CN103827604B - 制冷剂蒸馏器 - Google Patents

Abstract

一种蒸馏器，具有入口（72）；油出口（90；94）；排放口（120）；热气入口（132）；和被冷却气体出口（134）。气体流路（130）从热气入口延伸至被冷却气体出口。蒸馏器室（192）沿着主流路位于入口的下游。气体管道（220）沿着气体流路与主流路处于热交换关系。油槽（194），位于蒸馏器室的下方。外壳（180）包围油槽和蒸馏器室。通道从蒸馏器室延伸至油槽。

Description

制冷剂蒸馏器

与申请相关的交叉引用

本申请要求享有2011年8月26日提交的并名为“制冷剂蒸馏器”的美国专利申请No.61/527,787的优先权，其公开内容通过引用全部结合到本文中，就如被详细阐述一样。

技术领域

本公开涉及制冷。更具体地，本公开涉及用于冷却器系统的油回收蒸馏器。

背景技术

在诸如冷却器（chiller）的制冷系统中，已知使用蒸馏器将制冷剂从制冷剂/润滑剂（油）混合物中分离。Huenniger等人的US6672102公开了一种系统，其中，蒸馏器接收从蒸发器排出的制冷剂/润滑剂混合物流。该流大部分是油并且需要在将油返回以润滑压缩机之前去除制冷剂。该流被置于与从压缩机排放口流过至蒸发器的热气旁路流处于热交换关系。蒸馏得到的制冷剂传至压缩机吸入口并且油被排至油槽以被返回至压缩机油返还端口用于润滑（例如轴承和转子的润滑）。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种蒸馏器，其包括：入口；油出口；排放口；热气入口；以及被冷却气体出口；气体流路从热气入口延伸至被冷却气体出口。蒸馏器室沿着主流路位于入口下游。气体管道沿着气体流路与主流路处于热交换关系。油槽在蒸馏器室下方。外壳包围油槽和蒸馏器室。通路从蒸馏器室延伸至油槽。

其他方面涉及包括这种蒸馏器的制冷系统。

附加的方面涉及用于操作蒸馏器或制冷系统的方法。气体流流入热气入口并且流出被冷却气体出口。制冷剂和油流流入入口。热量从气体流转移至制冷剂和油流。分离制冷剂和油流使得富含制冷剂（例如相对于进入入口的制冷剂和油流）的部分排出排放口，以及富含油的部分排出油出口。

蒸馏器可以包括两级加热元件，并且该方法可以包括，当压缩机开启时，运行（由控制器所控制）在三个模式的每一个下：两级均关断；一级开启；以及两级均开启。当冷凝器制冷剂温度大于第一阈值冷凝器制冷剂温度或者油温度大于第一油温度阈值时，可以两级均关断地运行。当冷凝器制冷剂温度小于比第一阈值冷凝器制冷剂温度低的第二阈值冷凝器制冷剂温度、并且电机速度低于速度阈值时，或者当油温度低于第二油温度阈值、低于第一油温度阈值、或者低于饱和吸入温度加上预定增量时，可以仅一级开启地运行。当油温度既低于第二油温度阈值也低于饱和吸入温度加上预定增量时，可以两级均开启地运行。

