CN101432385A - 以节约器操作空调系统的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了通过如下方式来提高屋顶空调系统性能的方法和装置：以节约器循环操作所述屋顶空调系统并使用含有R32和R125制冷剂的混合物作为工作介质，其中这样的益处至少涉及屋顶空调系统在各种环境(例如，95℉和更高的温度)下操作的性能(例如，容量和/或能效比)。

Description

以节约器操作空调系统的方法和装置
发明领域
本发明涉及空调系统，并特别涉及用于以节约器循环(economizercycle)操作整体式空调系统(例如，屋顶空调系统)以获得明显的性能相关益处的方法和装置。
发明背景
在制冷技术中已知，可以所谓“节约器循环”操作制冷系统来获得各种益处(例如，提高的系统容量和/或效率)。还已知，当压缩机吸排之间存在高压力比(如在制冷系统操作过程中存在高温差时会发生)，则所述益处将被放大。例如，在如下情况中以节约器循环操作超市或运输制冷系统时获得显著的系统益处：其中通过所述系统循环的制冷剂的温差(压缩机饱和吸入温度和饱和排出温度之间)通常约130℉。
相反，空调系统的压力比要低得多。这是因为空调系统操作过程中遇到的温差明显低于制冷环境下通常遇到的温差。因此，空调领域技术人员对于以节约器循环操作空调系统已失去信心，特别是因为他们相信，这样做会增加系统的非市场价值成本(non-nominal costs)和复杂度，而这些将不会得到性能相关益处和/或提高的补偿。因此，迄今为止，生产、销售和/或使用空调系统的人还不能获得可能通过以节约器循环操作这种空调系统而实现的各种益处。
虽然其自身是有问题的，但通过近期各种法规和工业条例的引入而使其变得更加困难，所述法规和条例通过限定空调系统的最低效率标准并开始逐步淘汰(经过一段时间后会全部禁止)某些热力学上适合且有效的制冷剂而极大影响了空调工业，所述制冷剂也会包含氢氯氟碳(HCFC)，例如R22制冷剂。
对R22的逐步淘汰/禁止对于本领域技术人员有特别重要的影响，因为担心空调系统的性能可能会由于“环境友好的”替代制冷剂的引入而受到负面影响，所述替代制冷剂具有显著不同于R22的热物理性质。这些替代制冷剂中最广泛使用的是R410A制冷剂混合物，与R22制冷剂相比，本领域大部分技术人员认为R410A制冷剂混合物在某些环境条件下(例如，在高环境温度下)表现出性能缺陷。
因此，需要开发能够在法规和工业条例范围内使用的空调系统、方法和设备，但其在以节约器循环操作时依然能够提供明显的性能相关益处。
发明概述
本发明满足了上述和其他需求，本发明提供了用于以节约器循环(或所谓的“蒸汽注射循环(vapor injection cycle)”)操作空调系统的方法和装置。特别是，本发明提供了在某些条件下(例如，在某些温度范围内和/或使用某些制冷剂)以节约器循环操作屋顶空调系统或设备，以获得与使用常规(即，非节约的)循环操作的空调系统相比较的性能相关益处，该益处至少涉及空调系统的容量和/或能效比。这些益处是特别重要的，因为其是在符合所有适用法规和工业条例的同时获得的。
根据本发明的示例性方面，这些益处在如下条件下产生：以节约器循环操作屋顶空调设备并使用R410A或类似混合物作为制冷剂(即，工作介质)，和/或其中屋顶空调系统在户外环境下操作，所述户外环境的环境温度为对于某些设备的标准ARI定值/点(95℉)或更高。
根据本发明的另一示例性方面，其中使用R410A或类似组成混合物作为屋顶空调系统的制冷剂，该混合物可包含约47％至约53％的R32制冷剂和约53％至约47％的R125制冷剂。
根据本发明的另一示例性方面，屋顶空调系统的制冷剂混合物可进一步包含其他添加剂，如油(例如，多元醇酯油、聚乙烯醚油、矿物油、烷基苯油及一种或多种这些油和/或其他油的组合)和/或促润滑添加剂，其中小量添加剂与制冷剂混合物一起在空调系统内循环。
下面详细讨论本发明的其他方面、实施方案和优点。
附图简述
