制冷的改进 |
|||||||
| 申请号 | CN201380060297.4 | 申请日 | 2013-11-19 | 公开(公告)号 | CN104884877A | 公开(公告)日 | 2015-09-02 |
| 申请人 | 迪尔曼发动机有限公司; | 发明人 | M·艾尔丝; H·克拉克; M·迪尔曼; | ||||
| 摘要 | 一种包括低温 发动机 系统和制冷系统的系统，其中，低温发动机系统和制冷系统彼此机械偶接和/或热偶接。制冷系统通过低温发动机系统驱动并且低温发动机系统增强制冷系统的冷却。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种系统，其包括： |
||||||
| 说明书全文 | 制冷的改进技术领域背景技术[0002] 当今使用的大多数车辆运输制冷系统或者通过直接地借助于安装在制冷拖车上的辅助发电机的以柴油运行的内燃机提供动力，或是间接地从牵引车发动机以机械方式或借助于交流发电机以电力方式取得动力来提供动力。然后通过使用上述动力驱动标准闭环制冷系统来获得冷却。 [0004] i)制冷单元必须能够在门已被打开之后对该容室进行冷却； [0005] ii)这样的冷仓的隔热性能每年下降3％-5％，增加了整个使用寿命所需要的冷却能力；以及 [0006] iii)APT强制要求制冷单元必须能够在30℃的环境温度下吸收通过容室壁的热传递的1.35至1.75倍的热量。 [0007] 其结果是机动车辆上的制冷单元在其大量运行寿命下在低效率状态下运行。其结果是，与其它冷却设备相比，移动式制冷单元的性能系数通常很低(例如对于-20℃的冷冻仓室是大约0.5，至对于3℃的制冷仓室的1.5至1.75)。 [0008] 目前，据估计英国的总温室气体排放的大约0.05％来自于用于食品运输的制冷设备。尽管这只占较小的比例但实际却是相当大的数量。因此，需要减少制冷的运输装置的排放。用于这些制冷单元的碳氢燃料的低效使用也是不利的，因此需要在这种应用中降低其消耗的方法。 [0009] 已经提出了大量替代的制冷方法。这些方法包括借助于燃料电池或蓄电池电力的能量存储，但已知它们的成本、基础设施和充电时间的缺点是不能令人满意的。使用相变材料的共晶束已被用于储冷，但这增加了相当大的重量负担。利用牵引车动力单元废热的吸附和吸收方法是已知的，但是这往往体积较大并且依赖于来自牵引车动力单元的高质量的热量，这在怠速阶段可能是无法得到的。使用来自冷仓的空气作为工作流体的空气循环制冷系统无需制冷剂，但仍需动力源。 [0010] 已经提出了各种不同的低温系统，借此低温流体诸如液态氮被存储在隔热容器中并用作冷源。其可被大致分类成使用冷冻剂并直接将其喷射至冷仓内的系统，如在WO2011/126581和US 3699694中所描述的；通过热交换器间接地使用冷冻剂的系统，如在WO 2010/128233和WO 01/53764中所描述的；或者上述两者的结合。利用独立功能的制冷系统来使用冷冻剂以减少必须携带的冷冻剂的量的方式是已知的。在EP 0599612中，冷冻剂直接与浆槽中的制冷剂进行热交换。使用来自间接热交换的加热的或者排除的蒸汽以驱动空气置换风扇的潜在可能性已在WO 2007/116382和EP 0599626中被考虑。 [0011] 然而，直接使用冷冻剂会导致，在低温流体的多种选择的情况下引起窒息危险。另外，现有的使用低温物质的冷却系统是低效的。因此，存在对使用低温物质的有益性能的商业上可行的、高效的、安全的并且可持续的冷却系统的需要。 [0012] 本发明的目的是针对上述问题。 发明内容[0013] 根据本发明的第一方面，提供一种系统，其包括：使用工作流体的低温发动机系统；包括热交换系统的制冷系统，其中，所述低温发动机系统和所述制冷系统通过所述热交换系统如此地彼此热偶接，以使得所述低温发动机系统中的工作流体用作从所述制冷系统中除热的热沉，并且由所述制冷系统产生的热被用于使所述低温发动机系统中的工作流体膨胀。 [0014] 将低温发动机系统与制冷系统进行偶接的优点是：制冷系统可以减小尺寸并且仅用于保持单位温度，而低温流体也可被直接使用以实现诸如快速温度下降以及安静运行的优点。另外，来自制冷仓室的热量可用于在膨胀步骤之前使加热所述低温流体，并因此在很大程度上提高了所述低温发动机的效率。 [0015] 该系统包括制冷仓室，其中，所述低温发动机系统也可以是用于从所述制冷仓室中除热的直接热沉。 [0017] 在一个替代配置方式中，所述系统可包括制冷仓室，其中，所述低温发动机系统是用于从所述制冷仓室中除热的间接热沉。 [0018] 在这样的替代配置方式中，所述热交换系统可包括与所述低温发动机系统中的已膨胀的工作流体直接热接触的第二传热构件和与所述仓室的内部直接热接触的第三传热构件，并且还包括与所述第二传热构件和所述第三传热构件均热接触的中间传热流体循环系统。 [0019] 在一特定的配置方式中，所述制冷系统可包括蒸汽压缩循环机构。 [0020] 在一个配置方式中，所述中间传热流体循环系统可包括用于压缩所述系统内的传热流体的压缩机。该压缩机可以由低温发动机的驱动机构驱动。 [0021] 所述第一传热构件和/或所述第三传热构件构造成与所述仓室的内部交换热量。 [0022] 所述系统可包括第一管道和第二管道，所述第一管道用于从所述仓室的内部中除去大气并将大气引导经过所述传热构件，所述第二管道用于将大气引回至所述仓室的所述内部。 [0023] 所述系统可包括第一管道和第二管道，所述第一管道用于从所述仓室的内部中除去大气并将大气引导经过所述传热构件，所述第二管道用于将大气引回至所述仓室的所述内部。 [0024] 该系统可包括用于使来自所述制冷仓室的空气通过所述第一管道和/或第二管道进行循环的风扇。这样的风扇可由低温发动机的驱动机构驱动。 [0026] 所述压缩机可由低温发动机系统的驱动机构驱动。 [0027] 在一个配置方式中，该系统还可包括在所述低温发动机的出口或排出口与所述制冷系统的所述制冷仓室之间延伸的第二传递机构，所述第二传递机构用于将所述工作流体从出口或排出口传递至所述制冷仓室。 [0028] 在一个替代的配置方式中，所述制冷系统可以是空气循环机构。 [0029] 空气循环制冷系统可包括：用于从制冷仓室中除去空气的第一管道；压缩机；用于将所述制冷系统中的空气在膨胀之前进行加热的制冷器热交换器；膨胀器以及用于使已膨胀的冷却空气回流至制冷仓室的第二管道。 [0030] 空气循环制冷系统的所述压缩机可通过低温发动机系统的驱动机构驱动。 [0031] 所述低温发动机系统的至少一个热交换器可与所述制冷系统的至少一个热交换器相偶接。 [0032] 优选地，所述低温发动机系统的第二热交换器和废热热交换器中的至少其中一者与制冷器热交换器相偶接。 [0033] 该系统还可包括低温发动机系统，该低温发动机系统包括：用于存储工作流体的储罐；机械偶接至驱动机构并与储罐流体连通的且被构造成使工作流体膨胀以经由所述驱动机构输出机械功的第一膨胀器；以及第一热交换器，该第一热交换器在所述储罐与所述第一膨胀器之间流体连通并被构造成在所述工作流体被输送至所述第一膨胀器之前传递热量至所述工作流体。 [0034] 所述低温发动机系统还可包括构造成将所述工作流体引入所述第一热交换器的第一泵。这样的第一泵可通过所述驱动机构驱动。 [0035] 所述低温发动机系统还可包括与所述第一膨胀器流体连通的第二热交换器。 [0036] 所述低温发动机系统还可包括驱动机构和被机械连接至该驱动机构的第二膨胀器，该第二膨胀器与所述第二热交换器流体连通并被构造成使所述工作流体膨胀，从而经由该驱动机构输出机械功，并且，所述第二热交换器被构造成在所述工作流体WF被输送至所述第二膨胀器之前将热量传递至所述工作流体WF。 [0037] 所述低温发动机系统还可包括废热热交换器和出口，所述出口用于在工作流体已经通过一个或多个膨胀器之后从所述低温发动机系统中排出所述工作流体。 [0038] 该发动机还可包括用于将热交换流体引入至所述第一膨胀器中的引入器，并且，所述第一膨胀器可被构造成使所述工作流体与所述热交换流体混合。 [0039] 所述低温发动机系统还可包括：与所述第一膨胀器流体连通的相分离器，其用于使工作流体在膨胀之后与热交换流体分离；用于对所述热交换流体进行再加热的回热器；以及用于使热交换流体返回至所述第一膨胀器的第二泵。 [0040] 所述第二泵可通过所述驱动机构驱动。 [0041] 所述低温发动机系统还可包括用于在工作流体已经通过一个或多个膨胀器之后将所述工作流体从所述低温发动机系统中排出的出口。 [0042] 所述一个或多个膨胀器中的至少其中一个膨胀器可以是往复式膨胀器。 [0044] 有利地，所述低温发动机系统构造为驱动位于所述制冷系统外部的至少一个另外的系统。 [0046] 现将参考附图仅通过示例对本发明进行描述 [0047] 图1是根据本发明的系统的方框图； [0048] 图2是根据本发明的第一实施例的低温发动机系统的示意图； [0049] 图3是根据本发明的第二实施例的低温发动机系统的示意图； [0050] 图4是在图2中示出的低温发动机系统以及第一示例性制冷系统的示意图； [0051] 图5是包括图2中示出的低温发动机系统以及第一示例性制冷系统的系统的示意图； [0052] 图6是包括图3中示出的低温发动机系统以及第一示例性制冷系统的系统的示意图； [0053] 图7是包括图2中示出的低温发动机系统以及第二示例性制冷系统的系统的示意图；以及 [0054] 图8是示出了彼此组合在一起的往复式膨胀器和涡轮膨胀器的配置。 [0055] 在附图中，相似的特征由相似的附图标记标示。 具体实施方式[0056] 图1示出根据本发明的一个实施例的系统1的框图。系统1包括低温发动机系统10和制冷系统60。低温发动机系统10包括热力学动力循环机构12和用于存储低温工作流体的储罐14，工作流体例如为液态氮、液态空气、液化天然气、二氧化碳、氧气、氩气、压缩空气或压缩天然气、或者多种低温流体的混合物，如液态空气。本领域技术人员会理解，可以等同地使用任何其它适合的低温工作流体。制冷系统60包括用于对制冷仓室64进行制冷的制冷机构62。热交换系统90由将冷量从低温流体传递至制冷仓室的内部64i并且/或者将热量从制冷仓室64的内部64i传递至制冷流体WF从而辅助其膨胀的任何一个或多个部件。 [0057] 如图1所示，低温发动机系统10和制冷系统60相互机械偶接和/或热偶接。低温发动机系统10与制冷系统60的制冷机构62机械偶接，并且与制冷机构62热偶接并且/或者直接与制冷仓室64热偶接。热偶接借助于将在下文中更详细讨论的热交换系统90实现。机械偶接是指低温发动机系统10机械地驱动制冷机构62。或者，机械偶接能允许低温发动机系统驱动用于驱动制冷机构的发电机。热偶接是指由制冷系统60产生的热量用于使低温发动机系统10中的工作流体膨胀，并且低温发动机系统10中的冷却物质(低温工作流体的结果)用作用热沉以从制冷系统60除热。低温发动机系统10可以是用于制冷仓室64的直接或间接热沉。在直接配置形式中，来自低温发动机的冷量直接传至与来自容室64内的大气直接接触的热交换器，而在间接配置形式中，来自低温发动机的冷量首先传至中间传热流体F，中间传热流体F然后将冷量传至来自仓室64内的大气。这两种配置在下文中被详细讨论。图7和图8示出了间接配置。 [0058] 图2示出根据本发明的第一实施例的低温发动机系统110。低温发动机系统110的热力学动力循环机构112涉及从隔热的储罐114传递出加压低温工作流体WF(例如液氮)。这通过安装在储罐114内部或外部的低温泵116实现，或者通过例如借助于加热回路的罐加压实现。液氮被传递至第一热交换器118用于间接热传递，在其中液氮被气化成氮气并且在第一膨胀室120中膨胀之前被加热。当膨胀接近于不传热时会发生氮气温度下降。因此冷量在各个膨胀阶段之前和之后被获取。第一膨胀之后会接着进行任何数量的涉及进一步热交换和膨胀的后续阶段。图2中示出的实施例包括第二热交换器122和第二膨胀器124。工作流体或氮气在最后膨胀之后并且在通过出口128排放至大气之前还经过进一步的间接废热热交换器126。