在以下附图和说明书中阐述了一个或多个实施例的细节。从说明书和附图以及从权利要求，其他特征、目标和优点将是明显的。

附图说明

图1 是冷却器系统的局部示意图。

图2 是在图1的冷却器系统内的蒸馏器系统的视图。

图3 是具有明晰呈现的外壳上半部和相关联配件的图2的蒸馏器系统的顶视图。

图4 是图3的蒸馏器的前视图。

图5 是图3的蒸馏器的后视图。

图6 是移除了端板的图3的蒸馏器的局部放大图。

图7 是移除了端板的蒸馏器的端视图。

图8 是图3的蒸馏器的局部放大图。

在不同附图中相同的参考数字和附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

图1示出了包括蒸馏器系统22的冷却器系统20。系统20包括压缩机24，其具有吸入端口26和排出端口28。示例性的压缩机24是螺杆式压缩机，在箱体内具有密封的电机（未示出）。替换的压缩机是离心式压缩机、涡旋式压缩机或往复式压缩机。冷凝器30具有气体/蒸汽入口端口32，其沿着制冷剂主流路33位于排出端口28的下游。在操作中，压缩机对制冷剂压缩以驱动制冷剂沿着制冷剂主流路33及其分支循环流动。冷凝器具有液体出口34，其沿着制冷剂主流路位于下游。示例性的冷凝器是液体被冷却（例如水被冷却）的压缩机，其具有水入口36和水出口38，用于水流沿着水流路39流动通过与制冷剂主流成成热传递关系的管束（未示出）以从制冷剂吸收热量以便冷却和冷凝制冷剂。冷凝器可以是任何现有的或者仍在开发的合适类型。示例性的冷凝器单元包括用作膨胀装置的浮动阀40。替代的实施方式可以包括替代的膨胀装置。控制器400（例如基于微处理器）可以控制系统20的各种部件的操作并且可以从各种传感器和用户输入装置接收输入。

蒸发器50沿着制冷剂主流路33位于冷凝器的下游。示例性的蒸发器具有沿着主流路的制冷剂入口52和制冷剂出口54。示例性的蒸发器用于冷却第二热传递液体（例如水）。因此，示例性的蒸发器50沿着水流路59具有水入口56和水出口58。沿着主流路33流动穿过蒸发器的制冷剂与水（例如水流路59通过制冷剂在其上流动的管束（未示出））处于热交换关系以从水吸收热量。与冷凝器类似，蒸发器可以代表任何合适的现有或者仍在开发的构造。以下讨论与蒸馏器系统22系统协作的附加蒸发器端口。

存在一些附加流路穿过蒸馏器系统22用于传输制冷剂和/或油。

示例性的蒸馏器系统22包括主蒸馏器单元68和储油槽70。取决于上下文，术语“蒸馏器”可以表示系统22或者单元68或者以下讨论的蒸馏器室。

沿着制冷剂主流路33的示例性的管道或者管线是在排出端口28与冷凝器入口32之间的排出管线42，在冷凝器出口34和蒸发器入口52之间的中间管线/管道44，以及在蒸发器出口54和吸入点26之间的吸入管线46。

示例性的系统22和单元68具有用于接收制冷剂/油混合物的入口72（主入口）。示例性的入口72从蒸发器接收混合物。示例性的制冷剂/油混合物沿着混合物入口流路75从蒸发器上的撇取端口（或端口组）76沿着/穿过撇取管线/管道74流动。调节阀78可以沿着管线74定位并且被控制以便控制所需的油量（例如控制器基于感测到的操作参数调节该阀）。系统22和单元68共用第二入口端口（入口）80，其从压缩机接收油排泄流。油排泄流从压缩机的排泄端口84流动沿着/穿过排泄管线/管道82。示例性的单元68具有联接合至储槽70的油入口端口（入口）92的油出口90。储槽70和系统22共用油出口端口（出口）94。图1进一步示出了储槽上的油充入端口/配件95以便于向系统添加油。油出口94经由油返回管线/管道96联接至压缩机的油返回端口98。沿着示例性管线/管道96从上游至下游串联的是第一过滤器100、关断阀102、泵104、第二过滤器106和第二关断阀108。

示例性系统22和单元68共用一个或多个蒸汽出口。如下面进一步讨论的，第一蒸汽出口示出为120，并且经由蒸汽管线/管道122联接至压缩机吸入端口26（例如管线/管道122与吸入管线46汇合）。也示出了第二蒸汽出口端口（出口）124，其形成了油槽蒸汽出口（在下面讨论）。替代的实施方式可以组合这样的蒸汽出口。经由与管线/管道122汇合的分支管线/管道126联接了示例性的出口124。示例性的替代方式涉及内部布线管线/管道122。