为更全面理解本发明性质和期望的目的，参考下述与附图相结合的详细描述，其中同样的引用标记在所有附图中表示相应的部分，并且其中：
图1是空调系统的节约器循环的概要图；
图2是空调系统的替代节约器循环的概要图；
图3是图1和图2节约器循环的绝对压力与比焓的曲线图(即，P-h线图)；
图4描述了当使用R410A制冷剂以节约器循环操作屋顶空调系统时获得的有关容量的比较有益的结果；
图5描述了当使用R410A制冷剂以节约器循环操作屋顶空调系统时获得的有关能效比的比较有益的结果。
发明详述
本发明提供了用于以节约器循环操作屋顶空调系统的方法和装置。如上所述，空调领域技术人员大多排除了如下可能性：在法规和工业条例范围内以节约器循环操作空调系统，以获得性能相关益处，该益处不会更多地被增加的运行系统的成本和复杂度所抵消。然而，根据本发明，意想不到地发现：在某些操作条件下(例如，在某些温度范围内和/或使用某些制冷剂)以节约器循环操作整体式空调系统(例如，屋顶空调系统)产生了明显的性能相关益处，同时符合适用的立法和/或工业规定。
图1描述了用于空调系统的示例性节约器蒸汽注射循环100。根据节约器蒸汽注射循环(“节约器循环”)100，压缩机10将高压制冷剂递送至排出管线20，然后至冷凝器30。制冷剂经由液体管线从冷凝器排出，并分流于主流管线40和辅流管线50。虽然进入主流管线40和辅流管线50的制冷剂百分比可以变化，但目前优选的是约8％重量至约12％重量的总制冷剂流进入辅流管线50，其中剩余的制冷剂进入主流管线40。
来自主流管线40的制冷剂经由节约器热交换器95送至主膨胀设备60，然后至蒸发器70，并最终返回至压缩机10。来自辅流管线50的辅制冷剂流以预定方式，优选以相对主制冷剂流的反向流配置，送至节约器膨胀设备90(与主流管线40中制冷剂的压力和温度相比，其降低了辅制冷剂的压力和温度)并至节约器热交换器95。然后，在中间(即，吸入和排出之间)压力下将辅制冷剂流送回至压缩机10。如果需要卸载压缩机，则旁通阀80的存在使一部分部分压缩的制冷剂流回压缩机吸入口(例如，以常规/非节约方式的操作)。
主制冷剂和辅制冷剂之间的温差可以变化，并取决于系统设计和操作条件；但是，根据目前本发明优选的实施方案，辅制冷剂的温度比主制冷剂的温度低约25℉至约40℉，其中由于节约器热交换器95中主制冷剂流与辅制冷剂流之间热传递的相互作用，获得了约15℉至约35℉的额外温度降低。
因此，节约器循环100是有益的，因为它使某一百分比(例如，约88％至约92％)的制冷剂被进一步过冷却(例如，冷却约15℉至约35℉)至低于如果以常规(即，非节约的)循环操作图1空调系统将达到的温度。从而，制冷剂在到达蒸发器70时将具有更大的冷却潜力。
图2描述了与替代节约器循环100A一起操作的空调系统。除了图2循环中的辅流源自节约器热交换器95的下游而在图1循环中为上游外，图2节约器循环100A与图1循环100相同。
图3是图1节约器循环100和图2节约器循环100A的P-h线图，其中，图3中的点1、2、3、4、5、6、7、7’和7”相应于图1和图2节约器循环中相同标记的点。
图1和图2的节约器循环100、100A的其他替代实施方案在本发明范围内，包括但不限于Taras等的美国专利6,658,867中描述的那些，其全部通过引用结合入本文。例如，可以改进图1和图2的节约器循环100、100A之一或两者，以加入串联的压缩机装置，其中至少两个压缩机10并联安置并操作，其中可选择启动和停止所述至少两个压缩机的一个或多个，以为图1和图2描述的制冷剂系统提供部分负载操作。另外，多回路系统(即，如现有技术已知的具有多个独立回路的系统)可受益于本发明。在这样的系统中，可操作多个回路以提供类似的部分负载能力，如在现有技术已知的串联压缩机的情况中。
根据本发明意想不到地发现，在某些情况下使用图1和图2的节约器循环100、100A或者′867专利(Taras等)中描述的那些节约器循环，可以提供有关空调系统性能，特别是有关屋顶空调系统容量和能效比(EER)的非常有益的结果。根据本发明目的，“屋顶空调系统”指位于地上(例如，在建筑或结构之上)的整体式空调系统(相对于现有技术称为“分体式空调系统”的系统)。而且，根据本发明目的，“节约器循环”指图1的节约器循环100、图2的节约器循环100A、一种′867专利(Taras等)中描绘和/或描述的节约器循环或者任何其他已知的节约器循环。
