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具有混合制冷劑的再生式制冷系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:4770892閱讀:234來源:國知局
專利名稱:具有混合制冷劑的再生式制冷系統(tǒng)的制作方法
技術領域
本發(fā)明涉及制冷裝置和制冷工藝,更具體地涉及一種采用不同制冷劑的混合物的新型制冷裝置和制冷工藝。
各種HFC制冷劑具有不同的性能,如下表所述
在許多制冷系統(tǒng)中,最好具有下述性能密度重,沸點在蒸發(fā)器中較低而在冷凝器中較高,潛熱大,冷凝器壓力低,蒸發(fā)器壓力高,傳熱優(yōu)良,可燃性無。
在上述介紹中,hfg是指在100%蒸氣和100%液體之間的焓差。
由于R-32的潛熱較高且蒸發(fā)器壓力較高,減少了壓縮機所做的功并因而減小了壓縮機的大小,因此R-32是一種優(yōu)選的制冷劑。也就是說,壓縮機所做的功W壓縮機定義為W壓縮機=∫vdP其中V=比容=1/密度;以及P=壓力。
在一個典型的系統(tǒng)中,當蒸發(fā)器的壓力增大時,壓縮機內(nèi)的壓力變化減小,因此減小了壓縮機所做的功。
雖然R-32具有最佳的熱性能,然而它比其它制冷劑更易燃燒,并且具有會引起火災的危險。因此,R-32通常與不可燃的流體如R-125和R-134a混合,以降低著火的危險。
目前可得到的混合制冷劑包括R-407c和R-410a。前者(R-407c)是R-407系列制冷劑中的一種,此系列包括R-407a,R-407b,R-407c等。R-407系列由三種制冷劑R-32,R-125和R-134a制成。R-407的名稱中最后一個字母表示R-32,R-125和R-134a的不同組分比率。例如,R-407c由質(zhì)量比率為23∶25∶52的R-32,R-125和R-134a組成。類似的,R-410a是由兩種制冷劑R-32和R-125制成的R-410系列制冷劑中的一種。R-410a中的最后一個字母“a”表示R-32和R-125的質(zhì)量組分比率為50∶50。最后一個字母可根據(jù)組分比率而變化。
為了在可燃性和熱效率之間得到最佳平衡,已經(jīng)知道了幾種新的HFC型制冷劑,例如R-134a,R-407c和R-410a。對自動空氣調(diào)節(jié)機、冰箱和大型冷凍器來說,第一種R-134a已經(jīng)代替了R-12。此制冷劑具有相對較差的傳熱性能,然而在典型的系統(tǒng)中可在蒸發(fā)器處產(chǎn)生約8atm(標準大氣壓)的壓力,在冷凝器處產(chǎn)生16atm的壓力。因此,在壓縮機內(nèi)較小的ΔP產(chǎn)生了優(yōu)良的效率。雖然傳熱性能較差,然而這種制冷劑在許多應用中已經(jīng)代替了R-12。
第二種HFC型制冷劑為R-407c,它是以23∶25∶52的比率混合的R-32,R-125和R-134a的混合物。然而這種混合物在蒸發(fā)器處只產(chǎn)生約6atm的壓力,在冷凝器處產(chǎn)生20atm的壓力(同R-22),并且由于R-134a的比例較高而具有較差的傳熱性能。
第三種HFC型制冷劑為R-410a,它是以50∶50的比率混合的R-32和R-125的混合物。然而這種混合物在蒸發(fā)器處產(chǎn)生約12atm的壓力,在冷凝器處產(chǎn)生30atm的壓力,并且需要較大的壓縮機和壓縮機所做的功。
十分希望能提供一種新型的制冷系統(tǒng),其可允許使用制冷劑的不可燃混合物,冷凝器的壓力較小,蒸氣器的壓力較大,并且能最大限度地利用混合物中各種流體的性能。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中,冷凝器被分成兩個部分,位于它們之間的渦流管或其它液-氣分離器使液體R-134a通過第一冷凝器結(jié)構(gòu)而再循環(huán)。
冷凝器部分之間的渦流管或類似裝置將1.通過使R-134a富液再循環(huán)到第一冷凝器部分中來促進第一冷凝器中的液化;2.將R-32和R-125中較富足的蒸氣傳送到第二冷凝器部分中;3.通過控制再循環(huán)的R-134a量來跟隨熱負載的變化。
在此新型系統(tǒng)中,采用渦流管作為泵來使液體返回到冷凝器的入口。也可采用其它的泵,包括文丘里管。
