混合压缩机系统和方法
【专利摘要】一种设备(20)，其具有：离心式压缩机(24)，容积式压缩机(26)，第一换热器(32)，以及第二换热器(36)。多个阀(70，72，74)被定位，以便提供以至少两种模式的运行：在第一模式中，制冷剂在至少部分并联的容积式压缩机和离心式压缩机中被压缩。在第二模式中，制冷剂在容积式压缩机中被压缩，并且离心式压缩机离线。在第三模式中，制冷剂在至少部分串联的容积式压缩机和离心式压缩机中被压缩。
【专利说明】混合压缩机系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年5月31日提交的名称为“Hybrid Compressor System andMethods”的美国专利申请N0.61/491，515的权益,该专利申请的公开内容通过引用被全部并入本文，就像在本文中详细阐述的那样。
【背景技术】
[0003]本公开涉及制冷。更具体地，本公开涉及冷冻器系统。
[0004]大型水冷冷冻器(例如，300?1500吨容量(1055?5275W))通常因为成本的原因而使用单一离心式压缩机。然而，这种压缩机易遭受喘振(surge)(特别是在部分载荷时)。
[0005]解决该问题的一种方法是提供并联的多个离心式压缩机。这允许单独的压缩机离线，以便使压缩机容量更好地匹配需要的载荷。
【发明内容】
[0006]本发明的一个方面涉及一种设备，所述设备包括:离心式压缩机、容积式压缩机、第一换热器和第二换热器。多个阀被定位，以便提供至少两种模式的运行。在第一模式中，制冷剂在至少部分并联的容积式压缩机和离心式压缩机中被压缩。在第二模式中，制冷剂在容积式压缩机中被压缩，并且离心式压缩机处于离线。在第三模式中，制冷剂在至少部分串联的容积式压缩机和离心式压缩机中被压缩。
[0007]在各种实施方式中，容积式压缩机可以是螺旋式压缩机。
[0008]本发明的其它方面涉及以这样的至少两种模式来运行。
[0009]一个或多个实施例的细节在附图和以下说明中被阐述。其它特征、目的和优点从说明书和附图以及从权利要求书中将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是冷冻器系统的示意图。
[0011]图2是图1的系统中的冷凝器的纵向竖直示意图。
[0012]图3是图1的系统中的冷却器的纵向竖直示意图。
[0013]图4是进入冷凝器的水的温度相对于百分比的容量的图表。
[0014]图5是用于图1的系统的控制流程图。
[0015]在各个附图中，同样的附图标记和指示表示同样的元件。
【具体实施方式】
[0016]除了遭受喘振问题，离心式压缩机在提供高压头时通常比容积式压缩机更低效。这使得离心式压缩机在用于热回收运行时被作为较差的备选。如以下论述的，混合系统的特征在于具有离心式压缩机和容积式压缩机。示例性容积式压缩机是通过可变频驱动器提供动力的两转子或三转子螺旋压缩机。替代的容积式压缩机包括往复式压缩机和涡旋式压缩机。
[0017]图1示出了蒸汽压缩系统20，其具有压缩机子系统22。压缩机子系统22包括第一压缩机24 (离心式)和第二压缩机26 (容积式)。在示例性实施方式中，两个压缩机都具有容量控制特征，其可以是任何已知的类型(例如，用于离心式压缩机的可变入口导片和用于螺旋压缩机(所述螺旋压缩机用作容积式压缩机)的滑阀，以及用于两种压缩机的变速驱动器)。
[0018]在第一运行模式中，压缩机子系统沿着制冷剂流动路径30往下游方向500驱动制冷剂。流动路径30顺序地通过第一换热器32、膨胀装置34和第二换热器36。在第一模式中，第一换热器32是排热换热器，并且第二换热器36是吸热换热器。
[0019]示例性系统20是冷冻器系统，其中第一换热器32是液冷的冷凝器或气体冷却器，并且第二换热器36是冷却器。示例性膨胀装置34是电子膨胀阀(EV)，其可以通过冷冻器的控制器40 (例如，计算机或微控制器)来控制。替代的膨胀装置34是在冷凝器32内的浮子阀(或浮阀)。示例性第一换热器沿着制冷剂流动路径30具有至少一个入口 50和至少一个出口 52。类似地，第二换热器36沿着制冷剂流动路径具有至少一个入口 54和至少一个出口 56。压缩机24具有入口端口 60和出口端口 62。类似地，第二压缩机26具有入口端口 64和出口端口 66。
[0020]如以下论述的，压缩机子系统包括被联接到这些压缩机的一个或多个阀，以便允许这些压缩机在两种或更多的压缩模式之间的切换。示例性系统包含三个阀70、72和74。
