带增强器回路的COSUB2/SUB制冷剂系统.pdf

一种使用CO2作为制冷剂的制冷剂系统，包括主闭环制冷剂回路和增强器闭环制冷剂回路。为循环通过主回路的制冷剂提供额外冷却并因此提高制冷剂系统性能的吸热热交换器也作为通过相互热传输而联接这两个回路的共用组件。描述了可组合其他性能增强特征的增强器回路的各种示意图和配置。也公开了节能器功能、“吸液式”热交换器、中间冷却和液体注入的额外好处。增强器回路也可包含CO2制冷剂。

1.  一种制冷剂系统，包括：
主闭环制冷剂回路，所述主闭环制冷剂回路包括用于压缩制冷剂并将其向下游输送至排热热交换器的压缩机，制冷剂从所述排热热交换器流经膨胀装置，随后经过蒸发器并回到所述压缩机；以及
增强器闭环制冷剂回路，所述增强器回路包括压缩机、用于排走来自所述增强器回路的热量的第一热交换器、膨胀装置以及吸热热交换器，所述增强器回路中的制冷剂在所述吸热热交换器中冷却所述主回路中的制冷剂，所述主回路充有CO₂制冷剂。

2.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述吸热热交换器和所述主回路中的所述排热热交换器包括单个热交换器装置。

3.  根据权利要求2所述的制冷剂系统，其中，所述吸热热交换器为壳管式热交换器并且被并入所述排热热交换器的出口集管。

4.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述增强器回路和所述主回路被填充不同的制冷剂。

5.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述增强器回路也被填充CO₂制冷剂。

6.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，用于所述增强器回路的所述第一热交换器和所述排热热交换器对齐，使得能用单个空气移动装置来移动空气经过两个热交换器。

7.  根据权利要求6所述的制冷剂系统，其中，用于所述增强器回路的所述第一热交换器以及所述排热热交换器包括单个热交换器装置。

8.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述主回路压缩机和所述增强器回路压缩机为分立压缩机装置。

9.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，使用单个驱动以驱动所述主回路压缩机和所述增强器回路压缩机。

10.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述主回路压缩机和所述增强器回路压缩机包括单个压缩机装置。

11.  根据权利要求10所述的制冷剂系统，其中，所述主回路压缩机和所述增强器回路压缩机为同一往复式压缩机的不同汽缸组。

12.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述增强器回路的所述第一热交换器用于加热目的。

13.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述主回路中所述蒸发器下游的制冷剂也在回到所述压缩机之前穿过所述吸热热交换器。

14.  根据权利要求13所述的制冷剂系统，其中，所述吸热热交换器为三流制冷剂-制冷剂热交换器。

15.  根据权利要求14所述的制冷剂系统，其中，所有三个制冷剂流均平行布置。

16.  根据权利要求14所述的制冷剂系统，其中，所述主回路的两个制冷剂流相互串联布置并平行于所述增强器回路的制冷剂流。

17.  根据权利要求14所述的制冷剂系统，其中，所述吸热热交换器包括相对于所述主回路中制冷剂流串联布置的两个热交换器装置。

18.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述主回路具有节能器功能。

19.  根据权利要求18所述的制冷剂系统，其中，所述增强器回路的所述吸热热交换器也用作所述节能器功能的节能器热交换器。

20.  根据权利要求19所述的制冷剂系统，其中，所述吸热热交换器为三流制冷剂-制冷剂热交换器。

21.  根据权利要求20所述的制冷剂系统，其中，所有三个制冷剂流均平行布置。

22.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述主回路中的所述压缩机具有至少两个串联压缩级，所述吸热热交换器下游的至少一部分制冷剂被选择性地分流通过辅助膨胀装置并回到所述两个压缩级之间的点来为退出第一压缩级并进入第二压缩级的制冷剂提供额外冷却。

23.  根据权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述主回路具有中间冷却器热交换器；以及
所述增强器回路的所述吸热热交换器也可用作中间冷却器热交换器。

24.  根据权利要求23所述的制冷剂系统，其中，所述吸热热交换器为三流制冷剂-制冷剂热交换器。

25.  根据权利要求24所述的制冷剂系统，其中，所有三个制冷剂流均平行布置。

26.  根据权利要求24所述的制冷剂系统，其中，所述主回路的两个制冷剂流互相串联布置并平行于所述增强器回路的制冷剂流。

27.  根据权利要求23所述的制冷剂系统，其中，所述吸热热交换器包括相对于所述主回路中的制冷剂流串联布置的两热交换器装置。

28.  一种操作制冷剂系统的方法，包括步骤：
1)提供主闭环制冷剂回路，所述主闭环制冷剂回路包括用于压缩制冷剂并将其向下游送至排热热交换器的压缩机，制冷剂从所述排热热交换器流过膨胀装置并随后流过蒸发器并回到所述压缩机；以及
2)提供增强器闭环制冷剂回路，所述增强器回路包括压缩机、用于排走来自所述增强器回路的热量的第一热交换器、膨胀装置和吸热热交换器，所述增强器回路中的制冷剂在所述吸热热交换器中冷却所述主回路中的制冷剂，所述主回路充有CO₂制冷剂。