本發(fā)明所帶來的優(yōu)點包括1.使用了不可燃燒的流體;2.蒸發(fā)器處的熱容量較大;3.冷凝器的壓力較低;
4.蒸發(fā)器內(nèi)的蒸氣壓力較低,在蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生了較低的比容v,從而減小了壓縮機所做的功∫vdP。
由上述所帶來的結(jié)果是,系統(tǒng)只需較低的壓縮機功,從而減小了壓縮機的大小,在蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生了更高的潛熱,得到了效率更高的蒸發(fā)器。
圖2是

圖1所示制冷系統(tǒng)的溫度-熵曲線。
圖3顯示了本發(fā)明的新型制冷系統(tǒng)的第一實施例。
圖4顯示了本發(fā)明的新型系統(tǒng)的第二實施例。
圖5顯示了可用于代替圖4所示渦流管的液氣分離器的示意性剖視圖。
附圖的詳細描述制冷系統(tǒng)已眾所周知,在本申請人分別于2000年3月3日和2000年3月28日提交的共同未決的專利申請No.09/517922和No.09/535126中介紹了采用渦流管設置來提高系統(tǒng)效率的系統(tǒng),這些專利申請的內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。
制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)(“COP”)有時也稱為能量-效率比(EER),其等于Qv/Wc,其中Qv是系統(tǒng)蒸發(fā)器的吸熱,Wc是壓縮機所做的功。因此,任何能減小Wc和增大Qv的系統(tǒng)都可提高COP和EER。為了說明這個概念,圖1顯示了制冷系統(tǒng)的圖,圖2顯示了此制冷系統(tǒng)的溫度-熵曲線。
圖1所示的制冷系統(tǒng)包括壓縮機12、冷凝器14、膨脹裝置16和蒸發(fā)器18。各部分通過銅管19連接在一起。
制冷系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng),可通過各個部件而使制冷劑循環(huán)。制冷劑的一些常用類型包括R-12、R-22、R-134a、R-410a、氨、二氧化碳和天然氣。制冷劑通過制冷系統(tǒng)連續(xù)地循環(huán)。制冷循環(huán)中的主要步驟是通過壓縮機來壓縮制冷劑,在冷凝器中排出制冷劑中的熱量,在膨脹裝置中對制冷劑進行節(jié)流,以及在蒸發(fā)器中采用制冷劑來吸收熱量。如上所示,此過程被稱為蒸氣壓縮制冷循環(huán)。
在圖2中顯示了典型制冷循環(huán)中的溫度-熵曲線。點2是制冷劑以過熱蒸氣的形式存在的位置。隨著過熱蒸氣在冷凝器14內(nèi)的冷卻,過熱蒸氣變成飽和蒸氣(點2a)。由于在冷凝器14中繼續(xù)進行到外界空氣的熱傳遞,因此制冷劑在點3處變成飽和液體。在通過膨脹裝置16后,制冷劑在點4處變成約20%蒸氣和80%液體的混合物。由于制冷劑在蒸發(fā)器18中吸收熱量,因此制冷劑在點1處在吸氣壓力下變成飽和或稍稍過熱的蒸氣。在圖1中也表示出了這些點。
如上所述,制冷循環(huán)的效率(與熱泵循環(huán)類比)主要取決于從蒸發(fā)器18中吸收的熱量和壓縮機12所做的功。壓縮機所做的功取決于壓縮機12的排出壓力和吸氣壓力之間的差異。當制冷劑進入壓縮機12時,制冷劑的壓力被稱為“吸氣壓力水平”,當制冷劑離開壓縮機12時,制冷劑的壓力被稱為“排出壓力水平”。根據(jù)所采用的制冷劑類型,排出壓力可以處于約170PSIG(12atm)到約450PSIG(30atm)的范圍內(nèi)。
壓縮比是用于表達排出壓力和吸氣壓力之間的壓力差的用語。通過將排出壓力和吸氣壓力轉(zhuǎn)換成絕對壓力的標度并用吸氣壓力除排出壓力,可以計算出壓縮比。當壓縮比增大時,壓縮機的效率降低,因而增加了能量消耗。在大多數(shù)情況下,這些能量被驅(qū)動壓縮機的電動機所利用。另外,當壓縮比增大時,制冷劑蒸氣的溫度增大到可能使?jié)櫥瓦^熱的點,這會導致在制冷系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生腐蝕。
當壓縮機如壓縮機12在較大壓縮比下運轉(zhuǎn)時,它不再具有可在指定溫度下保持制冷空間或生存空間的能力。由于壓縮機的效率降低,對于較少的制冷來說需使用更多的電能。此外,在較大壓縮比下運轉(zhuǎn)壓縮機將增加壓縮機的磨損和開裂,并減小其工作壽命。
