專利名稱：在節(jié)約型跨臨界蒸氣壓縮循環(huán)中的高壓調(diào)節(jié)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明總的涉及一種用于對跨臨界(transcritical)蒸氣壓縮系統(tǒng)的高壓部分進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。
由于可能破壞臭氧層，含氯的制冷劑已經(jīng)在世界上的大多數(shù)地方被逐步淘汰。已經(jīng)有人采用氟代烴(HFC)作為替代的制冷劑，但是此類制冷劑仍具有使全球變暖的可能性。已有人建議采用“天然”制冷劑，例如二氧化碳和丙烷來作為替代的流體。不幸的是，采用這些流體同樣有很多問題。二氧化碳具有較低的臨界點，致使采用二氧化碳作為致冷劑的大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)在多數(shù)情況下會跨臨界地運行。
當(dāng)一個蒸氣壓縮系統(tǒng)跨臨界運行時，對系統(tǒng)的高壓部分進(jìn)行調(diào)節(jié)是較為有利的。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高壓部分，就可以使系統(tǒng)的生產(chǎn)能力和效率得以控制和最優(yōu)化。提高系統(tǒng)的高壓(氣體冷卻器的壓力)可降低進(jìn)入蒸發(fā)器的比焓并提高生產(chǎn)能力。然而，由于壓縮機(jī)必須作更多的功，因而需耗費更多的能量。如能找到系統(tǒng)的最佳高壓是較為有利的，這個最佳高壓隨著工況的變化而變化。通過對系統(tǒng)的高壓部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以選擇最佳的高壓。
因此，本技術(shù)領(lǐng)域需要一種能對跨臨界蒸氣壓縮系統(tǒng)的高壓部分進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于對跨臨界蒸氣壓縮系統(tǒng)的高壓部分進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。
一種蒸氣壓縮系統(tǒng)，由一壓縮機(jī)、一氣體冷卻器、一膨脹裝置以及一蒸發(fā)器組成。有時采用節(jié)約器循環(huán)(Economizer cycle)來提高系統(tǒng)的效率和/或生產(chǎn)能力。節(jié)約器循環(huán)可以這樣進(jìn)行，即，使離開排熱換熱器的制冷劑膨脹到中等壓力，并將制冷劑流分成兩股流體。將其中一股流體傳送至吸熱熱交換器，而將另一股流體傳送至兩個壓縮級之間以使流體冷卻。在一種節(jié)約器循環(huán)的形式中，采用一閃蒸箱來進(jìn)行分離。本發(fā)明可通過控制閃蒸箱內(nèi)的負(fù)荷量來調(diào)節(jié)蒸氣壓縮系統(tǒng)的高壓部分(氣體冷卻器中的壓力)。在本發(fā)明的一個較佳實施例中，采用二氧化碳作為制冷劑。
在一閃蒸箱內(nèi)，當(dāng)從氣體冷卻器排出的制冷劑流過一第一膨脹裝置時，其壓力降低。制冷劑以一部分液體和一部分蒸氣的形式收集的閃蒸箱內(nèi)。當(dāng)制冷劑從第一壓縮裝置排出時，可利用制冷劑蒸氣使其冷卻，而制冷劑液體則在進(jìn)入蒸發(fā)器之前通過一第二膨脹裝置進(jìn)一步地膨脹。
位于進(jìn)出閃蒸箱的通路中的膨脹閥可用于使制冷劑膨脹而從高壓變成低壓。本發(fā)明可控制膨脹閥的動作，從而對進(jìn)出閃蒸箱的負(fù)荷流量加以控制，調(diào)節(jié)儲存在閃蒸箱內(nèi)的負(fù)荷量。通過調(diào)節(jié)閃蒸箱內(nèi)的負(fù)荷量，就可以控制氣體冷卻器中的負(fù)荷量以及系統(tǒng)的高壓。
