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CN1656345A - 用于辅助机械的膨胀器驱动的电机 - Google Patents

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S·戈帕纳拉亚南
M·J·戈里芬
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Abstract

跨临界蒸气压缩系统中的高压或中压制冷剂在膨胀装置中的膨胀将势能转化成有用的动能。该动能可提供功，这些功可用于完全地或部分地驱动与旋转辅助机械相连的膨胀电机单元。通过为旋转辅助机械提供功，就可以提高系统的效率。辅助旋转机械可以是蒸发器风扇或气体冷却器风扇，它们可使制冷剂分别流经蒸发器和气体冷却器。或者，辅助旋转机械可以是水泵或油泵。

Description

用于辅助机械的膨胀器驱动的电机
发明背景
本发明大体上涉及一种通过利用由高压或中压制冷剂的膨胀所产生的功来驱动与辅助旋转机械相连的膨胀电机以增强蒸气压缩系统的循环特性的装置。
由于具有会破坏臭氧层的可能，含氯制冷剂在全世界大多数地方已经逐步被淘汰。已经使用了氢氟烃(HFC)来用作替代制冷剂，然而这些制冷剂仍然存在很高的使全球变暖的可能性。还已提出了使用“天然”制冷剂如二氧化碳和丙烷作为替代用流体。令人遗憾的是，使用这些流体中的多种流体同样会带来问题。二氧化碳具有较低的临界点，这导致了大多数利用二氧化碳的空调系统在大多数条件下均以跨临界(transcritial)的方式工作。
当典型的蒸气压缩系统以跨临界的方式工作时，制冷剂的高端压力高得足以使制冷剂在经过排热型热交换器时不会从气相变化到液相。因此，排热型热交换器在跨临界循环中作为气体冷却器来工作，而非作为冷凝器来工作。亚临界流体的压力在饱和状态下(同时存在液体和蒸气时)是温度的函数。
在跨临界的蒸气压缩系统中，制冷剂在压缩机中被压缩到高压。当制冷剂进入到气体冷却器中时，热量便从高压制冷剂中排出。接着在穿过膨胀装置之后，制冷剂膨胀到低压。制冷剂然后穿过蒸发器并接收热量，完全汽化并再次进入到压缩机中，从而完成了整个循环。
在制冷系统中，膨胀装置通常是孔口。可以采用膨胀单元来从高压流体中抽取能量。在这种情况下，从气体冷却器或冷凝器流入到蒸发器中的制冷剂的膨胀将高压制冷剂中的势能转化为动能，从而产生了功。如果这种能量不被利用来驱动系统中的另一部件，那么它就被浪费掉了。在现有系统中，制冷剂膨胀所转换的能量驱动与压缩机相连的膨胀电机单元，从而完全地或部分地为压缩机提供动力。在现有系统中，加压冷冻剂的膨胀还已被用于驱动设于制剂单元中但不处于蒸气压缩系统内的机械装置。
发明概要
可逆蒸气压缩系统包括压缩机、第一热交换器、膨胀装置、与辅助旋转机械相连的膨胀电机单元、第二热交换器，以及用于使制冷剂流的方向反向的装置。通过用热泵使制冷剂流反向，蒸气压缩系统就可在加热模式和冷却模式之间交替地工作。优选使用二氧化碳作为制冷剂。由于二氧化碳具有较低的临界点，因此利用二氧化碳作为制冷剂的系统通常要求该蒸气压缩系统以跨临界的方式工作。
离开气体冷却器的高压或中压制冷剂具有较高的势能。高压制冷剂在膨胀装置中的膨胀将该势能转化成有用的动能，其可被利用以完全地或部分地驱动膨胀电机单元。膨胀电机单元连接成可驱动辅助机械。通过采用由高压或中压制冷剂的膨胀所转化成的动能来完全地或部分地驱动与辅助机械相连的膨胀电机单元，就可以提高系统的效率。辅助机械可以是蒸发器风扇或气体冷却器风扇，它们可分别经由蒸发器和气体冷却器来抽吸空气。或者，辅助机械可以是水泵，其可泵送水或其它流体使其流经蒸发器或气体冷却器，与制冷剂交换热量。辅助机械还可以是用于润滑压缩机的油泵。
从下述介绍和附图中可以最佳地理解本发明的这些和其它的特征。
附图简介
本领域的技术人员从现有优选实施例的下述详细描述中可以清楚本发明的各种特征和优点。下面将简单地介绍一下附图：
图1显示了现有技术的蒸气压缩系统的示意图；
图2显示了跨临界的蒸气压缩系统的热力学图；和
图3显示了与膨胀电机相连的辅助机械的示意图。
优选实施例的详细描述
图1显示了现有技术的可逆蒸气压缩系统10的示意图。系统10包括有压缩机12、第一热交换器14、膨胀装置16、第二热交换器18以及可逆热泵20。制冷剂在闭合回路系统10中循环，热泵20可改变制冷剂流的方向，以使系统在冷却模式和加热模式之间切换。
如图1所示，当在冷却模式下工作时，在制冷剂在高压下离开压缩机12之后，热泵20将制冷剂引导到第一热交换器14中，该热交换器用作排热型热交换器或气体冷却器。制冷剂流经第一热交换器14并丧失热量，并且在低焓和高压下离开第一热交换器14。随着制冷剂流经膨胀装置16，压力便下降。在膨胀后，制冷剂流经用作吸热型热交换器或蒸发器的第二热交换器18，并在高焓和低压下离开第二热交换器18。然后制冷剂流过热泵20，并再次进入且穿过压缩机12，这样就完成了整个系统10。通过用热泵20来使制冷剂流的方向反向，系统10便可在加热模式下工作。图2显示了蒸气压缩系统10的热力学图。
在本发明的一个优选实施例中，采用二氧化碳作为制冷剂。虽然所描述是二氧化碳，然而其它制冷剂同样可受益于本发明。由于二氧化碳具有较低的临界点，因此利用二氧化碳作为制冷剂的系统通常要求蒸气压缩系统10以跨临界的方式工作。虽然所公开的是跨临界的蒸气压缩系统10，然而可以理解，同样可以采用传统的亚临界的蒸气压缩循环。另外，本发明还可应用于在多个压力级下工作的制冷循环，例如具有超过一个压缩机、气体冷却器、膨胀电机或蒸发器的系统。
离开气体冷却器14的高压或中压制冷剂具有较高的势能。高压制冷剂在膨胀装置16中膨胀到低压的过程将该势能转化为成有用的动能。如图3所示，动能可提供功，这些功可用于完全地或部分地驱动膨胀电机单元24。膨胀电机单元24与辅助机械26a-26e相连，这些功可提供用于工作，并减少辅助机械的动力需求。膨胀装置16的结构、控制和工作以及到辅助机械上的驱动连接是本领域的普通技术人员所熟知的。使用膨胀装置16来驱动辅助机械是有创造性的。通过采用由高压或中压制冷剂的膨胀所转化成的动能来驱动膨胀电机单元24以使辅助旋转机械26工作，就可以提高系统的效率。
与膨胀电机单元24相连的辅助旋转机械可以是蒸发器风扇26a或气体冷却器风扇26b。在系统10的工作期间，热交换器风扇26a和26b分别经由蒸发器18和冷凝器14来抽吸制冷剂。辅助机械26还可以是水泵26c或26d。水泵26c和26d可泵送水以使其分别流经气体冷却器14和蒸发器18。水与经由气体冷却器14和蒸发器18所抽吸的制冷剂交换热量。蒸发器水泵26c所泵送的水排出被制冷剂吸收的热量。气体冷却器水泵26d所泵送的水吸收被制冷剂排出的热量。制冷剂膨胀所产生的功还可用来为油泵26e提供动力，油泵26e可泵送油以使其流经压缩机12，从而提供润滑。
上述描述仅是本发明原理的示例。根据上述内容可对本发明进行许多改进和变更。然而，在上文中已经公开了本发明的优选实施例，因此本领域的普通技术人员可以理解，这些改进均属于本发明的范围内。因此可以理解，在所附权利要求的范围内，本发明也可通过以上述具体描述不同的方式来实现。因此，应当通过下述权利要求来确定本发明的实际范围和内容。

