高效率制冷系统 |
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| 申请号 | CN201280047744.8 | 申请日 | 2012-09-27 | 公开(公告)号 | CN103842745A | 公开(公告)日 | 2014-06-04 |
| 申请人 | 开利公司; | 发明人 | P.费尔马; F.J.科斯威尔; T.D.拉克利夫; M.法扎德; V.布拉斯科; J.R.穆尼奥斯; S.西瓦库马; | ||||
| 摘要 | 一种制冷系统包括第一、基本上在室外的、两相热传递 流体 蒸气压缩循环环路，其包括 压缩机 、 热交换器 冷凝器 、膨胀装置以及热交换器 蒸发 器 冷凝器的吸热侧，所述压缩机、热交换器冷凝器、膨胀装置以及吸热侧通过 导管 连接在封闭环路中且其中安置有临界 温度 大于或等于31.2℃的第一热传递流体。所述系统也包括经由所述热交换器 蒸发器 冷凝器将热传递到所述第一环路的第二、至少部分在室内的、两相热传递流体循环环路。所述第二环路包括所述热交换器蒸发器冷凝器的排热侧、液体 泵 以及热交换器蒸发器，所述排热侧、液体泵以及热交换器蒸发器通过导管连接在封闭环路中且其中安置有具有ASHRAEA级毒性等级以及ASHRAE1或2L级可燃性等级的第二热传递流体。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种热传递系统，其包括： |
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| 说明书全文 | 高效率制冷系统[0002] 制冷系统在HVAC&R（加热、通风、空调和制冷）领域中是已知的，并且操作以压缩热传递流体并使所述热传递流体在连接多个部件的闭环热传递流体回路中循环，以将热从待递送到气候受控空间的二次流体传递走。在基础制冷系统中，在压缩机中将热传递流体从较低压压缩到较高压且递送到下游的排热热交换器，对于流体是亚临界的且排热热交换器也用以将热传递流体从气态冷凝到液态的应用来说，所述排热热交换器常称作冷凝器。从排热热交换器（在所述排热热交换器处热通常从热传递流体传递到周围环境），高压热传递流体流到膨胀装置，在所述膨胀装置处，它膨胀到较低的压力和温度且接着传送到蒸发器，在所述蒸发器处，热传递流体使待递送到受调节环境的二次流体冷却。从蒸发器，热传递流体返回到压缩机。制冷系统的一个常见实例是空调系统，所述空调系统操作以对待递送到气候受控区或空间中的空气进行调节（冷却且通常也除湿）。其他实例可包括用于需要冷冻环境的各种应用的制冷系统。 [0003] 历史上，常规HFC和HCFC热传递流体（例如R22、R123、R407C、R134a、R410A和R404A）已用在空调和制冷应用中。然而，近来，对全球变暖以及在一些情况下对臭氧耗竭的担忧已导致了对替代热传递流体的需要。在一些情况中，已提出使用天然热传递流体，例如R744（CO2）、R718（水）或R717（氨）。各种已知和已提出的热传递流体各自具有它们自己的优点和缺点。例如，与许多基于烃的热传递流体相比，CO2作为热传递流体提供了零臭氧耗竭潜势以及低全球变暖潜势。然而，许多已提出的具有CO2作为热传递流体的系统要求CO2维持在超临界流体状态，这样可能会增加设备和操作复杂性以及成本。因此，一直持续存在对提供经改善的性能、环境足迹、成本或其任何组合的新制冷系统的需要。 [0004] 发明简述根据本发明的一个方面，一种制冷系统包括第一、基本上在室外的、两相热传递流体蒸气/压缩循环环路，其包括压缩机、热交换器冷凝器、膨胀装置以及热交换器蒸发器/冷凝器的吸热侧，所述压缩机、热交换器冷凝器、膨胀装置以及吸热侧通过导管连接在封闭流体循环环路中且其中安置有临界温度大于或等于31.2℃的第一热传递流体。