例如，如图4和5中反映的数据所显示的，通过实验和模拟发现，与R410A在采用常规(即，非节约的)循环的屋顶空调系统中的使用相比，在屋顶空调系统节约器循环中使用R410A作为制冷剂提供了某些性能相关益处。图4描绘了如下操作的屋顶空调系统的模拟和实验验证的相对容量(相对于R22常规循环)与环境温度结果图：(a)以根据本发明使用R410A作为制冷剂的节约器循环(图中描述为“R410A，节约”)操作，和(b)以使用R410A作为制冷剂的常规循环(图中描述为“R410A，常规”)操作。类似地，图5描绘了如下操作的屋顶空调系统的模拟和实验验证的能效比(EER)与环境温度结果图：(a)以根据本发明使用R410A作为制冷剂的节约器循环(图中描述为“R410A，节约”)操作，和(b)以使用R410A作为制冷剂的常规(即非节约的)循环(图中描述为“R410A，常规”)操作。
应注意，对于图4和图5中反映的实验，用以进行“R410A，节约”和“R410A，常规”测试的设备通常是不相同的，因为常规系统将包括比节约器系统更大的热交换器，以获得在ARI条件(80℉/67℉的户内干球/湿球温度和95℉的环境温度)下的性能等同(performanceparity)。加大热交换器是本领域技术人员为提高空调系统性能(即，容量和/或能效比)所通常采用的措施。
如图4和图5所示，在标准ARI定值/设计点，常规系统和节约器系统的容量和能效比大致相等。这些结果表明了本发明节约器系统的益处，因为尽管通常未配备较大热交换器，但其能够在标准ARI定值/设计点(80℉/67℉的户内温度和95℉的环境温度)获得与常规系统相当的容量和能效比。本文使用的短语“环境温度”指屋顶空调系统所处位置的户外温度，其中，例如由于直射的阳光，该温度可以(并通常是)明显高于温度计所记录的温度读数。而且，由于空调设备的自然老化，相应于特定环境温度的饱和排出温度可能高于预期。
图4和图5中的结果还表明，当系统在高于95℉的ARI定值/设计点的环境温度下操作时，本发明节约器系统的益处变得更加显著(相对于常规系统)。例如，图4中所示数据表明，尽管具有较大的热交换器，但以使用R410A作为制冷剂的常规循环操作的屋顶空调系统的容量在高于95℉的温度下开始显示出明显的降低(即，减少)。具体说，如图4所示，常规系统在125℉的环境温度下的容量降低已有9％(与未配备增大的热交换器的R22系统相比较)。相反，还如图4所示，当屋顶空调系统根据本发明以使用相同R410A混合物作为制冷剂的节约器循环操作时，该系统表现出明显较不急剧的容量降低，例如在125℉的环境温度下仅降低5％。
类似地，参考图5，证明了有关能效比(EER)的有益结果-即，根据本发明，通过使用如R410A的制冷剂混合物，以屋顶空调系统节约器循环，在高于95℉时获得了显著益处。具体说，尽管配备有较大的热交换器，但以使用R410A作为制冷剂的常规循环操作的屋顶空调系统在125℉的环境户外温度下表现出12％的能效比降低(即，减少)(仍是与未配备增大的热交换器的R22系统相比较)；而根据本发明以节约器循环操作并使用R410A作为制冷剂时，屋顶空调系统在125℉的环境户外温度下表现出仅5％的能效比降低。
对于本发明，图4和图5中显示的对比的容量和能效益处是特别有意义的，因为这些益处在95°和特别是高于95°的环境温度下出现，所述温度是某些热、干、流行(polplated)气候地区(例如，内华达州、亚利桑那州、中东)的结构或建筑顶部(例如，屋顶)在日间经常遇到的，并且出现在因为在这样的高温下需依赖空调系统以提供尽可能多的冷却作用故而最需要这样益处的地方。