为了向蒸馏器供应热量，热气旁路流路130流过单元68。沿着热气旁路流路130，系统22和单元68共用热气入口端口（入口）132和被冷却气体出口端口（出口）134。示例性的入口132经由旁路管道的上游分支136连接至排出管线42。替代的实施方式可以从冷凝器的上游部分吸取热气旁路流。示例性的端口134将被冷却气体返回至蒸发器。示例性的端口134由管线/管道140联接至蒸发器的蒸馏器蒸汽返回端口142。示例性的节流孔和/或阀144沿着管线140定位以便限制返回至蒸发器的质量流。尽管示例是单独的简单的固定节流孔，这可以由固定节流孔与分立的关断阀的组合或者经由组合的节流孔/阀来替代。

进一步如下面所讨论的，附加的制冷剂分支是压力参考分支150，其具有管道152，从油返回管道96分出并且延伸至由单元68和系统22所共用的参考压力端口154。沿着管道152是示例性的压力调节阀156和关断阀158。在正常操作下，压力调节阀156用于将系统22和单元68的内部压力维持在防止过量油输送返回至压缩机轴承/转子/等等的压力下（例如示例性的压力为21－29psid（145-200kPad））。图1和图8进一步示出了补充的加热器170（例如电加热器），具有一个或多个加热元件（例如是分立地可操作的第一元件/级172和第二元件/级174的一对元件），定位成加热系统22中的油。示例性的加热器是3000瓦特（1500瓦特每级）的沉浸式不锈钢纤维并且具有450psi（3103kPa）的工作压力。然而，更高的瓦特数对于冰负载（低蒸发温度）应用可以是合适的。

图2至图8进一步示出了系统22的细节。

示例性的单元68具有外壳或壳180，围绕内部空间182（如下面进一步讨论的可再分）。示例性的壳180形成为通常拉长圆形圆柱体（例如具有金属（例如碳素钢）侧壁184和固定至侧壁（例如经由焊接或螺栓固定至凸缘（未示出））的金属（例如碳素钢）端部构件（例如第一和第二端板186和188）。各种端口可以根据用于制冷部件的标准工程原理而限定在沿着外壳的对应配件处。示例性的侧壁184分段以利于组装（例如经由从管原料切割而分段并且随后经由焊接而组装）。示例性的壳包括主上部部分184-1和主下部部分184-2。这些的每一个围绕中心线500大约180º。示例性的实施例进一步包括靠近第二端的全圆周端部分184-3。

图3是移除了外壳的主上部部分184-1的系统22的顶视图。图4是图3系统的前视图，而图5是图3系统的后视图。

在外壳180内，分隔壁190通常从油槽194分离了蒸馏器室或空间192（图4）。示例性的壁190通常横向地/水平地延伸使得油槽直接在蒸馏器室下方。示例性的壁190包括金属板（例如碳素钢），沿着边缘190-1和190-2焊接至侧壁并且沿着对应端部190-3和190-4焊接至端壁227和分隔壁228（图3）。壁190具有形成蒸馏器室的下边界的上表面/上面，以及形成油槽室的上边界的下表面/下面。如下面所讨论的，在示例性实施方式中，外部管道提供了在蒸馏器室192与油槽194之间的连通。在替代变体中，一个或多个内部通道可以提供这样的考虑。内部通道的一个示例涉及采用类似定位的有孔构件替代分隔壁190。示例性的有孔构件包括编织金属网格屏（例如不锈钢）。替代的有孔构件可以打孔或者以其它方式模制，具有相关联的孔/小孔/洞（未示出）。

在外壳180内，气体管道220沿着在热气入口132和冷气出口134之间的热气旁路流路130。气体管道220穿过蒸馏器室192。示例性的气体管道220包括多个管道。示例性的管道从固定在上游集管板222（例如被旋转（roll）并膨胀以机械地与板互锁）中相关联孔处的第一端部延伸至类似地固定在下游集管板224中对应孔处的第二端部。上游集管/气室226在板222与朝向第二端部的附加板228之间。室226与热气入口132连通。下游出口/排出气室或集管室230在板224与第一端板186之间，并且开启在冷气出口134处。因此，气体旁路流路130从入口132进入室226，并且由此穿过管道220至室230以及从出口134出去。示例性的板222和224是基本上仅沿着在外壳的上半部中蒸馏器室192、而不是沿着下半部中油槽194而延伸的半圆形。示例性的板228是整体的或者便于组装而分离的上半部和下半部的全圆形。半圆板的外周和径向下弦可以带斜面以便于容易焊接可作为板190。例如，板190的带斜面的端部可以焊接至板222和224的弦部。

