CN100467982C - 蒸汽压缩系统和为蒸汽压缩系统储液器设定尺寸的方法 - Google Patents

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Abstract

当蒸汽压缩系统不运行时，储液器作为缓冲器，以防止系统的过量增压。当系统不运行时，通过确定系统中最大的存储温度和最大的存储压力，可以计算出整个系统的制冷剂密度。用制冷剂的质量除以密度可以确定整个系统的最佳容积。用整个系统容积减去组件容积可以计算出最佳的储液器容积。最佳的储液器容积用于设定储液器的尺寸，以使储液器具有足够的容积来防止不运行时系统的过量增压。

Description

蒸汽压缩系统和为蒸汽压缩系统储液器设定尺寸的方法
技术领域
本发明一般涉及一种包括储液器的蒸汽压缩系统，该储液器的尺寸设置成当系统不运行时能保护系统不会过量增压。
背景技术
由于含氯制冷剂潜在地破坏臭氧层，所以已经在世界上大多数的国家被淘汰。“自然的”制冷剂，例如二氧化碳和丙烷，已经被推荐作为替代流体。二氧化碳具有低临界点，在大多数条件下，包括当不运行时，这导致大多数利用二氧化碳作为制冷剂的空调系统超临界地运行，或者部分高于临界点运行。在超临界运行的状态下，系统内的压力变成温度和密度的函数。
蒸汽压缩系统经常在很宽的运行条件下运行。当不运行时，外部的空气条件，包括温度，会影响系统的压力。系统组件(压缩机、冷凝器/空气冷却器、膨胀装置、蒸发器和制冷剂管路)被设计用于承受最大的压力，而暴露在更高的压力下会导致组件的损坏。对于大多数的系统，当没有运行时，系统内的压力是系统温度的直接函数。然而，当该温度接近或高于制冷剂的临界点时，就必须考虑附加的因素。对于超临界流体，系统中的压力是流体温度和密度的函数。对于大多数的制冷剂，这不是特别要考虑的，因为它们的临界点接近或高于正常的存储温度。然而对于二氧化碳(CO2)系统，这就变成一个问题，因为临界点非常低(88℉)。
特别将泄压阀加入到系统中以保护系统和组件不会过量增压。如果系统中的压力接近过量增压点，泄压阀会自动打开，以从系统中排出制冷剂并且将压力降低到安全的范围，以保护组件不被损坏。
蒸汽压缩系统典型地设计成在一定的最大温度下储存，并且系统组件设计成能够承受与这一温度相联系的最大压力。存储温度越高，通常要求更高的设计压力。当存储温度接近或高于制冷剂的临界温度时，制冷剂的容积密度在确定系统压力并且因此确定设计压力方面是很重要的。这如图1示意性所示，图1描述当作为温度和容积密度的函数时，二氧化碳系统压力如何在临界点之上变化。
以前的蒸汽压缩系统包括位于蒸发器和压缩机之间的储液器，该储液器用于储存过量的制冷剂。储液器的大小仅用于在运行的过程中提供足够的容量来储存过量的制冷剂，以防止过量的制冷剂进入压缩机。储液器也可以用于控制高压，和因此在超临界运行的过程中控制系统的性能系数。然而，当系统不运行或在储存时，储液器的大小没有设置成用于确定最大的压力。
因此，在技术上要求一种蒸汽压缩系统和一种方法，该系统包括储液器，该储液器的大小设置成不运行时，防止系统的过量增压；该方法用于设定储液器的大小。
发明内容
本发明提供一种包括储液器的蒸汽压缩系统，该储液器作为缓冲器，当系统不运行时，防止系统过量增压。
当流体接近或高于其临界点时，压力是温度和密度的函数。通过了解最大存储温度和最大存储压力，可以计算整个系统的制冷剂密度并且该制冷剂密度用于确定系统的理想容积。
特别是，提出一种为蒸汽压缩系统储液器设定尺寸的方法，包括如下的步骤:
a)确定系统制冷剂的最大存储温度；
b)确定系统制冷剂的最大存储压力；和
c)利用所述最大存储温度和最大存储压力来当所述制冷剂处于最大制冷剂温度和最大制冷剂压力时防止系统过量增压，以确定储液器的最佳储液容积。
