一阀，并且该第一阀控制所述制冷剂的流向该再压缩装置的所述部分的流率。
7.如权利要求6所述的***，其特征在于，打开该第一阀可增大所述制冷剂的流向该再压缩装置的所述部分的所述流率，并降低流经该膨胀机的所述流率，并且增大所述高压。
8.如权利要求6所述的***，其特征在于，关闭该第一阀可降低所述制冷剂的流向该再压缩装置的所述部分的所述流率，并增加流经该膨胀机的所述流率，并且降低所述高压。
9.如权利要求7所述的***，其特征在于，还包括促动该第一阀的控制器。
10.如权利要求9所述的***，其特征在于，该控制器监控所述高压，并比较所述高压和所需的高压，并且基于所述高压与所述所需高压的比较来控制该第一阀。
11.如权利要求3所述的***，其特征在于，还包括位于该相分离器与所述吸热的热交换器之间的第二阀。
12.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述制冷剂的二氧化碳。
13.如权利要求1所述的***，其特征在于，该膨胀机的速度和该膨胀机的工作频率中之一可控制所述膨胀机流率。
14.如权利要求2所述的***，其特征在于，一马达可调节流经所述再压缩装置的所述流率。
15.如权利要求1所述的***，其特征在于，还包括与所述压缩装置并联的第二压缩装置，该压缩装置压缩所述制冷剂的来自所述吸热的热交换器的第一部分，所述第二压缩装置压缩所述制冷剂的来自所述吸热的热交换器的第二部分，所述第二压缩装置与该膨胀机联接以便压缩所述制冷剂的所述第二部分，并且可调节流经所述第二压缩装置的流率以便控制流经所述膨胀机的所述制冷剂的所述流率。
16.如权利要求15所述的***，其特征在于，还包括位于该吸热的热交换器与所述第二压缩装置之间的第一阀，并且该第一阀控制所述制冷剂的流向所述第二压缩装置的所述第二部分的所述流率。
17.如权利要求1所述的***，其特征在于，还包括与该膨胀机联接的再压缩装置，来自所述散热的热交换器的所述制冷剂与来自所述膨胀机的所述制冷剂在热交换器中进行热交换，所述再压缩装置对来自该热交换器的所述制冷剂进行再压缩，可调节流经所述再压缩装置的所述制冷剂的所述流率以便控制流经该膨胀机的所述制冷剂的所述流率。
18.如权利要求1所述的***，其特征在于，通过调节该膨胀机的速度和该膨胀机的工作频率中之一从而可调节所述膨胀机流率。
19.如权利要求1所述的***，其特征在于，通过调节所述膨胀机的排量从而可调节所述膨胀机流率。
20.如权利要求2所述的***，其特征在于，流经所述再压缩装置的所述制冷剂的所述流率可通过调节所述再压缩装置的速度来进行调节。
21.如权利要求2所述的***，其特征在于，流经所述再压缩装置的所述制冷剂的所述流率可通过调节所述再压缩装置的排量来进行调节。
22.如权利要求2所述的***，其特征在于，流经所述再压缩装置的所述制冷剂的所述流率可通过调节所述再压缩装置的吸入口密度来进行调节。
23.一种调节过临界的蒸气压缩***的高压的方法，其包括以下步骤：
将制冷剂压缩到高压；
冷却该制冷剂；
使得该制冷剂膨胀到低压；
使得该制冷剂蒸发；
控制所述膨胀步骤中的流率以便调节所述制冷剂的所述高压。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括对离开所述膨胀步骤的所述制冷剂的一部分再压缩的步骤，并且该膨胀步骤的流率与所述再压缩步骤中的所述流率相关。
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