專利名稱：采用多組分致冷劑的低溫致冷壓縮系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及提供致冷，更具體而言，涉及在低溫下提供致冷。
在典型的致冷系統(tǒng)中，將致冷劑流體如R-12、R-134a或其它氟里昂類型的致冷劑壓縮，使致冷劑膨脹產(chǎn)生致冷，接著使冷從致冷劑進(jìn)入冷接受體而使致冷劑變熱。然后使已變熱的致冷劑返回壓縮機(jī)，并重復(fù)致冷循環(huán)。
在致冷循環(huán)中所采用的壓縮機(jī)，一般是使用潤滑油潤滑的，這種潤滑劑的一部分隨被壓縮的致冷劑離開壓縮機(jī)。在實(shí)踐中使用潤滑油，例如多元醇酯-基潤滑油一般是良好的，多元醇酯-基潤滑油是致冷劑是非常易溶的。這樣，隨被壓縮的致冷劑離開壓縮機(jī)的所有潤滑油，基本上都隨著循環(huán)的已變熱的致冷劑返回到壓縮機(jī)中。如果離開壓縮機(jī)的大量潤滑油仍保留在致冷回路中，而未返回壓縮機(jī)，可能因壓縮機(jī)中潤滑油不夠而引起壓縮機(jī)效率的下降，也許甚至還會(huì)造成壓縮機(jī)不能運(yùn)行。
非常低的溫度或低溫致冷，已變得越來越重要了，例如在能量生產(chǎn)、能量傳送和電子學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)得到應(yīng)用。所以在致冷系統(tǒng)中，對(duì)提高在低溫下致冷和供冷能力的任何改進(jìn)都是非常需要的。
因此本發(fā)明的目的是提供在低溫下致冷和供冷的改進(jìn)系統(tǒng)。
對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在閱讀了本申請(qǐng)的公開內(nèi)容以后，上述和其它目的是顯而易見的，上述和其它目的可通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明的一個(gè)方面是在一種供冷方法中，壓縮其中的致冷劑流體，使其膨脹產(chǎn)生致冷，然后向冷接受體供冷而變熱，其改進(jìn)包括(A)采用多組分致冷劑作為致冷劑流體；(B)采用壓縮機(jī)壓縮多組分致冷劑，壓縮機(jī)采用聚α烯烴-基潤滑油潤滑；和(C)在溫度低于220K下供冷。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是供冷設(shè)備，其中包括
(A)潤滑油潤滑的壓縮機(jī)、潤滑油分離系統(tǒng)、使多組分致冷劑從壓縮機(jī)進(jìn)入潤滑油分離系統(tǒng)的裝置、和使?jié)櫥蛷臐櫥头蛛x系統(tǒng)進(jìn)入壓縮機(jī)的裝置；(B)膨脹裝置、熱交換器、使多組分致冷劑從潤滑油分離系統(tǒng)進(jìn)入膨脹裝置、從膨脹裝置進(jìn)入熱交換器、和從熱交換器進(jìn)入壓縮機(jī)的裝置；和(C)向熱交換器提供冷接受體的裝置，從而從多組分致冷劑向致冷接受體供冷。
本申請(qǐng)所用的術(shù)語“間接熱交換”，系指二種流體發(fā)生熱交換關(guān)系，但這二種流體沒有任何物理接觸和流體間的相互混合。
本申請(qǐng)所用的術(shù)語“膨脹”，系指減壓效應(yīng)。
本申請(qǐng)所用的術(shù)語“可變負(fù)載的致冷劑”，系指多組分致冷劑，即二種或多種組分的混合物，其比例能使這些組分的液相在混合物的始沸點(diǎn)和露點(diǎn)之間連續(xù)地發(fā)生升溫變化?；旌衔锏氖挤悬c(diǎn)，是在給定壓力下，混合物全部為液相，但加熱后，便開始生成與液相平衡的蒸氣相的溫度?；旌衔锏穆饵c(diǎn)，是在給定壓力下，混合物全部是蒸氣相，但抽取熱量后，便開始生成與蒸氣相平衡的液相的溫度。因此，混合物始沸點(diǎn)和露點(diǎn)之間的溫度區(qū)域，是液體和蒸氣相平衡共存的區(qū)域。在本發(fā)明的實(shí)踐中，多組分致冷劑液體的始沸點(diǎn)和露點(diǎn)之間的溫度差，一般為至少10℃，優(yōu)選至少20℃，最優(yōu)選至少50℃。