另外，这些有益结果在屋顶空调系统出现的事实也是非常重要的。在标准(即，“分体式”或住宅用的)空调系统中，通常将系统的某部分(例如，冷凝部件)安装在建筑结构的侧面，而不是如屋顶空调系统安装在结构的顶部。因此，屋顶空调系统暴露于其他(例如，“分体式”或住宅用的)空调应用中不存在的显著增加的热负荷，因为吹过蒸发器和冷凝器线圈的热大气另外被暴露于直射阳光的热屋顶表面所预热，所述直射阳光还通过直接或间接(例如，通过传导和对流)加热制冷系统的各组件而作用以提供额外的辐射热负荷。而且，由于其操作位置和条件，屋顶空调系统易受磨损和/或很少维护，两者都能导致系统的有效操作温度比平常更高。
因此，非常重要的是，本发明空调系统能在屋顶空调系统苛刻的条件下以节约器循环操作，并使用环境友好的制冷剂混合物(如R410A)，而依然表现出比以常规循环操作并配备有较大热交换器的空调系统更少的容量和能效的降低。
总之，与使用常规循环操作的和/或用于标准(即，“分体式”或住宅用的)空调应用的相同系统相比，当屋顶空调系统以使用R410A制冷剂的节约器循环操作时，获得了显著的容量益处(例如，更少的容量降低)和能效益处(例如，更少的能效比降低)。而且，当系统在高于95℉、约95℉至125℉的范围内或高于125℉的环境室外温度条件下操作时，以及推测该系统超出屋顶空调系统的使用寿命时，这些益处是特别显著的。
应注意，尽管R410A通常是50％重量的R32制冷剂和50％重量的R125制冷剂的混合物，但本文对“R410A”的任何引用应解释为指约47％至约53％(都包含)重量的R32和约53％至约47％(都包含)重量的R125的混合物。而且，这些范围可根据本发明调整，和/或混合物中可添加一定量的其他制冷剂(例如，R134a)。在一个实施方案中添加R134a，其添加量目前优选不超过5％重量。
另外，根据本发明的R410A-样制冷剂混合物可包含一种或多种添加剂。示例性的这些添加剂包括但不限于油(例如，多元醇酯(POE)油、聚乙烯醚(PVE)油、烷基苯油、矿物油或一种或多种这些油的混合物或组合，其中这些油的粘度可以变化，但通常为约20厘沱至约70厘沱，油粘度在100℉下且不含制冷剂时测定)和/或一种或多种现有技术已知的促润滑添加剂。添加剂可如现有技术公知的方式添加至制冷剂混合物，例如，通过与制冷剂一起在空调系统内循环。
尽管本文参考目前优选实施方案的细节描述了本发明，但不应认为这些细节限制本发明范围，除了如至其包括在随附权利要求的程度-即，本发明的上述描述仅为示例性的，并应理解，可进行改变和调整，且不脱离如所附权利要求所提出的本发明的范围或精神。另外，本文提到的任何文件都通过引用整体结合入本文，本文所提文件中引用的任何其他文件也都通过引用整体结合入本文。

Claims (47)

1.一种空调系统，该空调系统包括：
以节约器循环操作的屋顶空调设备，其中所述屋顶空调设备使用至少一种预定制冷剂作为工作介质。
2.权利要求1的空调系统，其中所述至少一种预定制冷剂是R32制冷剂与R125制冷剂的混合物。
3.权利要求2的空调系统，其中所述至少一种预定制冷剂是约47％重量至约53％重量的R32制冷剂和约53％重量至约47％重量的R125制冷剂的混合物。
4.权利要求1的空调系统，其中所述至少一种预定制冷剂包含至少一种添加剂。
5.权利要求4的空调系统，其中所述至少一种添加剂的每一种是油。
6.权利要求5的空调系统，其中所述至少一种油的每一种的粘度为约20厘沱至约70厘沱。
7.权利要求5的空调系统，其中所述至少一种油的每一种选自多元醇酯油、聚乙烯醚油、烷基苯油、矿物油及两种或多种上述物质的混合物。
8.权利要求4的空调系统，其中所述至少一种添加剂是其他制冷剂。
9.权利要求8的空调系统，其中所述其他制冷剂是R134a。
10.权利要求9的空调系统，其中添加至所述系统的R134a的量不超过或等于5％重量。
11.权利要求4的空调系统，其中所述至少一种添加剂是促润滑添加剂。
12.一种屋顶空调系统，该系统以节约器循环操作，并且所述系统使用的工作介质包含R32和R125的混合制冷剂。
13.权利要求12的屋顶空调系统，其中所述工作介质包含47％重量至约53％重量的R32制冷剂和约53％重量至约47％重量的R125制冷剂。