29.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述吸热热交换器和用于所述主回路的所述排热热交换器包括单个热交换器装置。

30.  根据权利要求29所述的方法，其中，所述吸热热交换器为壳管式热交换器并且被并入所述排热热交换器的出口集管。

31.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述增强器回路和所述主回路被填充不同的制冷剂。

32.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述增强器回路也填充有CO₂制冷剂。

33.  根据权利要求28所述的方法，其中，用于所述增强器回路的所述第一热交换器和所述排热热交换器对齐，使得使用单个空气移动装置来移动空气经过两个热交换器。

34.  根据权利要求33所述的方法，其中，用于所述增强器回路的所述第一热交换器和所述排热热交换器包括单个热交换器装置。

35.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述主回路压缩机和所述增强器回路压缩机为分立压缩机装置。

36.  根据权利要求28所述的方法，其中，使用单个驱动来驱动所述主回路压缩机和所述增强器回路压缩机。

37.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述主回路压缩机和所述增强器回路压缩机包括单个压缩机装置。

38.  根据权利要求37所述的方法，其中，所述主回路压缩机和所述增强器回路压缩机为同一往复式压缩机的不同汽缸组。

39.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述增强器回路的所述第一热交换器被用于加热目的。

40.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述主回路中所述蒸发器下游的制冷剂也在回到所述压缩机之前穿过所述吸热热交换器。

41.  根据权利要求40所述的方法，其中，所述吸热热交换器为三流制冷剂-制冷剂热交换器。

42.  根据权利要求41所述的方法，其中，所有三个制冷剂流平行布置。

43.  根据权利要求41所述的方法，其中，所述主回路的两个制冷剂流被相互串联布置并平行于所述增强器回路的制冷剂流。

44.  根据权利要求41所述的方法，其中，所述吸热热交换器包括相对于所述主回路中的制冷剂流串联布置的两个热交换器。

45.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述主回路具有节能器功能。

46.  根据权利要求45所述的方法，其中，所述增强器回路的所述吸热热交换器也被用作所述节能器功能的节能器热交换器。

47.  根据权利要求46所述的方法，其中，所述吸热热交换器为三流制冷剂-制冷剂热交换器。

48.  根据权利要求47所述的方法，其中，所有三个制冷剂流均平行布置。

49.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述主回路中的所述压缩机具有至少两个串联的压缩级，且所述吸热热交换器下游的至少一部分制冷剂被选择性地分流通过辅助膨胀装置并回到所述两个压缩级之间的点以便为退出第一压缩级并进入第二压缩级的制冷剂提供额外冷却。

50.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述主回路具有中间冷却器热交换器；以及
所述增强器回路的所述吸热热交换器也被用作中间冷却器热交换器。

