CN102844635B - 具有连续膨胀的制冷系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

现代化的制冷周期包括利用两个膨胀设备和两个冷凝器进行的两次连续膨胀,其中第一冷凝器对压缩机之后的制冷剂进行液化,并且第二冷凝器对第一膨胀设备之后的制冷剂进行液化。用于所述第二冷凝器的冷却介质要么是制冷系统中待调节的空气,要么是其它可得到的介质。本发明呈现了根据前述制冷周期操作的空调、除湿器和热泵的密封系统,其使得除湿性增强,同时在冷却模式下提高了效率,在加热模式下提高了加热容量和效率。

Description

具有连续膨胀的制冷系统以及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及制冷气候控制系统,所述系统要么从室内空气吸收热量并且将其排出到周围环境中,要么将从周围环境中吸收的热量输送到室内空气中。这些系统包括住宅用的和商用的热泵和空调。本发明还涉及空气在封闭体积中循环的制冷系统。这些系统例如包括用于干衣机的除湿器和热泵。
背景技术
[0002] 空调/热泵和除湿器操作常规制冷周期(图2),并且在冷却模式下从室内空气抽取热量并从该空气中冷凝湿气,从而将所抽取的热量与来自压缩机的热量一起输送到周围环境中。对于空调和热泵而言,周围环境是正常的室外空气或其它室外介质。对于除湿器而言,周围环境是同样的室内空气。在冷却模式下,热泵和空调将室内空气的温度和湿度降低到舒适水平,而除湿器降低湿度从而增加室内空气温度。对于空调和热泵,一组室内空气温度和经过蒸发器的气流速度与给定的室内空气交换速度和室外空气的状况一起也将限定室内空气湿度。当空调/热泵在冷却模式下操作时,平均室内空气相对湿度(RH)可以停留在大约35-50%的舒适水平下。然而,甚至对于50%或以下的平均室内空气湿度,离开蒸发器的寒冷空气的RH也会达到90-95%。具有如此高的湿度的空气承载小的水滴,这些水滴在空气导管表面上甚或在建筑物之内的墙壁上累积,这会引起发霉和过敏。经过室内换热器(蒸发器)的气流的减少,或者蒸发器尺寸的缩短,或者在具有附加加热器或具有冷凝盘管的蒸发器之后加热空气会降低室内空气的湿度,但是冷却容量和空气调节的效率会明显地降低达15-20%。此外,在外部空气温度较高且室内空气交换增加的许多地方(B卩,老建筑,开窗或者开门)的夏季期间,平均室内空气相对湿度会升高50%甚至70%以上。因此,水在空气导管中和在墙壁上累积的危险甚至会更高,并且将需要向正要离开的空气增加明显的热量。
[0003] 在加热模式下操作的气候控制的热泵从外部空气抽取热量并且将该热量与来自压缩机的热量一起输送到室内换热器,而干燥机中的热泵对循环空气重新加热。风扇吹送空气经过温暖的换热器盘管,该风扇将热量传递到空气中。对于诸如佛罗里达州的温暖地区的气候控制系统,在大部分时间内热泵提供充分的室内空气温度来度过冬季。然而,在更冷的地区,热泵经常需要附加的气体加热器或电阻加热器,并且基本对于较低的室外温度来说并不高效。
[0004] 改进热泵的一个解决方案是在加热模式和冷却模式下操作,正如在美国专利5,689,962中已经公开的处于冷却模式下的空调。该专利提供了示意图,其中室内换热器被分为两部分。在加热模式下,第一部分变成冷凝器,而第二部分作为过冷却器。在冷却模式下,换热器的第一部分作为过冷却器,而第二部分作为蒸发器。该设计的问题是如何正确地操作“过冷却器”并且以何种方式来将室内换热器分为两部分。如果各部分相等或基本相等,则热泵将在两种模式下都低效地操作。如果一个部分远大于另一个,则热泵在过冷却器大于蒸发器或冷凝器的模式下极为低效。对于用于除湿和冷却空气的方法,在过冷却器之前只有一次制冷剂膨胀,因此过冷却器作为蒸发器的一部分工作。在用于加热空气的方法中缺乏任何膨胀使得系统不可操作。
[0005] 更具体而言,美国专利6212892和6595012提供具有用于热泵的两次膨胀(参见图3)的制冷周期。该周期首先已经被本发明的作者引入到美国专利#5755104的申请中,以便提高具有蓄热器的制冷系统的效率。另外,在专利#6212892和#6595012中使用了具有多级膨胀的周期。正如在这些专利的初始专利中那样,具有两次连续膨胀的周期专门地提供用于冷却室内空气模式下的空调或热泵,但不用于热泵的加热模式。两个专利指定了两种不同冷却模式:常规的以及具有增强除湿的。在操作图3中的周期的除湿模式下,两个专利均考虑使辅助盘管作为过冷却器进行工作。其暗示在第一膨胀设备中独立地进行膨胀时,该系统将与高效的过冷却一起操作。这是不正确的假设。低效的过冷却会极大地影响该系统的效率。对于正确的过冷却,假定系统的制冷负荷高于不存在过冷却时的制冷剂负荷。然而,升高的制冷剂负荷将被收集在储压器中,或者在更糟的情况下,过度的液体制冷剂会到达压缩机,从而造成液塞。因此,实践中非常难以在具有常规几何形状的传热盘管中得到冷凝和深度过冷却。因此,在这些专利中提供的设计可以提高冷凝温度,并且极大地降低系统的效率。另外,正如在专利5,689,962中一样,专利6212892和6595012并未指定辅助盘管的尺寸。此外,专利6212892和6595012提供了第二换向阀,其打开及关闭以改变常规冷却模式与具有增强除湿的模式。其引入了额外的安装、操作和维护费用。