通過對各閥的動作加以控制，就可以選擇最佳的系統(tǒng)壓力。如果氣體冷卻器中的壓力過低，則可以調(diào)節(jié)各膨脹閥，將負(fù)荷從閃蒸箱釋放進(jìn)入系統(tǒng)，從而提高氣體冷卻器的壓力，進(jìn)而提高系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。如果氣體冷卻器的壓力過高，就可以對各膨脹閥加以調(diào)節(jié)以在閃蒸箱內(nèi)儲存負(fù)荷，從而降低氣體冷卻器的壓力，進(jìn)而減少壓縮機(jī)所耗費的能量。
因此，本發(fā)明提供了一種用于對跨臨界蒸氣壓縮系統(tǒng)中的高壓部分進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的這些和其它的特征可通過以下的描述和附圖而更好地理解。
附圖簡要說明熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員可以通過以下對較佳實施例的詳細(xì)描述而更清楚地理解本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點。以下對所述詳細(xì)描述的附圖作簡要說明

圖1是已有技術(shù)的蒸氣壓縮系統(tǒng)的示意圖；圖2是一跨臨界蒸氣壓縮系統(tǒng)的熱力學(xué)示意圖。
圖3是已有技術(shù)的一種利用一個閃蒸箱的雙級蒸氣壓縮系統(tǒng)的示意圖。
圖4是一雙級節(jié)約型循環(huán)和一跨臨界蒸氣壓縮循環(huán)的非節(jié)約型循環(huán)的熱力學(xué)示意圖。
圖5是一雙級蒸氣壓縮系統(tǒng)的一個閃蒸箱的示意圖，其中采用了若干個膨脹閥26來控制系統(tǒng)的高壓。
圖6是一蒸氣壓縮系統(tǒng)的雙級閃蒸箱的示意圖，其中采用若干個附加閥來控制系統(tǒng)的高壓。
對較佳實施例的詳細(xì)描述雖然本發(fā)明易受如各附圖所示的、將在下文詳細(xì)描述的各種不同形式實施例的影響，但應(yīng)該理解，這些揭示內(nèi)容僅僅是本發(fā)明原理的舉例，申請人并不想將本發(fā)明限制為結(jié)合附圖所作的描述。
圖1示出了一種已有技術(shù)的蒸氣壓縮系統(tǒng)10。一個基本的蒸氣壓縮系統(tǒng)10由一壓縮機(jī)12、一排熱(heat rejecting)換熱器(一跨臨界循環(huán)的氣體冷卻器)14、一膨脹裝置16、一吸熱(heat accepting)換熱器(一蒸發(fā)器)18組成。
制冷劑通過封閉回路循環(huán)系統(tǒng)10循環(huán)流動。在本發(fā)明的一個較佳實施例中，采用二氧化碳作為制冷劑。雖然描述的是二氧化碳，但也可以采用其它制冷劑。由于二氧化碳具有較低的臨界點，所以采用二氧化碳作為制冷劑的系統(tǒng)通常需要蒸氣壓縮系統(tǒng)10跨臨界地運行。
當(dāng)系統(tǒng)10跨臨界運行時，對蒸氣壓縮系統(tǒng)10的高壓部分進(jìn)行調(diào)節(jié)是較為有利的。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)10的高壓，就能使系統(tǒng)10的生產(chǎn)能力和/或效率得到控制和最優(yōu)化。提高氣體冷卻器14的壓力可降低進(jìn)入蒸發(fā)器18的焓并提高生產(chǎn)能力，但由于壓縮機(jī)16需作更多的功，因而需耗費更大的能量。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)10的高壓，就可以選擇系統(tǒng)10的最佳壓力，這個最佳壓力隨工況的變化而變化。
在圖1所示的已有技術(shù)的蒸氣壓縮系統(tǒng)10的循環(huán)過程中，如圖2中的點A所示，制冷劑從壓縮機(jī)12排出時處于高壓和高焓。隨著制冷劑在高壓下流過氣體冷卻器14，它會丟失熱和焓，如點B所示，在從氣體冷卻器14排出時具有低焓和高壓。隨著制冷劑流過膨脹裝置16，壓力降低到點C。在膨脹之后，在膨脹之后，制冷劑流過蒸發(fā)器18，然后如點D所示，以高焓低壓狀態(tài)排出。在制冷劑通過壓縮機(jī)12之后，它再次處于高壓和高焓狀態(tài)，從而完成整個循環(huán)。
