在跨临界制冷系统的临界点之上的制冷剂注入
专利汇可以提供在跨临界制冷系统的临界点之上的制冷剂注入专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且制冷系统在跨临界状况下运行。一个 经济器回路 被结合到该制冷系统，并包括有用于在 临界点 上制冷剂注入的经济器注入管路。在一个揭示的 实施例 中，使用的制冷剂为CO 2 。，下面是在跨临界制冷系统的临界点之上的制冷剂注入专利的具体信息内容。
1.一种制冷系统包括：
压缩机，用于压缩制冷剂并将其向下游输送到排热热交换器，来自 所述排热热交换器的制冷剂通过主膨胀装置，然后在返回到所述压缩机 之前到达热接收热交换器；
注入管路，将分流于下游排热热交换器的部分制冷剂在注入点注入 回到压缩机；以及
所述压缩机压缩制冷剂通过跨临界循环，其中注入可以在临界点之 上发生至少一部分时间。
2.如权利要求1所述的制冷系统，其中一个经济器回路被结合于 排热热交换器和主膨胀装置之间，所述经济器回路包括至少一个经济器 和一个经济器膨胀装置，接收来自排热热交换器的主制冷剂流并将其通 过主膨胀装置输送给下游，分流一部分所述主膨胀装置下游的制冷剂流 进入到注入管路并将分流的制冷剂流在注入点注入到所述压缩机中。
3.如权利要求2所述的制冷系统，其中所述经济器回路是具有一 对经济器的一对经济器回路，具有上游经济器和下游经济器，及一对进 入压缩进程中的关联制冷剂注入点，具有上游制冷剂注入点和下游制冷 剂注入点。
4.如权利要求3所述的制冷系统，其中所述压缩机包括两极压缩 机。
5.如权利要求3所述的制冷系统，其中所述两个经济器回路中的 一个在临界点之上的点输送分流的制冷剂回到压缩机，两个经济器回路 中的另一个在临界点之下的点输送制冷剂回到压缩机。
6.如权利要求5所述的制冷系统，其中输送制冷剂到临界点之下 的点的经济器回路，输送制冷剂到两个压缩机级中间的点。
7.如权利要求5所述的制冷系统，其中在临界点之下的点输送制 冷剂回到压缩机的经济器回路是下游经济器回路，而在临界点之上的点 输送制冷剂回到压缩机的经济器回路是上游经济器回路。
8.如权利要求2所述的制冷系统，其中所述经济器是热交换器型 经济器。
9.如权利要求8所述的制冷系统，其中所述分流的部分制冷剂流 是在经济器上游和排热热交换器下游的位置被分流。
10.如权利要求8所述的制冷系统，其中所述分流的部分制冷剂流 是在经济器下游和主膨胀装置上游的位置被分流。
11.如权利要求2所述的制冷系统，其中所述经济器是闪蒸罐型经 济器。
12.如权利要求2所述的制冷系统，其中制冷剂的第二部分分流到 排热热交换器下游，膨胀并注回压缩机，不通过所述经济器。
13.如权利要求12所述的制冷系统，其中所述两个分流的制冷剂 流在同一注入点注入到压缩进程中。
14.如权利要求12所述的制冷系统，其中所述两个分流的制冷剂 流在不同注入点注入到压缩进程中。
15.如权利要求14所述的制冷系统，其中不通过经济器的分流的 制冷剂流的注入点是在通过经济器的制冷剂的注入点上游。
16.如权利要求14所述的制冷系统，其中不通过经济器的分流的 制冷剂流的注入点是在通过经济器的制冷剂的注入点下游。
17.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述压缩机是两级压缩机。
18.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述压缩机是一对分离压 缩机。
19.如权利要求1所述的制冷系统，其中制冷系统利用的制冷剂是 CO2。
20.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述分流的部分制冷剂被 膨胀并在所述注入点被直接注回压缩机，不通过经济器。
21.一种运行制冷系统的方法，包括以下步骤：
(1)在压缩机中压缩制冷剂并将其向下游输送到排热热交换器， 来自所述排热热交换器的制冷剂通过主膨胀装置，然后在返回到所述压 缩机之前到达热接收热交换器，注入管路将分流于下游排热热交换器的 一部分制冷剂在注入点注入回到压缩机；以及
(2)所述压缩机压缩制冷剂通过跨临界循环，其中注入可以在临 界点之上发生至少一部分时间。
