CN103748425B

CN103748425B - 混合压缩机系统和方法

Info

Publication number: CN103748425B
Application number: CN201280026803.3A
Authority: CN
Inventors: V·M·西什特拉
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2017-10-17
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: EP2715254A2; CN103748425A; US20130177393A1; WO2012166338A2; WO2012166338A3

Abstract

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。

Description

混合压缩机系统和方法

相关申请的交叉引用

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No.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

本公开涉及制冷。更具体地，本公开涉及冷冻器系统。

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)。

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

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。

在各种实施方式中，容积式压缩机可以是螺旋式压缩机。

本发明的其它方面涉及以这样的至少两种模式来运行。

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。

附图说明

图1是冷冻器系统的示意图。

图2是图1的系统中的冷凝器的纵向竖直示意图。

图3是图1的系统中的冷却器的纵向竖直示意图。

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。

图5是用于图1的系统的控制流程图。

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

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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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T_1COND和出口温度T_2COND。示例性流量计147沿着水回路138测量水的流量F_MCOND。

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T_1COOL和出口温度T_2COOL。示例性流量计177沿着水回路168测量水的流量F_MCOOL。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。

图4示出了进入冷凝器的水的温度T_1COND相对于容量的图表。线200表示美国制冷学会(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)。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(l／s／kW)，并且冷凝器的水的流量是3gpm／ton(0.054l／s／kW)。

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1F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。

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1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。

表I

在第一示例性实施中，至少部分并联的第一模式被用于高载荷情形，第二模式(仅容积式压缩机)被用于低载荷情形。例如，第二模式可以用于从基本上为零的载荷到中间载荷值。在中间载荷值和最大载荷之间，至少部分并联的模式被使用。然而要注意的是，当运行在变换条件附近时，中间载荷值可以经受合适的滞后控制以避免过度的循环。例如，从零到变换条件，第二压缩机可以以增加的速度和／或动力来运行。在变换时，第一压缩机可以以全容量或接近全容量被引至在线，并且第二压缩机复位到零或其它低容量值。此后，随着增加的载荷，第二压缩机的速度和／或动力可以增加。因此，在至少部分并联的模式中，系统的载荷／容量变化主要地通过容积式压缩机来适应。例如，至少容积式压缩机可以比离心式压缩机实现更多的变化。更确切地，容积式压缩机可以实现载荷变化的至少75％或至少90％。示例性地，载荷变化至少可以表示系统的峰值载荷的30％，更确切地，是至少40％。

在第一简单的示例性实施方式中，两个压缩机的额定容量基本上相同(例如，相同的或适当不同地来定尺寸，以解决任何滞后问题)。因此，变换点在基本上半载荷处。

更宽广地，变换点可以在总的额定系统载荷的45％和55％之间，或者在40％和60％之间。

通过只在它拥有的额定载荷或其附近(或更宽广地，不在低载荷)使用离心式压缩机，喘振问题可以很大程度上被避免。

例如，容积式压缩机的示例性额定最大容量是离心式压缩机的额定最大容量的50～200％，更确切地，100％到150％。

在一个变形中，第四(串联)模式可以在高冷凝器水温时被添加和使用，例如水加热或热回收模式。

在另一个变形中，当需要非常低的温差时(例如，小于25F(13.9C))，离心式压缩机可以被单独使用。

在第二更复杂的示例性实施方式中，通过测量或者以另外的方式确定302冷凝器的饱和温度(T_COND)和冷却器的饱和温度(T_COOL)来开始控制过程300(图5)。T_COND和T_COOL可以分别地通过下述来确定，即：通过压力传感器132和182测量压力，然后计算饱和温度(通过查找表或编程的函数)。温差(lift)被计算为T_COND减去T_COOL，304。如果温差大于给定的阈值(例如，50F(28C))，那么该系统可以以第四(串联)模式运行，306。在该串联模式，离心式压缩机的容量通过压缩机速度和入口导片的定向来控制。如果从离心式压缩机排出的气体量高于螺旋压缩机的容量，则在离心式压缩机和螺旋压缩机之间的压力将升高，导致离心式压缩机的喘振。此时，离心式压缩机的速度逐渐地增加并且它的导片逐渐地关闭，直到离心式压缩机不再喘振。类似的逻辑被应用于螺旋压缩机(即，由滑阀跟随的第一速度)。减速总是导致了减少的动力消耗或者增加的效率。

