CN103492821B - 冷凝器/集液器和系统以及操作方法 - Google Patents

Abstract

冷凝器/集液器（60）具有壳（62）。冷却剂流路从冷却剂入口（144）延伸到冷却剂出口（146）。上管束（68）在壳内，冷却剂流路的第一分支穿过上管束的管。下管束（70）在壳内，冷却剂流路的第二分支穿过下管束的管。制冷剂流路从制冷剂入口（64）延伸到制冷剂出口（66），并与冷却剂流路处于传热关系。在上管束与下管束之间有竖向间隙（76），并包括壳内制冷剂空间的自由容积的至少50％。

Description

冷凝器/集液器和系统以及操作方法

技术领域

本发明涉及制冷。更特别地，本发明涉及CO₂制冷系统的集液器。

背景技术

操作具有显著容量变化并具有大的回路体积（例如，由于主要部件之间的长管连接）的制冷回路经受有效制冷剂充注的相对大的变化。集液器可用于从其余回路中的有效充注去除和返回制冷剂。

图1示出了现有技术的冷却单元20，其从冷却器22接收被冷却液体（冷却剂，例如水或盐水）。冷却器供给具有供应/供给/输出管线24和返回管线26的水供应回路。该单元20包括制冷剂环路/流路/回路30，制冷剂-空气换热器32沿着制冷剂环路/流路/回路30定位。制冷剂-空气换热器32可为空气处理单元（AHU：风扇33和气流被示出）的部分，且制冷剂可基本上由二氧化碳（CO₂）组成。制冷剂回路30还包括一个或多个换热器，例如冷凝器34和过冷器36。

制冷剂倾向于迁移到系统中的最冷点，其通常可能是冷凝器（更特别地，在过冷器处的冷凝器的最冷部分）。泵38（非压缩机）从冷凝器抽取制冷剂，并在下游方向驱动制冷剂流通过回路36。泵需要过冷却的液体制冷剂供应，以确保正确的泵操作（例如，防止气穴）。示例性的泵是不管冷却负载而输送相同量的制冷剂的定容泵。示例性的制冷剂在制冷剂-空气换热器32的制冷剂入口保持被过冷却。当流过换热器32时，制冷剂被通过AHU的空气流加热。当制冷剂在换热器32内向下游流动，它从而逐渐地从过冷却液体状态过渡到两相、气-液状态，并最终到饱和气体或过热气体。

退出换热器32的制冷剂出口的制冷剂的实际状态将取决于实际的冷却负载。在最大负载条件下（例如，其特征在于进入AHU的高空气温度），在通过换热器32时所有制冷剂会蒸发，并以过热状态退出换热器32的制冷剂出口。在更适中的负载条件下（例如，进入AHU的空气的较低温度），没有吸收足够的热量以蒸发所有制冷剂，因此，两相制冷剂将退出换热器32的制冷剂出口并返回到冷凝器。

在极端低负载条件下，制冷剂将仍以液态退出换热器32。

示例性系统包括包含蓄积制冷剂42的集液器40。示例性集液器沿着流路在冷凝器34的直接下游并在过冷器36的直接上游。示例性冷凝器34和过冷器36的每个形成为制冷剂-水换热器，其水分支44和46相互平行。示例性的泵，冷凝器和过冷器被示出为共同安装在台架50上。图1示出了与高负载条件相关联的相对大的蓄积42。图2示出了在低负载条件下蓄积已缩小的第二条件。单元20的示例性应用是数据中心冷却，其中，一个或多个这种单元中的每个可具有一个或多个这种换热器32用来冷却计算机服务器或类似设备。在这种情况下，集液器可需要容纳该单元的总制冷剂充注的高达50％。在低负载条件下，在换热器32中有相对高量的液体制冷剂，其从而不在集液器中。在高负载条件下，换热器32中的制冷剂被更充分地蒸发，从而使它在集液器中的蓄积成为必要。为了正确操作，集液器包含两相制冷剂（即，液体和气体）。可基于操作条件的预期范围选择集液器40的容积。

