兩相制冷系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種傳熱系統(tǒng)，其包括第一兩相傳熱流體蒸汽/壓縮循環(huán)回路，該回路包括壓縮機(jī)、換熱器冷凝器、膨脹裝置和換熱器蒸發(fā)器/冷凝器的吸熱側(cè)。閉合的流體循環(huán)回路中的第一管道使通過其中的第一傳熱流體循環(huán)。第二兩相傳熱流體循環(huán)回路通過換熱器蒸發(fā)器/冷凝器將熱量傳遞到第一傳熱流體循環(huán)回路，包括換熱器蒸發(fā)器/冷凝器的排熱側(cè)、液體泵、定位在液體泵上游和換熱器蒸發(fā)器/冷凝器下游的液體制冷劑貯存器，以及換熱器蒸發(fā)器。閉合的流體循環(huán)回路中的第二管道使通過其中的第二傳熱流體循環(huán)，第二傳熱流體具有ASHRAE A級毒性和1或2L級易燃性等級。
【專利說明】兩相制冷系統(tǒng)
[0001]聯(lián)邦研究聲明
[0002]本發(fā)明是根據(jù)能源部頒發(fā)的合同號DE-EE0003955在政府支持下完成的。政府對本發(fā)明享有某些權(quán)利。
[0003]發(fā)明背景
[0004]本主題發(fā)明涉及制冷系統(tǒng)。更具體地，本主題發(fā)明涉及具有兩相制冷劑回路的級聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)。
[0005]制冷劑系統(tǒng)在HVAC&R(加熱，通風(fēng)，空調(diào)和制冷)領(lǐng)域中已知，并且操作以在連接多個部件的整個閉合回路傳熱流體循環(huán)中壓縮和循環(huán)傳熱流體，以將熱量從要輸送到氣候受控空間的次要流體傳遞出去。在基本的制冷劑系統(tǒng)中，傳熱流體在壓縮機(jī)中從較低壓力壓縮至較高壓力，并且被輸送到下游的排熱換熱器，排熱換熱器通常被稱為冷凝器用于其中流體為亞臨界流體的應(yīng)用，并且排熱換熱器也用于將傳熱流體從氣體狀態(tài)冷凝成液體狀態(tài)。高壓傳熱流體從其中熱量通常從傳熱流體傳遞到周圍環(huán)境的排熱換熱器流向膨脹裝置，在膨脹裝置中其膨脹到較低壓力和溫度，并且然后被發(fā)送到蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，傳熱流體將要輸送到受調(diào)節(jié)環(huán)境的次要流體冷卻。傳熱流體從蒸發(fā)器返回到壓縮機(jī)。制冷系統(tǒng)的一個常見示例為空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)操作以調(diào)節(jié)(冷卻并且經(jīng)常除濕)要輸送到氣候受控區(qū)域或空間中的空氣。其他示例可包括用于要求制冷環(huán)境的各種應(yīng)用的制冷系統(tǒng)。
[0006]在歷史上，常規(guī)HFC和HCFC傳熱流體諸如R22、R123、R407C、R134a、R410A和R404A已經(jīng)用于加熱、空調(diào)和制冷應(yīng)用中。然而，最近，關(guān)于全球變暖并且在一些情況下關(guān)于臭氧消耗的問題已經(jīng)產(chǎn)生了對另選傳熱流體的需要。在一些情況下，已經(jīng)提出使用天然傳熱流體諸如R744(CO2)、R718 (水)或R717 (氨)。各種已知和已經(jīng)提出的傳熱流體各自具有它們自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，相比于許多烴基傳熱流體，CO2作為傳熱流體提供零臭氧消耗可能性和低全球變暖可能性。然而，許多已經(jīng)提出的具有CO2作為傳熱流體的系統(tǒng)要求CO2維持在超臨界流體狀態(tài)，這可以增加設(shè)備和操作的復(fù)雜性與成本。例如，在許多系統(tǒng)中，CO2在栗入口上游被低溫冷卻，或被冷卻到低于其飽和溫度，在大約1.5華氏度與3華氏度之間，以迫使CO2液體完全相變成液體。為降低系統(tǒng)的功率消耗，可消除在栗入口處的低溫冷卻，但0)2流體流中夾帶的蒸汽在栗中導(dǎo)致氣穴，并且因此導(dǎo)致栗操作的不穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一個實(shí)施方案中，傳熱系統(tǒng)包括第一兩相傳熱流體蒸汽/壓縮循環(huán)回路，該回路包括壓縮機(jī)、換熱器冷凝器、膨脹裝置和換熱器蒸發(fā)器/冷凝器的吸熱側(cè)。