圖3示出了一個在一雙級節(jié)約型循環(huán)中采用一閃蒸箱20的蒸氣壓縮系統(tǒng)10。從氣體冷卻器14排出的制冷劑經(jīng)過一第一膨脹裝置16a之后壓力降低。制冷劑以一部分液體24和一部分蒸氣22的形式收集在閃蒸箱20內(nèi)。閃蒸箱20的結(jié)構(gòu)是已知的，并不形成本發(fā)明的一部分。但是，閃蒸箱是以本申請獨有的創(chuàng)造性方式來加以控制的。蒸氣22從閃蒸箱20的頂部吸出，并用于冷卻從第一壓縮裝置12a排出的制冷劑。液態(tài)制冷劑24被收集在閃蒸箱20的底部，在進(jìn)入蒸發(fā)器18之前，由一第二膨脹裝置16b重新膨脹。在制冷劑通過蒸發(fā)器18之后，被第一壓縮裝置12a壓縮，其排出物由來自于閃蒸箱20的冷的制冷劑蒸氣22加以冷卻。隨后，在進(jìn)入氣體冷卻器14之前，制冷劑由一第二壓縮裝置12b再次壓縮。借助閃蒸箱20，可以減小系統(tǒng)的比焓，從而增加系統(tǒng)10的生產(chǎn)能力。然而，閃蒸箱20對氣體冷卻器14的高壓沒有作用，因而需要對系統(tǒng)10的高壓作更進(jìn)一步的控制。
利用多級壓縮可以提高節(jié)約型系統(tǒng)10的效率，這種系統(tǒng)的高、低壓差值很大。眾所周知，一管路23將蒸氣22連通至壓縮級12b的吸入部分。這樣就提供了冷卻作用，并已知為“節(jié)約型運轉(zhuǎn)”。圖4示出了節(jié)約型循環(huán)和非節(jié)約型循環(huán)的熱力學(xué)示意圖。節(jié)約型循環(huán)允許更多的質(zhì)量流經(jīng)過氣體冷卻器14，降低進(jìn)入蒸發(fā)器18的制冷劑的比焓，致使循環(huán)具有較高的制冷生產(chǎn)能力(能力)。
圖5示出了一閃蒸箱20和膨脹閥26、28，用以調(diào)節(jié)跨臨界循環(huán)中的高壓。第一膨脹閥26可調(diào)節(jié)進(jìn)入閃蒸箱20的負(fù)荷流量，而第二膨脹閥28可調(diào)節(jié)流出閃蒸箱20的負(fù)荷流量。
眾所周知，負(fù)荷流過第一膨脹閥26和第二膨脹閥28的流速是系統(tǒng)10的壓力和膨脹閥26、28中的閥孔直徑的函數(shù)?？梢酝ㄟ^增大或減小閥孔的尺寸來驅(qū)動膨脹閥26、28。通過打開膨脹閥26、28或增大其閥孔的尺寸，就可以提高通過膨脹閥26、28的流速。相反，通過閉合膨脹閥26、28或減小其閥孔的尺寸，就可以降低通過膨脹閥26、28的流速。通過對流經(jīng)膨脹閥26、28的流速加以控制，就可以調(diào)節(jié)閃蒸箱20和氣體冷卻器14中的負(fù)荷量，從而控制氣體冷卻器14中的壓力。
一控制器29可檢測冷卻器14中的壓力，并對膨脹閥26和28加以控制?？刂破?9可以是循環(huán)系統(tǒng)10的主控制器?？刂破?9被編程為能估算循環(huán)系統(tǒng)10的狀態(tài)并確定冷卻器14中的一個期望的壓力。一旦確定了期望的壓力，就要對膨脹閥26和28進(jìn)行控制以調(diào)節(jié)壓力?？梢杂脕泶_定最佳壓力的各種因素都落在本領(lǐng)域熟練人員所掌握的范圍內(nèi)。
如果氣體冷卻器14中的壓力在最佳壓力之上，那么就要用很多能量來壓縮制冷劑。控制器29驅(qū)動第二膨脹閥28閉合，減少從閃蒸箱20流出的負(fù)荷的體積流量，從而提高閃蒸箱20中的負(fù)荷量，降低氣體冷卻器14中的負(fù)荷量和壓力。相反，如果氣體冷卻器14中的壓力低于最佳壓力，那么就可以提高系統(tǒng)10的效率。控制器29可關(guān)閉第一膨脹閥26，以減少流入閃蒸箱20的負(fù)荷的體積流量，從而提高氣體冷卻器14中的負(fù)荷量和壓力。