22.如权利要求21所述的方法，其中一个经济器回路被结合于排 热热交换器和主膨胀装置之间，所述经济器回路包括至少一个经济器和 一个经济器膨胀装置，接收来自排热热交换器的主制冷剂流并将其通过 主膨胀装置输送给下游，分流一部分所述主膨胀装置下游的制冷剂流进 入到注入管路，并将分流的制冷剂流在注入点注入到所述压缩机中。
23.如权利要求22所述的方法，其中经济器回路是具有一对经济 器的一对经济器回路，具有上游经济器和下游经济器，及一对进入压缩 进程中的关联制冷剂注入点，具有上游制冷剂注入点和下游制冷剂注入 点。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述压缩机包括两极压缩机。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述两个经济器回路中的一 个在临界点之上的点输送分流的制冷剂回到压缩机，两个经济器回路中 的另一个在临界点之下的点输送制冷剂回到压缩机。
26.如权利要求25所述的方法，其中输送制冷剂到临界点之下的 点的经济器回路，输送制冷剂到所述两个压缩机级中间的点。
27.如权利要求25所述的方法，其中在临界点之下的点输送制冷 剂回到压缩机的经济器回路是下游经济器回路，而在临界点之上的点输 送制冷剂回到压缩机的经济器回路是上游经济器回路。
28.如权利要求22所述的方法，其中所述经济器是热交换器型经 济器。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述分流的部分制冷剂流是 在经济器上游和排热热交换器下游的位置被分流。
30.如权利要求28所述的方法，其中所述分流的部分制冷剂流是 在经济器下游和主膨胀装置上游的位置被分流。
31.如权利要求22所述的方法，其中所述经济器是闪蒸罐型经济 器。
32.如权利要求22所述的方法，其中制冷剂的第二部分被分流到 排热热交换器下游，膨胀并注回压缩机，不通过经济器。
33.如权利要求22所述的方法，其中两个分流的制冷剂流在同一 注入点注入到压缩进程中。
34.如权利要求22所述的方法，其中两个分流的制冷剂流在不同 注入点注入到压缩进程中。
35.如权利要求34所述的方法，其中不通过经济器的分流的制冷 剂流的注入点是在通过经济器的制冷剂的注入点上游。
36.如权利要求34所述的方法，其中不通过经济器的分流的制冷 剂流的注入点是在通过经济器的制冷剂的注入点下游。
37.如权利要求22所述的方法，其中所述压缩机是两级压缩机。
38.如权利要求22所述的方法，其中所述压缩机是一对分离压缩 机。
39.如权利要求22所述的方法，其中制冷系统利用的制冷剂是CO2。
40.如权利要求22所述的方法，其中所述分流的部分制冷剂被膨 胀并在所述注入点被直接注回压缩机，不通过经济器。
技术领域
本申请涉及一种具有经济器回路的制冷系统，其中制冷剂注入到压 缩机是在跨临界运行的临界点之上发生。
背景技术
制冷系统设计中的一个选项为使用经济器循环，或是所谓的制冷剂 注入功能。在经济器循环中，制冷剂的一部分从第一热交换器下游的主 制冷剂流中分出。分出的制冷剂通过膨胀装置膨胀为中间压力和温度， 然后这些被部分膨胀的分出的制冷剂以与经济器热交换器中的主制冷 剂流呈热交换关系的方式通过。在这种方式中，主制冷剂被进一步冷却 使得其在到达第二热交换器时，具有更大的热力学上的冷却潜力，加强 了制冷系统的性能。代表性的处于过热热力学状态的分支制冷剂，在经 济器热交换器下游的压缩机中返回到中间压缩点。
在利用二氧化碳(CO2)作为制冷剂的制冷系统中使用经济器循环 特别有利，因为跨临界运行会有性能和效率增加的增益。采用两级(或 多级)经济器循环会更为有益，虽然每级的性能增益通常较小。
二氧化碳是一种现今常用于蒸汽压缩系统中在跨临界区域运行至 少部分时间的环保型自然制冷剂。由于二氧化碳的临界点低，大多数蒸 汽压缩系统利用二氧化碳作为制冷剂在至少某些环境条件下在跨临界 区域(或在高压侧上超出临界点)内运行。次临界流体的压力仅在饱和 状态下(当液体和气体均存在时)本质上是温度的函数，或者换句话 说，一者直接关联另一者。然而，当流体的温度高于临界温度时(超临 界)，饱和状态已不复存在，压力和温度成为独立的界定流体热力学状 态的热力学变量。因此，对于任意热量降低的温度条件组合，在很多高 侧压力条件下运行制冷系统都是有可能的。