发明内容
[0006] 在本发明中,与包括空调、热泵、除湿器等的常规制冷系统相反,制冷周期被改进并利用两个膨胀设备和两个冷凝器而包括两次连续的膨胀,其中第一冷凝器使压缩机之后的制冷剂液化,第二冷凝器使第一膨胀设备之后的制冷剂液化。用于所述第二冷凝器的冷却介质要么是制冷系统中待调节的空气,要么是其它可得到的介质。本发明的第一实施方案描述了该制冷周期。
[0007] 其它实施方案包括空调、除湿器和热泵的密封系统在任一个冷却和/或加热模式下根据前述制冷周期工作的操作示意和次序。在各实施方案中包括,第二冷凝器的尺寸限制和基本设计需求基于通过多级膨胀操作的空调和/或热泵的数学建模的结果进行。这允许通过在冷却模式下提高效率且在加热模式下提高容量和效率来增强除湿性。
[0008] 另一个实施方案包括绕过第二膨胀设备的阀,其允许空调根据常规制冷周期进行操作。
附图说明
[0009] 图1是利用两级膨胀和两个冷凝器来调节空气的改进制冷周期的P-H曲线图。
[0010] 图2是常规的制冷周期的P-H曲线图(先前技术)。
[0011] 图3是具有多级膨胀和辅助过冷却器的制冷周期的P-H曲线图(先前技术)。
[0012] 图4是根据本发明的一个实施方案的空调的示意图。
[0013] 图5是根据图1中的制冷周期在冷却模式下操作的热泵的示意图。
[0014] 图6是图5的热泵在加热模式下操作的示意图。
[0015] 图7显示了图4的空调和图5的热泵的效率和相对湿度的数学建模结果。
[0016] 图8是图4的空调和图5、图6的热泵的室内换热器中的管子布置。
[0017] 图9是根据图1中的制冷周期在加热模式下操作的根据本发明的另一个实施方案的热泵的示意图。
[0018] 图10是图9的热泵在冷却模式下操作常规制冷周期的示意图。
[0019] 图11显示了图9的热泵的效率和加热容量的数学建模结果。
[0020] 图12是图9、图10的热泵的室内换热器中的管子布置。
[0021] 图13是根据图1中的制冷周期在冷却模式下操作的根据本发明的又一个实施方案的热泵的示意图。
[0022] 图14是图13的热泵在加热模式下操作图1的制冷周期的示意图。
具体实施方式
[0023] 图1显示了具有两次连续膨胀和两个连续冷凝器的制冷周期的P-H曲线图。
[0024] 线1-2-3-4-5-6-1显示了该周期,其中线1_2表示压缩机中的被蒸发的制冷剂压缩,线2-3表示对第一冷凝器中的制冷剂进行脱过热并冷凝,线3-4表示第一膨胀设备中的膨胀,线4-5表示在第二冷凝器中进行冷凝,线5-6显示第二膨胀设备中的膨胀,并且线6-1显示在蒸发器中进行蒸发。与常规周期相比,蒸发器容量增加,而不会存在由部段6-4’显示的任何过冷却。在加热模式下,其还转变为输送到室内盘管的热量的增加。
[0025] 在所有空气系统中,用于冷却模式的吸热片是周围环境空气,其中第一冷凝器或主冷凝器排出热量。第二冷凝器需要具有更低温度的吸热片。其可以是被输送到第二冷凝器的蒸发器之后的冷空气,以便使在第一膨胀设备中部分地膨胀的制冷剂冷凝。因此,对于冷却模式,最为便利的是将第二冷凝器作为室内换热器的一个部段,其中空气首先对着蒸发器流动然后对着第二冷凝器流动。
[0026] 为了使用蒸发器在加热模式下从周围环境中得到的额外热量,第二冷凝器还必须安装在将要作为室内换热器的一部分的加热区域内。与冷却模式不同,在此,室内换热器中的冷空气首先流动经过第二冷凝器,然后空气流动经过第一冷凝器。在另一个布置中,冷空气开始平行流动经过第二冷凝器和第一冷凝器的一部分。
[0027] 图2中的线1-2-3-4-1呈现了常规制冷周期。线1-2_5-6_1显示了冷凝器之后的带有过冷却的常规周期。理论上,周期1-2-5-6-1实现了与图1的改进周期同样的效果。尽管如此,在实践中不可能在根据常规周期操作的冷凝器中得到深度过冷却。通常,冷凝器中的过冷却很少超过1-3华氏度。存在暗示利用额外的制冷剂负荷可以达到深度过冷却的文献源。冷凝器应当对传热盘管的第一部分中的制冷剂蒸汽进行液化,从而剩下了盘管的一大部分填充了可以通过引入冷空气进行过冷却的液体。然而,升高的制冷剂负荷可被收集在储压器中,或者在更糟的情况下,过度的液体制冷剂会到达压缩机,从而造成液塞。