所述系统也包括第二、至少部分在室内的、两相热传递流体循环环路，其经由所述热交换器蒸发器/冷凝器将热传递到所述第一热传递流体循环环路，所述第二热传递流体循环环路包括所述热交换器蒸发器/冷凝器的排热侧、液体泵以及热交换器蒸发器，所述排热侧、液体泵以及热交换器蒸发器通过导管连接在封闭流体循环环路中且其中安置有具有ASHRAE A级毒性等级以及ASHRAE 1或2L级可燃性等级的第二热传递流体。 [0005] 应理解，基本上在室外的意思是，环路和部件如果不是全部那么也有大部分处于室外，但是基本上在室外的第一环路的部分可以在室内。应理解，至少部分在室内的意思是，环路以及其部件的至少部分是在室内。至少部分在室内的环路可用以从离建筑物的外墙很远的室内位置传递热且对热传递流体的可燃性和毒性具有更严格的要求。基本上在室外的环路可用以将热从室内环路传递到外部环境，且可利用所选择的热传递流体来向室外环路提供热力，所述热力有效率地起作用，同时又满足关于全球变暖潜势（GWP）和臭氧耗竭潜势（ODP）的目标。 [0006] 附图简述在本说明书结尾处的权利要求书中明确地指出被视为本发明的主题且清楚地要求所述主题的权利。从以下结合附图所作的详细描述中明显看出本发明的前述和其他特征以及优点，在附图中： 图1是描绘具有主要和次要热传递流体循环环路的热传递系统的示意框图；以及图2是用于使主要热传递流体循环环路系统（如同图1中描绘的主要热传递流体循环环路系统）中的热传递流体膨胀的两相喷射器的示意图。 [0007] 发明详细描述在图1中以框图形式示出具有第一和第二热传递流体循环环路的示例性热传递系统。 如图1所示，第一流体循环环路100中的压缩机110对气态的第一热传递流体进行加压，这加热了流体且提供压力以使流体在所述系统中循环。从压缩机110离开的热的经加压气态热传递流体经由导管115流到热交换器冷凝器120，所述热交换器冷凝器充当热交换器以将热从热传递流体传递到周围环境，例如传递到通过风扇122经由导管124吹过热交换器冷凝器120的空气。热的热传递流体在冷凝器120中冷凝为经加压中温液体。从冷凝器 120离开的液态热传递流体经由导管125流到膨胀装置130，在所述膨胀装置处减小压力。 离开膨胀装置130的压力减小的液态热传递流体经由导管135流到热交换器蒸发器/冷凝器140的吸热侧，所述热交换器蒸发器/冷凝器充当热交换器以从次要流体循环环路200中的第二热传递流体吸收热量，且使第一热传递流体蒸发以便产生气态的热传递流体以经由导管105馈送给压缩机110，因此完成第一流体循环环路。 [0008] 第二流体循环环路200中的第二热传递流体将热从热交换器蒸发器/冷凝器140的排热侧传递给热交换器140的吸热侧上的第一热传递流体，且第二热传递流体蒸气在所述过程中冷凝以形成液态的第二热传递流体。液态的第二热传递流体离开热交换器蒸发器/冷凝器140，并且流经导管205，作为液体泵210的进料流。液态的第二热传递流体以高于泵入口压力的压力离开泵210且经由导管215流到热交换器蒸发器220，在所述热交换器蒸发器处，热传递给通过风扇225吹过导管230的空气。液态的第二热传递流体在热交换器蒸发器220中蒸发，且气态的第二热传递流体离开热交换器蒸发器220并经由导管235流到热交换器蒸发器/冷凝器140的排热侧，在所述热交换器蒸发器/冷凝器处，它冷凝且将热传递给主要流体循环环路100中的第一热传递流体，因此完成第二流体循环环路200。 [0009] 在另一示例性实施方案中，第二流体循环环路200可包括并联地安置在流体循环环路中的多个热交换器蒸发器（以及随附的风扇）。这可以通过在导管215中包括集管（未图示）以将从泵210输出的第二热传递流体并行地分配到多个导管来实现，所述多个导管各自通向不同的热交换器蒸发器（未图示）。每一热交换器蒸发器的输出将馈送到另一集管（未图示）中，所述集管将馈料到导管235中。具有多个并联热交换器蒸发器的此类系统可提供从室内环境内的许多位置进行热传递，而不要求每一室内单元具有单独的室外流体分配环路，这种情况不能使用基于常规两相可变制冷剂流动系统的室内环路来容易地实现，所述可变制冷剂流动系统要求每一蒸发器具有一膨胀装置。在第一流体循环环路100中可任选地采用类似配置，以包括并联地安置在所述流体循环环路中的多个热交换器冷凝器（以及随附的风扇和膨胀装置），其中导管115中的集管（未图示）将第一热传递流体并行地分配给各自通向不同的热交换器冷凝器和膨胀装置（未图示）的多个导管且导管135中的集管（未图示）用于将所述并联流体流动路径再结合。当使用多个热交换器冷凝器时，热交换器冷凝器和膨胀装置的数目一般将会少于热交换器蒸发器的数目。 [0010] 第一热传递流体循环环路利用在可燃性和/或毒性方面没有限制的热传递流体，且此环路是基本上在室外的环路。第二热传递流体循环环路利用满足某些可燃性和毒性要求的热传递流体，且此环路是基本上在室内的环路。应理解，基本上在室外的意思是，环路如果不是全部那么也有大部分处于室外，但是基本上在室外的第一环路的部分可以在室内且基本上在室内的第二环路的部分可以在室外。在示例性实施方案中，室外环路的任何室内部分以密封的方式与室内的其他受保护部分隔离，使得第一热传递流体的任何泄漏都不会散逸到室内结构的受保护部分。在另一示例性实施方案中，基本上在室外的环路以及其部件全部位于室外。应理解，至少部分在室内的意思是，环路以及其部件的至少部分是在室内，但一些部件（例如液体泵210和/或热交换器蒸发器冷凝器140）可位于室外。至少部分在室内的环路可用以从离建筑物的外墙很远的室内位置传递热且对热传递流体的可燃性和毒性具有更严格的要求。基本上在室外的环路可用以将热从室内环路传递到外部环境，且可利用所选择的热传递流体来向室外环路提供热力，所述热力有效率地起作用，同时又满足关于全球变暖潜势和臭氧耗竭潜势的目标。基本上在室外的环路的部分放置于室内或室内环路的部分放置于室外将部分取决于热交换器蒸发器/冷凝器的放置和配置，在所述热交换器蒸发器/冷凝器处，所述两个环路热接触。在热交换器蒸发器/冷凝器处于室外的示例性实施方案中，第二环路的导管205和/或235的部分则将延伸穿过建筑物外墙以与室外热交换器蒸发器/冷凝器140连接。在热交换器蒸发器/冷凝器140处于室内的示例性实施方案中，第一基本上在室外的环路的导管105和/或135的部分则将延伸穿过建筑物外墙以与室内热交换器蒸发器/冷凝器140连接。在第一环路的部分延伸到室内的此类实施方案中，则可以为热交换器蒸发器/冷凝器140以及导管105和/或135的室内延伸部分提供向外部通风的壳罩。在另一示例性实施方案中，热交换器蒸发器/冷凝器140可与外墙集成，使得任一流体循环环路都不会穿过其主要（室内或室外）区域的外侧。 [0011] 用在第一流体循环环路中的热传递流体的临界温度大于或等于31.2℃，更具体来说大于或等于35℃，这有助于使得它能够在正常操作条件下维持两种相。供用在第一流体循环环路中的示例性热传递流体包括但不限于饱和烃（例如丙烷、异丁烷）、不饱和烃（例如丙烯）、R32、R152a、氨、R1234异构体（例如，R1234yf、R1234ze、R1234zf）、R410a以及包括前述各项中的一者或一者以上的混合物。 [0012] 用在第二流体循环环路中的热传递流体具有ASHRAE A级毒性等级和ASHRAE 1或2L级可燃性等级。供用在第二流体循环环路中的示例性热传递流体包括但不限于亚临界流体CO2、包括R1234异构体（例如，R1234yf、R1234ze）和R134异构体（例如，R134a、R134）或R32的混合物、2相水或包括前述各项中的一者或一者以上的混合物。在另一示例性实施方案中，第二热传递流体包括至少25 wt%、且更具体来说至少50 wt%的亚临界流体CO2。 在又一示例性实施方案中，第二热传递流体包括纳米粒子以提供增强的导热性。示例性纳米粒子包括但不限于粒子大小小于500 nm（更具体来说小于200 nm）的粒子。在示例性实施方案中，纳米粒子的比热大于第二流体的比热。在又一示例性实施方案中，纳米粒子的导热性大于第二流体的导热性。在另一示例性实施方案中，纳米粒子的比热大于至少5 J/mol·K（更具体来说至少20 J/mol·K），和/或导热性至少0.5 W/m·K（更具体来说至少 1 W/m·K）。在另一示例性实施方案中，第二热传递流体包括大于0 wt%且小于或等于10 wt%的纳米粒子，更具体来说是从0.01 wt%到5 wt%的纳米粒子。示例性纳米粒子包括但不限于碳纳米管以及金属或准金属氧化物（例如Si2O3、CuO或A12O3）。 [0013] 用在第一热传递流体循环环路中的膨胀装置可以是任何种类的已知热膨胀装置，包括简易孔口或热膨胀阀（TXV）或电可控膨胀阀（EXV）。可对膨胀阀进行控制以控制热交换器蒸发器/冷凝器的吸热侧的出口处的过热且优化系统性能。此类装置以及其操作在本领域中是众所周知的且无需在本文中再做详细阐释。在另一示例性实施方案中，热膨胀装置包括两相喷射器加液体/蒸气分离器总成，所述总成可通过工作恢复来恢复原本在TXV或EXV中会损失的节流损失而提供增加的效率。此类两相喷射器总成在本领域中也是众所周知的，如US 3,670,519中所公开，US 3,670,519的公开内容以全文引用方式并入本文中。在示例性实施方案中，两相喷射器包括电控膨胀阀，如US 3,701,264中所公开，US3,701,264的公开内容以全文引用方式并入本文中。图2中示出了两相喷射器到第一热传递流体循环环路中的集成。图2中的流体循环环路与图1中的大体上相同，除了从热交换器冷凝器120离开的液态第一热传递流体经由导管125流到喷射器131之外。蒸气态第一热传递流体从热交换器蒸发器/冷凝器140经由导管102离开以将气化的第一热传递流体提供给喷射器131。喷射器131经由导管132喷射第一热传递流体的两相混合物，所述导管馈料到液体/蒸气分离器133中。液态第一热传递流体从分离器133经由导管135（其也包括膨胀阀130）流到热交换器蒸发器/冷凝器140的吸热侧。来自分离器133的蒸气经由导管105流到压缩机110的入口。 [0014] 在另一示例性实施方案中，压缩机110、风扇122、风扇225和/或泵210中的一者或一者以上利用变速驱动器（VSD）。对VSD的控制可利用已知的功率控制技术来实施，例如并入了输入功率因数校正（PFC）整流器和一个或多个逆变器（例如，每一单独的VSD一个逆变器）的集成功率电子系统。输入PFC整流器将单相AC输入电压转换成稳定DC公用母线电压以便以来自AC电源的低谐波电流来提供近似单位功率因数。电动机逆变器可与从公用DC母线拉出的输入并联连接。具有较高功率要求（例如，>1kW，例如对于压缩机）的电动机可使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为功率开关，而具有较低功率要求（例如，<1kW，例如对于鼓风机）的电动机可使用较低成本的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。