蒸發(fā)器如蒸發(fā)器18由長線圈或一系列可從希望被冷卻的一定空氣量中吸收熱量的傳熱板制成。為了從此外界的空氣量中吸收熱量,制冷劑的溫度必須低于此空氣量的溫度。離開膨脹裝置16的制冷劑包括低質(zhì)量的蒸氣,其約為20%的蒸氣和80%的液體。
制冷劑的液體部分用于在液體制冷劑在蒸發(fā)器18內(nèi)蒸發(fā)時從所需的空氣量中吸收熱量。制冷劑的蒸氣部分并不用于從外界空氣量中吸收熱量。換句話說,制冷劑的蒸氣部分對冷卻外界空氣量并不起作用,它降低了制冷循環(huán)的效率。
如圖1進一步地所示,可在膨脹裝置16和蒸發(fā)器18之間設置渦流管20。渦流管20將離開膨脹裝置的至少一部分制冷劑蒸氣轉(zhuǎn)換成液體,因此可采用這部分液體來在蒸發(fā)器中從外界空氣量中吸收熱量。渦流管大體上是眾所周知的,然而在制冷系統(tǒng)中并不常見。渦流管是通常用于將壓縮氣流轉(zhuǎn)換成兩股流體的裝置,一股流體的溫度高于供應給渦流管的氣體的溫度,而另一股流體的溫度低于供應給渦流管的氣體的溫度。渦流管不含有任何可動部件。
高壓氣流與渦流管的一端成正切地進入到渦流管中。高壓氣流在管中產(chǎn)生了強烈的渦流。渦流的形狀與螺旋相似。高壓氣流分成具有不同溫度的兩股,一股沿管的外壁而另一股沿管的軸線。在外部流中,圓周速度與徑向位置成反比。渦流管內(nèi)的壓力在管的中心處最小,而在管壁處增大到最大值。
進入渦流管20的壓縮氣體將是制冷循環(huán)中的制冷劑。蒸氣制冷劑是可壓縮的和可冷凝的介質(zhì)。渦流管20內(nèi)的壓力因渦流運動而在渦流管的中心處減小,使得相應的溫度也降低。因此,可凝結(jié)的制冷劑蒸氣在渦流管20的中心處發(fā)生氣-液相變,從而增加了蒸發(fā)器入口處的制冷劑的液體比例,因而增加了蒸發(fā)器內(nèi)的吸熱能力。
制冷循環(huán)中的冷凝器14用于通過將熱量排到外界中而使過熱的制冷劑蒸氣轉(zhuǎn)變成液體。冷凝器是長的傳熱線圈或外觀與蒸發(fā)器相似的一系列排熱板。再次參考圖1,當制冷劑進入冷凝器14時,過熱蒸氣首先在冷凝器的約第一四分之一部分處變成飽和蒸氣,飽和蒸氣在近似恒定的壓力下在冷凝器的其余部分處發(fā)生相變。
由于從冷凝器到外界的排熱只發(fā)生在制冷劑的溫度大于外界溫度的情況下,因此制冷劑的溫度必須被升高到比外界溫度大很多。這是通過提高制冷劑蒸氣的壓力來實現(xiàn)的,其由壓縮機12來完成。由于蒸氣溫度與蒸氣壓力密切相關,因此冷凝器能有效地將熱量從制冷劑排到外界中是十分重要的。如果冷凝器14的效率不高,那么壓縮機12必須進一步地增大排出壓力,以便幫助冷凝器向外界排熱。
圖1所示的渦流管29可設置在冷凝器中,以幫助將飽和的制冷劑蒸氣轉(zhuǎn)變成液體,從而增大冷凝器的效率。冷凝器的約第一四分之一部分由標號14A表示,而冷凝器的其余四分之三部分由標號14B表示。
渦流管29可插入在冷凝器的約四分之一的位置處(即在過熱蒸氣完全或部分地變成飽和蒸氣的點處)。通過將渦流管29插入在現(xiàn)有冷凝器中,可以降低制造成本。然而對于所有目的和用途來說,也可以采用兩個單獨的冷凝器,各冷凝器的大小分別約為冷凝器部分14A和14B的大小。
當渦流管29設置在離冷凝器入口約為四分之一的位置處時,制冷劑的溫度不必提高到比外界溫度大很多,因此可以允許壓縮機在比未設置渦流管29的情況中更低的排出壓力下運轉(zhuǎn)。
本發(fā)明改進顯示于圖3和4中,其中與圖1中相似的部件采用相同的標號來表示。在圖3和4中采用R-407c的情況下,冷凝器14的入口處的循環(huán)制冷劑具有23∶25∶52的R-32、R-125和R-134a的混合比。然而,由于R-134a圍繞冷凝器進行循環(huán),在經(jīng)過冷凝器之后的循環(huán)制冷劑具有R-32、R-125和R-134a例如為34∶36∶30的混合比。這就增大了蒸發(fā)器中的R-32和R-125的質(zhì)量分數(shù),這是本發(fā)明的一個改進。
如圖3所示,根據(jù)本發(fā)明,將第一渦流管50設置在冷凝器14的入口處,將第二渦流管52設置在冷凝器14的出口端。渦流管50的入口與壓縮機12相連,接收均處于氣相的R-134a、R-32和R-125組分。冷凝器14將使所有的制冷劑蒸氣液化。渦流管52根據(jù)密度的不同來分離液體制冷劑。再循環(huán)路徑55從渦流管52的液體出口經(jīng)控制閥56連接到渦流管50的流體入口。應注意到,渦流管50可以是能從路徑55中吸收液體的文丘里管。可用其它液體分離器如基于離心力的裝置來代替圖3所示的渦流管52。