本申請(qǐng)所用的術(shù)語“大氣氣體”，系指下列氣體中的一種氮(N2)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氖(Ne)、二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)、氧(O2)、和氦(He)。
本申請(qǐng)所用的術(shù)語“壓縮機(jī)”，系指提高氣體壓力的裝置。
本申請(qǐng)所用的術(shù)語“被潤滑的”，系指裝置的特性，其中，以薄膜的形式加入一種能降低固體表面之間摩擦、發(fā)熱和磨損的物質(zhì)。
本申請(qǐng)所用的術(shù)語“聚α烯烴”，系指具有≥6個(gè)碳原子的直鏈α烯烴。
本申請(qǐng)所用的術(shù)語“聚α烯烴-基潤滑油”，系指在其基本原料中采用一種或多種聚α烯烴物質(zhì)的潤滑油制品。
本申請(qǐng)所用的術(shù)語“可溶混的”，如果指的是蒸氣相和液相的相互作用，系指可溶解的，如果指的是二種液相的相互作用，系指可溶混的。
本申請(qǐng)所用的術(shù)語“溶混性”，如果指的是蒸氣和液相的相互作用，系指溶解性，如果指的是二種液體的相互作用，系指溶混性。
唯一的附圖
，是可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種優(yōu)選配置的簡化示意圖。
本發(fā)明一般包括采用多組分致冷劑在低溫下產(chǎn)生致冷，即在溫度低于220K下致冷，并包括采用壓縮機(jī)壓縮這種致冷劑，壓縮機(jī)是采用聚α烯烴-基潤滑油潤滑的。這種潤滑油與致冷劑的可溶混性非常低，所以隨被壓縮的致冷劑離開壓縮機(jī)的幾乎全部潤滑油，在致冷劑進(jìn)入致冷循環(huán)的低溫部分之前，能比較容易地與致冷劑分離。這樣，就避免了潤滑油在致冷循環(huán)內(nèi)的冷凍，如果潤滑油與致冷劑混合，則潤滑劑將發(fā)生冷凍。在低溫部分上游與多組分致冷劑分離的潤滑油，離開致冷劑返回壓縮機(jī)。
致冷劑與潤滑劑有限的可溶混性(液相可溶混性低，通常相應(yīng)于蒸氣和液體之間的低溶解度)，對(duì)提高螺旋壓縮機(jī)的操作性能有利，因?yàn)橹吕鋭┰跐櫥椭械挠邢奕芙舛饶芟吕鋭┡诺轿诘呐月?。此外，還能減少或消除致冷劑通過隨潤滑油循環(huán)的旁路。在熱交換器中，非常希望沒有任何潤滑油，使熱傳遞性能不隨時(shí)間而下降。帶出潤滑油的機(jī)理基本上有二種(1)以小的氣溶膠液滴的形式，和(2)以蒸氣的形式，蒸氣是由于其蒸氣壓產(chǎn)生的。優(yōu)選的潤滑油幾乎沒有蒸氣壓，所以在致冷劑蒸氣中沒有明顯的潤滑油。優(yōu)選的潤滑油純度非常高，即具有極少的雜質(zhì)和具有少量的雜質(zhì)。
下面將參照附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明?，F(xiàn)在見附圖，使多組分致冷劑流體1通過壓縮機(jī)10，其中一般將致冷劑壓縮到壓力為50-1000psia(磅/英寸2絕對(duì)壓力)。多組分致冷劑1優(yōu)選包括至少二種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、碳氟氯氫化合物、氟代醚、氟氫代醚、大氣氣體和烴的成分。適合在本發(fā)明實(shí)踐中使用的多組分致冷劑，優(yōu)選是可變負(fù)載的致冷劑。
適合本發(fā)明使用的多組分致冷劑，優(yōu)選包括至少一種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、氟代醚、氟氫代醚的成分，和至少一種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、碳氟氯氫化合物、氟代醚、氟氫代醚、大氣氣體和烴的成分。
適合本發(fā)明使用的另一種優(yōu)選的多組分致冷劑，包括至少二種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、氟代醚、氟氫代醚的成分，和至少一種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、碳氟氯氫化合物、氟代醚、氟氫代醚、大氣氣體和烴的成分。