氣體冷卻器14中的壓力由控制器29來監(jiān)控。隨著氣體冷卻器14中的壓力發(fā)生變化，控制器29可調(diào)節(jié)膨脹閥26、28的動作，以便實現(xiàn)最佳壓力。
通過對第一膨脹閥26和第二膨脹閥28作有選擇的控制，就能改變儲存在閃蒸箱20中的負(fù)荷量，從而改變系統(tǒng)10中的高壓部分，實現(xiàn)最佳的生產(chǎn)能力和/或效率。通過在膨脹之前對氣體冷卻器14中的高壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以改變蒸發(fā)器入口處的制冷劑焓值，從而控制系統(tǒng)10的生產(chǎn)能力和/或效率。
雖然體現(xiàn)本發(fā)明的控制器29的最簡單的方式是閉合閥26以減小閃蒸箱20中的容積和閉合閥28以增大容積，但也可以將閥26打開以提高流量以及將閥28打開以降低流量。
如圖6所示，也可以采用一第三閥30和一第四閥32來改變閃蒸箱20中的負(fù)荷水平，并使系統(tǒng)10的效率和/或生產(chǎn)能力最優(yōu)化。第四閥32可控制從閃蒸箱20至壓縮裝置12的流量。通過閉合第四閥32，就可以將節(jié)約器關(guān)掉，從而阻止從閃蒸箱20排出的制冷劑蒸氣22進(jìn)入壓縮機(jī)12。將第四閥32閉合就能使制冷劑蒸氣20保留在閃蒸箱20內(nèi)。第三閥30是作為一個釋放和打開裝置，它能允許從閃蒸箱20流出的負(fù)荷進(jìn)入蒸發(fā)器18。通過打開第三閥30，就能允許來自于閃蒸箱20的制冷劑蒸氣22進(jìn)入蒸發(fā)器18，在那里生成和逸出蒸氣22。或者，可以將第四閥32打開以開啟節(jié)約器。通過對閥30和32進(jìn)行控制，就可以將節(jié)約器開啟或關(guān)閉，從而使系統(tǒng)10的效率最優(yōu)化。閥30、32的動作也是由控制器29來控制的，該控制器同時可監(jiān)控氣體冷卻器14中的壓力。
因此，本發(fā)明提供了一種利用膨脹閥26、28來控制跨臨界蒸氣壓縮系統(tǒng)10中的高壓的閃蒸箱20。
前面的描述僅僅是對本發(fā)明原理的舉例。按照上述教導(dǎo)，本發(fā)明可以有很多變型和改動。雖然已經(jīng)揭示了本發(fā)明的較佳實施例，但熟悉本領(lǐng)域的人員可以認(rèn)識到落入本發(fā)明范圍的各種特定變型。因此，應(yīng)該理解，在所附限定的范圍內(nèi)，除了以上特別描述的以外，本發(fā)明還可以有其它的實施方式。為此，應(yīng)該對所附權(quán)利要求書加以研究以確定本發(fā)明的真實范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于對在跨臨界蒸氣壓縮系統(tǒng)中循環(huán)的制冷劑的高壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置，包括一位于一第一膨脹閥和一第二膨脹閥之間的閃蒸箱，所述閃蒸箱可儲存一定量的負(fù)荷；所述第一膨脹閥可調(diào)節(jié)進(jìn)入所述閃蒸箱的所述負(fù)荷的流量，并調(diào)節(jié)所述閃蒸箱內(nèi)的負(fù)荷量，所述第一膨脹閥由一可監(jiān)控所述高壓的控制器來驅(qū)動動作；以及所述第二膨脹閥可調(diào)節(jié)排出所述閃蒸箱的所述負(fù)荷的流量，并調(diào)節(jié)所述閃蒸箱內(nèi)的負(fù)荷量，所述第二膨脹閥由一可監(jiān)控所述高壓的控制器來驅(qū)動動作。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，通過驅(qū)動所述第一膨脹閥和所述第二膨脹閥動作，藉以控制所述閃蒸箱內(nèi)的所述負(fù)荷量，就可以調(diào)節(jié)所述高壓。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，可對所述第一和第二膨脹閥進(jìn)行控制，以減小所述閃蒸箱內(nèi)的所述負(fù)荷，并提高所述制冷劑的所述高壓。