CN101228400B - 制冷设备 - Google Patents

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Abstract

一种制冷设备，包括：压缩机、气体冷却器、回收制冷剂的膨胀能的膨胀器、和蒸发器；压缩机、气体冷却器、膨胀器和蒸发器全部串联连接以便限定制冷循环，其中制冷剂与氮等非冷凝气体混合，非冷凝气体具有小于或等于1.0wt％的浓度，并且二氧化碳被用作制冷剂。

Description

制冷设备
技术领域
本发明涉及一种制冷设备，尤其但不排外地涉及一种具有用于回收制冷剂的膨胀能的膨胀器的制冷设备。
背景技术
近年，已提出功率回收制冷循环以进一步提高制冷循环的效率。根据日本专利公开公报No.2000-329416，压缩机的输出被使用膨胀器的制冷剂的回收膨胀功所降低。例如，日本专利公开公报No.2004-257303公开了一种功率回收制冷循环中使用的膨胀器。
图4显示日本专利公开公报No.2000-329416所公开的一种传统的制冷设备，其包括压缩机1、气体冷却器(散热器)2、膨胀器(或膨胀单元)3和蒸发器5，所有这些元件串联连接以便限定制冷循环。膨胀器3连接到发电机4。压缩机1被驱动装置(未图示)驱动，例如电动机或发动机制冷剂被压缩机1从常温和低压状态压缩到高温和高压状态，随后被气体冷却器2冷却到常温和高压状态。之后，制冷剂在膨胀器3中膨胀成低温和低压状态，然后在制冷剂再次返回到压缩机1之前制冷剂被蒸发器4加热到常温。膨胀器3回收制冷剂的膨胀功以便驱动发电机4，因此产生电力。
图5显示传统的制冷设备的莫利尔图(mollier diagram)。在膨胀器3中，制冷剂在10ms到20ms的短时间期间内膨胀，因此，该过程被视作绝热膨胀，其中制冷剂的焓沿等熵线(c→d)减小。因此，与膨胀阀仅用于产生等焓线变化而无任何膨胀功的情况相比，通过膨胀功Δiexp，蒸发器5中的特定焓差(enthalpy difference)增加，使得能够增加制冷能力。同样，膨胀器3能够允许发电机4根据制冷剂的膨胀功Δiexp产生电力，通过把产生的电力供应到压缩机1，驱动压缩机1所需的电力能够被减少。如上所述，蒸发器5的制冷能力的增加和驱动压缩机1所需电力的减少能够提高制冷设备的COP(性能系数，Coefficient of Performance)。
根据图5可清楚地知道，在制冷设备用的膨胀器3中，制冷剂在入口(c)处于单相状态，在出口(d)处于两相(气-液)状态，因此，在膨胀过程中发生相变。
图6是显示日本专利公开公报No.2004-257303中所公开的传统的制冷设备中使用的膨胀器中的工作室的体积和压力。在第一个半膨胀过程中，关于体积变化的压力下降较大，因为与不可压缩流体相似的临界相或液相制冷剂(单相制冷剂)膨胀，在第二个半膨胀过程中，关于体积变化的压力下降较小，因为制冷剂经历从液相到气相的相变并且在减小压力和温度的同时极大地膨胀。
所公知的是，当图4的制冷设备的蒸发器5中安装的制冷剂管内发生泡核沸腾(nucleate boiling)时，在制冷剂管的传热表面上发生相变，并且相变受到传热表面的形状或传热表面上的热通量的影响。然而，因为在绝热膨胀期间，膨胀器3中的制冷剂的相变沿图5中的等熵线发生，没有来自传热表面的热通量，并且因为工作室的壁表面光滑地形成以便减少流动损失和机械损失，因此从制冷剂的内部以及壁表面发生相变。为了在流体中产生气泡核(bubble nucleuses)，需要过热液体，通过具有大于饱和温度(saturation temperature)的温度来存储能量。然而，在产生过热液体的过程期间发生相变延迟。相变延迟减少了制冷剂的膨胀率，导致膨胀器3回收的制冷剂的膨胀功的减少。