发明内容

本发明的一个方面涉及具有壳的冷凝器/集液器。冷却剂流路从冷却剂入口延伸到冷却剂出口。上管束在壳内，冷却剂流路的第一分支穿过上管束的管。下管束在壳内，冷却剂流路的第二分支穿过下管束的管。制冷剂流路从制冷剂入口延伸到制冷剂出口，并与冷却剂流路处于传热关系。在上管束与下管束之间有竖向间隙，并包括壳内制冷剂空间的自由容积的至少50％。

在多种实施方式中，第一分支可平行于第二分支并再结合以穿过上管束的剩余管。竖向间隙可包括自由容积的60-80％。间隙的竖向高度可为壳的特征内半径的至少50％（更狭窄地，80-120％）。在上管束之下并在围绕下管束的过冷室外部的制冷剂容积可代表制冷剂空间的总自由容积的至少30％。下管束可在具有制冷剂入口端口并具有位于制冷剂出口上游的制冷剂出口端口的过冷器室内。冷却剂入口和冷却剂出口可在第一端拱顶上。壳可包括圆形筒状体和形成螺栓法兰的一对端板（易于安装一对端拱项）。

冷却系统可包括这种冷凝器/集液器，联接到制冷剂出口的泵，以及具有制冷剂入口和制冷剂出口的换热器，所述制冷剂入口联接到泵，且所述制冷剂出口联接到所述冷凝器/集液器的制冷剂入口。风扇可被定位成驱动空气流跨过换热器。可有多个这种换热器平行联接到单个这种冷凝器/集液器。可有相关的多个这种风扇分别与这种换热器相关联。制冷剂充注可包括按重量计至少50％的二氧化碳。

系统可包括联接到冷却剂入口和冷却剂出口的冷却器，使得冷却剂流路沿着冷却器的冷却剂循环。

操作的系统可通过运行泵以：将制冷剂的流作为过冷液体抽入泵中并从泵排放；将制冷剂的流传递通过换热器，在这里制冷剂的流从外部流抽取热量并变为蒸汽；以及将制冷剂的流传递到冷凝器/集液器，其中，制冷剂的流将热量排放给冷却剂并冷凝回到液体。所述方法可包括：在第一条件下操作，其中，容器中制冷剂的蓄积液体的表面在间隙内；在第二条件下以比第一条件更高的冷却负载操作，其中，容器中制冷剂的蓄积液体的表面也在间隙内，但高于在第一条件下蓄积液体的表面；以及关闭泵以进入第三条件，其中，容器中制冷剂的蓄积液体的表面在间隙之上。第一条件与第二条件之间的蓄积液体的累积可为容器的自由内部容积的至少30％。第一条件与第三条件之间的蓄积液体的累积可为第一条件与第二条件之间的蓄积液体的累积的至少150％。

本发明的另一方面涉及操作冷却系统的方法。该冷却系统包括：具有冷却剂流路和制冷剂流路的冷凝器/集液器；沿着制冷剂流路的制冷剂-空气换热器；以及沿着在冷凝器/集液器下游和在制冷剂-空气换热器上游的制冷剂流路的泵。所述方法包括：在第一条件下操作，其中，冷凝器/集液器内制冷剂的蓄积液体的表面在第一液位；在第二条件下以比第一条件更高的冷却负载操作，其中，蓄积液体的表面处于高于第一液位的第二液位；以及关闭泵以进入第三条件，其中，蓄积液体的表面处于高于第二液位的第三液位。第一液位和第二液位可在冷凝器管束之下且在过冷器管束之上，而第三液位可至少在冷凝器管束的底部之上。