閉合的流體循環(huán)回路中的第一管道使通過其中的第一傳熱流體循環(huán)。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括第二兩相傳熱流體循環(huán)回路，該回路通過換熱器蒸發(fā)器/冷凝器將熱量傳遞到第一傳熱流體循環(huán)回路，第二兩相傳熱流體循環(huán)回路包括換熱器蒸發(fā)器/冷凝器的排熱側(cè)、液體栗、定位在液體栗上游和換熱器蒸發(fā)器/冷凝器下游的液體制冷劑貯存器，以及換熱器蒸發(fā)器。閉合的流體循環(huán)回路中的第二管道使通過其中的第二傳熱流體循環(huán)。第二傳熱流體具有ASHRAE A級毒性等級和ASHRAE I或2L級易燃性等級，并且液體栗入口低溫冷卻在O °C與1 °C之間。
【附圖說明】
[0008]在本說明書結(jié)束時的權(quán)利要求中具體指出并且清楚地要求了被視為本發(fā)明的主題。從結(jié)合附圖做出的以下詳細(xì)描述中，本發(fā)明的前述特征和其他特征與優(yōu)點(diǎn)顯而易見，其中:
[0009]圖中為描繪具有主要傳熱流體循環(huán)回路和次要傳熱流體循環(huán)回路的傳熱系統(tǒng)的實(shí)施方案的方框示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]具有第一傳熱流體循環(huán)回路和第二傳熱流體循環(huán)回路的示例性傳熱系統(tǒng)以方框示意圖的形式在圖中示出。如圖所示，在第一流體循環(huán)回路100中的流體栗送裝置諸如壓縮機(jī)110以第一傳熱流體的氣態(tài)對其加壓，這既加熱流體又提供壓力以使流體在整個系統(tǒng)中循環(huán)。從壓縮機(jī)110離開的熱加壓的氣態(tài)傳熱流體通過管道115流向換熱器的冷凝器120，換熱器冷凝器120用作換熱器，以將熱量從傳熱流體傳遞到周圍環(huán)境，諸如通過穿過換熱器冷凝器120的管道124傳遞到由風(fēng)扇122吹出的空氣。熱的傳熱流體在冷凝器120中冷凝成加壓的中等溫度液體。從冷凝器120離開的液體傳熱流體通過管道125流向流量計量裝置諸如膨脹裝置130，在膨脹裝置130中壓力降低。離開膨脹裝置130的減壓液體傳熱流體通過管道135流向換熱器蒸發(fā)器/冷凝器140的吸熱側(cè)，該吸熱側(cè)用作換熱器以在次級流體循環(huán)回路200中從第二傳熱流體吸收熱量，并且將第一傳熱流體汽化，以產(chǎn)生處于其氣體狀態(tài)的傳熱流體，以通過管道105供給壓縮機(jī)110，從而完成第一流體循環(huán)回路。
[0011]第二流體循環(huán)回路200中的第二傳熱流體將熱量從換熱器蒸發(fā)器/冷凝器140的排熱側(cè)傳遞到換熱器140的吸熱側(cè)上的第一傳熱流體，并且第二傳熱流體蒸氣在該過程中冷凝，以形成處于其液體狀態(tài)的第二傳熱流體。液體第二傳熱流體離開換熱器蒸發(fā)器/冷凝器140并且作為液體栗210的進(jìn)料流流經(jīng)管道205。液體第二傳熱流體以比栗入口壓力高的壓力離開栗210，并且通過管道215流向換熱器蒸發(fā)器220，在換熱器蒸發(fā)器220熱量通過管道230傳遞到由風(fēng)扇225吹出的空氣。液體第二傳熱流體在換熱器蒸發(fā)器220中蒸發(fā)，并且氣態(tài)第二傳熱流體離開換熱器蒸發(fā)器220并通過管道235流向換熱器蒸發(fā)器/冷凝器140的排熱側(cè)，其在此冷凝并且將熱量傳遞到主要流體循環(huán)回路100中的第一傳熱流體，從而完成第二流體循環(huán)回路200。
[0012]為防止在液體栗210處的氣穴和操作不穩(wěn)定性，液體第二傳熱流體貯存器例如接收器232沿?fù)Q熱器蒸發(fā)器/冷凝器140與液體栗210之間的管道215定位。在接收器232處，第二傳熱流體冷凝成液體狀態(tài)但不低溫冷卻，或者在一些實(shí)施方案中最小限度的低溫冷卻，最小限度的低溫冷卻定義為在O攝氏度至10攝氏度之間的低溫冷卻，接收器232的體積防止蒸氣進(jìn)入液體栗210，從而消除了液體栗210的氣穴。在其他實(shí)施方案中，低溫冷卻的量在O攝氏度至5攝氏度之間、O攝氏度至3攝氏度之間或者O攝氏度至2攝氏度之間。在其他實(shí)施方案中，低溫冷卻的量為零。液體栗210速度的控制基于換熱器蒸發(fā)器220出口過熱水平。使用接收器232作為低溫冷卻第二傳熱流體的替代減少了系統(tǒng)的功率消耗，在一些實(shí)施方案中，每年減少在I %與2%之間。
