[发明专利]具有串轴式压缩机、膨胀器和经济器的CO2制冷剂系统

说明书

技术领域

本申请涉及一种制冷剂系统，在该制冷剂系统中使用膨胀器，以通 过从膨胀过程收回能量和利用该能量为至少一个系统部件提供动力来 提供更有效率的膨胀过程。部分制冷剂从膨胀器内的一个位置处分流， 该部分制冷剂在该位置处已至少部分膨胀，随后利用分流的制冷剂过冷 经济器换热器内的主制冷剂流。按照这种方式，单个膨胀器可为制冷剂 系统提供主膨胀装置功能和经济器膨胀装置功能，并增强该主膨胀装置 功能和经济器膨胀装置功能。此外，制冷剂系统包括多个串轴式压缩机， 只有部分压缩机可以被经济化。最后，制冷剂系统可充注CO₂制冷剂， 该系统至少部分时间运行在跨临界循环中。

背景技术

制冷剂压缩机使制冷剂循环通过制冷剂系统以调节次级流体。典型 地，压缩机压缩制冷剂并将该制冷剂输送至第一换热器。来自第一换热 器的制冷剂通过膨胀装置，在该膨胀装置中制冷剂的压力和温度被降 低。在膨胀装置的下游，制冷剂流过第二换热器，然后回至压缩机。

制冷剂系统设计中的一种选择是使用经济器，或所谓的蒸气注入功 能。在经济器功能中，部分制冷剂在第一换热器下游从主制冷剂流分流。 该分流的制冷剂经过膨胀装置，被膨胀到中间压力和中间温度，然后该 部分膨胀的分流制冷剂进入经济器换热器，与主制冷剂流发生换热。通 过这种方式，主制冷剂被过冷，使得它在到达第二换热器时会具有更大 的热力学势能。典型地处于过热热力学状态中的分流制冷剂，返回至处 于经济器换热器下游的压缩机内的中间压缩点。

还已知的是提供并行操作的至少两个压缩机，即已知的“串轴式” 压缩机。串轴式压缩机配置允许通过选择性接合这些串轴式压缩机来控 制制冷剂系统所提供的总容量。此外，这些串轴式压缩机全部或只有部 分可以被经济化，经济器功能可以启用或停用，以使制冷剂系统输送的 容量精确匹配受调节空间内的热负荷需求。

在制冷剂系统中利用的另一特征是使用膨胀器以提供更有效率的 所谓主动膨胀过程(该过程可严格遵循等熵线，而不是诸如膨胀阀和固 定节流装置的所谓被动膨胀装置的等焓线)。膨胀器可具有各种设计， 如离心式、涡旋式、旋转式、螺杆式、轴连接活塞式、自由活塞式或任 何其他类型。

在制冷剂系统中使用的制冷剂如今各不相同，越来越多的设备充注 天然制冷剂。CO₂(也称为二氧化碳或R744)就是这样一种制冷剂，其 应用越来越广泛，如超市制冷，陈列柜，饮料冷却器，运输制冷，环境 控制单元等。特别是，CO₂制冷剂可大大受益于上述任何系统的增强方 案，尤其在跨临界应用中。然而，迄今尚无包括膨胀器、串轴式压缩机 和经济器循环结合在一起的制冷剂系统，这种系统提供操作选择和增强 特征的强大组合。

发明内容

在本发明公开的一种实施方式中，利用膨胀器提供更有效率的主动 膨胀过程以从该膨胀过程潜在地收回能量，并利用该能量为至少一个制 冷剂系统部件提供动力。通过更有效率的膨胀过程(减少不可逆损失) 并至少部分回收膨胀过程的能量，膨胀器提高了制冷剂系统的容量和效 率。此外，在膨胀器中(或经过膨胀器的第一级)已部分膨胀的部分制 冷剂被分流，该部分制冷剂流过经济器换热器，与主制冷剂流进行换热。 该分流的制冷剂在中间压力下被注回压缩机(单个压缩机或由多个压缩 机串联组成的多级压缩机系统)。全部或只有部分压缩机可以经济化。 退出经济器换热器的主制冷剂具有更高的热力学势能以提高制冷剂系 统的性能。此外，制冷剂系统包括至少两个串轴式压缩机，其与经济器 功能一起，允许有效率的系统卸载以及使输送的系统容量与受调节空间 中的热负荷需求精确匹配。直接或间接地通过能量转换装置，膨胀器可 以转移从膨胀过程回收的能量，以至少部分地为这些串轴式压缩机之一 提供动力。如公开的制冷剂系统可使用诸如CO₂的天然制冷剂。推荐的 制冷剂系统增强方案对于运行在跨临界循环中的CO₂制冷剂系统特别有 利。

经济器循环、膨胀器和串轴式压缩机的组合设置能够根据受调节空 间中的热负荷需求调整制冷剂系统提供的容量，并能够通过更有效率的 膨胀过程、经济器循环和能量回收来提高制冷剂系统的性能，特别是提 高运行在跨临界循环中的CO₂制冷剂系统的性能。