与板228相对的是蒸汽出口气室/集管室240（图7）。罐形除雾器242延伸进入室240并且具有大致沿着室240和外壳的水平中心面502的示例性的下端部。除雾器242的上端部连接至延伸至第一蒸汽出口120的出口管道组件250。示例性的除雾器下端部是完全或者部分开启的（例如具有网屏或栅格）。采用诸如钢丝绒的收集媒介填充除雾器以用于从蒸汽的出口流中分离液体（油滴）。

示例性的板228形成为基本全圆形，具有在每个侧上的带斜面的外周以及水平的相反的径向斜面。这些斜面有利于焊接至相邻的部件。板228的上部部分（半部）260具有孔，管道262（图3）的端部部分安装在该孔处（例如如果其是铜则经由旋转并且膨胀固定，或者如果其是碳素钢则焊接）。管道262的相对端部类似地安装在沿着室192的板222中的孔处。管道262因此用作从室192至室240的蒸汽出口管道。管道222也可以采用诸如钢丝绒的雾气收集媒介来填充。沿着板288的下部部分（半部）270的上部子部分是孔272的阵列，其在室240与油槽194之间提供了连通。这允许从油槽排放蒸汽。孔272可以被掩蔽（未示出）。各种板也可以是金属的（例如碳素钢）。

图3进一步示出了沿着外壳主上部部分184-1的下部区域并且与蒸馏器室连通的端口/配件290，以及沿着外壳主下部部分184-2的上部区域并且与油槽194连通的端口/配件292。管线294连接这两个端口/配件。不同附图也示出了用于观察制冷剂和/或油液位或其他内部情况的多个视窗玻璃300和传感器端口310（例如提供用于测量各个压力或温度或取样成分的传感器（未示出）的连接器）。

在操作中，相对富含油的制冷剂被从蒸发器壳经由撇取管线74取样，并且由自动阀78控制，通过重力流至由管道220和蒸馏器室192形成的小型热交换器。在此，从入口72进入的制冷剂和油混合物与热交换器管道220的外侧表面接触以煮沸脱去制冷剂，在油经由油槽室194返回油储槽70之前浓缩了油。热交换器管道220经由室226被供应来自冷凝器顶部或者在其上游作为热源的热气体，从节流了的管道（未示出）排出，使得该气体在恒定压力下冷凝，最大化了可用于煮沸工艺的热量。被冷却的制冷剂（气体）随后从室230经由管线140返回至蒸发器壳。

已蒸馏的制冷剂从蒸馏器室192穿过管道262（图3）并且由此进入室240。它从室240穿出出口120。蒸馏器室192中的初始油累积可以经由合适的通道传至油槽194。示例性的通道是经由外部管线294穿过端口/配件290和292。蒸馏器室192和油槽194（以及油储槽70）通过对应端口120和124排放至压缩机吸入管线，并且因此排出至蒸发器压力。

在板190是有小孔的实施方式中，油可以穿过孔（未示出）。然而，可以选择孔以足够小使得其不是油从蒸馏器室192至油槽194的主要路径。替代地，孔提供了用于使得油槽中残留的制冷剂蒸汽流入蒸馏器室中的机构。用于油从蒸馏器室至油槽的主要路径可以是经由外部或更大的外部或内部通道。

通过利用油蒸馏器，以仅与从油煮沸去除制冷剂液体相关联的冷却器效率极小损失，从蒸发器回收了具有满意粘性的高品质油小。

小型磁驱动齿轮型油泵104用于向压缩机轴承提供正的压力润滑。这与示例性的通过利用热气体旁路作为油返回的驱动力而具有附加损失的现有技术油回收系统是相反的。油送至压缩机上所需的位置。油压力调节阀156引导过量的油返回进入油槽中。一旦完成了对压缩机轴承的送油，油随后随着压缩机排出气体行进，并且必需从制冷剂回收油。排出的轴承油通过排泄管线82流动/排泄至油槽194，并且由此至油储槽70。油储槽经由油槽保持在蒸发器压力下。