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，可對所述第一和第二膨脹閥進(jìn)行控制，以增大所述閃蒸箱內(nèi)的所述負(fù)荷，并降低所述制冷劑的所述高壓。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括一第三閥，該第三閥是定位成可以調(diào)節(jié)從所述閃蒸箱至一吸熱換熱器的所述負(fù)荷的流量，以及一第四閥，該第四閥是定位成可以調(diào)節(jié)從所述閃蒸箱至一壓縮裝置的所述負(fù)荷的流量，所述第三閥和所述第四閥由一可監(jiān)控所述高壓的控制器來驅(qū)動動作。
6.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的裝置，其特征在于，所述制冷劑是二氧化碳。
7.一種跨臨界蒸氣壓縮系統(tǒng)，包括一個雙壓縮裝置，該裝置具有一第一壓縮裝置和一第二壓縮裝置以及一介于所述第一壓縮裝置和所述第二壓縮裝置之間的內(nèi)壓縮級，所述雙級壓縮裝置可將一制冷劑壓縮至高壓；一用于使所述制冷劑冷卻的排熱換熱器；一個雙膨脹裝置，該裝置具有一第一膨脹閥和一第二膨脹閥，所述雙膨脹裝置可將所述制冷劑降低至低壓；一用于使所述制冷劑蒸發(fā)的吸熱換熱器；以及一用于調(diào)節(jié)所述系統(tǒng)的所述高壓的閃蒸箱，該閃蒸箱位于所述第一膨脹閥和所述第二膨脹閥之間，并具有一通向所述內(nèi)壓縮級的通路，所述第一膨脹閥可調(diào)節(jié)進(jìn)入所述閃蒸箱的所述負(fù)荷的流量，所述第二膨脹閥可調(diào)節(jié)流出所述閃蒸箱的所述負(fù)荷的流量，所述第一膨脹閥和所述第二膨脹閥可以通過調(diào)節(jié)所述閃蒸箱內(nèi)的所述負(fù)荷量而調(diào)整所述高壓。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，通過驅(qū)動所述第一膨脹閥和所述第二膨脹閥動作，藉以控制所述閃蒸箱內(nèi)的所述負(fù)荷量，就可以調(diào)節(jié)所述高壓。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述負(fù)荷被儲存在所述閃蒸箱內(nèi)而使所述制冷劑的高壓降低，以及從所述閃蒸箱內(nèi)釋放而使所述制冷劑的高壓升高。
10.如權(quán)利要求7、8或9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷劑是二氧化碳。
全文摘要
一種采用閥的、供蒸氣壓縮系統(tǒng)的跨臨界循環(huán)之用的閃蒸箱,用以提高系統(tǒng)的效率和/或生產(chǎn)能力。最好采用二氧化碳作為制冷劑。通過使位于閃蒸箱入口和出口處的膨脹裝置上的各閥動作,就可以控制閃蒸箱內(nèi)的負(fù)荷量,從而能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高壓(氣體冷卻器內(nèi)的壓力)。如果氣體冷卻器內(nèi)的壓力過高或過低,就可以對閥進(jìn)行調(diào)節(jié),以便在閃蒸箱內(nèi)儲存負(fù)荷或從中釋放負(fù)荷。通過調(diào)節(jié)閃蒸箱內(nèi)的負(fù)荷量,就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高壓,從而實現(xiàn)最佳的效率和/或生產(chǎn)能力。
文檔編號F25B1/00GK1356519SQ0113940
公開日2002年7月3日 申請日期2001年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月15日
發(fā)明者T·H·謝內(nèi)爾 申請人:開利公司