一个或多个实施方式的细节在附图和下列描述中被阐述。其它特征，目的和优势从说明书和附图，以及权利要求书将是显而易见的。

附图说明

图1是在高负载条件下现有技术系统的示意图。

图2是在低负载条件下图1的用户系统。

图3是在低负载条件下系统的示意图。

图4是在高负载条件下图3系统的视图。

图5是在关闭条件下图3系统的视图。

图6是冷凝器/集液器单元的视图。

图7是冷凝器/集液器单元的侧视图。

图8是冷凝器/集液器单元的端视图。

图9是沿图8的线9-9截取的冷凝器/集液器单元的中心纵向竖直截面图。

图10是冷凝器/集液器单元的底视图。

图11是沿图7的线11-11截取的冷凝器/集液器单元的中心横向竖直截面图。

图12是冷凝器/集液器单元的第一端歧管区域的横向竖直切面图。

各个附图中相似的编号和标记代表相似的元件。

具体实施方式

图3示出了改良的单元58，其中，冷凝器，过冷器和集液器组合在单个的冷凝器/集液器单元60中。单元58可相似地用于数据中心冷却的单元20，具有多个单元58平行联接到一个或多个冷却器。每个单元60和其相关联的泵可在相关联的台架上。示例性数据中心的冷却使用在PCT/FR2011/000224中示出，其公开的内容通过引用结合全文到本文中，就如在本文中被详细阐述一样。单元60具有壳62，并具有沿着制冷剂回路30的制冷剂入口64和制冷剂出口66。如下面进一步讨论的，单元60包括上管束68和下管束70。下管束位于下面进一步讨论的过冷器室72内。

单元60包括沿着在入口64与出口66之间的制冷剂流路的主内部容积74。容积74的一部分由管束68与70之间的竖向间隙76代表。通过提供显著大的间隙和与其相关联的容积，单元60可作为集液器。图3示出了具有表面82的蓄积液体制冷剂80。图3表示了最小负载条件（例如，基本上无负载）。可期望设计系统尺寸，使得最小负载蓄积液体至少完全覆盖下管束70的管，并还可至少刚好覆盖室72的上表面。设计系统尺寸以维持至少这个最低液位的蓄积防止了气体旁路（例如，维持泵入口流作为过冷却液体以防止气穴）。

图4代表了预期的最大负载条件，其中，液位82已上升。有利地设计壳的尺寸，使得液位82甚至在此最大负载条件下保持在上管束68的最低管之下。如果液体达到上管束，然后就产生“溢流冷凝器”条件，用于冷凝的管表面面积减小（从而引起不充分的冷凝），其引起了压力增加和性能退化。

在制冷剂入口64的流可代表过热气体，并经过上管束68的管过渡到饱和气体的区域90。（在第一（上）对管行内）将过热气体迅速冷却到饱和温度。此后它是从饱和气体过渡到饱和液体的两相。

图5示出的泵关闭（关机）条件，其中，仍有冷却剂流通过单元60，但没有制冷剂流。例如，这可表示（多个）AHU正被维修或否则泵关机的条件。（多个）换热器32可平衡到环境温度，并因此可充分包含过热气体。沿着制冷剂流路在泵38的上游仍可能有过冷却的液体。通过换热器32中的过热蒸汽，最大量的制冷剂必须维持在壳内。示例性的液体表面82在上管束68之内或之上。这将饱和蒸汽90留在其之上。室72过冷制冷剂，使得饱和制冷剂进入室72，且被快速过冷并以过冷状态退出。

如下面进一步讨论的，示例性的主内部容积74是具有从中心轴线500的半径R₁的圆形筒状。间隙76的示例性高度H₁是R₁的至少50％，更狭窄地，至少70％或80-120％。相似地，间隙76内空间74的容积可代表空间74总自由容积的至少50％（更特别地，至少60％或60-80％）。例如，自由容积可为没有被管（及它们的冷却剂）或其它部件占用的容积。替代地测量，在上管束之下的空间的自由容积可代表空间74总自由容积（例如，排除过冷室）的至少30％，更狭窄地，40-90％或50-80％。

在液体制冷剂累积方面，最小负载条件与最大条件之间蓄积液体的示例性累积是容器的自由内部容积的至少30％，更狭窄地，35-70％。最小负载条件与泵关闭条件之间蓄积液体的示例性累积是最小负载条件与最大负载条件之间蓄积液体的累积的至少140％，更狭窄地，至少150％或150%-300％或160%-200％。

图6示出了单元60。示例性单元具有包括圆形筒状管120的壳62，该管具有在第一和第二端螺栓法兰122和124处的第一和第二端。端法兰的每个承载例如通过螺栓圆（boltcircle）固定的拱顶盖126，128。示例性单元60具有中心纵向轴500（图7），其在示例性实施方式中保持水平。示例性制冷剂入口64和出口66形成在各自的接头134和136上。在示例性实施方式中，这些接头沿着管120的侧壁居中定位在各自的顶部和底部位置，并共享共同的轴502。图7还示出了各自的上和下观察口接头140和142（例如，窥镜）。