[0021]在第一运行模式中，这些压缩机至少部分并联地运行。在一个示例性示出的完全并联的情况中，这些压缩机各自的吸入端口和排出端口处于实质上相同的状况下。为了提供这种并联运行，示例性流动路径具有两个并联的支路80和82，支路80和82在第二换热器的出口 56下游的接合点84处岔开，并且在位于第一换热器的入口 50处或其上游的位置86处重新合并。在部分并联的情况中，分离和/或再接合可以在不同的位置。
[0022]旁通支路或线路90在支路80和82之间延伸。示例性旁通支路90在一个压缩机的上游到另一个的下游之间延伸。在示例性实施方式中，该支路从第一压缩机下游的位置92延伸到第二压缩机上游的位置94。为了控制支路80和82中的流动，示例性的阀70和74分别沿着这些支路。在示例性实施方式中，阀70是在旁通线路90的第一端92的下游，并且阀74是在端94的上游。
[0023]在示例性的至少部分并联的运行中，阀72关闭，而阀74和70打开。在第二模式中，只有第二压缩机26运行。阀70和72都关闭，而阀74打开。第三模式是串联模式，其中这些压缩机串联地运行。在示例性串联模式中，阀70和74关闭，而阀72打开。制冷剂在进入第一换热器的入口 50之前，从第二换热器的出口 56没有分流地通过第一压缩机、阀72和第二压缩机。第四可能的模式包括仅仅使第一压缩机24运行。在这种模式中，阀72和74关闭，而阀70打开。
[0024]图1示出了冷凝器32和冷却器36的其它示例性细节。示例性冷凝器32包括上部冷凝器管束120和下部再冷却器管束122。图1还示出了在冷凝器内的液态制冷剂积累124。管束120和122被连接到一个或多个传热流体源，以便从制冷剂移除热量。再冷却器管束122被包含在腔126内。一个或多个入口孔128沿着腔126的底部。浮子阀130提供给出口 52。压力传感器132可以位于冷凝器的靠近入口 50的顶部空间中。
[0025]在示例性实施方式中，传热流体(例如水)沿水回路138 (图2)传送，通过入口140接收，并且从出口 142排出。相应的温度传感器144和146测量水的入口温度T1C_和出口温度T2roND。示例性流量计147沿着水回路138测量水的流量FMrom。
[0026]冷却器36也包括下部管束160和上部管束162。图1还示出了在该冷却器中的制冷剂积累164。在示例性实施方式中，传热流体(例如水)沿水回路168 (图3)传送，通过入口 170接收，并且从出口 172排出。相应的温度传感器174和176测量水的入口温度Ticool和出口温度T2a)tt。示例性流量计177沿着水回路168测量水的流量FMam。图1还示出了在冷却器的下部大致通过入口 54来进行供给的分配器180。压力传感器182被示出为处在靠近出口 56的顶部空间中。
[0027]图4不出了进入冷凝器的水的温度Ticxmd相对于容量的图表。线200表不美国制冷学会(ARI)的载荷线(或负载线)。在美国，冷冻器要服从ARI标准550。该标准识别四个参考条件，这四个参考条件通过冷冻器额定载荷(以冷却吨数表示)的百分比和相关联的冷凝器水的入口 /进入温度来表征。进行的运行要实现冷冻水的出口 /离开温度为44F(6.67C) o 四个条件是:100 %，85F(29.44C) ;75 %，75F(23.89C)，50 %，65F(18.33C)；和25%，65F(也是18.33C)。这些条件(或者沿着连接它们的曲线的相似条件)可以提供用于测量效率的相关条件。在API试验中，通过冷却器的水的流量是2.4加仑每分钟每冷却吨(gpm / ton) (0.043升每秒每千瓦(I / s / kW),并且冷凝器的水的流量是3gpm /ton (0.0541 / s / kW)。
[0028]利用典型的换热器，通过冷凝器的水的温度上升是大致8F(4.4C)乘百分比载荷，或者100%载荷时8F，75%载荷时6F(3.3C)，50 %载荷时4F(2.2C)和25%载荷时2F(1.1C)。冷却器饱和温度比离开的冷冻水的温度低1F(0.6C)或2F(1.1C)(例如，ARI试验中的43F)。类似地，冷凝器饱和温度比进入冷凝器的水的温度和水温上升之和高IF或者2F。对于85F的进入冷凝器的水的温度而言，温升是8F，因此离开冷凝器的水的温度是93F，并且冷凝器饱和温度是93+2=95F。
[0029]线202表示85F(29.44C)的恒温。在热带气候地区，环境温度从白天到夜晚几乎无改变。在这种地区，冷凝器的水的温度保持恒定。工业标准是认为进入冷凝器的水的温度在25%和100%载荷之间恒定于85F。表I示出了关于ARI状况和对应的热带状况的温差。摄氏温度从所列的华氏温度值转换而来，因此没有增加和提供虚假的精度。在括号中的其它国际单位制(SI)类似地表示了从原始的美国或英国值而来的转换结果。
[0030]表I
[0031]
【权利要求】