在现有技术，经济器制冷剂的注入发生在压缩循环早期的中间压缩 点，并低于临界点。对于制冷系统在跨临界运行的经济器回路，这可能 是无法实现的。当在第一热交换器出口分出的部分膨胀的制冷剂被注入 到压缩进程以降低排放温度时，类似的情况可能会在发生。冷却的制冷 剂可能会在超临界条件下被注入。
发明内容
在本发明揭示的实施例中，制冷系统在跨临界状况下运行，至少一 部分时间。经济器循环被结合到制冷系统。来自于经济器循环的制冷剂 在设计或选择的点被重复注入到压缩机中，使得重复注入可以在临界点 之上发生。在这种方式下，经济器功能的好处可以在高于临界压力的高 排放压力下运行的跨临界制冷系统中实现。在一个实施例中，在压缩机 中设计和选择单级压缩机和中间压力注入点来使得注入在临界点之上 发生。在又一个实施例中，制冷系统结合多种经济器回路，以及压缩机 具有多级制冷剂注入。在上注入级，制冷剂注入在临界点之上发生，而 在下注入级注入可以在临界点之下发生。压缩机可以由两个分离压缩级 (例如两个串联设置的往复压缩机气缸)或是两个串联的压缩机所体 现。在这种情况下，制冷剂注入发生在两个压缩级之间。另一方面，制 冷剂注入对于位于单个压缩机内的压缩袋可以是在内部的。
在又一个实施例中，制冷系统可以具有冷却剂注入冷却分支，这是 对于降低制冷剂离开压缩机时的排放温度的典型利用，通过该冷却分 支，来自排热热交换器出口的制冷剂分支的膨胀部分在压缩进程中设计 和选择的点上被引导和注入，如此使得注入可以在临界点之上发生。
本发明的这些以及其它的优点可以通过以下的说明书和图示来更 好的理解，以下是图示的一个简要描述。
附图说明
图1A图示了第一示意图。
图1B是图1A实施例的P-h曲线图。
图2A图示了第二实施例。
图2B是第二实施例的P-h曲线图。
图3A图示了第三实施例。
图3B是第三实施例的P-h曲线图。
具体实施方式
来自分支制冷剂管路28的制冷剂在注入点27通过注入制冷剂管路 29返回到压缩机20。注入点27是在设计压缩机使其适应注入可以在高 于制冷系统70跨临界运行中的临界点时发生的条件过程中选择的。换 句话说，注入的制冷剂不会在通过经济器热交换器26时跨越两相蒸发 过程。在现有技术中，注入的经济器制冷剂总是在通过经济器热交换器 时跨越两相蒸发过程。
如图所示，例如，在图1B中，经济器注入在临界点CP之上发生。 因此，经济器热交换器26中的热传递交互作用过程中的经济热量流的 全部会在临界点CP之上发生并沿着X线。距离Z体现了由经济功能提 供的对于经济器热交换器26中的主冷却剂流的额外冷却，并且，如图 所示，也是完全在临界点CP之上发生。制冷系统可以在特定环境条件 下在跨临界方式下运行，至少是部分时间。对于经济器制冷剂进入压缩 进程的注入位置的改进提供了在跨临界方式下运行的制冷系统70实现 经济功能的能力。经济器热交换器26的设计也适应单相制冷剂流经其 经济路径。经济器膨胀装置32的运行及设计能够处理单相制冷剂，在 膨胀装置的上游及下游都可。在过去，膨胀装置并不能在膨胀装置的上 游和下游位置运行单相制冷剂。
如图2A所示，另一个制冷系统50包括两个串联运行的压缩机(或 是两个压缩级)52和54。来自压缩机54的制冷剂被向下游引导进入排 热热交换器56中。第一经济器功能在经济器热交换器58内发生，而第 二经济器功能在经济器热交换器60内发生。来自主制冷剂管路62的制 冷剂通过主膨胀装置64连续地穿过两个热交换器58和60，并在返回到 下级压缩机52之前进入到热接收热交换器66中。如图所示，与每个热 交换器58和60关联的分支制冷剂管路分别穿过经济器膨胀装置94和 92。所示的分支制冷剂管路的流向与主制冷剂流一致，但是，这只是一 般的简单说明。在实际中，通常的情况是制冷剂最好是被设置为相对于 主流进行逆向流动，就如图1A所示的说明。
来自第二下游经济器热交换器60的制冷剂被引导通过注入制冷剂 管路78回到压缩级52和54中间的点72。如图2B所示，经济器制冷剂 流的热量吸收沿着Y线延伸，并且低于临界点CP。但是，上游的经济 器回路引导制冷剂通过注入制冷剂管路74沿着C线到达点76，其位于 临界点CP之上。同样，压缩机54的设计，以及注入点76的位置是有 选择地且经过仔细地设计以最优化运行压缩机54，并且适应制冷剂的注 入高于临界点CP。如前所述，当制冷剂的注入发生在临界点CP之上发 生时，经济器热交换器58内不会发生通过两相汽室到达主导气相的转 变。经济器热交换器58和60内得到的额外的冷却量由相应的距离A和 B所显示。