[0013]在附加的示例性實(shí)施方案中，第二流體循環(huán)回路200可包括平行設(shè)置在流體循環(huán)回路中的多個換熱器蒸發(fā)器(和伴隨的風(fēng)扇)。這可通過在管道215中包括接頭(未示出)來實(shí)現(xiàn)，以將從栗210中輸出的第二傳熱流體平行分配到多個管道，每個管道通向不同的換熱器蒸發(fā)器(未示出)。每個換熱器蒸發(fā)器的輸出可供應(yīng)到另一個接頭(未示出)中，該接頭可供應(yīng)到管道235中。這種具有多個平行的換熱器蒸發(fā)器的系統(tǒng)可從整個室內(nèi)環(huán)境中的多個位置提供傳熱，而每個室內(nèi)單元并不要求單獨(dú)的室外流體分配回路，這使用基于常規(guī)2相可變制冷劑流量系統(tǒng)的室內(nèi)回路不能容易地實(shí)現(xiàn)，常規(guī)2相可變制冷劑流量系統(tǒng)要求為每個蒸發(fā)器提供膨脹裝置。在第一流體循環(huán)回路100中可任選地采用類似的配置，以包括平行設(shè)置在流體循環(huán)回路中的多個換熱器冷凝器(和伴隨的風(fēng)扇與膨脹裝置)，其中管道115中的接頭(未示出)將第一傳熱流體平行分配到多個管道，每個管道通向不同的換熱器冷凝器和膨脹裝置(未示出)和管道135中的接頭(未示出)，以將平行的流體流動路徑再結(jié)合。當(dāng)使用多個換熱器冷凝器時，換熱器冷凝器和膨脹裝置的數(shù)目通常比換熱器蒸發(fā)器的數(shù)目要少。
[0014]第一傳熱流體循環(huán)回路利用在易燃性和/或毒性方面不受限的傳熱流體，并且該回路基本上為室外回路。第二傳熱流體循環(huán)回路采用符合特定的易燃性和毒性要求的傳熱流體，并且該回路基本上為室內(nèi)回路。就基本上室外而言，應(yīng)當(dāng)理解，如果不是全部那么大部分回路在室外，但基本上室外的第一回路的一些部分可以在室內(nèi)，并且基本上室內(nèi)的第二回路的一些部分可以在室外。在示例性實(shí)施方案中，室外回路的任何室內(nèi)部分以密封方式與室內(nèi)的其他受保護(hù)部分隔離，使得第一傳熱流體的任何泄漏不會逸出到室內(nèi)結(jié)構(gòu)的受保護(hù)部分。在另一個示例性實(shí)施方案中，所有的基本上室外的回路及其部件均定位在室外。就至少部分室內(nèi)而言，應(yīng)當(dāng)理解，回路及其部件的至少一部分在室內(nèi)，但是一些部件諸如液體栗210和/或換熱器蒸發(fā)器冷凝器140可定位在室外。
[0015]至少部分室內(nèi)的回路可用于交換來自遠(yuǎn)離建筑外墻體的室內(nèi)位置的熱量，并且對于傳熱流體的易燃性和毒性具有更嚴(yán)格的要求?；旧鲜彝饣芈房捎糜谠谑覂?nèi)回路與外部環(huán)境之間交換熱量，并且可利用所選的傳熱流體提供具有熱動力學(xué)的室外回路，該室外回路有效地工作同時符合全球變暖可能性和臭氧消耗可能性的目標(biāo)。把基本上室外回路的一些部分放在室內(nèi)或把在室內(nèi)回路的一些部分放在室外將部分取決于換熱器蒸發(fā)器/冷凝器的放置和配置，在換熱器蒸發(fā)器/冷凝器中，兩個回路熱接觸。在換熱器蒸發(fā)器/冷凝器在室外的示例性實(shí)施方案中，那么第二回路的管道205和/或235的一些部分將延伸通過外部的建筑墻體，以與室外換熱器蒸發(fā)器/冷凝器140連接。在換熱器蒸發(fā)器/冷凝器140在室內(nèi)的示例性實(shí)施方案中，那么第一基本上室外的回路的管道105和/或135的一些部分將延伸通過外部的建筑墻體，以與室內(nèi)換熱器蒸發(fā)器/冷凝器140連接。在第一回路的一些部分在室內(nèi)延伸的這種實(shí)施方案中，那么可為換熱器蒸發(fā)器/冷凝器140和管道105和/或135的室內(nèi)延伸部分提供通向外部的殼體。在另一個示例性實(shí)施方案中，換熱器蒸發(fā)器/冷凝器140可與外部墻體結(jié)合在一起，使得流體循環(huán)回路兩者均不穿過它們初始(室內(nèi)或室外)區(qū)域的外部。
[0016]在第一流體循環(huán)回路中使用的傳熱流體具有大于或等于31.2°C，更具體地大于或等于35 °C的臨界溫度，這有助于使其能夠維持正常操作條件下的兩相。用于在第一流體循環(huán)回路中使用的示例性傳熱流體包括但不限于飽和烴(例如，丙烷、異丁烷)、不飽和烴(例如，丙烯)、1?2、1?1523、氨、1?1234異構(gòu)體(例如，1?12347￡、1?123426、1?12342￡)、1?41(^以及包含前述流體中的一種或多種的混合物。