Claims (15)

1.一种蒸气压缩系统，包括：
用于将制冷剂压缩到高压的压缩装置；
用于冷却所述制冷剂的排热型热交换器；
用于将所述制冷剂降低到低压的膨胀装置；
用于使所述制冷剂蒸发的吸热型热交换器；和
与所述膨胀装置相连的辅助机械，其由所述制冷剂从所述高压到所述低压的膨胀来提供动力。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于使所述制冷剂流反向的热泵。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括膨胀电机，所述制冷剂的膨胀为所述膨胀电机提供动力，从而驱动所述辅助机械。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括另外的压缩装置、另外的排热型热交换器、另外的膨胀装置以及另外的吸热型热交换器。
5.一种蒸气压缩系统，包括：
用于将制冷剂压缩到高压的压缩装置；
用于冷却所述制冷剂的排热型热交换器；
用于将所述制冷剂降低到低压的膨胀装置；
用于使所述制冷剂蒸发的吸热型热交换器；
用于使所述制冷剂流反向的热泵；
由所述制冷剂从所述高压到所述低压的膨胀来提供动力的膨胀电机；和
由所述膨胀电机驱动的辅助机械。
6.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于，所述辅助机械是排热型热交换器风扇。
7.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于，所述辅助机械是吸热型热交换器风扇。
8.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于，所述辅助机械是水泵。
9.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于，所述辅助机械是油泵。
10.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于，所述制冷剂是二氧化碳。
11.一种用于为蒸气压缩系统的辅助机械提供动力的方法，包括步骤：
1)将制冷剂压缩到高压；
2)冷却所述制冷剂；
3)使所述制冷剂膨胀到低压；
4)将所述步骤3)产生的能量提供给所述辅助机械；
5)为所述辅助机械提供动力；和
6)使所述制冷剂蒸发。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述辅助机械是排热型热交换器风扇。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述辅助机械是吸热型热交换器风扇。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述辅助机械是水泵。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述辅助机械是油泵。
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