51.  根据权利要求50所述的方法，其中，所述吸热热交换器为三流制冷剂-制冷剂热交换器。

52.  根据权利要求51所述的方法，其中，所有三个制冷剂流均平行布置。

53.  根据权利要求51所述的方法，其中，所述主回路的两个制冷剂流被布置为相互串联并平行于所述增强器回路的制冷剂流。

54.  根据权利要求51所述的方法，其中，所述吸热热交换器包括相对于所述主回路中的制冷剂流串联布置的两个热交换器装置。

带增强器回路的CO₂制冷剂系统
技术领域
本发明涉及使用CO₂制冷剂并具有增强器回路以增强操作性能的制冷剂系统。
背景技术
制冷剂系统为HVAC&R(加热、通风、空调以及制冷)领域所公知，其操作以压缩并循环制冷剂使其通过连接多个组件的闭环制冷剂回路以调节将被输送至气候受控空间的二次流体。在基本制冷剂系统中，制冷剂在压缩机中被从低压压缩至高压并被输送至下游排热热交换器，排热热交换器在跨临界应用中为所谓的气体冷却器，或在亚临界应用中为所谓的冷凝器。高压制冷剂从典型地将热从制冷剂转移至周围环境的排热热交换器流向膨胀装置，在此被膨胀至更低压力和温度并随后被发送至蒸发器，制冷剂在蒸发器中冷却要被输送至受调节环境的二次流体。制冷剂从蒸发器回到压缩机。一个常见的制冷剂系统的例子是空调系统，空调系统操作以调节(冷却并经常除湿)要被输送进入气候受控区域或空间的空气。
过去，例如为R22、R123、R407C、R134a、R410A和R404A的传统HFC和HCFC制冷剂已被用在空调或制冷应用中。但是，最近人们对全球变暖的关注以及在某些情况下臭氧的消耗，推动了例如为R744(CO₂)、R718(水)和R717(氨)的天然制冷剂的使用。特别地，CO₂是这些具有应用前景的天然制冷剂中的一种，这些天然制冷剂具有零臭氧消耗的潜在性和极低的全球变暖潜在性。因此，CO₂越来越广泛地被用作传统HFC制冷剂的替代制冷剂。但是，对使用CO₂的制冷剂系统设计者而言存在挑战。由于其低临界点，CO₂经常工作在跨临界循环(在两相顶端或临界点之上排热)，跨临界循环具有与排热过程相关的一定的固有低效。因此，使用CO₂作为制冷剂的制冷剂系统不总是工作在传统制冷剂系统的效率水平上。因此，需要提供增强CO₂系统性能的设计特征使其可与工作和环境条件范围很广的传统制冷剂系统相比。
发明内容
提供一种分立闭环增强器回路，其与使用CO2作为制冷剂的主制冷剂回路相结合。除了在主CO₂系统的排热热交换器中提供的冷却之外，增强器回路对高压制冷剂提供额外的冷却。增强器回路也可使用CO₂作为制冷剂。
各种特征中，增强器系统可冷却主液体管线中的制冷剂、主排热热交换器中的制冷剂或相对于制冷剂流位于主排热热交换器下游的分立热交换器中的制冷剂。此外，增强器回路的排热热交换器可与主回路的排热热交换器结合成单个结构，使得可使用单个空气管理(风扇)系统来移动空气经过两个热交换器。两个排热热交换器均可被优选设置成相对于空气流提供更有效的逆流构造。
增强器回路的压缩机可与例如为多活塞压缩机系统的一些汽缸组的主回路压缩系统相结合，或可包括分立压缩机装置。
此外，可提供增强器回路以增强或辅助制冷剂系统的其他特征，例如节能器功能、“吸液式”热交换器、中间冷却和液体注入。
本发明的这些或其他特征可通过以下描述和附图得到最好的理解，以下为附图的简要描述。
附图说明
图1显示本发明的第一示意图。
图2显示本发明的第二示意图。
图3显示本发明的第三示意图。
图4显示本发明的第四示意图。
图5显示本发明的第五示意图。
图6显示本发明的第六示意图。
图7显示由本发明获得的系统性能改进。
具体实施方式
制冷剂系统20被图示在图1中，包括主闭环制冷剂回路21和增强器闭环制冷剂回路32。主回路压缩机22压缩制冷剂并将其向下游输送至主回路排热热交换器24，主回路排热热交换器24在跨临界应用中为所谓的气体冷却器，或在亚临界应用中为所谓的冷凝器。分立热交换器26相对于制冷剂流设置在排热热交换器24的下游，以为主回路制冷剂提供额外的冷却。主回路膨胀装置28位于热交换器26的下游，主回路蒸发器30位于膨胀装置28的下游。已知，蒸发器30与例如为风扇的空气移动装置一起工作以调节(冷却并经常除湿)要被送入室内环境的气候受控区域或空间的空气。