[0028] 在图3的制冷周期中,线1-2表示制冷剂蒸汽压缩,线2-3显示在冷凝器中进行脱过热及冷凝,线3-4显示在第一膨胀设备中的膨胀,线4-5显示在过冷却器中进行冷凝及过冷却,线5-6显示第二膨胀设备中的膨胀,并且线6-1显示蒸发器中的液体制冷剂的蒸发。与常规制冷周期一样,为了在过冷却器中实现深度过冷却,需要额外的制冷剂负荷。
[0029] 与图2的常规周期(带有过冷却)和图3的周期相比,图1的周期的优点是冷凝过程稳定。第一膨胀设备控制第一(主)冷凝器。第二膨胀设备控制在第二 (辅助)冷凝器中排出的额外热量。该布置不需要制冷剂超负荷,从而提供了在加热模式下提高的大容量和效率以及在冷却模式下与效率一起提高的除湿性。
[0030] 图4显示了根据图1操作的空调的密封系统的示意图。位于压缩机110之后的热的受压缩制冷剂蒸汽经过管线112而流动到室外换热器116,该室外换热器作为对制冷剂蒸汽进行脱过热及冷凝的第一冷凝器而进行操作。在第一冷凝器116之后,液体制冷剂经过管线122流动到第一膨胀设备120。设备120能够是孔、阀、恒温膨胀、毛细管、活塞式短管节流器或使在室内换热器150的方向上流动的制冷剂膨胀的任何其它设备。室内换热器150由两个部段构成:操作为第二冷凝器的辅助部段138以及操作为蒸发器的主部段146。在设备120中膨胀的蒸汽和液体制冷剂的混合物到达第二冷凝器138,其中该混合物进行了液化,从而将热量排出到离开蒸发器的室内空气中。在第二冷凝器138之后,液体制冷剂到达第二膨胀设备130,与第一膨胀设备一样,该第二膨胀设备可以是孔、阀、恒温膨胀阀、毛细管、活塞式短管节流器或使在室内换热器150的主部段146的方向上流动的制冷剂膨胀的任何其它设备。如果蒸发器包括数个平行的制冷剂流路,则膨胀设备130还可以与分配器(未显示)组合。大部分液体制冷剂在蒸发器146中蒸发,从而吸收热量并且对来自引入室内空气144的湿气进行冷凝。在蒸发器146之后,被蒸发的制冷剂经过管线142流动到压缩机110的吸口。能够安装可选的电磁阀152,来绕过第二膨胀设备130。当电磁阀152处于打开位置时,室内换热器150的辅助部段138将作为蒸发器的第一部分工作,从而蒸发经第一膨胀设备120处理之后的制冷剂。
[0031] 在某些应用中,换热器116还能够位于室内。如果来自相同封闭体积的空气串行地穿过换热器150和换热器116两者,则图4的密封系统能够用在对室内空气进行除湿的除湿器中或者用于干衣机的热泵中,以便提供具有干燥衣物所需的额外热量的空气。在干衣机中,换热器150的辅助部段可以要么位于第一冷凝器之后,要么位于分离的回路中,以便从系统排出额外的热量。处理显示在示意图中的物体外,图4的密封系统还可以包括过滤器、干燥机、储压器和其它通用的密封系统部件。
[0032] 图5显示了在冷却模式下操作的热泵的密封系统。除了 4路换向阀248,热泵的操作与图4的空调的操作大体等同。热的受压缩蒸汽制冷剂在压缩机210之后经过管线212而流动到4路换向阀248的端口 a。在冷却模式下,来自端口 a的制冷剂流动到端口 b,并且进一步经过管线214流动到在此模式下操作为第一冷凝器的室外换热器216,从而对制冷剂蒸汽进行脱过热及冷凝。在第一冷凝器216之后,液体制冷剂经过第三膨胀设备254流动到管线222,并且进一步流动到第一膨胀设备220。在此模式下,第三膨胀设备使制冷剂流动到管线222而不发生膨胀。相反,第一膨胀设备220使在此方向上流动的制冷剂膨胀,从而使部分为蒸汽部分为液体的制冷剂到达室内换热器250。室内换热器250由2个部段构成:操作为第二冷凝器的第一(辅助)部段238以及在此模式下操作为蒸发器的第二 (主)部段246。首先,在设备220中膨胀的制冷剂到达第二冷凝器238,其中其液化,从而将热量排出到离开蒸发器的室内空气中。在冷凝器238之后,液体制冷剂到达使在室内换热器250的主部段246的方向上流动的制冷剂膨胀的第二膨胀设备230。然后,大部分液体制冷剂在蒸发器246中蒸发,从而吸收热量并且对来自引入室内空气244的湿气进行冷凝。在蒸发器246之后,被蒸发的制冷剂经过管线240流动到4路换向阀248的端口 d。在该模式下,端口 d连接到端口 C,该端口 c转而将被蒸发的制冷剂经过管线242输送到压缩机210的吸口。三个膨胀设备中的任一个的设计可以包括帽管、孔或具有额外的截止阀的恒温膨胀阀,从而使制冷剂在一个方向上自由运动。其还能够是短管节流阀或者使制冷剂在一个方向上膨胀并允许其在相反方向上自由流动的任何其它膨胀设备。还能够安装可选的电磁阀252,来绕过第二膨胀设备230。当电磁阀252处于打开位置时,室内换热器250的辅助部段238将作为蒸发器的第一部分来进行工作,从而蒸发第一膨胀设备220之后的液体制冷剂。在某些热泵(例如位于室内换热器和室外换热器邻近位置的热泵)中,第三膨胀设备和第一膨胀设备能够组合在一个装置中,该装置在一个方向上在冷却模式下且在相反方向上在加热模式下使制冷剂膨胀。如果蒸发器包括数个平行的制冷剂流路,则第二膨胀设备230可以与分配器(未显示)组合。此外,与本发明所述的其它热泵一样,该热泵的密封系统可以包括过滤器、干燥机、储压器和其它密封系统部件。