[0017]在第二流體循環(huán)回路中使用的傳熱流體具有ASHRAEA級毒性等級和ASHRAE I或2L級易燃性等級，或它們的ISO 817等效級。用于在第二流體循環(huán)回路中使用的示例性傳熱流體包括但不限于亞臨界流體C02、包含R1234異構(gòu)體(例如，R1234yf、R1234ze)和R134異構(gòu)體(例如，Rl 34a、Rl 34)或R32、2相水的混合物或者包含前述流體中的一種或多種的混合物。在另一個示例性實(shí)施方案中，第二傳熱流體包含至少25wt%，并且更具體地至少50^%的亞臨界流體C02。在又一個示例性實(shí)施方案中，第二傳熱流體包含納米顆粒，以提供增強(qiáng)的熱導(dǎo)率。示例性納米顆粒包括但不限于粒度小于500nm(更具體地小于200nm)的顆粒。在示例性實(shí)施方案中，納米顆粒的比熱大于第二流體的比熱。在又一個示例性實(shí)施方案中，納米顆粒的熱導(dǎo)率大于第二流體的熱導(dǎo)率。在進(jìn)一步的示例性實(shí)施方案中，納米顆粒具有大于至少5J/mol.K(更具體為至少20J/mol.K)的比熱，和/或具有至少0.5W/m.K(更具體地至少lW/m.K)的熱導(dǎo)率。在另一個示例性實(shí)施方案中，第二傳熱流體包含大于0￥〖％且小于或等于1wt %的納米顆粒，更具體地包含從0.0lwt %至5wt %的納米顆粒。示例性納米顆粒包括但不限于碳納米管和金屬或準(zhǔn)金屬氧化物，諸如Si2O3、CuO或Al2O3。
[0018]在第一傳熱流體循環(huán)回路中使用的膨脹裝置可以為任何種類的已知熱膨脹裝置，包括簡單的孔口或熱膨脹閥(TXV)或電子可控制膨脹閥(EXV)。膨脹閥可被控制以控制在換熱器蒸發(fā)器/冷凝器的吸熱側(cè)出口處的過熱并且優(yōu)化系統(tǒng)性能。此類裝置以及它們的操作在本領(lǐng)域中已知并且在此無需附加的詳細(xì)解釋。
[0019]用作換熱器冷凝器120，換熱器蒸發(fā)器/冷凝器140，以及換熱器蒸發(fā)器220的換熱器可以為任何類型的常規(guī)換熱器，諸如管殼式換熱器。此類換熱器在本領(lǐng)域中已知，并且在此無需詳細(xì)說明。在示例性實(shí)施方案中，換熱器冷凝器120和/或換熱器蒸發(fā)器220中的一個或多個為緊湊型換熱器，諸如微通道換熱器。微通道換熱器可在減少所需傳熱流體量的情況下提供高的傳熱水平。示例性的可用微通道換熱器可具有小于2mm，更具體地小于1.5_的單個管直徑。在另一個示例性實(shí)施方案中，換熱器蒸發(fā)器/冷凝器140為釬焊板式換熱器。此類換熱器在本領(lǐng)域中已知，并且表示在其中板布置在殼內(nèi)部的傳統(tǒng)管殼式換熱器的變型。板沿其外圍使用釬焊(或另選地焊接)組裝在一起，從而在相鄰的板之間形成流體流動通道，其中橫跨一個或多個板發(fā)生傳熱。在相鄰板的內(nèi)表面上的凸出波紋也可以釬焊在一起，以提供迂回通路用于流體通道內(nèi)的流體流動。板在其中具有孔以提供流體的入口和出口，孔經(jīng)配置將流體流動導(dǎo)入適當(dāng)?shù)牧鲃油ǖ馈?br>[0020]雖然僅與有限數(shù)目的實(shí)施方案結(jié)合詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)容易理解的是，本發(fā)明并不限于此類公開的實(shí)施方案。相反，本發(fā)明可被修改以結(jié)合此前未描述過的任何數(shù)目的變化、改變、替換或等效布置，但它們與本發(fā)明的精神和范圍相稱。此外，雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實(shí)施方案，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的方面可僅包括所述實(shí)施方案中的一些。