过滤器100的上游位置允许其保护泵104。尽管示意性地示出为分立单元，这可以通过出口94处沉浸式过滤器来表示。过滤器106的下游位置杜绝了任何外来颗粒返回至压缩机。示例性的过滤器100是沉浸式过滤器并且拧入油储槽70中。示例性的过滤器106是具有排泄配件（未示出，其可以用于排泄）的嵌入（in-line）型。隔离阀102和108用于隔离泵104以当需要时替换或者修理泵104。

控制器400可以操作加热器170以便维持在所有操作阶段返回至压缩机的油的完整性（例如含有足够低的制冷剂含量而同时维持足够高的粘性）。示例性的油是SW220等级的，这与其他常用等级相比相对粘稠。

在示例性的控制方法中，当压缩机关断时，控制器可以保持两个级均关断。当压缩机开启（运行）时，可以响应于各种感测到的温度而控制加热器。

当一些条件的任何一个满足时，控制器可以保持两级均关断。示例性的两个这种条件是：（a）冷凝器制冷剂温度大于阈值（例如82℉（28℃））；和（b）油温度大于阈值（例如152℉（67℃））。

当一些条件的任何一个存在时，控制器可以接合单个级（例如加热器第一级）。这可以是示例的：（a）冷凝器制冷剂温度低于第二阈值（例如80℉（27℃））并且电机速度也低于给定阈值（这可以高度取决于特定电机和压缩机；示例性的阈值是800rpm，电机在500rpm下关断）；以及（b）油槽温度低于固定阈值（例如90℉（32℃））和饱和吸入温度（SST）决定的阈值（例如SST加上固定增量（例如35℉（19℃）、更广泛的20-40℉（11-20℃）的增量）的至少一个。因此，以由以下两级模式所控制为条件，如果在该段落中触发条件（a）或（b）得到满足，则接合单个级。

当单级操作的第二触发的两个条件存在时，控制器可以接合两个级：油温度低于固定阈值（例如90℉（32℃））和饱和吸入温度（SST）决定的阈值（例如SST加上固定增量（例如35℉（19℃）、更广泛的20－40℉（11－22℃）的增量））的至少一个。

由阀156的压力调节在油槽和油泵排出口之间维持了给定压力（例如28psid（193kPad））；隔离阀154可以用于进一步调整或隔离。

来自泵的示例性的油流率对于500吨（1760kW）冷却器而言大约是每分钟0.23加仑（gpm（0.015升每秒））。这产生了4.6×10^-4gpm/ton（8.5×10^-6升/s/kW）。更广泛的，这可以特征化为2×10^-4－1×10^-3加仑每分钟每吨（3.5×10^-6－1.7×10^-5升/s/kW）（例如使用示例性的500吨（1,760kW）冷却器）和示例性的0.1－0.5gpm（0.006-0.03 l/s）或者小于1×10^-3加仑每分钟每吨（1.7×10^-5升/s/kW）的流率范围。注意，用在该冷却器上的非常小的油流率比通常在螺杆式压缩机冷却器上发现的（会通过正常油分离器逃脱的流率）几乎小两个数量级。借由在低侧压力下操作的油浓缩系统从制冷剂回收了油。

示例性的实施方式可以提供情况的组合以及制造、安装（例如管道工程和隔热）的低成本。他们还可以使得压缩机在更冷/低负载范围操作期间具有足够量的油，而相反的类似尺寸的原始结构将无法持续供给油。

已经描述了一个或多个实施例。然而，要理解的是可以做出各种修改。例如，当经由对原始结构蒸发器的修改或者在原始结构冷却器的环境下实施时，原始结构的细节会影响任何特定实施方式的细节。因此，其他实施例在以下权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种蒸馏器，其包括：