示例性的第一端盖126（图9）承载分别从供应管线24接收被冷却水并将被加热水返回到返回管线26的冷却剂入口144和冷却剂出口146。在示例性实施方式中，法兰被示为由端板150和152的周围部分形成（例如，焊接到管120）。上管束和下管束的管的相关联端安装在这些端板的孔中以与盖和端板间的压力室（plenum）连通。图9示出了盖126之下的压力室160和162，并由通过例如金属铸造或加工形成为盖126的一部分的分隔壁164分离。压力室160是与入口端口144连通的入口压力室。压力室162是与出口端口146连通的出口压力室。图12示出了通过垫片部分164'的壁164的位置。壁将上管束的管细分为第一子组68-1和第二子组68-2。第一子组的第一端和下管束70的第一端通到（在）压力室160。子组68-2的管的第一端通到出口压力室162。

图9示出了盖128与壁152之间的单个压力室170。所有管的第二端通到压力室170。因此，穿过入口144的入口流在压力室160分成两个主要分支：第一分支200-1（图9）穿过第一组68-1的管；且第二分支200-2穿过下管束70的管（这两个分支中的每个再分为通过个体管的子分支）。分支和子分支在压力室170合并，并随后穿过第二组的管进入压力室162并从其排出出口146。

图11示出了具有一对侧壁220和222，上壁224和下壁226的过冷器室。出口管道228从下壁上的中央端口/开口230延伸。壁220，222，224和226在端板之间延伸，以包围过冷器室的内部空间232。

图10示出了到过冷器室的入口端口240，其以邻近相对端板（形成过冷器室的端壁）的成对形式形成为下壁230上的孔。来自壳体内部的底部的制冷剂向上流过端口240，以被流过束70的水冷却，并且然后通过管228退出。

进入入口64的制冷剂可通过在入口管/管道252端部之下间隔开的挡板250（图9）扩散。这可将制冷剂导到上管束上以被冷却剂（水）冷却，该冷却剂沿分支200-1流过第一组68-1；且合并的冷却剂流过第二组68-2。

图9进一步示出了沿着端壁150和152的内侧表面的结构支架，以及用于维持上管束的管的相对位置的中心管模板260。

在操作条件的一个示例中，来自换热器32的空气出口温度是22℃。到单元60的制冷剂入口温度是19℃，且所需制冷剂出口温度是12℃。示例性的水入口温度是7℃。沿着第一分支200-1，水被加热到10℃。沿着第二分支，水被加热到8℃。使用通过第一分支的较高量的流，组合流在混合压力室中处于9.5℃。随后穿过组68-2的组合流被加热到12℃的水出口温度。

通过上管束的制冷剂被冷却，在两相区达到示例性的16℃（例如，小于空气出口温度到正被冷却的空间的5-10℃）。最后，在过冷器中，它冷却降到出口温度（例如，12℃）。通过22℃以外的示例性/目标空气温度，制冷剂和冷却剂温度将需要相应地调整。

单元60的制造可为通常用于使用CO₂制冷剂的冷凝器单元的材料和技术。

尽管在上面详细描述了实施方式，但是这种描述不意在限制本发明的范围。将理解的是，可进行各种改进而不脱离本发明的精神和范围。例如，当实施了现有系统的改造时，现有系统的细节可影响任何特定实施的细节。因此，其它实施方式在以下权利要求的范围之内。

Claims (19)