如上所述，制冷系统70和50中的制冷剂可以是CO2。制冷系统可 以在跨临界方式下运行，至少在某些环境条件下以及一段时间内，并且 经济器制冷剂的注入点的位置改进提供了在跨临界方式下运行的制冷 系统更有效的行使经济器功能的能力。经济器热交换器58的设计适应 单相制冷剂流经其经济路径。膨胀装置94的设计也能够使其在膨胀装 置的上游和下游位置操作单相制冷剂。
应当强调的是：两相经济设计也可以通过使用单个压缩机实现， 其中上和下注入级被设置于同一压缩元件内。其也可能具有三个独立的 压缩级，其中上和下制冷剂注入全都发生在压缩级之间。此外，压缩级 的数量可扩展到三个以上，其只会被实际的成本、尺寸、重量等等以及 返回考虑到的性能降低所限制。
应当指出的是：许多不同类型的压缩机可在本发明中使用。例如， 滚动式，螺旋式，旋转式，离心式或往复式压缩机可以被采用。
又一个实施例显示在图3A中，其中部分制冷剂可以从位于排热热 交换器56出口处的主制冷剂管路62选择性地通过制冷剂分支管路91。 和以前一样，此制冷剂在膨胀装置90中膨胀为低中间压力和温度并被 注入到压缩进程中。此制冷剂横断注入制冷剂管路74但并不横断热交 换器经济装置88并因此当被注入到压缩进程中时具有较高的热力学冷 却潜力。此分支制冷剂在中间点76被注入到压缩进程中并且典型的用 于降低制冷剂排放温度，以避免出现超出允许的限制的情况，这在跨临 界运行条件下很容易发生。当在超过临界压力之上实施注入进程时，此 制冷剂注入需要仔细地以及选择性地设计以提供足够的低排放温度，如 图3B所示，至少在某些环境条件下以及至少是部分运行时间段。这也 允许降低压缩机功率，因为注入的制冷剂仅是从高的超临界压力压缩到 排放压力(也是超临界的)。
虽然在图3A中，制冷剂注入与高的压缩级54关联，但是其也能分 别在高压缩级54和低压缩级52之间实施。如前所述，多个连续的压缩 级也可以由分离的压缩机、单一的压缩装置或是两者的结合所体现。此 外，如图3A所示，经济器和注入冷却特征可以相互结合在同一个制冷 系统中，且两个分支制冷剂流可以通过同一个或不同的注入点注入到压 缩进程中。此外，这两个性能增强特征可以根据需要同时或分别地进行 操作。
如图3A所示，具有单独制冷剂分支管路82的热交换器经济装置 88和单独膨胀装置84可以与相同(如制冷剂注入冷却特征)制冷剂注 入管路74结合。在此性能增强组合的选项中，利用经济器特征来提供 制冷系统80的性能提高，且制冷剂注入冷却特征可用来降低制冷剂排 放温度。在图3A所示的结构中，性能增强特征均可利用同一制冷剂分 支管路。如果膨胀装置84和90均没有设置制冷剂流关闭功能，单独的 流量控制装置可能需要提供。
还应当指出的是：以上所示的系统可以作为一个加热单元或是冷却 单元运行。其也可以在适当位置设置四通换向阀(未图示)后作为加热 和冷却单元的组合进行运行，如业界已知。图1A和2A所示的单一压缩 机或压缩级可以由串联运行的多个压缩机或并联运行的压缩机组(未图 示)所替代。
利用了本发明的制冷系统可以在许多不同的应用中使用，包括但不 限于：空调系统，热泵系统，海运集装箱单元，冷藏卡车-拖车单元，以 及超市制冷系统。
再有，膨胀装置可以是一个固定的喷管，毛细管，TXV，EXV，或 是膨胀器。虽然经济器装置举例为一个热交换器经济器装置，但是应当 理解闪蒸罐经济器装置可以提供类似的经济器功能，如业界已知。同样 如业界已知，制冷剂注入管路可设置关闭阀(未图示)以选择性打开或 关闭制冷剂注入，在经济器膨胀装置未设置关闭功能的情况下。可选择 的支路管路以及相应的阀(未图示)可被包括以供选择性的绕过来自制 冷剂注入管路的至少部分制冷剂到达低压缩点。此外，经济制冷系统70 和50均可以为经济功能分流部分制冷剂流，不论是通过经济器热交换 器上游或是下游的第一制冷剂。
虽然揭示了本发明的一些实施例，然而，本领域普通技术人员可以 发现本发明的范围内的一些特定的修改。出于此原因，以下的权利要求 应被研究以确定本发明的真正范围和内容。
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