任何类型的电动机都可用在VSD中，包括感应电动机或永磁（PM）电动机。在示例性实施方案中，压缩机110利用PM电动机，任选地与电子电路和/或微处理器结合，所述电子电路和/或微处理器仅使用绕组电流信号来自适应地估计转子磁铁位置，因此消除了对通常用在PM电动机中的昂贵的霍尔效应传感器的需要。VSD的精确速度设置将取决于置于系统上的需求而变化，但是如本领域中所知，可通过系统控制算法来设定以最大化系统操作效率和/或满足系统需求。通常，压缩机和泵的速度可基于用户需求而变化以控制系统容量，同时室内和室外鼓风机的速度可经控制以优化系统效率。 [0015] 任选膨胀装置（例如TXV或EXV）可并入到第二热传递流体循环环路中的导管215中，但在泵210具有VSD的某些示例性实施方案中这不是必要的，因为可使用泵速度来调节吸热热交换器的过热。 [0016] 用作热交换器冷凝器120、热交换器蒸发器/冷凝器140和热交换器蒸发器220的热交换器可以是任何种类的常规热交换器，例如壳管式热交换器。此类热交换器在本领域中是众所周知的且无需在本文中进行详细阐释。在示例性实施方案中，热交换器冷凝器120和/或热交换器蒸发器220中的一者或一者以上是紧凑型热交换器，例如微通道热交换器。微通道热交换器可以提供高的热传递水平，且所需的热传递流体的量减少。示例性可用微通道热交换器的各管径可小于2 mm，更具体来说小于1.5 mm。微通道热交换器的示例性可用设计在US 7,398,819或US 7,472,744中公开，所述各案的公开内容以全文引用方式并入本文中。在另一示例性实施方案中，热交换器蒸发器/冷凝器140是钎焊板式热交换器。此类热交换器在本领域中是众所周知的，且表示板安置在壳内部的传统壳管式热交换器的变型。板通过钎焊（或者替代地焊接）沿其周边组装在一起，从而在邻近的板之间形成流体流动通道，其中热传递在板上发生。邻近的板的内表面上的凸起褶皱也可钎焊在一起以提供迂回的通路以使流体在流体通道内流动。所述板中具有孔以提供流体入口和出口，所述入口和出口经配置以引导流体流到适当流动通道中。示例性钎焊板式热交换器在US 5,291,945、US 5,069,276和GB 2,005,398中公开，所述各案的公开内容以全文引用方式并入本文中。 [0017] 在一些示例性实施方案中，可能希望监测制冷剂泄漏（例如，在第一制冷剂是高度易燃的化合物（例如丙烷）的情况下）。可包括本领域中已知的泄漏监测算法以通过在给定压缩机速度下积极地监测制冷剂过冷和吸气过热来检测制冷剂填料的损失。另外，制冷剂泄漏检测器可安置在紧邻热传递流体环路的环境中。在检测到泄漏的情况中，可关闭压缩机和/或泵，且鼓风机继续工作运行以确保用周围空气稀释所泄漏的热传递流体。 [0018] 本文中所用的热传递流体可包括其他成分，以便增强组合物的某些功能性或向组合物提供某些功能性，或者在一些情况中，以便降低组合物的成本。例如，如本领域中众所周知的，制冷剂或其他热传递流体组合物可包括润滑剂以向例如压缩机等部件提供润滑。这些润滑剂中有常规上用在利用氯氟烃制冷剂的压缩制冷设备中的润滑剂。此类润滑剂以及其特性在1990 ASHRAE手册《制冷系统和应用（Refrigeration Systems and Applications）》第8章（标题为“制冷系统中的润滑剂（Lubricants in Refrigeration Systems）”，页数8.1到8.21）中有所论述。在示例性实施方案中，润滑剂可包括在压缩制冷润滑的领域中常被称作“矿物油”的那些润滑剂。