適合本發(fā)明使用的另一種優(yōu)選的多組分致冷劑，包括至少一種碳氟化合物，和至少一種選自碳氟氫化合物和大氣氣體的成分。
適合本發(fā)明使用的另一種優(yōu)選的多組分致冷劑，包括至少一種碳氟氫化合物，和至少一種大氣氣體。
適合本發(fā)明使用的另一種優(yōu)選的多組分致冷劑，包括至少三種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、氟代醚和氟氫代醚的成分，和至少一種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、碳氟氯氫化合物、氟代醚、氟氫代醚、烴和大氣氣體的成分。
適合本發(fā)明使用的另一種優(yōu)選的多組分致冷劑，包括至少二種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、氟代醚和氟氫代醚的成分，和至少一種大氣氣體成分。
適合本發(fā)明使用的另一種優(yōu)選的多組分致冷劑，包括至少二種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、氟代醚和氟氫代醚的成分，至少一種大氣氣體，和至少一種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、碳氟氯氫化合物、氟代醚、氟氫代醚、烴和大氣氣體的成分。
適合本發(fā)明使用的另一種優(yōu)選的多組分致冷劑，包括至少二種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、氟代醚和氟氫代醚的成分，和至少二種大氣氣體。
適合本發(fā)明使用的另一種優(yōu)選的多組分致冷劑，包括至少一種氟代醚，即包含至少一種氟代醚，和至少一種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、氟代醚、氟氫代醚、碳氟氯氫化合物、烴和大氣氣體的成分。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，多組分致冷劑只由碳氟化合物組成。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，多組分致冷劑只由碳氟化合物和碳氟氫化合物組成。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，多組分致冷劑只由氟代醚組成。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，多組分致冷劑只由氟代醚和氟氫代醚組成。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，多組分致冷劑只由碳氟化合物、碳氟氫化合物、氟代醚和氟氫代醚組成。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，多組分致冷劑只由碳氟化合物、氟代醚、和大氣氣體組成。多組分致冷劑最優(yōu)選的各種成分，是碳氟化合物、碳氟氫化合物、氟代醚、氟氫代醚，或大氣氣體。
在本發(fā)明實(shí)踐中使用的，特別優(yōu)選的多組分致冷劑，包括約12％(摩爾)的二氯三氟乙烷，約36％(摩爾)的五氟乙烷，約39％(摩爾)的四氟甲烷，和約13％(摩爾)的氮。
適合在本發(fā)明實(shí)踐中使用的多組分致冷劑，一般優(yōu)選包括一種或多種選自二氯三氟乙烷、五氟乙烷、四氟甲烷、氮、全氟丁氧基-甲烷、十氟戊烷、二氯五氟丙烷、全氟丙氧基-甲烷、二氯氟乙烷、五氟丙烷、六氟丙烷、六氟丁烷、五氟丁烷、四氟乙烷、氨、五氟乙烷、全氟丙烷、全氟丁烷、全氟戊烷、全氟己烷、二氟甲烷、全氟乙烷、三氟甲烷、四氟甲烷、一氯四氟乙烷、氬、氖、氦、二氧化碳、和一氧化二氮的成分。
壓縮機(jī)10采用聚α烯烴-基潤滑油潤滑。在本發(fā)明實(shí)踐中使用的，優(yōu)選的聚烯烴的通式為CnH2n＋2，式中n為10-120。實(shí)例包括C20H42、C30H62、C40H82、C50H102、C60H122和C70H142。