入口（72）；

油出口（90；94）；

排放口（120）；

热气入口（132）；

被冷却气体出口（134）；

气体流路（130），其从所述热气入口延伸至所述被冷却气体出口；

蒸馏器室（192），其沿着主流路位于所述入口的下游；

气体管道（220），其沿着所述气体流路与所述主流路处于热交换关系；

油槽（194），其位于所述蒸馏器室的下方；

外壳（180），其包围所述油槽和蒸馏器室；以及

通道（294），其从所述蒸馏器室至所述油槽；

其中，所述蒸馏器还包括被控制器（400）控制的两级加热器（170），所述控制器被构造成：基于感测到的条件来选择所述两级加热器的模式，并且在包括了所述蒸馏器的制冷系统（20）中的压缩机（24）开启时，控制所述两级加热器运行在三个模式的每一个下：两级均关断；一级开启；以及两级均开启。

2.根据权利要求1所述的蒸馏器，其中，所述通道（294）是外部管道。

3.根据权利要求1所述的蒸馏器，其中，所述油槽直接位于所述蒸馏器室下方。

4.根据权利要求3所述的蒸馏器，其中，所述外壳是单个圆形圆柱形外壳。

5.根据权利要求3所述的蒸馏器，其中，所述通道（294）包括沿着所述外壳在配件（290、292）之间延伸的外部管道。

6.根据权利要求1所述的蒸馏器，其中，

板（190），其至少部分地形成了所述油槽的顶部和所述蒸馏器室的底部。

7.根据权利要求1所述的蒸馏器，其中，所述通道由带孔的构件形成。

8.根据权利要求1所述的蒸馏器，其中，

金属管形的主体，其包含所述蒸馏器室和油槽；以及

油储槽（70），其安装至所述主体，在所述油槽下方。

9.根据权利要求1所述的蒸馏器，其中，所述两级加热器是电加热器。

10.根据权利要求1所述的蒸馏器，其中，所述两级加热器是两级沉浸式加热器。

11.根据权利要求1所述的蒸馏器，进一步包括：

除雾器，用于从流出所述排放口的流分离液体。

12.根据权利要求1所述的蒸馏器，其中，

所述气体管道包括多个管道，具有穿过所述管道的气体流路，以及围绕所述管道的主流路。

13.一种制冷系统（20），其包括根据权利要求1所述的蒸馏器，并且包括：

压缩机（24）；

冷凝器（30），其沿着制冷剂流路（33）位于所述压缩机的下游；

蒸发器（50），其沿着所述制冷剂流路位于所述冷凝器的下游和所述压缩机的上游；

入口管道（74），其沿着入口路径（75）；

排放口管道（122），其沿着路径从所述排放口至所述压缩机的吸入位置（26）；

旁路供给管道（136），其沿着路径从所述压缩机的排出位置（28）至所述热气入口；

旁路返回管道（140），其沿着路径从所述被冷却气体出口至所述蒸发器；

油返回管道（96），其沿着油返回路径从所述油出口返回至所述压缩机。

14.根据权利要求13所述的系统，进一步包括电动油泵（104），其沿着所述油返回路径。

15.一种用于操作根据权利要求1所述的蒸馏器的方法，其包括：

使气流进入所述热气入口，并且从所述被冷却气体出口排出；

使制冷剂和油流进入所述入口；

从所述气体流转移热量至所述制冷剂和油流；以及

分离所述制冷剂和油流，使得富含制冷剂的部分从所述排放口离开，并且富含油的部分从所述油出口离开。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法包括，当所述压缩机开启时：

当冷凝器制冷剂温度大于第一阈值冷凝器制冷剂温度或者油温度大于第一油温度阈值时，两级均关断地运行；

在下述情况下，仅开启一级地运行：

冷凝器制冷剂温度小于比所述第一阈值冷凝器制冷剂温度低的第二阈值冷凝器制冷剂温度、并且电机速度低于速度阈值；或者

油温度低于第二油温度阈值、低于所述第一油温度阈值、或者低于饱和吸入温度加上预定增量；以及

在下述情况下，两级均开启地运行：

所述油温度既低于所述第二油温度阈值也低于所述饱和吸入温度加上所述预定增量。