发明内容
为了克服上述缺陷，提出了本发明。
因此，本发明的目的是提供一种能够防止相变延迟的高率制冷设备。
为了实现上述和其它目的，本发明的制冷设备包括：压缩机、气体冷却器、回收制冷剂的膨胀能的膨胀器、和蒸发器；压缩机、气体冷却器、膨胀器和蒸发器全部串联连接以便限定制冷循环，其中非冷凝气体被混合在制冷剂中，氮被用作非冷凝气体，非冷凝气体具有小于或等于1.0wt％的浓度，二氧化碳被用作制冷剂。
通过该构成，混合在制冷剂中的非冷凝气体用作产生气泡核，该气泡核在膨胀器中的制冷剂内造成相变，使得能够防止相变延迟和提供高效的制冷设备。
氮相对低廉并能够容易获得。二氧化碳的使用能够增加制冷设备中的高压和低压之间的压差，并且非冷凝气体的使用能够防止仅采用二氧化碳作为制冷剂的传统的制冷设备中出现的相变延迟。
制冷设备可包括安装在膨胀器的入口的流体搅拌器。流体搅拌器用于将制冷剂中混合的非冷凝气体的气泡转变成小气泡以便增加用于相变的气泡核的数量，因此增加了防止相变延迟的效果。
优选地，非冷凝气体具有小于-40℃的沸点。即使本发明的制冷设备用于热水供应或在冷区域进行加热，该非冷凝气体能够被使用并具有充足的裕量，因此增加了防止相变延迟的效果。
附图说明
根据结合附图的优选实施例的以下说明，本发明的上述和其它目的和特征将变得明显，在整个说明书中，相同部件用相同标记表示。
图1是表示连接到膨胀器的负载和膨胀器的旋转速度之间的关系的曲线图；
图2是表示膨胀器的入口的二氧化碳的温度和膨胀器的效率之间的关系的曲线图；
图3是膨胀器的入口的二氧化碳的温度和制冷循环的COP之间的关系的曲线图；
图4是本发明的制冷设备和传统的制冷设备的示意图；
图5是传统的制冷设备的莫利尔图；和
图6是表示传统的制冷设备中使用的膨胀器的工作室的体积和压力之间的关系的曲线图。
具体实施方式
首先请注意，尽管图4作为传统的例子已经被说明，但是其还可应用于本发明.即，本发明的制冷设备包括压缩机1、气体冷却器或散热器2、膨胀器或膨胀单元3和蒸发器5，所有这些元件串联连接以便限定制冷循环.本发明的制冷设备还包括连接到膨胀器3的发动机4.本发明的制冷设备与传统的制冷设备的不同点在于前者采用非冷凝气体已经被混合的制冷剂.
无论制冷剂处于何种状态(压力和温度)，非冷凝气体始终处于气态。非冷凝气体被定义为在制冷设备的工作期间具有小于制冷剂的最低温度的冷凝温度的物质。因为非冷凝气体总是处于气态，因此即使制冷剂处于液态，膨胀器3中的非冷凝气体变成气泡核，该气泡核造成制冷剂内的相变，使得能够防止发生前述的相变延迟。非冷凝气体的所需的其它因素为：与制冷剂具有很低的反应和在制冷剂中具有很低的溶解度；并且对制冷剂无影响。关于混合在制冷剂中的非冷凝气体的体积，如果体积太大，制冷剂的性能被恶化，随之制冷循环的性能也降低，如果体积太小，制冷剂中出现的气泡核的数量减少，使得防止相变延迟的影响降低。因此，要适当地确定非冷凝气体的体积。
[实例]
进行了实例，其中二氧化碳被用作循环通过制冷循环的的制冷剂，作为非冷凝气体应用的1.0wt％的氮混合在制冷剂中。