因此，本發(fā)明不應(yīng)被視為由前述描述加以限制，而是僅由所附權(quán)利要求的范圍進(jìn)行限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種傳熱系統(tǒng)，其包括: 第一傳熱流體循環(huán)回路，其包括: 流體栗送裝置； 換熱器，其將熱量從流過其中的第一傳熱流體排出； 流量計量裝置；以及 換熱器，其用于將熱能吸收到第一傳熱流體中； 其中閉合的流體循環(huán)回路中的第一管道使通過其中的所述第一傳熱流體循環(huán)；以及第二兩相傳熱流體循環(huán)回路，其通過所述內(nèi)部換熱器與所述第一傳熱流體循環(huán)回路交換熱量，所述第二兩相傳熱流體回路包括: 排熱換熱器； 液體栗；以及 吸熱換熱器； 其中閉合的流體循環(huán)回路中的第二管道使通過其中的第二傳熱流體循環(huán)，所述第二傳熱流體具有ASHRAE A級毒性等級和ASHRAE I或2L級易燃性等級或它們的ISO 817等效級，并且液體栗入口低溫冷卻在(TC與I (TC之間。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱系統(tǒng)，其中所述第一流體循環(huán)回路至少部分地設(shè)置在室外。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二流體循環(huán)回路至少部分地設(shè)置在室內(nèi)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱系統(tǒng)，其中所述第一傳熱流體具有大于或等于31.2°C的臨界溫度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱系統(tǒng)，其中在所述第一流體循環(huán)回路中的所述流體栗送裝置為變速的。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱系統(tǒng)，其中在所述第二流體循環(huán)回路中的液體栗為變速栗O7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳熱系統(tǒng)，其中所述液體栗的速度由所述第二循環(huán)回路的吸熱換熱器過熱水平來確定。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱系統(tǒng)，其中所述第一流體循環(huán)回路進(jìn)一步包括膨脹裝置。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱系統(tǒng)，其中所述第一傳熱流體包括飽和烴。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱系統(tǒng)，其中所述第一傳熱流體包括丙烷、丙烯、異丁烷、R32、R152a、氨、R1234異構(gòu)體或 R410a。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱系統(tǒng)，其中所述第二傳熱流體包括亞臨界流體C02、包含Rl 234異構(gòu)體和Rl 34異構(gòu)體或R32或2相水的混合物。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳熱系統(tǒng)，其中所述第二傳熱流體包括亞臨界流體C02。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括在所述液體栗上游安裝在所述第二流體循環(huán)回路中的接收器，以實(shí)現(xiàn)所述栗入口低溫冷卻。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱系統(tǒng)，其中在所述第二流體循環(huán)回路中的所述液體栗上游的所述第二管道實(shí)現(xiàn)所述栗入口低溫冷卻。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱系統(tǒng)，其中所述液體栗入口低溫冷卻在0°C與5°C之間。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的傳熱系統(tǒng)，其中所述液體栗入口低溫冷卻在(TC與1°C之間。17.權(quán)利要求16所述的傳熱系統(tǒng)，其中所述液體栗入口低溫冷卻為(TC。
【文檔編號】F25B9/00GK105960567SQ201480069383
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2014年8月14日
【發(fā)明人】馮寅山, 王金亮, F.趙, T.D.拉克利夫, P.費(fèi)爾馬
【申請人】開利公司