矿物油可包括石蜡类（即，直链和支链碳链、饱和烃）、环烷类（即，环石蜡）以及芳烃类（即，含有以交替双键为特征的一个或多个环的不饱和、环烃）。在其他示例性实施方案中，润滑剂可包括在压缩制冷润滑的领域中常被称作“合成油”的那些润滑剂。合成油可包括烷基芳基类（即，直链和支链烷基烷基苯）、合成石蜡类和环烷类以及聚(α烯烃)类。代表性的常规润滑剂包括但不限于市售的BVM ® ®100 N（BVA Oils出售的石蜡矿物油）、Suniso 3GS和Suniso 5GS（Crompton Co.出售的® ® 环烷矿物油）、Sontex 372LT（Pennzoil出售的环烷矿物油）、Calumet RO-30（Calumet ® ® ® Lubricants出售的环烷矿物油）、Zerol 75、Zerol 150和Zerol 500（Shrieve Chemicals出售的直链烷基苯）以及HAB 22（Nippon Oil出售的支链烷基苯）。 [0019] 润滑剂可进一步包括已针对与氢氟烃制冷剂一起使用而进行设计且在压缩制冷、空调或热泵设备的操作条件之下可与制冷剂混合的那些润滑剂。此类润滑剂以及其特性在“合成润滑剂和高性能流体（Synthetic Lubricants and High-Performance Fluids）”（R. L. Shubkin，编辑，Marcel Dekker，1993）中有所论述。此类润滑剂包括但不限于多元醇酯®（POE）如Castrol 100（Castrol，United Kingdom）、聚亚烷基二醇（PAG）如购自Dow（Dow Chemical，Midland, Mich.）的RL-488A，以及聚乙烯基醚（PVE）。这些润滑剂可从各种商业来源容易购得。可通过考虑给定压缩机的要求以及润滑剂将暴露所在的环境来选择润滑剂。润滑剂可以具有在40℃下为至少大约5 cs的运动粘度。 [0020] 在需要时，可任选地向本发明的组合物添加常用制冷系统添加剂，以便增强润滑性和系统稳定性。这些添加剂在制冷压缩机润滑的领域中一般是已知的，且包括润滑剂增容剂、抗磨剂、极压润滑剂、防腐防氧化剂、金属表面减活剂、自由基清除剂、发泡和消泡控制剂、泄漏检测剂（例如，UV敏感染料）等等。一般来说，这些添加剂相对于总的组合物仅以少量存在。它们通常是以各添加剂从小于大约0.1%到多达大约3%的浓度来使用。这些添加剂是基于个别系统要求而进行选择。 [0021] 此类添加剂的一些典型实例可包括但不限于润滑增强添加剂，例如磷酸和硫代磷酸盐的烷基酯或芳基酯。另外，在本发明的组合物中可使用金属二烷基二硫代磷酸盐（例如，锌二烷基二硫代磷酸盐或ZDDP、Lubrizol 1375）以及此系列化学品的其他成员。其他抗磨添加剂包括天然产物油以及不对称多羟基润滑添加剂，例如Synergol TMS（International Lubricants）。类似地，可采用稳定剂，例如抗氧化剂、自由基清除剂和水清除剂。此类别中的化合物可包括但不限于丁基羟甲苯（BHT）和环氧化合物。 [0022] 虽然仅结合有限数目的实施方案详细地描述了本发明，但应易于理解本发明不限于此类公开的实施方案。而是，本发明可经修改以并入此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数目的变化、更改、替代或等效布置。另外，虽然已描述了本发明的各种实施方案，但应理解，本发明的方面可仅包括一些所描述的实施方案。因此，本发明不被视为受前述描述所限制，而是仅受所附权利要求书的范围所限制。 |
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