1.一种设备(20)包括: 离心式压缩机(24)； 容积式压缩机(26)； 第一换热器(32)； 第二换热器(36);和 多个阀(70，72，74)，所述多个阀(70，72，74)被定位成提供下述中的至少两种: 以第一模式运行，其中: 制冷剂在至少部分并联的所述容积式压缩机和所述离心式压缩机中被压缩； 以第二模式运行，其中: 制冷剂在所述容积式压缩机中被压缩，并且所述离心式压缩机离线；和 以第三模式运行，其中: 制冷剂在至少部分串联的所述容积式压缩机和所述离心式压缩机中被压缩。
2.如权利要求1所述的设备，其中:所述容积式压缩机是螺旋压缩机。
3.如权利要求1所述 的设备，其中: 所述离心式压缩机具有额定最大容量；和 所述容积式压缩机具有所述离心式压缩机的额定最大容量的100~150%的额定最大容量。
4.如权利要求1所述的设备，其中:所述多个阀被定位成提供全部三种所述模式。
5.如权利要求1所述的设备，其中:所述多个阀被定位成至少提供所述第一模式和所述第二模式。
6.如权利要求1所述的设备是冷冻器，其中: 所述第一换热器是冷凝器单元的一部分； 所述第二换热器是冷却器的一部分；和 膨胀装置(34)被定位在所述冷凝器和所述冷却器之间。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述多个阀包括: 第一阀(70)，所述第一阀(70)在所述离心式压缩机和所述第一换热器之间； 第二阀(72)，所述第二阀(72)沿着从所述离心式压缩机和所述第一阀之间的位置(92)延伸到所述第二阀和所述螺旋压缩机之间的位置(94)的旁路(90);和 第三阀(74)，所述第三阀(74)在所述第二换热器和所述容积式压缩机之间。
8.如权利要求1所述的设备，进一步包括: 控制器(40)，所述控制器(40)被编程以便自动地在至少两种模式之间切换。
9.如权利要求8所述的设备，其中: 所述控制器被编程以便自动地在所述第一模式和所述第二模式之间切换。
10.如权利要求9所述的设备，其中: 所述控制器被编程，以便响应于载荷的减少从所述第一模式切换到所述第二模式，以及响应于载荷的增加从所述第二模式切换到所述第一模式。
11.如权利要求10所述的设备，其中: 所述控制器被编程以便响应于计算用于温差的高需求而切换到所述第三模式。
12.—种设备,包括:离心式压缩机(24)； 容积式压缩机(26)； 第一换热器(32)； 第二换热器(36);和 装置(70，72，74)，所述装置(70，72，74)用于提供下述中的至少两种: 以第一模式运行，其中: 制冷剂在至少部分并联的所述容积式压缩机和所述离心式压缩机中被压缩； 以第二模式运行，其中: 制冷剂在所述容积式压缩机中被压缩，并且所述离心式压缩机离线；和 以第三模式运行，其中: 制冷剂在至少部分串联的所述容积式压缩机和所述离心式压缩机中被压缩。
13.一种用于运行蒸汽压缩系统(20)的方法，所述蒸汽压缩系统(20)具有离心式压缩机(24)和容积式压缩机(26)，所述方法包括下述中的至少两种: 以第一模式运行，其中: 制冷剂在至少部分并联的所述容积式压缩机和所述离心式压缩机中被压缩； 以第二模式运行，其中: 制冷剂在所述容积式压缩机中被压缩，并且所述离心式压缩机离线；和以第三模式运行，其中: 制冷剂在至少部分串联的所述容积式压缩机和所述离心式压缩机中被压缩。
14.如权利要求13所述的方法，其中: 从最低载荷状况到中间载荷状况，所述系统以所述第二模式运行；和 在高于所述中间载荷状况的载荷下，所述系统以所述第一模式运行。
15.如权利要求14所述的方法，其中: 在所述第一模式中，载荷的变化主要通过所述容积式压缩机来适应。
16.如权利要求13所述的方法，其中: 所述运行基于所需容量和所需温差的组合，并且其中，包括下述内容的一些到全部: 在的所需温差的情况中，所述系统以所述第三模式运行(306);和 在低的所需温差的情况中，包括下述内容中的一些到全部: 在低容量情形: 所述系统以所述第一模式操作(320);和 在高压头情形，所述系统以所述第三模式操作(322)； 在中间容量情形: 在低压头情形，所述系统以所述第三模式操作(330)，其中所述容积式压缩机的容量基本上恒定并且所述离心式压缩机处于可变容量；和 在高压头情形，所述系统以所述第一模式操作(322)，其中所述离心式压缩机处于基本上恒定的容量并且所述容积式压缩机处于可变容量；和 在高容量情形，所述系统以所述第一模式操作(340)，其中两个压缩机都提供可变容量。
【文档编号】F25B41/04GK103748425SQ201280026803
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年5月15日 优先权日:2011年5月31日
【发明者】V·M·西什特拉 申请人:开利公司