系统中的容积密度是用系统中制冷剂的质量除以系统的容积。因此，通过制冷剂的质量除以期望的最大存储密度，可以确定整个系统的期望容积。从整个系统的期望容积减去没有储液器的系统的全部容积，来计算最佳的储液器容积。当系统中的制冷剂存储在存储温度附近或高于制冷剂的临界温度时，最佳的储液器容积用于设定储液器的尺寸，以使储液器可以防止系统过量增压。
可以从下面的详细描述和附图中很好地理解本发明的这些和其他的特征。
附图说明
从下面对目前优选实施例的详细描述中，本发明的各种特征和优点对于所属领域的技术人员来说会变得很明显。伴随详细描述的附图如下简要所述:
图1示意性地描述了作为温度和容积密度函数的二氧化碳的压力如何在临界点之上变化的曲线图；和
图2示意性地描述了本发明使用储液器的蒸汽压缩系统的简图。
具体实施方式
图2描述了一个蒸汽压缩系统20的实例，该系统包括压缩机22、散热式热交换器24(超临界循环中的气体冷却器)、膨胀装置26和受热式热交换器28(蒸发器)。制冷剂通过制冷剂管路在封闭回路系统20中循环。
在一个实例中，使用二氧化碳作为制冷剂。因为二氧化碳具有低临界点，所以使用二氧化碳作为制冷剂的系统通常超临界地运行。尽管这里描述二氧化碳，但是可以使用其他的制冷剂。
制冷剂以高压和高焓排出压缩机22。接着制冷剂以高压流过散热式热交换器24。流体介质30，例如水或空气，流过散热式热交换器24的吸热部件32，并且与流过散热式热交换器24的制冷剂进行热交换。在气体冷却器24中，制冷剂向流体介质30排出热量，并且制冷剂以低焓和高压排出气体冷却器24。因为二氧化碳的临界温度是87.8℉，所以热量的排出会在超临界区域内发生，并且排出热量的流体温度通常高于这个温度。当蒸汽压缩系统20超临界地运行时，系统高压部分的制冷剂处于超临界区域，这时压力是温度和密度的函数。
泵或风机34将热源流体介质30泵送通过吸热部件32。冷却后的流体介质30从吸热部件入口或返回口36进入吸热部件32，并且以与制冷剂流动方向相反的方向流动。在与制冷剂进行热交换后，加热后的流体38从吸热部件出口或供应口40排出吸热部件32。
制冷剂接着通过膨胀阀26，该膨胀阀使制冷剂膨胀并降低制冷剂的压力。膨胀后，制冷剂流过蒸发器28的通道42，并且以高焓和低压排出。在蒸发器28内，制冷剂从热源流体44吸收热量，加热制冷剂。热源流体44流过吸热部件46，并且以公知的方式与流过蒸发器28的制冷剂进行热交换。热源流体44通过吸热部件的入口或返回口48进入吸热部件46。与制冷剂进行热交换后，冷却后的热源流体50通过吸热部件出口或供应口52排出吸热部件46。当制冷剂流过蒸发器28时，热源流体44和蒸发器28内的制冷剂之间的温差驱动热能从热源流体44传给制冷剂。风机或泵54使热源流体44流过蒸发器28，维持温差并将制冷剂蒸发。制冷剂接着再次进入压缩机22，完成循环。系统20将热量从低温蓄能器传递到高温能量吸收装置。
系统20还包括位于蒸发器28和压缩机22之间的储液器56。储液器56可以储存系统20内过量的制冷剂，并且也控制系统20的高压，并且因此控制超临界运行时控制系统20的性能系数。在系统20运行的过程中，储液器56防止过量的制冷剂进入压缩机22。
当蒸汽压缩系统20在例如沙漠气候的高温气候下储存或运输时，由于环境的高温，制冷剂的温度会升高。升高后的温度提高了系统20内的压力，并且会导致过量增压，从而导致压力泄压阀的启动或制冷剂管路或系统20组件的爆裂。
容积密度定义为系统内制冷剂的质量除以系统容积。既然当系统在制冷剂的临界点或高于临界点储存时，制冷剂的温度和密度会影响系统的压力，那么当系统在制冷剂的临界点或高于临界点储存时，蒸汽压缩系统20的系统容积也会影响系统内的压力。当系统容积在制冷剂的临界点或高于临界点的给定温度下增大时，系统压力降低。
当系统20不运行时，储液器56可以作为缓冲器以降低过量压力的增大，并且防止系统20的过量增压。储液器56的尺寸影响系统20的整个容积，并且因此影响系统20的最大存储压力。通过增大储液器56的容积，系统20内制冷剂的容积密度会减小，并且因此系统20内的制冷剂压力降低。通过减小储液器56的容积，系统20内的制冷剂压力提高。图1示出使用二氧化碳作为制冷剂对系统的这种影响。在本发明中，储液器56优选的尺寸计算成当不运行或被运输时，能防止系统20的过量增压。也就是说，储液器56的尺寸设置得足够大以防止过量增压，但是也不是太大而导致太贵。