圖4顯示了帶有分開的冷凝器14A和14B的本發(fā)明的新型系統(tǒng)。因此,在圖4中渦流管51設置在冷凝器部分14A和14B之間。圖4中的冷凝器14A將選擇性地液化在混合物中具有最高沸點溫度的R-134a的至少一部分。然后通過渦流管51將液體R-134a分成液體R-134a組分以及R-32蒸氣和R-125蒸氣組分。再循環(huán)路徑55從渦流管51的液體出口經(jīng)控制閥56連接到渦流管50的流體入口。一些液體R-134a也可流經(jīng)渦流管51。冷凝器14B液化離開渦流管51的R-32和R-125。應注意到,可用其它液-氣分離器來代替圖4所示的渦流管51。圖4還顯示了泵60,其可增設到系統(tǒng)中以將R-134a液體繞再循環(huán)路徑55泵送。
如圖3和4所示,通過使R-134a繞冷凝器14再循環(huán),可以顯著降低冷凝器側(cè)的壓力,例如從30atm降低到20atm。此外,當R-32和R-125運動到蒸發(fā)器中時,蒸發(fā)器側(cè)的壓力變?yōu)?2atm,因而減小了W壓縮機。采用圖3和4中的閥56來有效地跟隨系統(tǒng)的熱負載變化。
圖5顯示了傳統(tǒng)的液-氣分離器70,其中制冷劑混合物經(jīng)入口71來提供。液體貯存在腔72中并從出口73中排出,而殘留的R-32和R-125從出口74中排出。
雖然在上文中結(jié)合本發(fā)明的特定實施例對本發(fā)明進行了介紹,然而本領域的技術人員可以清楚許多其它的變化、改進和應用。因此,本發(fā)明不應受到這里的具體公開內(nèi)容的限制。
權(quán)利要求
1.一種制冷系統(tǒng),包括壓縮機、具有入口和出口的冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器,所述壓縮機、冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器連接成閉合回路,所述系統(tǒng)具有圍繞所述閉合回路循環(huán)的混合物,所述混合物至少由具有第一沸點的第一制冷劑流體和具有第二沸點的第二制冷劑流體組成;所述制冷系統(tǒng)的特征在于與所述冷凝器的出口相連的分離器,所述分離器具有入口、與所述閉合回路串聯(lián)相接的第一出口,以及第二出口;和連接在所述液-氣分離器的第二出口和所述冷凝器的入口之間的閉合制冷路徑,所述閉合制冷路徑使所述制冷劑流體中的一種以冷凝的形式再循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述分離器是液-氣分離器,所述液-氣分離器的第一出口是蒸氣出口,所述液-氣分離器的第二出口是液體出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)還包括渦流管,所述渦流管具有渦流管入口、蒸氣出口和液體入口,所述渦流管入口與所述壓縮機相連,所述渦流管的蒸氣出口與所述冷凝器的輸入端相連,所述閉合制冷路徑通過所述渦流管的液體入口與所述冷凝器的輸入端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)還包括文丘里管,所述文丘里管具有文丘里管入口、蒸氣出口和液體入口,其中所述文丘里管入口與所述壓縮機相連,所述文丘里管的蒸氣出口與所述冷凝器的輸入端相連,所述閉合制冷路徑通過所述文丘里管的液體入口與所述冷凝器的輸入端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述液-氣分離器為渦流管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述冷凝器為第一冷凝器,所述系統(tǒng)還包括具有與所述閉合回路串聯(lián)在一起的輸入端和輸出端的第二冷凝器,所述第一冷凝器的輸出端與所述液-氣分離器的入口相連,所述第二冷凝器的輸入端與所述液-氣分離器的蒸氣出口相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1,2或6所述的系統(tǒng),其特征在于,所述混合物為R-32、R-125和R-134a。