[0033] 图6显示了图5的热泵的密封系统在加热模式下操作的制冷剂路径。热的制冷剂蒸汽从压缩机210的排放端口经过管线212流动到4路换向阀248的端口 a。在该模式下,制冷剂在端口 a之后流动到端口 d,并进一步经过管线240流动到室内换热器250的主部段246。在主部段246之后,制冷剂经过第二膨胀设备230运动到换热器150的辅助部段238。在该方向上,膨胀设备230使制冷剂流动而不发生膨胀。换热器250的两个部段246和238工作为单个冷凝器,从而对制冷剂蒸汽进行冷凝,并将热量排出到室内气流244中。在冷凝之后,液体制冷剂穿过第一膨胀设备220而同样不发生膨胀,并且经过管线222到达第三膨胀设备254。在设备254中膨胀之后,大部分液体制冷剂流动到室外换热器216,该室外换热器在此模式下操作为蒸发器。在蒸发器之后,被蒸发的制冷剂经过管线214和换向阀248的端口 b运动经过端口 c和管线242而到达压缩机210的吸口端口。因此,在该模式下,热泵根据图2所示的常规制冷周期操作。
[0034] 图7显示了图4的空调和图5的热泵在冷却模式下操作的数学建模结果。重要的设计参数是室内换热器的哪部分将用作辅助部段或用作第二冷凝器。室内换热器的其余部分是主部段,或者在此模式下是蒸发器。假设:平均室内空气温度为75华氏度,相对湿度为50%,制冷剂为R410A,蒸发温度为50华氏度。正如能够从图7看到的,当在常规制冷周期(第二冷凝器表面的百分比等于0%)下操作时,出口处的空气相对湿度RH为大约95%,该数值极高并将在蒸发器之后的空气中形成水滴。对图7的图表的分析有助于发现在室内换热器的辅助部段和主部段之间的正确比值范围。该图表证明,如果第二冷凝器仅占总体室内换热器表面的5%-6%,则离开室内换热器的空气的相对湿度降低15-16%,并且到达80%或以下的安全水平。空气RH的较大降低可以由2个因素来解释。第一个因素是蒸发器上的额外负载(参见图1,线6-1的部段6-4’)。该额外负载迫使蒸发温度下降,这又会增加湿气冷凝。模型显示,即使较小(总体室内换热器的5%-6%),第二冷凝器也将使蒸发器容量增加12%,并使湿气冷凝增加30%以上。第二个因素是第二冷凝器使排出的空气升温,从而进一步降低RH。
[0035] 然而,蒸发温度的降低使得效率出现一定的降低。如果第二冷凝器的表面占总体室内换热器表面的5-6%,则效率降低大约2-2.5%。与用于空气湿度降低(例如,在气流中或者在蒸发器表面中的前述降低)或者用于利用额外的加热器或冷凝盘管的一部分在蒸发器之后加热空气的其它手段相比,其仍然是相对低价的。在大多数应用中,第二冷凝器占据室内换热器的5-6%就将足够了。然而,第二冷凝器的管子将设置为使得离开蒸发器的至少大部分空气必须在第二冷凝器中重新被加热。
[0036] 图8a、8b、8c显示了在室内换热器中布置主部段和辅助部段的方式。在该示意图中,主部段的管子未被填充,而辅助部段的管子被黑色填充。图8a中的布置包括室内盘管的3排主(蒸发)部段以及由辅助盘管占据的额外的一排。在该布置中,辅助盘管占据总体室内换热器表面的25%。如果主部段由2排构成且辅助换热器仍占据一排,则第二冷凝器将占据总体室内换热器管子的三分之一。如图7所示,进一步增大辅助换热器的尺寸是不合理的:在离开蒸发器的空气的相对湿度降低到70%以下的同时,COP急剧下降,这是不必要的。在图Sb中的管子布置再次包括3排蒸发器和半排第二冷凝器,该第二冷凝器在此占据室内换热器的大约14%。重要的是,在由辅助部段占据的那排中的管子分布必须尽可能均匀。这提供了对离开蒸发器的大部分空气进行重新加热的机会。最后,在图8c的布置中,第二冷凝器仅占据室内换热器的5.2%。如果空气在辅助盘管之前在室内换热器中很好地被混合,则这将足以降低蒸发器之后的空气的相对湿度。