分立闭环增强器回路32与热交换器26相关联。增强器回路压缩机34压缩制冷剂并将其输送至增强器回路排热热交换器36、增强器回路膨胀装置38并随后穿过吸热热交换器26。主回路21使用CO₂作为制冷剂操作。CO₂制冷剂在提供足够冷却性能水平上存在挑战，特别是与现有技术传统制冷剂所提供的冷却性能水平相比。如上面注明的，由于CO₂制冷剂临界点低，其经常工作在跨临界循环，与传统亚临界蒸气压缩循环相比跨临界循环具有一些固有低效。热交换器26的实施为进入膨胀装置28之前的主回路制冷剂提供额外的冷却，增大了蒸发器30中的后续容量，同时提高了整个制冷剂系统20的潜在热力学效率。因此，吸热热交换器26的应用允许CO₂制冷剂系统增强当前制冷剂系统特别是空调系统的性能需求(容量和热力学效率)。
此外，与主回路21的压缩机22相比，增强器回路32的压缩机34工作的压力比(以及压力差)很低，并应该具有更好的性能特性(等熵和体积效率)。此外，增强器回路压缩机34将得益于其工作域内的等熵线的较陡斜率，从而转化为更低的压缩机功耗。上述这些现象均改进制冷剂系统20的整体性能特性(容量和热力学效率)。增强器回路32工作也可使用CO₂作为制冷剂。
热交换器26中的制冷剂流优选以逆流配置布置，以便于改进热交换器效率。还有，热交换器26可被并入排热热交换器24的设计中。例如，管壳式热交换器26可被配置作为热交换器24的出口集管。可选地，热交换器26也可为分立热交换器装置，例如铜焊板式热交换器。此外，尽管增强器回路排热热交换器36在图1中显示作为分立装置，但是排热热交换器36可与主回路排热热交换器24相组合。该情况下，可提供单个空气管理(风扇)系统以移动空气经过相对于空气流优选以逆流配置布置的热交换器24和36。
已知可使用其他二次传热流体来替代空气。例如，用液泵替代空气移动风扇，则可使用水或盐水。所有这些系统配置均在本发明的范围内且可以等价地受益于本发明。
如同2所示，另一个实施例44提供使制冷剂循环通过主回路41的串轴压缩机级46和48，主回路41包括排热热交换器50、热交换器52、膨胀装置28以及蒸发器30。分立压缩机级54压缩增强器回路42中的制冷剂并使其循环通过排热热交换器56、热交换器52、膨胀装置43并回到压缩机54。如图所示，可设计风扇系统57以移动空气经过排热热交换器50和56两者。如此，无需为每个热交换器配置分立空气移动装置。尽管排热热交换器50和56相对于空气流显示为串联设置，但是它们也可为并联配置。
主回路41的串轴压缩机46和48以及增强器回路42的压缩机54均可从同一能量源接收功率或者可由同一机构来驱动。例如，多活塞往复式压缩机配置可提供共同的偏心驱动。换言之，尽管压缩机46、48和54通常工作在不同压力，但是可由同一往复式压缩机的分立压缩机组来代表。图2实施例在所有其他方面均提供与图1所示实施例相同的益处。
图3显示实施例60，其中主回路61的压缩机62将制冷剂顺序输送至排热热交换器64、热交换器66、膨胀装置68和蒸发器70。如图3所示，主回路61中的制冷剂在回到压缩机62之前从蒸发器70回流通过热交换器66。如此，热交换器66执行与“吸液式”热交换器功能类似的功能(因为在跨临界工作中，主回路61的排热热交换器64的出口处可能没有任何液体)。由于进入膨胀装置68的主回路制冷剂获得额外冷却，该功能被增强器回路75所辅助和增强。冷却容量的增加通常将显著增高，然后由于进入主回路61的压缩机62的制冷剂蒸气密度降低而引起冷却容量随后的降低。如前所述，增强器回路75包括使制冷剂循环通过排热热交换器76和热交换器66的压缩机74。在该实施例中，排热热交换器76中的增强器回路制冷剂被流经管道80的分立二次流体冷却。例如，流经管道80的二次流体(可例如为水)可用作其他需求的热源。增强器回路75中的制冷剂继续流经膨胀装置77、热交换器66并回到压缩机74。因此，增强器回路75增强了“吸液式”热交换器功能，提高制冷剂系统60的性能特性。该实施例在其他方面与图1类似。
实施例90如图4所示。在实施例90中，两个串联的压缩级92和94与主回路91相关联。尽管这两个压缩级92和94被描述为分立压缩机装置，但是它们也可作为同一压缩机外壳内的两个压缩级。排热热交换器96位于第二级94的下游。分流管线100从主制冷剂回路91中液体管线106分流一部分制冷剂并将分流部分的制冷剂传送通过辅助膨胀装置102，分流部分的制冷剂在此被膨胀至更低压力和温度。随后，被分流的制冷剂在节能器热交换器98中以与主制冷剂流构成热交换的关系通过，以为主制冷剂提供额外冷却，如已知的那样。同样已知的，尽管制冷剂流在管线100和106中穿过节能器热交换器98显示为相同的方向，但实际上它们优选地被布置为逆流配置以增强热交换器98的效率。已知，代替使用传统的节能器热交换器，可以使用闪蒸罐装置以提供类似功能。分流管线100中的制冷剂通过蒸气注入管线104回流至在压缩机92和94之间的中间压力点。