8.根據(jù)權(quán)利要求1,2或6所述的系統(tǒng),其特征在于,所述第一制冷劑流體為R-134a,所述R-134a在所述第一冷凝器中至少部分地液化,液體R-134a通過所述閉合制冷路徑再循環(huán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述分離器為液-液分離器,所述分離器的第一出口為液體出口,所述分離器的第二出口為液體出口。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)還包括位于所述閉合制冷路徑中的閥。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)還包括位于所述閉合制冷路徑中的泵。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述分離器為渦流管。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述第一制冷劑流體在所述閉合制冷路徑中再循環(huán)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng),其特征在于,所述第一沸點高于所述第二沸點。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或14所述的系統(tǒng),其特征在于,所述第一制冷劑流體在所述閉合制冷路徑中再循環(huán)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng),其特征在于,所述第一沸點高于所述第二沸點。
17.一種操作制冷系統(tǒng)的方法,所述系統(tǒng)具有包括壓縮機、具有入口的第一冷凝器、具有液體出口的液-氣分離器、第二冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器在內(nèi)的閉合回路,所述系統(tǒng)還包括與所述液-氣分離器的液體出口和所述第一冷凝器的輸入端相連的閉合制冷路徑,所述方法的特征在于,所述方法具有以下步驟使至少由具有第一沸點的第一制冷劑流體和具有第二沸點的第二制冷劑流體組成的混合物圍繞所述閉合回路循環(huán);在所述第一冷凝器中使至少一種制冷劑流體部分地液化;使所述至少一種液化的制冷劑流體在所述閉合制冷路徑中再循環(huán);使所述至少一種制冷劑流體以外的另一種制冷劑流體通過所述第二冷凝器,而所述至少一種制冷劑流體以外的另一種制冷劑流體大部分處于蒸氣狀態(tài);和在所述第二冷凝器中使所述至少一種制冷劑流體以外的另一種制冷劑流體部分地液化。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述再循環(huán)步驟包括使所述第一制冷劑流體在所述閉合制冷路徑中再循環(huán)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一沸點高于所述第二沸點。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述再循環(huán)步驟還包括使R-134a在所述閉合制冷路徑中再循環(huán)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述第二制冷劑流體從由R-32和R-125組成的組中選擇。
全文摘要
一種再生式制冷系統(tǒng),其使R-134a、R-32和R-125的混合物通過第一和第二串聯(lián)的冷凝器(14A,14B)再循環(huán)。第一渦流管(50)與第一冷凝器(14A)的入口相連,第二渦流管(51)與第一冷凝器(14A)的出口相連,從而提供了從壓縮機經(jīng)冷凝器到膨脹裝置和蒸發(fā)器的蒸氣路徑(19)。第一渦流管(50)的液體入口和第二渦流管(51)的液體出口連接在一起,形成了圍繞第一冷凝器(14A)的閉合制冷路徑(55)以使R-134a液化。
文檔編號F25B43/00GK1449481SQ01814611
公開日2003年10月15日 申請日期2001年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月30日
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