[0037] 图9显示了在加热模式下操作的热泵的密封系统。与常规热泵相比,在该模式下,系统提供了额外的容量和效率。热的受压缩制冷剂蒸汽在压缩机310之后经过管线312而流动到4路换向阀348的端口 a。在加热模式下,来自端口 a的制冷剂流动到端口 d,并且进一步经过管线340流动到在此模式下操作为第一冷凝器的室内换热器350的主部段346,从而对制冷剂蒸汽进行脱过热及冷凝,并将热量排出到室内空气流中。在第一冷凝器346之后,液体制冷剂流动经过第二膨胀设备330,在该设备中膨胀并到达操作为第二冷凝器的辅助部段338,从而对第二膨胀设备330之后的制冷剂蒸汽进行冷凝,并且将热量排出到引入的空气344中。制冷剂进一步流动到第一膨胀设备320。在此模式下,第一膨胀设备使制冷剂流动到管线322而不发生膨胀。然后,第三膨胀设备354使制冷剂膨胀。在膨胀之后,大部分液体制冷剂到达室外换热器316,该室外换热器在此模式下操作为蒸发器。在蒸发器316之后,制冷剂蒸汽经过管线314到达换向阀348的端口 b。然后,经过端口 c和管线342,被蒸发的制冷剂来到压缩机吸口。各膨胀设备中的任一个的设计可以包括帽管、孔或具有额外的截止阀的恒温膨胀阀,从而使制冷剂在一个方向上自由运动。其还能够是短管节流阀或者使制冷剂在一个方向上膨胀并允许其在相反方向上自由流动的任何其它膨胀设备。在某些热泵(例如位于室内换热器和室外换热器邻近位置的热泵)中,第三膨胀设备和第一膨胀设备能够组合在一个装置中,该装置在一个方向上在冷却模式下且在相反方向上在加热模式下使制冷剂膨胀。如果室内换热器的主部段346由数个平行流路构成,则第二膨胀设备330可以与分配器(未显示)组合。此外,与本发明所述的其它热泵一样,该热泵的密封系统也可以包括过滤器、干燥机、储压器和其它密封系统部件。
[0038] 图10显示了图9的热泵的密封系统在冷却模式下操作的制冷剂路径。热的制冷剂蒸汽从压缩机310流动,并经过管线312而排放到4路换向阀348的端口 a。在此模式下,制冷剂在端口 a之后流动到端口 b,并进一步经过管线314流动到室外换热器316,该室外换热器操作为冷凝器,从而对制冷剂进行脱过热及冷凝,并将热量排出到周围环境中。在冷凝器316之后,制冷剂经过第三膨胀设备354和管线322运动到第一膨胀设备320。在该方向上,膨胀设备354使制冷剂流动而不发生膨胀,同时膨胀设备320使制冷剂在操作为蒸发器的第一部分的室内换热器350的辅助部段338之前膨胀。在辅助换热器338之后,制冷剂到达第二膨胀设备330并进一步到达主部段346。在此模式下,膨胀设备330使制冷剂流经而不发生膨胀,同时部段346操作为蒸发器的第二部分。因此,换热器350的两个部段346和338作为单个蒸发器工作,从而使液体冷凝器蒸发,并且从室内气流344中吸收热量。在蒸发器之后,被蒸发的制冷剂流动经过管线340和换向阀348的端口 d,然后经过端口 c和管线342,制冷剂到达压缩机310的吸口端口。因此,在该模式下,热泵根据图2所示的常规制冷周期操作。
[0039] 图11显示了图9中的热泵在加热模式下的数学建模结果。同样,正如图4中的空调那样,重要的设计参数是室内换热器的哪部分将用作辅助部段或用作第二冷凝器。室内换热器的其余部分是主部段,其在此模式下作为第一冷凝器工作。假设:制冷剂为R410A,室内空气温度为68华氏度,当在常规制冷周期下操作时,冷凝温度为110华氏度,且蒸发温度为40华氏度。正如从图11中能够看到的,该示意图可以提供大约12%的容量增加以及接近3%的效率增加。当辅助盘管占据总体室内换热器表面的10-15%时,实现了最佳的效率,而如果辅助盘管为室内换热器的大约四分之一,则实现了最大的容量。因此,室内换热器的辅助部段的最佳范围介于5%和25%之间。该图表证明,如果辅助部段超过总体室内换热器表面的三分之一,则效率下降4%以上,同时加热容量也开始下降。
[0040] 图12a、12b、12c和12d显示了图9和10的热泵中的不同的管子布置。在所有四种布置中,室内换热器的辅助部段的管子(用黑色填充的管子)的数量为4,其为图12a中的40根管子的10%,且为图12b、12c和12d中的36根管子的11%。在此,与图8中的布置不同,室内换热器的辅助部段必须处在进气口处。最佳解决方案是在室内换热器的主部段之前均匀散布辅助换热器的管子(图12a)。然而,对于图8中的布置并不存在这么严格的要求,并且辅助换热器管子可以位于主换热器的管子之间(图12b),位于其一端(图12c),甚或部分地占据前几排(在空气方向上)的一对(图12d)。而且,效率将从图12a的布置到图12d的布置而逐渐变差。
[0041] 图13和14显示了在冷却模式和加热模式两者下利用多级膨胀操作的热泵。