14.权利要求12的屋顶空调系统，其中所述工作介质包含至少一种添加剂。
15.权利要求14的屋顶空调系统，其中所述至少一种添加剂的每一种是油。
16.权利要求15的屋顶空调系统，其中所述至少一种油的每一种的粘度为约20厘沱至约70厘沱。
17.权利要求15的空调系统，其中所述至少一种油的每一种选自多元醇酯油、聚乙烯醚油、烷基苯油、矿物油及两种或多种上述物质的混合物。
18.权利要求14的空调系统，其中所述至少一种添加剂是其他制冷剂。
19.权利要求18的空调系统，其中所述其他制冷剂是R134a。
20.权利要求19的空调系统，其中添加至所述系统的R134a的量不超过或等于5％重量。
21.权利要求14的空调系统，其中所述至少一种添加剂是促润滑添加剂。
22.一种提高屋顶空调系统性能的方法，该方法包括如下步骤：
提供屋顶空调系统；和
以节约器循环操作屋顶空调系统。
23.权利要求22的方法，该方法进一步包括如下步骤：
使用R32和R125制冷剂的混合物作为所述系统的工作介质。
24.权利要求23的方法，其中所述工作介质包含至少一种添加剂。
25.权利要求24的方法，其中所述至少一种添加剂的每一种是油。
26.权利要求25的方法，其中所述至少一种油的每一种的粘度为约20厘沱至约70厘沱。
27.权利要求25的方法，其中所述至少一种油的每一种选自多元醇酯油、聚乙烯醚油、烷基苯油、矿物油及两种或多种上述物质的混合物。
28.权利要求24的空调系统，其中所述至少一种添加剂是其他制冷剂。
29.权利要求28的空调系统，其中所述其他制冷剂是R134a。
30.权利要求29的空调系统，其中添加至所述系统的R134a的量不超过或等于5％重量。
31.权利要求24的空调系统，其中所述至少一种添加剂是促润滑添加剂。
32.权利要求22的方法，其中所述操作屋顶空调系统的步骤在高于95℉的户外环境温度下进行。
33.权利要求22的方法，其中所述操作屋顶空调系统的步骤在约95℉至约125℉的户外环境温度下进行。
34.一种屋顶空调系统，该系统包括：
压缩机；
通过至少第一个制冷剂管线与所述压缩机相通的冷凝器；
通过至少第二个制冷剂管线与所述冷凝器相通的第一个膨胀装置；
通过至少第三个制冷剂管线与所述第一个膨胀装置相通并通过至少第四个制冷剂管线与所述压缩机相通的蒸发器；
通过至少第五个制冷剂管线与所述冷凝器相通的第二个膨胀装置；和
通过至少第六个制冷剂管线与所述第二个膨胀装置相通并通过至少第七个制冷剂管线与所述压缩机相通的热交换器；
其中所述屋顶空调系统以节约器循环操作，并且使用至少一种预定制冷剂作为工作介质。
35.权利要求34的屋顶空调系统，其中所述系统包括至少两个压缩机。
36.权利要求35的屋顶空调系统，其中至少两个压缩机是串联的压缩机。
37.权利要求34的屋顶空调系统，其中所述系统是多回路系统。
38.权利要求34的空调系统，其中所述至少一种预定制冷剂是R32制冷剂与R125制冷剂的混合物。
39.权利要求38的空调系统，其中所述至少一种预定制冷剂是约47％重量至约53％重量的R32制冷剂和约53％重量至约47％重量的R125制冷剂的混合物。
40.权利要求34的空调系统，其中所述至少一种预定制冷剂包含至少一种添加剂。
41.权利要求40的空调系统，其中所述至少一种添加剂的每一种是油。
42.权利要求41的空调系统，其中所述至少一种油的每一种的粘度为约20厘沱至约70厘沱。
43.权利要求41的空调系统，其中所述至少一种油的每一种选自多元醇酯油、聚乙烯醚油、烷基苯油、矿物油及两种或多种上述物质的混合物。
44.权利要求40的空调系统，其中所述至少一种添加剂是其他制冷剂。
45.权利要求44的空调系统，其中所述其他制冷剂是R134a。
46.权利要求45的空调系统，其中添加至所述系统的R134a的量不超过或等于5％重量。
47.权利要求40的空调系统，其中所述至少一种添加剂是促润滑添加剂。
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