混合壓縮機(jī)系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種設(shè)備(20)，其具有：離心式壓縮機(jī)(24)，容積式壓縮機(jī)(26)，第一換熱器(32)，以及第二換熱器(36)。多個(gè)閥(70，72，74)被定位，以便提供以至少兩種模式的運(yùn)行：在第一模式中，制冷劑在至少部分并聯(lián)的容積式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)中被壓縮。在第二模式中，制冷劑在容積式壓縮機(jī)中被壓縮，并且離心式壓縮機(jī)離線。在第三模式中，制冷劑在至少部分串聯(lián)的容積式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)中被壓縮。
【專利說(shuō)明】混合壓縮機(jī)系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2011年5月31日提交的名稱為“Hybrid Compressor System andMethods”的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.61/491，515的權(quán)益,該專利申請(qǐng)的公開內(nèi)容通過(guò)引用被全部并入本文，就像在本文中詳細(xì)闡述的那樣。
【背景技術(shù)】
[0003]本公開涉及制冷。更具體地，本公開涉及冷凍器系統(tǒng)。
[0004]大型水冷冷凍器(例如，300?1500噸容量(1055?5275W))通常因?yàn)槌杀镜脑蚨褂脝我浑x心式壓縮機(jī)。然而，這種壓縮機(jī)易遭受喘振(surge)(特別是在部分載荷時(shí))。
[0005]解決該問(wèn)題的一種方法是提供并聯(lián)的多個(gè)離心式壓縮機(jī)。這允許單獨(dú)的壓縮機(jī)離線，以便使壓縮機(jī)容量更好地匹配需要的載荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種設(shè)備，所述設(shè)備包括:離心式壓縮機(jī)、容積式壓縮機(jī)、第一換熱器和第二換熱器。多個(gè)閥被定位，以便提供至少兩種模式的運(yùn)行。在第一模式中，制冷劑在至少部分并聯(lián)的容積式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)中被壓縮。在第二模式中，制冷劑在容積式壓縮機(jī)中被壓縮，并且離心式壓縮機(jī)處于離線。在第三模式中，制冷劑在至少部分串聯(lián)的容積式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)中被壓縮。
[0007]在各種實(shí)施方式中，容積式壓縮機(jī)可以是螺旋式壓縮機(jī)。
[0008]本發(fā)明的其它方面涉及以這樣的至少兩種模式來(lái)運(yùn)行。
[0009]一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)在附圖和以下說(shuō)明中被闡述。其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)從說(shuō)明書和附圖以及從權(quán)利要求書中將變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是冷凍器系統(tǒng)的示意圖。
[0011]圖2是圖1的系統(tǒng)中的冷凝器的縱向豎直示意圖。
[0012]圖3是圖1的系統(tǒng)中的冷卻器的縱向豎直示意圖。
[0013]圖4是進(jìn)入冷凝器的水的溫度相對(duì)于百分比的容量的圖表。
[0014]圖5是用于圖1的系統(tǒng)的控制流程圖。
[0015]在各個(gè)附圖中，同樣的附圖標(biāo)記和指示表示同樣的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0016]除了遭受喘振問(wèn)題，離心式壓縮機(jī)在提供高壓頭時(shí)通常比容積式壓縮機(jī)更低效。這使得離心式壓縮機(jī)在用于熱回收運(yùn)行時(shí)被作為較差的備選。如以下論述的，混合系統(tǒng)的特征在于具有離心式壓縮機(jī)和容積式壓縮機(jī)。示例性容積式壓縮機(jī)是通過(guò)可變頻驅(qū)動(dòng)器提供動(dòng)力的兩轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子螺旋壓縮機(jī)。替代的容積式壓縮機(jī)包括往復(fù)式壓縮機(jī)和渦旋式壓縮機(jī)。