对于较小的温差，可以执行非串联运行。对流量F_MCOOL以及温度T_1COOL和T_2COOL进行测量，308。容量也可以被计算，310。

然后，在低容量(例如，小于例如最大量的50％的第一值)时，运行基于压头被改进。对于低压头而言，这些压缩机可以以相等载荷且以第一模式运行，320。这可以包括：当存在变速驱动器时，通过速度来控制容量；以及对于固定速度的情形，通过离心式压缩机的入口导片和螺旋压缩机的滑阀来控制容量。压头与温度温差成比例。在示例中，低压头对应于小于35F(19C)的温度温差，高压头则在35F和50F(19C和28C)之间。

对于高压头而言，系统以第二模式(仅螺旋压缩机)运行，322。当存在变速驱动器时，通过速度来控制容量；对于固定速度的情况，则通过滑阀来控制容量。

在中间容量(例如，50～75％)的情况下，也可以以第一模式来进行运行。在这些压缩机之间的平衡可以基于压头被改进。对于低压头而言，系统以并联模式运行，其中螺旋压缩机以固定容量运行，并且离心式压缩机以可变容量运行，以便提供需要的总容量。例如，在具有相等的最大容量的离心式压缩机和螺旋压缩机的情况下，螺旋压缩机可以以其最大容量的50％来运行，并且离心式压缩机运行在它的最大容量的50和100％之间(由此进行组合，以便示例性地提供最大系统容量的50～75％的运行)。选择这样的运行，以便避免离心式压缩机的喘振。

在高压头的情况下，系统可以以其中离心式压缩机处于基本上固定容量并且螺旋压缩机提供容量控制的第一模式来运行，332。恒定容量压缩机的示例性设定点可以相对于情况330而有所不同。离心式压缩机可以以较高的容量来运行。在上述示例中，离心式压缩机可以以其最大容量的80％来运行，由此提供总的系统容量的40％。螺旋压缩机可以运行在它的最大容量的20％和70％之间(由此提供最大系统容量的10～35％，并且与离心式压缩机组合以便提供最大系统容量的50～75％)。可以选择这种运行情况，这是因为离心式压缩机在低载荷和高压头的情况下容易经受喘振。

在高容量(例如75～100％)的情况下，也可以以第一模式运行，其中这些压缩机以相等的载荷运行，340。因此，取决于必需的容量，每个压缩机都可以在它拥有的最大容量的75％和100％之间运行，以便满足需要的容量。

已经描述了一个或多个实施例。尽管如此，但可以理解的是，可以进行各种修改。例如，在重建现有系统的情况下，现有系统的细节或它的预定使用可能影响任何特定实施方式的细节。因此，其它实施例都在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种蒸汽压缩设备（20），包括：

离心式压缩机（24）；

容积式压缩机（26），所述离心式压缩机（24）和所述容积式压缩机（26）包括容量控制特征；

第一换热器（32）；

第二换热器（36）；

位于所述第一换热器（32）内的第一压力传感器（132）；

位于所述第二换热器（36）内的第二压力传感器（182）；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（26）和所述离心式压缩机（24）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（26）中被压缩，并且所述离心式压缩机（24）离线；

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（26）和所述离心式压缩机（24）中被压缩；和

以第四模式运行，其中：

制冷剂在所述离心式压缩机（24）中被压缩，并且所述容积式压缩机（26）离线。

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四种所述模式。

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，其中：所述设备是冷冻器，并且其中：

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容积式压缩机之间的位置（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.如权利要求1所述的设备，其中：所述容积式压缩机和所述离心式压缩机两者都通过变速驱动器来电动地提供动力。

13.一种蒸汽压缩设备，包括：

离心式压缩机（24）；

第一换热器（32）；

第二换热器（36）；

位于所述第一换热器（32）内的第一压力传感器（132）；

位于所述第二换热器（36）内的第二压力传感器（182）；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：

以第二模式运行，其中：

以第三模式运行，其中：

以第四模式运行，其中：

14.如权利要求13所述的设备，其中：所述容积式压缩机和所述离心式压缩机两者都通过变速驱动器来电动地提供动力。

15.一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）、容积式压缩机（26）、第一换热器（32）、第二换热器（36）、位于所述第一换热器（32）内的第一压力传感器（132）和位于所述第二换热器（36）内的第二压力传感器（182），所述离心式压缩机（24）和所述容积式压缩机（26）包括容量控制特征，所述方法包括下述中的至少两种：

以第一模式运行，其中：

以第二模式运行，其中：

以第三模式运行，其中：

以第四模式运行，其中：

16.如权利要求15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。

17.如权利要求16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。

18.如权利要求15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：

在高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。

19.如权利要求15所述的方法，其中：所述容积式压缩机和所述离心式压缩机两者都通过变速驱动器来电动地提供动力。