1.一种冷凝器/集液器（60），包括：

壳（62）；

冷却剂流路，其从冷却剂入口（144）延伸到冷却剂出口（146）；

位于所述壳内的上管束（68），所述冷却剂流路的第一分支（200-1）穿过所述上管束的管；

位于所述壳内的下管束（70），所述冷却剂流路的第二分支（200-2）穿过所述下管束的管；

制冷剂流路，其从制冷剂入口（64）延伸到制冷剂出口（66），并与所述冷却剂流路处于传热关系；以及

竖向间隙（76），其在所述上管束与下管束之间，并包括位于所述壳内的制冷剂空间的自由容积的至少50％。

2.根据权利要求1所述的冷凝器/集液器，其中：

所述第一分支平行于第二分支，再结合以穿过所述上管束的剩余管。

3.根据权利要求1所述的冷凝器/集液器，其中：

所述竖向间隙包括所述自由容积的60-80％。

4.根据权利要求1所述的冷凝器/集液器，其中：

所述间隙的竖向高度（H₁）是所述壳的特征内半径（R₁）的至少50％。

5.根据权利要求1所述的冷凝器/集液器，其中：

所述间隙的竖向高度是所述壳的特征内半径（R₁）的80-120％。

6.根据权利要求1所述的冷凝器/集液器，其中：

位于所述上管束下面并在围绕所述下管束的过冷室外面的制冷剂容积代表所述制冷剂空间的总自由容积的至少30％。

7.根据权利要求1所述的冷凝器/集液器，其中：

所述下管束位于过冷器室内，所述过冷器室具有制冷剂入口端口并具有位于所述制冷剂出口上游的制冷剂出口端口。

8.根据权利要求1所述的冷凝器/集液器，其中：

所述冷却剂入口和冷却剂出口在第一端拱顶上。

9.根据权利要求1所述的冷凝器/集液器，其中，所述壳包括：

圆形筒状的管体；以及

形成螺栓法兰的一对端板。

10.一种冷却系统，其包括：

根据权利要求1所述的冷凝器/集液器；

联接到所述冷凝器/集液器的制冷剂出口的泵；以及

具有制冷剂入口和制冷剂出口的换热器，所述制冷剂入口联接到所述泵，且所述制冷剂出口联接到所述冷凝器/集液器的制冷剂入口。

11.根据权利要求10所述的系统，其中：

风扇被定位成驱动空气流跨过所述换热器。

12.根据权利要求10所述的系统，其中：

多个所述换热器平行联接到单个所述冷凝器/集液器，且相关的多个风扇分别与所述换热器相关联。

13.根据权利要求10所述的系统，其中：

制冷剂充注包括按重量计至少50％的二氧化碳。

14.根据权利要求10所述的系统，还包括：

冷却器（22），其联接到冷却剂入口和冷却剂出口，使得所述冷却剂流路沿着所述冷却器的冷却剂环路（24，26）。

15.一种操作根据权利要求10所述的系统的方法，所述方法包括运行泵以：

将制冷剂的流作为过冷液体抽入泵中并从泵排放；

将所述制冷剂的流传递通过换热器，在所述换热器中所述制冷剂的流从外部流抽取热量并变为蒸汽；以及

将所述制冷剂的流传递到所述冷凝器/集液器，在这里所述制冷剂的流将热量排放给所述冷却剂并冷凝回到液体。

16.一种操作根据权利要求10所述的系统的方法，所述方法包括：

在第一条件下操作，其中，容器中的制冷剂的蓄积液体的表面在所述间隙内；

在第二条件下以比所述第一条件更高的冷却负载操作，其中，所述容器中的制冷剂的蓄积液体的表面也在所述间隙内，但高于在第一条件下的所述蓄积液体的表面；

关闭泵以进入第三条件，其中，所述容器中的制冷剂的蓄积液体的表面在所述间隙以上。

17.根据权利要求16所述的操作根据权利要求10所述的系统的方法，其中：

在所述第一条件与所述第二条件之间的蓄积液体的累积是所述容器的自由内部容积的至少30％；以及

在所述第一条件与第三条件之间的蓄积液体的累积是在所述第一条件与第二条件之间的蓄积液体的累积的至少150％。

18.一种操作冷却系统的方法，所述冷却系统包括：

冷凝器/集液器（60），其具有冷却剂流路和制冷剂流路；

制冷剂-空气换热器（32），其沿着所述制冷剂流路；以及

泵（38），其沿着在所述冷凝器/集液器下游并在所述制冷剂-空气换热器上游的所述制冷剂流路，所述方法包括：

在第一条件下操作，其中，所述冷凝器/集液器内的制冷剂的蓄积液体的表面处于第一液位；

在第二条件下以比所述第一条件更高的冷却负载操作，其中，所述蓄积液体的表面处于高于所述第一液位的第二液位；以及

关闭所述泵以进入第三条件，其中，所述蓄积液体的表面处于高于所述第二液位的第三液位。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：

所述第一液位和所述第二液位在冷凝器管束之下且在过冷器管束之上；以及

所述第三液位至少在所述冷凝器管束的底部之上。