[0017]圖1示出了蒸汽壓縮系統(tǒng)20，其具有壓縮機(jī)子系統(tǒng)22。壓縮機(jī)子系統(tǒng)22包括第一壓縮機(jī)24 (離心式)和第二壓縮機(jī)26 (容積式)。在示例性實(shí)施方式中，兩個(gè)壓縮機(jī)都具有容量控制特征，其可以是任何已知的類型(例如，用于離心式壓縮機(jī)的可變?nèi)肟趯?dǎo)片和用于螺旋壓縮機(jī)(所述螺旋壓縮機(jī)用作容積式壓縮機(jī))的滑閥，以及用于兩種壓縮機(jī)的變速驅(qū)動(dòng)器)。
[0018]在第一運(yùn)行模式中，壓縮機(jī)子系統(tǒng)沿著制冷劑流動(dòng)路徑30往下游方向500驅(qū)動(dòng)制冷劑。流動(dòng)路徑30順序地通過(guò)第一換熱器32、膨脹裝置34和第二換熱器36。在第一模式中，第一換熱器32是排熱換熱器，并且第二換熱器36是吸熱換熱器。
[0019]示例性系統(tǒng)20是冷凍器系統(tǒng)，其中第一換熱器32是液冷的冷凝器或氣體冷卻器，并且第二換熱器36是冷卻器。示例性膨脹裝置34是電子膨脹閥(EV)，其可以通過(guò)冷凍器的控制器40 (例如，計(jì)算機(jī)或微控制器)來(lái)控制。替代的膨脹裝置34是在冷凝器32內(nèi)的浮子閥(或浮閥)。示例性第一換熱器沿著制冷劑流動(dòng)路徑30具有至少一個(gè)入口 50和至少一個(gè)出口 52。類似地，第二換熱器36沿著制冷劑流動(dòng)路徑具有至少一個(gè)入口 54和至少一個(gè)出口 56。壓縮機(jī)24具有入口端口 60和出口端口 62。類似地，第二壓縮機(jī)26具有入口端口 64和出口端口 66。
[0020]如以下論述的，壓縮機(jī)子系統(tǒng)包括被聯(lián)接到這些壓縮機(jī)的一個(gè)或多個(gè)閥，以便允許這些壓縮機(jī)在兩種或更多的壓縮模式之間的切換。示例性系統(tǒng)包含三個(gè)閥70、72和74。
[0021]在第一運(yùn)行模式中，這些壓縮機(jī)至少部分并聯(lián)地運(yùn)行。在一個(gè)示例性示出的完全并聯(lián)的情況中，這些壓縮機(jī)各自的吸入端口和排出端口處于實(shí)質(zhì)上相同的狀況下。為了提供這種并聯(lián)運(yùn)行，示例性流動(dòng)路徑具有兩個(gè)并聯(lián)的支路80和82，支路80和82在第二換熱器的出口 56下游的接合點(diǎn)84處岔開，并且在位于第一換熱器的入口 50處或其上游的位置86處重新合并。在部分并聯(lián)的情況中，分離和/或再接合可以在不同的位置。
[0022]旁通支路或線路90在支路80和82之間延伸。示例性旁通支路90在一個(gè)壓縮機(jī)的上游到另一個(gè)的下游之間延伸。在示例性實(shí)施方式中，該支路從第一壓縮機(jī)下游的位置92延伸到第二壓縮機(jī)上游的位置94。為了控制支路80和82中的流動(dòng)，示例性的閥70和74分別沿著這些支路。在示例性實(shí)施方式中，閥70是在旁通線路90的第一端92的下游，并且閥74是在端94的上游。
[0023]在示例性的至少部分并聯(lián)的運(yùn)行中，閥72關(guān)閉，而閥74和70打開。在第二模式中，只有第二壓縮機(jī)26運(yùn)行。閥70和72都關(guān)閉，而閥74打開。第三模式是串聯(lián)模式，其中這些壓縮機(jī)串聯(lián)地運(yùn)行。在示例性串聯(lián)模式中，閥70和74關(guān)閉，而閥72打開。制冷劑在進(jìn)入第一換熱器的入口 50之前，從第二換熱器的出口 56沒有分流地通過(guò)第一壓縮機(jī)、閥72和第二壓縮機(jī)。第四可能的模式包括僅僅使第一壓縮機(jī)24運(yùn)行。在這種模式中，閥72和74關(guān)閉，而閥70打開。
[0024]圖1示出了冷凝器32和冷卻器36的其它示例性細(xì)節(jié)。示例性冷凝器32包括上部冷凝器管束120和下部再冷卻器管束122。圖1還示出了在冷凝器內(nèi)的液態(tài)制冷劑積累124。管束120和122被連接到一個(gè)或多個(gè)傳熱流體源，以便從制冷劑移除熱量。再冷卻器管束122被包含在腔126內(nèi)。一個(gè)或多個(gè)入口孔128沿著腔126的底部。浮子閥130提供給出口 52。壓力傳感器132可以位于冷凝器的靠近入口 50的頂部空間中。
[0025]在示例性實(shí)施方式中，傳熱流體(例如水)沿水回路138 (圖2)傳送，通過(guò)入口140接收，并且從出口 142排出。相應(yīng)的溫度傳感器144和146測(cè)量水的入口溫度T1C_和出口溫度T2roND。示例性流量計(jì)147沿著水回路138測(cè)量水的流量FMrom。