增强器回路108用于增强节能器的功能并在节能器热交换器98中为主回路91中的制冷剂提供额外制冷。因此，主回路制冷剂将在蒸发器107中具有更大的冷却热势能，而蒸气注入管线中的制冷剂会具有更低温度，从而增强了压缩过程。主回路91中的制冷剂继续经过膨胀装置28和蒸发器107并回到第一压缩级92。如前所述，在增强器回路115中，压缩机110压缩制冷剂并将其输送至排热热交换器112。随后，制冷剂流过膨胀装置116并流过节能器热交换器98并回到压缩机110。同样地，这种布置的目的将为主回路91中的CO₂制冷剂提供额外冷却并降低蒸气注入管线104中的制冷剂蒸气的温度。由于上述两种现象，增强器回路115使得节能器功能增强，继而提高制冷剂系统90的性能。需要指出的是，尽管图4仅显示一个节能器回路和两个压缩级，但是可将任意数量的节能器回路、压缩级以及相关增强器回路并入单个制冷剂系统设计中。还已知，节能器回路的布置有许多变型，所有这些变型均可从本发明受益。
图5显示另一实施例120。同样，在主制冷剂回路121中，存在可以是也可以不是分立压缩机装置的两个串联的压缩级122和124，排热热交换器126，吸热热交换器128以及蒸发器136。在膨胀装置28上游的点130，一部分制冷剂被选择性地分流通过辅助膨胀装置132，并进入介于压缩级122和124之间的液体注入点134。通过计量从点130到点134的主制冷剂回路121中的部分膨胀的冷制冷剂流量，可控制到达第二压缩级124的制冷剂的总体温度。如上所述，增强器回路138在热交换器128中为循环通过主回路121的制冷剂提供额外冷却。增强器回路138包括压缩机140、排热热交换器142和膨胀装置144。因此，到达分流点130的主回路制冷剂具有更低温度，不仅允许增强蒸发器136的性能，而且还为注入压缩级122和124之间的制冷剂提供更大的冷却势能。结果，改进了压缩过程，提供排气温度控制并扩展了制冷剂系统120的工作范围。需要指出的是，可在制冷剂系统120的设计中并入多于两个的压缩级以及多于单个的液体注入点。
图6再显示另一个实施例220。同样，在主制冷剂回路221中有两个串联的压缩级222和224，如前所述，它们可以是也可以不是分立压缩机装置。相对于制冷剂流，排热热交换器226位于第二压缩级的下游，而吸热热交换器228位于排热热交换器226的下游。膨胀装置28和随后的蒸发器236也相对于制冷剂流而串联地位于吸热热交换器228的下游。中间冷却器位于压缩级222和224之间，并为吸热热交换器228的整体部分。中间冷却器为在第一压缩级222中被压缩而送至第二压缩级224的制冷剂蒸气提供冷却。结果，改进了压缩过程，且第二压缩级224出口处的排气温度不超过规定限度。此外，在跨临界应用中，在该应用中温度与压力相互独立，可通过排气温度的降低而最大化系统总体性能。因此，如上所述，包括通过制冷剂管线串联连接的压缩机240、排热热交换器242、膨胀装置244和吸热热交换器228的增强器回路238，不仅通过为退出排热热交换器226的制冷剂提供额外冷却而提升了制冷剂系统220的性能，而且也通过提供中间冷却器的功能而增强了操作。如前所述，需要指出的是可在制冷剂系统220的设计中并入多于两个的压缩级以及多于单个的中间冷却器。
在图7所示的压-焓(P-h)曲线图中，由于增强器回路所提供的额外冷却而获得的额外容量被描述为Δh。已知，虽然节能器、液体注入和中间冷却器循环通常与图7所示的基本循环稍稍不同，但通过增强器回路所获得的性能优点是相似的。
需要理解的是，尽管图3-6的实施例中吸热热交换器228的设计均为并联布置的三个制冷剂流，但是在一些实施例中主回路的两个制冷剂流可被配置为相互串联以提供与增强器回路互相作用的串联热传导，特别是以逆流的方式。此外，在后者的布置中，热交换器228可表示为两个分立热交换器装置。
总之，本发明公开了可用来为主制冷剂回路中的CO₂制冷剂提供额外冷却的增强器回路的各种示意图和技术。也公开了增强制冷剂系统的其他特征的额外优点，例如节能器功能、“吸液式”热交换器、中间冷却和液体注入。
需要指出的是，本发明中可使用许多不同的压缩机种类。例如，可使用涡旋式、螺杆式、旋转式或者往复式压缩机。
使用本发明的制冷剂系统可用于多种不同应用，包括但不限于空调系统、热泵系统、海运集装箱装置、制冷卡车-拖车装置以及超市制冷系统。
最后，如果需要，增强器回路自身可具有各种性能增强特征。尽管公开了一些实施例，但本领域技术人员会认识到一些修改属于本发明的范围。为此，需要研究下述权利要求以确定本发明的真实范围和内容。