[0042] 图13显示了处于冷却模式操作下的示意图。热的制冷剂蒸汽在压缩机410之后经过管线412而流动到8路换向阀448的端口 a。然后,经过端口 b和管线414,制冷剂到达室外换热器416。在此模式下,换热器416操作为第一冷凝器,从而将热量排出到周围环境中,对制冷剂蒸汽进行脱过热并对该蒸汽进行冷凝。液体制冷剂在冷凝器416之后流动经过第三膨胀设备454,该第三膨胀设备在该方向上使制冷剂流动而不发生膨胀。然后,经过管线422,制冷剂到达换向阀448的端口 e。另外,制冷剂经过端口 f和管线424流动到第一膨胀设备420,从而在两个方向上使制冷剂膨胀。膨胀后的制冷剂流动到操作为第二冷凝器的室内换热器450的第一辅助部段438,从而对第一膨胀设备420之后的蒸汽进行重新冷凝,并将热量排出到离开室内换热器的冷空气中。在第二冷凝器438之后,液体制冷剂再次膨胀,这次是在第二膨胀设备430中进行。膨胀后的制冷剂流动到操作为蒸发器的第一部分的室内换热器450的主部段446,从而对液体制冷剂进行蒸发,并且吸收热量并对来自室内空气的湿气进行冷凝。在换热器446之后,制冷剂经过管线434流动到换向阀448的端口 h。然后,经过端口 g和管线436,制冷剂流动到操作为蒸发器的最后部分的室内换热器450的第二辅助部段456,从而对液体制冷剂的其余部分进行蒸发,并且吸收热量并对来自引入空气444的湿气进行冷凝。在蒸发器456之后,蒸发后的制冷剂经过管线440流动到8路换向阀448的端口 d,并且经过端口 c和管线442而到达压缩机吸口。在该示意图中,第一膨胀设备420为使制冷剂在一个方向上在冷却模式下且在相反方向上在加热模式下进行膨胀的装置。两个和三个膨胀设备的设计可以包括帽管、孔或具有额外的截止阀的恒温膨胀阀,从而使制冷剂在一个方向上自由运动。其还能够是短管节流阀或者使制冷剂在一个方向上膨胀并允许其在相反方向上自由流动的任何其它膨胀设备。如果室内换热器的主部段446由数个平行流路构成,则第二膨胀设备430可以与分配器(未显示)组合。此夕卜,与图4、5、6、9、10中一样,图13、14中的密封系统也可以包括过滤器、干燥机、位于第一冷凝器之后的储液器、储压器和其它密封系统部件。
[0043] 图14是图13的热泵在加热模式下操作的示意图。热的制冷剂蒸汽在压缩机410之后经过管线412而流动到8路换向阀448的端口 a。然后,经过端口 h和管线434,制冷剂到达室内换热器450的主部段446。在该模式下,部段446操作为第一冷凝器的第一部分,从而对制冷剂蒸汽进行脱过热及部分地进行冷凝,并且将热量排出到室内气流中。在换热器446之后,制冷剂自由地流动经过第二膨胀设备430而到达在此操作为第一冷凝器的第二部分的第一辅助部段438,从而对制冷剂增强的其余部分进行冷凝,并将热量排出到排出气流中。液体制冷剂在部段438之后在第一膨胀设备420中膨胀,并且经过管线424流动到端口 f,然后流动到端口 g并经过管线436流动到在此操作为第二冷凝器的室内换热器450的第二辅助部段456。在部段456中,制冷剂进行再冷凝,从而将热量排出到引入室内气流444中。在部段456之后,液体制冷剂经过管线440、端口 d和e流动到第三膨胀设备454,并且其中膨胀。在膨胀之后,液体制冷剂在室外换热器416中蒸发,从而从周围环境吸收热量。在蒸发器416之后,蒸发后的制冷剂经过端口 b、c和管线442到达压缩机吸口。
[0044] 图13、14的设计可以不同。例如,第一膨胀设备420可以设计为仅在一个方向上膨胀制冷剂,并且在相反方向上膨胀制冷剂的额外设备将要安装在管线436中。然而,相对于待调节的气流,第二冷凝器在冷却模式下总是必须处于蒸发器的下游,并且在加热模式下,第二冷凝器必须处于第一冷凝器的上游。
[0045] 尽管上文以具体描述了本发明的优选实施方案,但是将理解的是,在不脱离本发明的精神和范围的条件下,可以对所阐述系统进行许多修改。

Claims (20)

1.一种利用制冷系统对空气进行冷却、除湿和加热的方法,所述制冷系统包括制冷剂回路和空气回路,该制冷剂回路包括串联连接的压缩机、第一和第二膨胀设备、以及第一和第二换热器,所述第一换热器由辅助部段和主部段构成;空气回路包括风扇,该风扇使得待被进行调节的空气进行移动,所述方法用于在利用增强的除湿的冷却模式下操作所述制冷系统,和/或在除湿模式下操作所述制冷系统,或者在改进的加热模式下操作所述制冷系统,所述方法包括以下操作步骤: 在除湿模式中,或者在利用增强的除湿下的冷却模式中: •在所述压缩机中压缩制冷剂蒸汽; •在所述第二换热器中对离开所述压缩机的制冷剂蒸汽进行脱过热以及冷凝; •在所述第一膨胀设备中对离开所述第二换热器的液体制冷剂进行膨胀; •在所述第一换热器的辅助部段中对在所述第一膨胀设备中膨胀之后的制冷剂蒸汽进行冷凝; •在所述第二膨胀设备中对经过所述辅助部段处理之后的液体制冷剂进行膨胀; •在所述第一换热器的主部段内对被第二膨胀设备处理之后的液体制冷剂进行蒸发; •将制冷剂蒸汽返回到所述压缩机; •使得一股暖空气流首先对着所述第一换热器的主部段进行流动,接着对着所述辅助部段进行流动, 而在改进的加热模式中: •在所述压缩机中压缩制冷剂蒸汽; •在所述第一换热器的主部段中对离开所述压缩机的制冷剂蒸汽进行脱过热以及冷凝; •在所述第二膨胀设备中对离开所述主部段的液体制冷剂进行膨胀; •在所述第一换热器的辅助部段中对在所述第二膨胀设备中膨胀之后的制冷剂蒸汽进行冷凝; •在所述第一膨胀设备中对经过所述辅助部段处理之后的液体制冷剂进行膨胀; •在所述第二换热器内对被第一膨胀设备处理之后的液体制冷剂进行蒸发; •将制冷剂蒸汽返回到所述压缩机; •使得一股冷空气流首先对着所述第一换热器的辅助部段进行流动,接着对着所述主部段进行流动。