[0026]冷卻器36也包括下部管束160和上部管束162。圖1還示出了在該冷卻器中的制冷劑積累164。在示例性實(shí)施方式中，傳熱流體(例如水)沿水回路168 (圖3)傳送，通過(guò)入口 170接收，并且從出口 172排出。相應(yīng)的溫度傳感器174和176測(cè)量水的入口溫度Ticool和出口溫度T2a)tt。示例性流量計(jì)177沿著水回路168測(cè)量水的流量FMam。圖1還示出了在冷卻器的下部大致通過(guò)入口 54來(lái)進(jìn)行供給的分配器180。壓力傳感器182被示出為處在靠近出口 56的頂部空間中。
[0027]圖4不出了進(jìn)入冷凝器的水的溫度Ticxmd相對(duì)于容量的圖表。線200表不美國(guó)制冷學(xué)會(huì)(ARI)的載荷線(或負(fù)載線)。在美國(guó)，冷凍器要服從ARI標(biāo)準(zhǔn)550。該標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別四個(gè)參考條件，這四個(gè)參考條件通過(guò)冷凍器額定載荷(以冷卻噸數(shù)表示)的百分比和相關(guān)聯(lián)的冷凝器水的入口 /進(jìn)入溫度來(lái)表征。進(jìn)行的運(yùn)行要實(shí)現(xiàn)冷凍水的出口 /離開溫度為44F(6.67C) o 四個(gè)條件是:100 %，85F(29.44C) ;75 %，75F(23.89C)，50 %，65F(18.33C)；和25%，65F(也是18.33C)。這些條件(或者沿著連接它們的曲線的相似條件)可以提供用于測(cè)量效率的相關(guān)條件。在API試驗(yàn)中，通過(guò)冷卻器的水的流量是2.4加侖每分鐘每冷卻噸(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]利用典型的換熱器，通過(guò)冷凝器的水的溫度上升是大致8F(4.4C)乘百分比載荷，或者100%載荷時(shí)8F，75%載荷時(shí)6F(3.3C)，50 %載荷時(shí)4F(2.2C)和25%載荷時(shí)2F(1.1C)。冷卻器飽和溫度比離開的冷凍水的溫度低1F(0.6C)或2F(1.1C)(例如，ARI試驗(yàn)中的43F)。類似地，冷凝器飽和溫度比進(jìn)入冷凝器的水的溫度和水溫上升之和高IF或者2F。對(duì)于85F的進(jìn)入冷凝器的水的溫度而言，溫升是8F，因此離開冷凝器的水的溫度是93F，并且冷凝器飽和溫度是93+2=95F。
[0029]線202表示85F(29.44C)的恒溫。在熱帶氣候地區(qū)，環(huán)境溫度從白天到夜晚幾乎無(wú)改變。在這種地區(qū)，冷凝器的水的溫度保持恒定。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是認(rèn)為進(jìn)入冷凝器的水的溫度在25%和100%載荷之間恒定于85F。表I示出了關(guān)于ARI狀況和對(duì)應(yīng)的熱帶狀況的溫差。攝氏溫度從所列的華氏溫度值轉(zhuǎn)換而來(lái)，因此沒有增加和提供虛假的精度。在括號(hào)中的其它國(guó)際單位制(SI)類似地表示了從原始的美國(guó)或英國(guó)值而來(lái)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0030]表I
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種設(shè)備(20)包括: 離心式壓縮機(jī)(24)； 容積式壓縮機(jī)(26)； 第一換熱器(32)； 第二換熱器(36);和 多個(gè)閥(70，72，74)，所述多個(gè)閥(70，72，74)被定位成提供下述中的至少兩種: 以第一模式運(yùn)行，其中: 制冷劑在至少部分并聯(lián)的所述容積式壓縮機(jī)和所述離心式壓縮機(jī)中被壓縮； 以第二模式運(yùn)行，其中: 制冷劑在所述容積式壓縮機(jī)中被壓縮，并且所述離心式壓縮機(jī)離線；和 以第三模式運(yùn)行，其中: 制冷劑在至少部分串聯(lián)的所述容積式壓縮機(jī)和所述離心式壓縮機(jī)中被壓縮。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中:所述容積式壓縮機(jī)是螺旋壓縮機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述 的設(shè)備，其中: 所述離心式壓縮機(jī)具有額定最大容量；和 所述容積式壓縮機(jī)具有所述離心式壓縮機(jī)的額定最大容量的100~150%的額定最大容量。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中:所述多個(gè)閥被定位成提供全部三種所述模式。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中:所述多個(gè)閥被定位成至少提供所述第一模式和所述第二模式。