根据制冷剂的最大设计存储温度和最大存储压力来确定储液器56的容积。当存储温度升高时，系统20内的制冷剂的温度升高。制冷剂温度的升高增大了系统20内的制冷剂压力。制冷剂温度的降低减小了系统20内的制冷剂压力。系统20内的制冷剂的最大存储温度取决于气候。在高温的气候下，由于空气温度的升高导致最大存储温度的升高。在较冷的气候下，由于空气温度的降低导致最大存储温度更低。由于系统全球制造的要求，将有代表性地选择最高的存储温度。
对于具有相对高临界温度的制冷剂的系统20，该温度没有接近系统的最大存储温度，因此最大存储温度单独通过制冷剂的饱和特性来确定最大存储压力。这可以参见附图1中温度低于大约60℉。对于使用具有相对低临界温度的制冷剂(例如二氧化碳)的系统20，最大存储温度和系统的容积密度一起决定系统20的最大存储压力。这可以参见附图1中温度高于大约60℉。也就是说，通过了解不运行时制冷剂将达到的最大存储温度，和最大设计存储压力，可以计算最佳的容积密度，并用于设定系统内储液器的尺寸。
系统的最大设计存储压力一般受系统的低压侧限定。在运行中，系统的低压侧一般在不运行或储存时的压力低于运行时的压力。对于具有相对高临界点的制冷剂来说，最大设计压力的选择一般只需要参考最大设计温度。而对于具有相对低临界点的制冷剂，另外的因素，例如对更厚壁组件需要的制造成本，都要求考虑进去。通常，使用二氧化碳作为制冷剂的系统的最大存储压力在1000到2500psi之间。
当在饱和区域外面时，密度是温度和压力的函数。因此，如果知道最大存储温度和最大存储压力，就可以确定最大存储容积密度。通过将质量除以密度就可以计算出容积。将制冷剂的质量除以最大存储密度可以确定整个系统的最佳容积。下面的计算可用来获得理想的整个系统容积:
Figure C200480037781D00091
除了储液器56，系统20中的组件都有已知的组件容积。这些组件包括压缩机22、散热式热交换器24、膨胀装置26、蒸发器28和与组件连接的制冷剂管路。储液器56是系统20中唯一不知道容积的组件。通过从整个系统容积中减去全部组件的容积，就可以确定最佳的储液器容积。可以理解的是，全部组件的容积包括除了储液器56以外的系统20中所有组件的全部容积。通过上面的公式，可以计算出最佳的储液器容积:
Figure C200480037781D00101
根据制冷剂的最大存储压力、制冷剂的最大存储温度、制冷剂质量和系统组件的容积，上面的公式可以确定储液器的最佳容积。优选地，储液器56的容积可以在计算的最佳尺寸的80％-120％之间选择，从而得到所期望的储液器56尺寸，该尺寸在不运行或运输的过程中能够保护系统20不会过量增压。
可以理解的是，所描述的使用二氧化碳的单级系统的实例仅仅是一个示例。也可以确定多级压缩系统、使用内部热交换器的系统和使用其他例如油分离器和过滤干燥器的附加系统组件的系统的最佳储液器尺寸。也可以确定具有多级散热式热交换器24、膨胀装置26和受热式热交换器28的系统中的最佳储液器尺寸。另外，该实例中描述的储液器设置在蒸发器和压缩机之间。然而，可以理解的是储液器也可以位于其他的位置。本发明也同样可以用于这些系统:使用位于系统其他部分的储液组件的系统，这些其他的部分例如:位于蒸发器的入口或位于冷凝器(或气体冷却器)与蒸发器之间。另外，可以将储液器分为位于系统不同部分的两个或更多的储液组件，其中将最佳的储液器尺寸用作每个储液组件容积的总和。
前面的描述仅仅是本发明原理的示例。本发明的很多修正和变形都可以在上述的教导下进行。已经公开了本发明优选的实施例，因此所属领域的普通技术人员会意识到，在本发明的范围内应当可以进行一定的修改。因此可以理解的是，在附加权利要求的范围内，可以实现不仅仅是特别描述的本发明。因为这个原因，可以通过研究下面的权利要求来确定本发明实际的范围和内容。