氣體的溶解度是溫度、壓力、偶極矩、和溶劑與溶質(zhì)之間相互作用的性質(zhì)的函數(shù)。如果有路易斯(Lewis)酸-堿相互作用、四極矩之間特殊的化學(xué)相互作用、或有氫鍵，可以增加氣體的溶解度。溶解度也會(huì)隨液相的溶混性而增加。聚α烯烴是一種直鏈飽和烴，是非極性的，一般酸度為中性。優(yōu)選的致冷劑混合物的成分也是非極性的，或呈低極性。由于溶質(zhì)-溶劑的相互作用，它們的溶解度不會(huì)增加；于是這些成分在潤滑油相中的濃度是非常小的，一般小于1％，可以低于300ppm。當(dāng)致冷劑在潤滑油中的濃度低或無時(shí)，(1)能使壓縮機(jī)排氣中生成的油霧最少，(2)能使壓縮機(jī)排氣中生成的潤滑油滴較大，(3)由于氣溶膠的尺寸較大，所以能進(jìn)行較好的機(jī)械分離，和(4)由于油滴沒有破碎，增加了油滴的聚結(jié)速度。
選擇多組分致冷劑的成分和在潤滑油中使用的具體的聚α烯烴，使?jié)櫥驮谥吕鋭┲械娜芑煨圆怀^1％，優(yōu)選不超過500ppm。
在油淹沒式壓縮機(jī)10中，將多組分致冷劑和潤滑油一起壓縮，并以被壓縮的致冷劑-潤滑油流體2的形式離開壓縮機(jī)10，致冷劑-潤滑油流體2一般包括約10-20％(重量)的潤滑油。將致冷劑-潤滑油流體2通入主潤滑油分離器20，主潤滑油分離器20優(yōu)選是重力澄清槽或旋流器類型的分離器。在分離器20中，由于潤滑油在致冷劑中的溶混性非常低，所以在致冷劑-潤滑油流體2中的大部分潤滑油與流體分離，以液流3從分離器20排出，以潤滑油循環(huán)流4直接返回壓縮機(jī)10。
貧潤滑油的致冷劑流體流5，一般包含約0.01-5％(重量)，典型的包含約1％(重量)的潤滑油，使其從分離器20通入粗滴聚結(jié)過濾器25，在其中使?jié)櫥秃拷抵潦畠|分之50-100000(ppb)，一般約7500ppb，再以液流6，從其中通入細(xì)滴聚結(jié)過濾器26，在其中將潤滑油的含量降低至小于5ppb。機(jī)械聚結(jié)過濾器25和26運(yùn)行時(shí)，捕獲氣溶膠中的油滴并使它們澄清，使在過濾元件內(nèi)形成較大的油滴。由于潤滑油的密度大于這一階段在蒸氣相中的多組分致冷劑的密度，所以潤滑油隨著油滴尺寸的增加，借重力下沉。油滴與多組分致冷劑蒸氣分離，返回到壓縮機(jī)。在附圖中舉出的本發(fā)明的實(shí)施方案中，潤滑油以物流7從聚結(jié)過濾器系統(tǒng)25中排出，和以物流8從聚結(jié)過濾器系統(tǒng)26中排出，合并成物流9，使物流9加入循環(huán)液流4中，返回壓縮機(jī)10。潤滑油可通過內(nèi)部的浮球閥組件返回壓縮機(jī)。返回潤滑油的其它方法包括，在潤滑油出口連接件和壓縮機(jī)曲軸箱之間，采用一個(gè)固定孔或捕獲孔?？梢圆捎秒姶砰y和時(shí)間繼電器，或采用電磁閥和液位開關(guān)，使用電子方法控制潤滑油的返回。如果需要，為了進(jìn)一步降低多組分致冷劑流體中潤滑油的含量，可以采用一個(gè)或多個(gè)附加的聚結(jié)過濾器，然而，所采用的每一個(gè)附加過濾器都會(huì)增加系統(tǒng)的壓降。
使基本上不包含潤滑油的多組分致冷劑蒸氣，以物流11通入后冷卻器30，在其中與冷卻流體進(jìn)行間接的熱交換，除去壓縮熱而冷卻，形成被壓縮的多組分致冷劑流12。如果在致冷劑流12中發(fā)生一些凝結(jié)，就將其通入蒸氣-液體分離器40。將二相流12分離成液體和蒸氣部分，通常采用單獨(dú)的集氣管將蒸氣部分加入熱交換器中，以促進(jìn)在不同的管道或通道中的均勻分布。在某些熱交換器的結(jié)構(gòu)和操作條件下，分離器40是不必要的，可將二相流12直接通入熱交換器50中。
將多組分致冷劑供給熱交換器50，多組分致冷劑在其中與正在變熱的多組分致冷劑進(jìn)行間接的熱交換而冷卻(這一點(diǎn)下面還將進(jìn)一步地討論)以生成被冷卻的多組分致冷劑流31，其溫度一般為250K-80K。然后使多組分致冷劑31通入膨脹裝置，例如Joule-Thomson膨脹閥45，多組分致冷劑在其中膨脹致冷，得到載冷的多組分致冷劑流32，其壓力一般為10-200psia，溫度低于220K，一般為80至約220K。如果多組分致冷劑流31的膨脹造成一部分物流發(fā)生凝結(jié)，則物流32就可像附圖中舉出的那樣，在蒸氣-液體分離器41中經(jīng)處理。