在各个阶段中的膨胀器都是通过在附图中呈驱动轴130形式示出的驱动机构产生动力的往复式膨胀器或涡轮式膨胀器。经由驱动轴130产生的机械动力输出被用于为其它装置或系统提供动力，例如为制冷系统提供动力，如将在下文详细讨论的。 [0059] 尽管在此描述的驱动机构130为驱动轴，但本领域技术人员可理解的是也可以使用替代的机械驱动机构。另外，还可以使用液压的或电动的泵或马达以及其它非机械式驱动机构。也可以设置中间存储装置、例如电池。另外，每个膨胀器可以与单独的驱动机构或驱动轴偶接，在这种情况下多个驱动轴例如通过电耦合彼此偶接。 [0060] 图3示出根据本发明的第二实施例的低温发动机系统210。低温发动机系统210包括储罐214、第一泵216、第一热交换器218、第一膨胀器220和出口228，如同在上文中参考图2进行讨论的。然而，在本实施例中，直接接触的热传递被用于凭借传热流体(例如乙二醇、水、制冷剂或空气)将热量传递至氮气，该传热流体利用第二泵232和引入器250被引入第一膨胀器220。氮气因此在第一膨胀器220内通过传热流体被加热并且可以被气化。在膨胀之后，传热流体通过气旋相分离器或其它相分离器234与氮气分离，其中氮气通过出口228排放至大气。一旦与氮气分离，传热流体经过回热器236并且通过第二泵232泵回至第一膨胀器220用于重新使用。 [0061] 在图3示出的实施例中，第二泵232通过驱动轴230驱动，该驱动轴输出来自第一膨胀器220的机械动力。然而，可以等同地使用任何其它方便取用的动力源。膨胀器220同样可以是往复式或涡轮式的并且包括通过驱动轴230产生动力输出的多个或单个阶段。或者，每个膨胀器可通过其各自的独立驱动轴输出机械功，在这种情况下驱动轴间例如通过电耦合彼此相互偶接。 [0062] 如图2和图3所示，来自膨胀阶段由驱动轴输出的功用于驱动第一泵。在图5至图8示出的本发明的系统的多个实施例中，由膨胀产生并且由驱动轴输出的机械动力用于驱动制冷系统以冷却制冷仓室。制冷系统为可以使用轴动力的任何已知配置，例如蒸汽压缩或空气循环类型。 [0063] 图4示出包括与在图2中所示出的相似的通过机械轴330机械偶接至制冷系统360的低温发动机系统310的系统300。制冷系统360包括空气循环机构，该空气循环机构包括用于从制冷仓室去除空气的第一管道366、压缩机368、制冷器热交换器370、膨胀器 372、用于使冷空气返回至制冷仓室的第二管道374。图4示出驱动轴330驱动制冷系统360的压缩机368。制冷系统的膨胀器372辅助驱动轴330的驱动。 [0064] 在低温发动机系统和制冷系统之间实现热偶接以及机械偶接也是有利的。图5至图8示出了实现该优点的本发明的多个实施例。在这些实施例中，低温发动机系统中的热交换器与热交换系统90中的热交换器通过合适的管件或其它接合机构偶接。这样做的目的是从仓室64回收热量以加热低温发动机系统中的准备膨胀的低温流体。热量还可以来自大气(环境热量)或其它来源，例如内燃机。该方法的其它好处是提高制冷系统的热量释放，从而提高系统的制冷性能。这种热传递作为与组合热交换器/散热器内的环境的热传递的补充可以是有利的。 [0065] 图5示出包括具有两级热力学动力循环机构的低温发动机系统410(与上文参考图2所描述的类似)的系统400，该低温发动机系统410与空气循环制冷系统偶接，如参考图4所描述的。低温发动机系统的第二热交换器422和废热热交换器426与在制冷系统的热侧的热交换器470热偶接。这可以作为与制冷系统中的大气的热交换的补充或替代。第一阶段热交换器418(或蒸发器)与回流空气流474(即，返回制冷仓室的冷空气)偶接从而允许回流空气在返回制冷仓室之前被冷冻剂进一步冷却。如果低温流体是液态空气，它也可优选地将冷排出物直接排放至该仓室。如前文所述，低温发动机系统410的第一泵416和制冷系统460的压缩机468均通过驱动轴430驱动，该驱动轴430输出由低温发动机系统410的膨胀器提供的机械功。