Claims (19)

1、一种为蒸汽压缩系统储液器设定尺寸的方法，包括如下的步骤:
a)确定系统制冷剂的最大存储温度；
b)确定系统制冷剂的最大存储压力；和
c)利用所述最大存储温度和最大存储压力来当所述制冷剂处于最大制冷剂温度和最大制冷剂压力时防止系统过量增压，以确定储液器的最佳储液容积。
2、如权利要求1所述的方法，还包括的步骤:利用最大存储温度和最大存储压力计算所期望的系统容积，在加上最佳储液器容积的步骤之前计算系统组件的容积，和通过从所期望的系统容积减去组件的容积来计算最佳的储液器容积。
3、如权利要求2所述的方法，其中，最佳储液器容积选择为在计算储液器容积的80％-120％的范围内。
4、如权利要求2所述的方法，其中，计算最佳储液器容积的步骤包括:确定制冷剂最大存储温度和最大存储压力下的密度，并且将制冷剂的质量除以制冷剂的密度。
5、如权利要求2所述的方法，其中，计算组件容积的步骤包括:将至少一个压缩机的全部压缩机的容积、至少一个散热式热交换器的全部散热式热交换器的容积、至少一个膨胀装置的全部膨胀装置的容积、至少一个受热式热交换器的全部受热式热交换器的容积和制冷剂管路的全部制冷剂管路的容积相加。
6、如权利要求5所述的方法，其中，计算组件容积的步骤还包括:加上至少一个内部热交换器的全部内部热交换器的容积、加上至少一个油分离器的全部油分离器的容积，和加上至少一个过滤干燥器的全部过滤干燥器的容积。
7、如权利要求6所述的方法，其中，计算组件容积的步骤还包括:加上任何附加组件的全部附加组件的容积。
8、如权利要求1所述的方法，其中，制冷剂是二氧化碳。
9、如权利要求1所述的方法，其中，最大存储压力在1000-2500psi之间。
10、一种蒸汽压缩系统，包括:
至少一个压缩装置，用于将制冷剂压缩到高压；
至少一个散热式热交换器，用于冷却所述制冷剂；
至少一个膨胀装置，用于将所述制冷剂降到低压；
至少一个受热式热交换器，用于蒸发所述制冷剂；和
具有最佳尺寸的储液器，并且所述储液器的尺寸设置成:当所述制冷剂处于最大制冷剂温度和最大制冷剂压力时，能防止系统过量增压。
11、如权利要求10所述的蒸汽压缩系统，其中，利用所述最大制冷剂温度和所述最大制冷剂压力来确定期望的系统容积，并且其中所述储液器的所述最佳尺寸限定如下:
Figure C200480037781C00031
容积部件是在加上所述储液器之前的系统中组件的全部组件容积。
12、如权利要求10所述的蒸汽压缩系统，其中，所述制冷剂是二氧化碳。
13、如权利要求10所述的蒸汽压缩系统，其中，所述储液器的尺寸是在所述最佳尺寸的80％-120％之间。
14、如权利要求10所述的蒸汽压缩系统，其中，所述最大存储压力在1000-2500psi之间。
15、如权利要求10所述的蒸汽压缩系统，其中，通过利用最大存储温度、最大存储压力、制冷剂的质量和系统的全部组件容积来确定所述储液器的所述最佳尺寸。
16、如权利要求15所述的蒸汽压缩系统，其中，系统的全部组件容积包括:至少一个压缩机的全部压缩机的容积、至少一个散热式热交换器的全部散热式热交换器的容积、至少一个膨胀装置的全部膨胀装置的容积、至少一个受热式热交换器的全部受热式热交换器的容积、和制冷剂管路的全部制冷剂管路的容积。
17、如权利要求16所述的蒸汽压缩系统，还包括至少一个内部热交换器、油分离器和过滤干燥器，并且其中全部组件容积还包括:所述内部热交换器的全部内部热交换器的容积、所述油分离器的至少一个油分离器的容积，和所述过滤干燥器的全部过滤干燥器的容积。
18、如权利要求17所述的蒸汽压缩系统，其中，组件容积还包括任何附加组件的全部附加组件容积。
19、如权利要求11所述的蒸汽压缩系统，其中，最佳的储液器容积是系统中所有储液组件的总容积。
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