使載冷的多組分致冷劑在低溫下通過熱交換器50，載冷的多組分致冷劑在其中冷卻如前述的多組分致冷劑，并向冷接受體供冷而變熱。在附圖所示的本發(fā)明的實(shí)施方案中，冷接受體是流體流51，冷接受體通過與正在變熱的多組分致冷劑進(jìn)行間接的熱交換，而被冷卻、液化和/或過度冷卻。如附圖中所示，從多組分致冷劑向冷接受體供冷，可以采用在其膨脹之前，冷卻多組分致冷劑使用的同一個(gè)熱交換器，或采用不同的熱交換裝置。能從正在變熱的多組分致冷劑接受冷的冷接受體，包括致冷機(jī)或冷凍機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的大氣，以及壁或物架之類的固體構(gòu)件。
從熱交換器50中排出的最終已經(jīng)變熱的多組分致冷劑，以物流52通入緩沖罐46，緩沖罐能確保無任何液體進(jìn)入壓縮機(jī)，多組分致冷劑以物流1從緩沖罐46進(jìn)入壓縮機(jī)10，重新開始致冷循環(huán)。
雖然已經(jīng)參照一些優(yōu)選的實(shí)施方案詳細(xì)地說明了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，本發(fā)明還有其它一些實(shí)施方案，也在權(quán)利要求的內(nèi)容和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提供致冷的方法，其中壓縮致冷劑流體，并使其膨脹產(chǎn)生致冷，然后向冷接受體供冷而變熱，其改進(jìn)包括(A)采用多組分致冷劑作為致冷劑流體；(B)采用壓縮機(jī)壓縮多組分致冷劑，壓縮機(jī)采用聚α烯烴-基潤滑油潤滑；和(C)在溫度低于220K下供冷。
2.權(quán)利要求1的方法，其中在多組分致冷劑膨脹之前，使聚α烯烴-基潤滑油與被壓縮的多組分致冷劑分離，然后使被分離的潤滑油通入壓縮機(jī)。
3.權(quán)利要求1的方法，其中在多組分致冷劑膨脹之前，正在變熱的多組分致冷劑也提供致冷，以冷卻被壓縮的多組分致冷劑。
4.權(quán)利要求1的方法，其中多組分致冷劑包括至少二種選自碳氟化合物、碳氟氫化合物、碳氟氯氫化合物、氟代醚、氟氫代醚、大氣氣體和烴的成分。
5.權(quán)利要求4的方法，其中多組分致冷劑只由碳氟化合物組成。
6.權(quán)利要求4的方法，其中多組分致冷劑只由氟氫代醚組成。
7.權(quán)利要求1的方法，其中多組分致冷劑包括至少一種大氣氣體。
8.一種提供致冷的設(shè)備，其中包括(A)潤滑油潤滑的壓縮機(jī)、潤滑油分離系統(tǒng)、使多組分致冷劑從壓縮機(jī)進(jìn)入潤滑油分離系統(tǒng)的裝置、和使?jié)櫥蛷臐櫥头蛛x系統(tǒng)進(jìn)入壓縮機(jī)的裝置；(B)膨脹裝置、熱交換器、使多組分致冷劑從潤滑油分離系統(tǒng)進(jìn)入膨脹裝置、從膨脹裝置進(jìn)入熱交換器、和從熱交換器進(jìn)入壓縮機(jī)的裝置；和(C)向熱交換器提供冷接受體的裝置，從而從多組分致冷劑向冷接受體供冷。
9.權(quán)利要求8的設(shè)備，其中潤滑油分離系統(tǒng)包括主潤滑油分離器和至少一個(gè)聚結(jié)過濾器。
10.權(quán)利要求8的設(shè)備，其中潤滑油是聚α烯烴-基潤滑油。
全文摘要
一種致冷系統(tǒng),其中在采用聚α烯烴－基潤滑油潤滑的壓縮機(jī)中壓縮多組分致冷劑、從被壓縮的致冷劑中除去潤滑油、使被壓縮的致冷劑在低溫下膨脹以產(chǎn)生致冷、向冷接受體供冷。
文檔編號(hào)F25B1/00GK1330253SQ0112188
公開日2002年1月9日 申請(qǐng)日期2001年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月29日
發(fā)明者B·阿曼, D·P·博納奎斯特 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司