氮在大气压下具有-195.8℃的沸点，在3.4MPa下具有-147.0℃的临界点。因此，氮在大于-40℃的温度下总是处于气态，在大于-40℃的温度下二氧化碳被保持在通常的制冷循环中。氮与二氧化碳的反应性和溶解性都很低。
使用图4的制冷循环进行试验。首先制冷循环被抽空，填充100g氮，然后填充10kg的作为制冷剂的二氧化碳。具有11.8cc的吸入量的摆动膨胀器(swing expander)被用作膨胀器3。
图1-3是表示试验结果的曲线图。在这些图中，“NC-1”表示1.0wt％的氮混合在二氧化碳中的情况，“没有NC-1”表示使用纯二氧化碳作为制冷剂的情况。在图1中，横坐标表示连接到膨胀器3的负载(W)，纵坐标表示膨胀器3的旋转速度(rpm)。例如，当膨胀器3的旋转速度为大约1800rpm时，“NC-1”能够使负载从200W增加到300W。当膨胀器3的旋转速度为大约900rpm时，“NC-1”能够使负载从900W增加到1000W。即，图1的曲线揭示1.0wt％的氮的添加能够增加连接到膨胀器3的发电机4所产生的电力。
图2是表示膨胀器的入口的二氧化碳的温度和膨胀器的效率之间的关系的曲线图。该曲线图揭示1.0wt％的氮的添加能够在试验所实施的整个温度范围内增加膨胀器3的效率。
图3是膨胀器的入口的二氧化碳的温度和制冷循环的COP之间的关系的曲线图。COP是一个性能系数，该性能系数由蒸发器5获得的制冷生产量与当膨胀器3回收的电力减少时输入到压缩机1的电力的比率限定。COP值越大，制冷循环效率越高。图3揭示1.0wt％的氮的添加能够在试验所实施的整个温度范围内增加COP和制冷循环的效率。根据进一步的试验，优选的是，1.0wt％或更少的氮添加到制冷剂。
根据上述内容，可以清楚地知道，通过在制冷剂中混合非冷凝气体，能够增加膨胀器的效率和制冷循环的COP。
请注意，尽管在上述实施例中膨胀器3被描述成连接到发电机4，但是膨胀器3的轴(未显示)可与压缩机1的轴(未显示)结合或连接。
同样，膨胀器3可设置有网孔形式或插在入口中的棒的形式的流体搅拌器。流体搅拌器用于将制冷剂中混合的非冷凝气体的气泡转变成小气泡以便增加用于相变的气泡核的数量，因此增加防止相变延迟的效果和提供高效的制冷设备。
进一步请注意，尽管在上述实施例中采用摆动膨胀器作为膨胀器3，但是可采用任何容积型膨胀器，例如螺旋膨胀器(scroll expander)、柱塞式膨胀器、滑片膨胀器等。
同样请注意，非冷凝气体不限于氮，也可使用氩、氖等稀有气体。
尽管已经通过结合附图的实例详细说明了本发明，但是应当注意的是，各种变化和修改对于本领域的熟练技术人员是显然的。因此，除非这种变化和修改超出本发明的精神和保护范围，否则它们应当包括在本发明中。
[工业应用性]
本发明的制冷设备不限于冷藏机或冰箱，它可应用于通常的空调、热水供应用的热泵等。

Claims (2)

1.一种制冷设备，包括：压缩机、气体冷却器、回收制冷剂的膨胀能的膨胀器、和蒸发器；压缩机、气体冷却器、膨胀器和蒸发器全部串联连接以便限定制冷循环，其中非冷凝气体被混合在制冷剂中，氮被用作非冷凝气体，非冷凝气体具有小于或等于1.0wt％的浓度，并且二氧化碳被用作制冷剂。
2.根据权利要求1的制冷设备，还包括安装在膨胀器的入口的流体搅拌器。
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