2.一种用于调节空气的制冷系统,该制冷系统利用增强的除湿而在冷却模式下、或者除湿模式下、或者改进的加热模式下对空气进行调节;所述系统包括制冷剂回路和空气回路,所述制冷剂回路包括以下进行串联连接的部件: •压缩机,其用于压缩制冷剂蒸汽; •第一换热器,其利用至少两个部段来调节空气:至少一个辅助部段和主部段,所述至少一个辅助部段作为第二冷凝器进行操作,在所述冷却模式或者除湿模式下的时候,所述主部段作为蒸发器进行操作,而在所述加热模式中,所述主部段作为第一冷凝器进行操作; •第二换热器,在所述冷却模式下或者除湿模式下,所述第二换热器作为第一冷凝器进行操作,而在所述加热模式下,该第二换热器作为蒸发器进行操作; •第一膨胀设备,其位于所述第一和第二换热器之间; •第二膨胀设备,其位于所述第一换热器的辅助部段和主部段之间; •多条管线,所述管线用于使得制冷剂从所述压缩机流动穿过所述第一和第二换热器、所述膨胀设备并且流回所述压缩机; •制冷系统辅助部件:干燥机、储压器、和/或接收器,并且所述空气回路包括至少一个风扇,以用于使得待被调节的空气对着所述第一换热器的辅助部段和主部段进行移动。
3.根据权利要求2所述的系统,其中第二膨胀设备包括:当系统在常规的冷却模式下或者常规的加热模式下进行操作的时候使得制冷剂流动而并未膨胀的装置。
4.根据权利要求3所述的系统,其中所述第二膨胀设备装置是截流阀,该截流阀打开以避免制冷剂在所述第二膨胀设备中膨胀。
5.根据权利要求2所述的系统,其中所述第一换热器的辅助部段的传热表面等于或小于所述第一换热器的总表面的三分之一。
6.根据权利要求3所述的系统,包括换向阀,该换向阀用来改变制冷剂流过所述第一和第二换热器的流动方向,因此,所述系统的操作从加热模式转换到冷却模式,反之亦然。
7.根据权利要求6所述的系统,其具有位于所述第二换热器和第一膨胀设备之间的第三膨胀设备,该第三膨胀设备在冷却模式下使得制冷剂在未经膨胀的情况下流到所述第一膨胀设备,同时所述第一膨胀设备在加热模式下使得制冷剂在未经膨胀的情况下流到所述第二膨胀设备。
8.根据权利要求7所述的系统,其中所述第一和第三膨胀设备组合在单一的装置中。
9.根据权利要求7所述的系统,其中所述第一换热器由三个部段构成:第一辅助部段、所述主部段和第二辅助部段,所述第一换热器由数排管子构成,其中在这些管子之间流动的室内空气从第一排流动到最后一排,并且所述排被布置成使得所述第二辅助部段的至少一部分在室内空气方向上占据了第一排的至少一部分,并且所述第一辅助部段的至少一部分在室内空气方向上占据了最后一排的至少一部分,当所述主部段和第二辅助部段在利用增强除湿的冷却模式下作为蒸发器而进行操作的时候,所述第一辅助部段作为第二冷凝器进行操作,并且当所述第一辅助部段和主部段在改进的加热模式下作为第一冷凝器进行操作的时候,所述第二辅助部段作为第二冷凝器进行操作。
10.根据权利要求7所述的系统,该系统能够在常规冷却模式进行操作,或者在利用增强除湿的冷却模式下操作,或者在常规的加热模式下操作,该系统包括: •室外换热器,该室外换热器是所述第二换热器,其中该室外换热器的一侧通过换向阀而连接到所述压缩机,所述室外换热器在常规冷却模式下和利用增强除湿的冷却模式下作为所述第一冷凝器进行操作,以对被所述压缩机处理之后的制冷剂蒸汽进行脱过热和液化,从而将热量排出到周围环境中,并且该室外换热器在常规的加热模式下作为蒸发器进行操作; •室内换热器,该室内换热器是带有辅助部段的所述第一换热器,所述辅助部段在利用增强除湿的冷却模式下作为第二冷凝器进行操作,而在常规冷却模式下作为蒸发器的第一部分进行操作,并且在加热模式下与所述主部段一起作为单一的冷凝器进行操作,所述第一换热器的主部段在常规的冷却模式下作为蒸发器的第二部分进行操作,并且在利用增强除湿的冷却模式下作为单一的蒸发器进行操作,所述室内换热器由数排管子构成,其中在这些管子之间流动的空气从第一排流动到最后一排,并且这些排被布置成使得所述辅助部段的至少一部分在室内空气流动方向上占据了最后一排的至少一部分; •所述室内换热器的所述辅助部段,其一侧通过制冷剂管线连接到所述第一膨胀设备,并且另一侧连接到导引至所述第二膨胀设备的那条管线; •室内换热器的所述主部段,其一侧连接到所述第二膨胀设备,另一侧连接到所述换向阀。