制冷系统的膨胀器472辅助驱动轴430的驱动。 [0066] 图6示出与图5类似的系统500，不同之处在于低温发动机系统替换为与图3所示出的类似的系统510。在该配置中，热交换流体(HEF)用于在第一膨胀器520内发生膨胀期间加热低温发动机系统510中的氮，并且有利地热交换流体(HEF)的再加热是利用来自制冷系统的空气循环的热侧的热量。引入器550允许HEF被引入膨胀器550内。这允许在氮膨胀高于环境温度，从而增加低温发动机系统510的动力循环的输出功。 [0067] 图7示出另一实施例，其中，与参考图2的以上描述相类似的低温发动机系统610与蒸汽压缩制冷系统660偶接，该蒸汽压缩制冷系统660包括用于从制冷仓室64除去空气/大气的第一管道666、压缩机676、冷凝器678、膨胀阀680、蒸发器682、用于使冷空气返回至制冷仓室64的第二管道674、和用于使来自制冷仓室64的空气通过第一和/或第二管道进行循环以用于冷却的风扇684。第二热交换器622和废热热交换器626与制冷系统660的冷凝器678热偶接。第一阶段热交换器618和蒸发器682设置为相继地与来自制冷仓室64的冷空气进行热交换。中间传热流体循环系统690被用于制冷系统660的部件之间并且包含传热流体F。如上文所述，低温发动机循环机构的第一泵616和制冷系统的压缩机676由驱动轴630进行驱动，该驱动轴630输出由低温发动机系统610的膨胀器提供的机械功。 驱动空气流经冷却盘管的风扇684也由驱动轴630提供动力。 [0068] 图8示出另一配置方式，其中，热交换流体(HEF)如上文所述被用于低温发动机配置中，而传热流体F被用于制冷回路中。更详细地，工作流体WF经过第一热交换器718从而使在工作流体被引入膨胀器720之前先进行膨胀。在单独的回路中提供热交换流体HEF，该单独的回路包括用于将HEF引入膨胀器750的引入器750、用于使HEF从WF中分离并且使已用的工作流体经由排出口728排放至大气并使HEF经由热交换器冷凝器 722,726,770,778进行再循环的相分离器734，HEF在被送回至膨胀器720之前在热交换器冷凝器722,726,770,778中被再加热以用于重新使用。热交换器722还用作制冷系统790中的冷凝器热交换器778。回路790还包括优选地通过低温发动机710的驱动机构730驱动的压缩机776、用于使循环流体F膨胀的膨胀器780以及基本如上参考图7所述的蒸发器782。已经膨胀的流体F在返回至压缩机776之前经过热交换蒸发器782。该配置还包括用于从制冷仓室64中除去空气/大气并使所述大气经过膨胀器热交换器782以使来自该仓室64的大气与流体F之间进行热交换从而使大气激冷的第一管道666，以及在使大气返回至仓室64之前的第二管道774。第一热交换器718可布置在大气的流动通道中，并且便利地，可以布置在第二管道774内部以通过热传递使大气激冷或进一步激冷。热交换器 782和718可在管道766、774两者或者其中一者的内部串联或并联布置。 [0069] 要理解的是，上述配置中的热交换器118,122,126,218,236,318,322,326,370,418,422,426,470,518,570,618,622,626,670,718,782,770单独地并且/或者相互组合地有效形成热交换系统90，以在低温发动机与制冷系统60或制冷仓室64本身两者或其中一者之间进行热交换。当执行热传递任务时这些热交换器中的一个或多个可被称作传热构件。 在本说明书内的直接热交换是指低温发动机与来自制冷仓室64内的大气之间通过单个的热交换器进行的热交换，而间接热交换是指采用中间传热流体的配置。 [0070] 在所有的上述实施例中，通过一个或多个驱动轴(由制冷系统内的任何膨胀器辅助)从低温发动机输出的轴动力被用于驱动制冷系统中的压缩机、泵和任何风扇。在一个替代实施例中，通过驱动轴输出的所有或一部分轴动力被用作辅助动力源，并因此例如用来驱动用于发光或控制目的的交流发电机，或者用作向牵引车提供动力的主要动力源。 |
||||||