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備是冷凍器，其中: 所述第一換熱器是冷凝器單元的一部分； 所述第二換熱器是冷卻器的一部分；和 膨脹裝置(34)被定位在所述冷凝器和所述冷卻器之間。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述多個(gè)閥包括: 第一閥(70)，所述第一閥(70)在所述離心式壓縮機(jī)和所述第一換熱器之間； 第二閥(72)，所述第二閥(72)沿著從所述離心式壓縮機(jī)和所述第一閥之間的位置(92)延伸到所述第二閥和所述螺旋壓縮機(jī)之間的位置(94)的旁路(90);和 第三閥(74)，所述第三閥(74)在所述第二換熱器和所述容積式壓縮機(jī)之間。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括: 控制器(40)，所述控制器(40)被編程以便自動(dòng)地在至少兩種模式之間切換。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中: 所述控制器被編程以便自動(dòng)地在所述第一模式和所述第二模式之間切換。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中: 所述控制器被編程，以便響應(yīng)于載荷的減少?gòu)乃龅谝荒Ｊ角袚Q到所述第二模式，以及響應(yīng)于載荷的增加從所述第二模式切換到所述第一模式。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中: 所述控制器被編程以便響應(yīng)于計(jì)算用于溫差的高需求而切換到所述第三模式。
12.—種設(shè)備,包括:離心式壓縮機(jī)(24)； 容積式壓縮機(jī)(26)； 第一換熱器(32)； 第二換熱器(36);和 裝置(70，72，74)，所述裝置(70，72，74)用于提供下述中的至少兩種: 以第一模式運(yùn)行，其中: 制冷劑在至少部分并聯(lián)的所述容積式壓縮機(jī)和所述離心式壓縮機(jī)中被壓縮； 以第二模式運(yùn)行，其中: 制冷劑在所述容積式壓縮機(jī)中被壓縮，并且所述離心式壓縮機(jī)離線；和 以第三模式運(yùn)行，其中: 制冷劑在至少部分串聯(lián)的所述容積式壓縮機(jī)和所述離心式壓縮機(jī)中被壓縮。
13.一種用于運(yùn)行蒸汽壓縮系統(tǒng)(20)的方法，所述蒸汽壓縮系統(tǒng)(20)具有離心式壓縮機(jī)(24)和容積式壓縮機(jī)(26)，所述方法包括下述中的至少兩種: 以第一模式運(yùn)行，其中: 制冷劑在至少部分并聯(lián)的所述容積式壓縮機(jī)和所述離心式壓縮機(jī)中被壓縮； 以第二模式運(yùn)行，其中: 制冷劑在所述容積式壓縮機(jī)中被壓縮，并且所述離心式壓縮機(jī)離線；和以第三模式運(yùn)行，其中: 制冷劑在至少部分串聯(lián)的所述容積式壓縮機(jī)和所述離心式壓縮機(jī)中被壓縮。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中: 從最低載荷狀況到中間載荷狀況，所述系統(tǒng)以所述第二模式運(yùn)行；和 在高于所述中間載荷狀況的載荷下，所述系統(tǒng)以所述第一模式運(yùn)行。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中: 在所述第一模式中，載荷的變化主要通過(guò)所述容積式壓縮機(jī)來(lái)適應(yīng)。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中: 所述運(yùn)行基于所需容量和所需溫差的組合，并且其中，包括下述內(nèi)容的一些到全部: 在的所需溫差的情況中，所述系統(tǒng)以所述第三模式運(yùn)行(306);和 在低的所需溫差的情況中，包括下述內(nèi)容中的一些到全部: 在低容量情形: 所述系統(tǒng)以所述第一模式操作(320);和 在高壓頭情形，所述系統(tǒng)以所述第三模式操作(322)； 在中間容量情形: 在低壓頭情形，所述系統(tǒng)以所述第三模式操作(330)，其中所述容積式壓縮機(jī)的容量基本上恒定并且所述離心式壓縮機(jī)處于可變?nèi)萘浚缓? 在高壓頭情形，所述系統(tǒng)以所述第一模式操作(322)，其中所述離心式壓縮機(jī)處于基本上恒定的容量并且所述容積式壓縮機(jī)處于可變?nèi)萘浚缓? 在高容量情形，所述系統(tǒng)以所述第一模式操作(340)，其中兩個(gè)壓縮機(jī)都提供可變?nèi)萘俊?br> 【文檔編號(hào)】F25B41/04GK103748425SQ201280026803
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月31日
【發(fā)明者】V·M·西什特拉 申請(qǐng)人:開利公司