[发明专利]具有膨胀器的系统的制冷剂注入

说明书

技术领域

本申请涉及一种制冷剂系统，该制冷剂系统利用膨胀器提供更有 效的膨胀过程，并从这膨胀过程回收至少部分能量，至少部分被膨胀 的制冷剂被注回压缩过程，以降低排气温度。

背景技术

制冷剂系统利用通常在闭环制冷剂循环中循环的制冷剂，调节要 被送到气候受控环境的次级流体，如空气、水或乙二醇溶液。通常， 在基本的制冷剂系统中，压缩机压缩制冷剂，并将该制冷剂输送至第 一换热器，该第一换热器对于亚临界应用是冷凝器，对于跨临界应用 则是气体冷却器。在第一换热器中，热量从制冷剂排出并由另一次级 流体吸收，如环境空气。来自第一换热器的制冷剂经过膨胀过程，在 膨胀过程期间该制冷剂的压力和温度都降低。在膨胀装置的下游，制 冷剂经过第二换热器，或所谓的蒸发器，然后回到压缩机。在第二换 热器中，制冷剂被蒸发，且通常被过热，同时冷却要输送至气候受控 环境的次级流体。

膨胀装置可为所谓的被动或主动类型。被动膨胀装置通常以节流 孔或阀为代表。通过这些装置的制冷剂膨胀遵循低效等焓热力学过程。 在制冷剂系统中已知的一种选择是使用主动膨胀装置或膨胀器，主动 膨胀装置遵循热力学上更有效的等熵过程，主动膨胀装置可为涡轮、 活塞膨胀器(自由活塞型或连接活塞型)，涡旋膨胀器、螺杆膨胀器 或将制冷剂从高压膨胀至低压的任何其他类型膨胀器。该膨胀器通常 从该膨胀过程回收至少部分能量，该至少部分能量被用于至少部分地 驱动其他部件，如制冷剂系统的多个部件之一，例如压缩机、风扇或 泵。通过回收这部分能量和利用在热力学上更有效的等熵膨胀过程， 这些膨胀器提高了制冷剂系统的性能(效率和容量)。

在多种制冷剂系统设计中所使用的另一特征是将部分制冷剂注回 压缩过程。注入压缩过程的制冷剂通常为气态和液态的两相混合物。 该气液混合物冷却压缩机元件以及主压缩制冷剂流。在这较冷的两相 混合物经历蒸发和与较热的主制冷剂蒸汽混合时，主制冷剂流得到冷 却。

制冷剂注入冷却特征对高压制冷剂系统更加重要，特别是对于运 行在跨临界循环中的制冷剂系统，如CO₂制冷剂系统。相比以前使用的 常规制冷剂，这些制冷剂在更高压力和更高压力比下运行，由此促成 更高的排气温度。此外，在大多数情况下，跨临界循环比常规的亚临 界循环效率低，其需要更高的排气压力或增强性能的其它手段，例如， 吸液式换热器，这两者都提高了制冷剂的排气温度。具体来说，CO₂制 冷剂具有较高多变指数值(相比其他的常规制冷剂)，该较高多变指 数值也不受欢迎地影响排气温度。另一方面，在跨临界循环中，压力 和温度实质上相互独立，所以排气温度的降低可带来性能优化、操作 界限扩展和可靠性改善的额外好处。

这种注入制冷剂的使用在本领域中是已知的，本领域技术人员会 获知何时希望注入制冷剂以及期望注入制冷剂的多少。例如，制冷剂 可注入压缩过程以维持压缩机的排气温度，从而控制排气或吸气过热， 等等。

不过，从未有人提出过这样一种制冷剂系统，尤其与可在跨临界 循环中运行的CO₂应用相关的制冷剂系统，该系统使用结合了制冷剂注 入冷却的膨胀器。

发明内容

在本发明公开的实施方式中，制冷剂系统结合了膨胀器，该膨胀 器被用于有效地将制冷剂从高压膨胀至低压，并从该膨胀过程回收至 少部分能量以协助驱动该制冷剂系统的多个部件之一。在一种公开的 实施方式中，该膨胀器协助驱动与该制冷剂系统相关的至少一个压缩 机。与此同时，在该膨胀器中至少部分已经膨胀的制冷剂部分被注入 压缩过程，以降低在压缩机中压缩的主制冷剂流的排气温度。在现有 技术中，注入制冷剂转移自膨胀装置上游的位置，因此该转移的制冷 剂并未膨胀(甚至是通过膨胀器部分膨胀)，所以相比本发明，现有 技术制冷剂系统中可从膨胀过程回收的膨胀很少。

在一种公开的实施方式中，从膨胀器中的膨胀过程的中间点取来 的制冷剂部分，被返回至通向单级或多级压缩机的吸气管路。在另一 种实施方式中，从膨胀器中的膨胀过程的中间点分流部分制冷剂，并 将该部分制冷剂返回至压缩过程的中间点，该中间点可位于多级压缩 级之一内或多级压缩级之间。

在另外一种实施方式中，从膨胀器下游取部分制冷剂并将其注入 压缩机吸气。在所有情况下，蒸发器被这部分注入制冷剂绕过。