11.根据权利要求10所述的系统,其中所述室内换热器的至少所述主部段是多路换热器,并且包含位于所述辅助部段和主部段之间的至少一个分配器。
12.根据权利要求10所述的系统,其中所述室内换热器的辅助部段的传热表面等于或小于所述室内换热器的总表面的三分之一。
13.根据权利要求10所述的系统,其中所述第一和第三膨胀设备组合在单一的装置中。
14.根据权利要求7所述的系统,该系统能够在常规冷却模式进行操作,或者在常规的加热模式下操作,或者在改进的加热模式下操作,该系统包括: •室外换热器,该室外换热器是所述第二换热器,所述室外换热器在冷却模式下作为冷凝器进行操作,并且在常规的加热模式和改进的加热模式下作为蒸发器进行操作; •室内换热器,该室内换热器是带有辅助部段和主部段的所述第一换热器,在冷却模式下的时候,所述辅助部段和主部段作为蒸发器的第一部分和第二部分进行操作,而在常规的加热模式下的时候,所述主部段和辅助部段作为冷凝器的第一部分和第二部分进行操作,而在改进的加热模式下的时候,所述主部段作为第一冷凝器进行操作,所述辅助部段作为第二冷凝器进行操作,所述室内换热器由数排管子构成,其中在这些管子之间流动的空气从第一排流动到最后一排,并且这些排被布置成使得所述辅助部段的至少一部分在室内空气流动方向上占据了第一排的至少一部分; •所述室内换热器的所述辅助部段,其一侧通过制冷剂管线连接到所述第一膨胀设备,并且另一侧连接到导引至所述第二膨胀设备的那条管线; •室内换热器的所述主部段,其一侧连接到所述第二膨胀设备,另一侧连接到所述换向阀。
15.根据权利要求14所述的系统,其中所述室内换热器的辅助部段的传热表面等于或小于所述室内换热器的总表面的三分之一。
16.根据权利要求14所述的系统,其中所述第一和第三膨胀设备组合在单一的装置中。
17.根据权利要求14所述的系统,其中所述室内换热器的至少所述主部段是多路换热器,并且包含位于所述辅助部段和主部段之间的至少一个分配器。
18.根据权利要求9所述的系统,该系统能够在利用增强除湿的冷却模式下操作和改进的加热模式下操作,该系统包括: •室外换热器,该室外换热器是所述第二换热器,其中该室外换热器的一侧通过换向阀而连接到所述压缩机,而另一侧连接到导引至所述第三膨胀设备的制冷剂管线,所述室外换热器在冷却模式下作为所述第一冷凝器进行操作,并且在加热模式下作为蒸发器进行操作; •室内换热器,该室内换热器是带有两个辅助部段和主部段的所述第一换热器; •所述第一膨胀设备,该第一膨胀设备在冷却模式下在第一辅助部段的上游对制冷剂进行膨胀,并且在加热模式下在第二辅助部段的上游对制冷剂进行膨胀; •所述第二膨胀设备,其位于所述室内换热器的第一辅助部段和主部段之间,并且在冷却模式下在所述第一辅助部段之后对制冷剂进行膨胀,并且在加热模式下使得制冷剂在未经过膨胀的情况下进行流动; •多路换向阀,该多路换向阀连接所述压缩机、室内和室外换热器、以及多个膨胀设备,并且该多路换向阀将所述系统的操作模式从加热模式改变到冷却模式从而来以如下方式导引制冷剂,反之亦然: 在改进的加热模式中: i)将制冷剂从压缩机排放到室内换热器的主部段, ϋ)所述主部段和所述第一辅助部段都作为第一冷凝器进行操作的方式下,制冷剂绕过了膨胀而从主部段排放到第一辅助部段, iii)排放到第一膨胀设备,以在经过第一辅助部段处理之后对制冷剂进行膨胀, iv)在第一膨胀设备膨胀之后,排放到操作为第二冷凝器的第二辅助部段, V)在第二辅助部段处理之后将制冷剂排放到第三膨胀设备, vi)将制冷剂从第三膨胀设备排放到操作为蒸发器的室外换热器,其中该第三膨胀设备对经过第二冷凝器处理后的制冷剂进行膨胀, vii)在室外换热器处理之后,将制冷剂排放到压缩机吸口 ; 并且在利用增强除湿的冷却模式中: i)将制冷剂从压缩机排放到操作为第一冷凝器的室外换热器, ϋ)将制冷剂绕过了在第三膨胀设备中的膨胀而从室外换热器排放到第一膨胀设备, iii)在经过第一膨胀设备之后将制冷剂排放到室内换热器的第一辅助部段,该第一辅助部段现在操作为第二冷凝器, iv)在经过第一辅助部段之后将制冷剂排放到第二膨胀设备, V)使得在第二膨胀设备中已经膨胀的制冷剂排放到主部段,该主部段操作为蒸发器的第一部分, vi)在经过主部段之后排放到第二辅助部段,该第二辅助部段操作为蒸发器的第二部分, Vii)在经过室内换热器的第二辅助部段之后,排放到压缩机吸口。
19.根据权利要求18所述的系统,其中所述室内换热器的至少所述主部段是多路换热器,并且包含位于所述第一辅助部段和主部段之间的至少一个分配器。
20.根据权利要求18所述的系统,其中所述室内换热器的多个辅助部段的每一者的传热表面等于或小于所述室内换热器的总表面的三分之一。
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