CN104067072A - 阶式制冷系统 - Google Patents

阶式制冷系统 Download PDF

Info

Publication number
CN104067072A
CN104067072A CN201380006833.2A CN201380006833A CN104067072A CN 104067072 A CN104067072 A CN 104067072A CN 201380006833 A CN201380006833 A CN 201380006833A CN 104067072 A CN104067072 A CN 104067072A
Authority
CN
China
Prior art keywords
heat
temperature
transfer fluid
fluid
vapor compression
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201380006833.2A
Other languages
English (en)
Inventor
W.拉彻德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Arkema France SA
Original Assignee
Arkema France SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Arkema France SA filed Critical Arkema France SA
Publication of CN104067072A publication Critical patent/CN104067072A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/12—Inflammable refrigerants
    • F25B2400/121—Inflammable refrigerants using R1234
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2700/00—Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2106—Temperatures of fresh outdoor air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D2500/00—Problems to be solved
    • F25D2500/04—Calculation of parameters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Lubricants (AREA)
  • Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)

Abstract

本发明涉及借助于包含第一传热流体的至少第一蒸气压缩回路(10)和包含第二传热流体的至少第二蒸气压缩回路(20)来冷却流体或物体的方法，所述方法包括：-测量外部环境的温度；和-根据所述外部环境温度，设定所述第二传热流体发生蒸发的温度。本发明还涉及适于实施该方法的装置。

Description

阶式制冷系统
技术领域
本发明涉及设计用于最优化操作的阶式(级联式，复叠，cascade)制冷系统以及在该系统中实施的制冷方法。
背景技术
制冷系统通常基于包括以下的热力学循环：在低压下蒸发流体(其中所述流体吸收热量)；压缩所述蒸发的流体直至高压；在高压下使所述蒸发的流体凝结以得到液体(其中所述流体放出热量)；以及降低所述流体的压力以完成所述循环。
传热流体(其可以是纯的化合物或化合物的混合物)的选择一方面由流体的热力学性质控制且另一方面由另外的约束条件控制。因此，重要的标准是所考虑的流体对环境的影响。具体地说，氯化化合物(氯氟烃和氢氯氟烃)表现出破坏臭氧层的缺点。因此，相对于它们，今后通常优选非氯化化合物，例如氢氟烃、氟代醚和氟烯烃。
另一环境约束条件是全球增温潜势(GWP)。因此，开发表现出尽可能地低的GWP以及良好的能量性能的传热组合物是必要的。
一些特定的制冷系统基于若干制冷回路的使用且特别是基于两个连接在一起的回路(即高温回路和低温回路)的使用：这些系统称为“阶式”系统。所述两个回路通常包含不同的传热流体。
阶式系统在安全性方面表现出许多优点。具体地说，由于成本或性能的原因，可在高温回路中使用某一传热流体且在低温回路中使用较不易燃或较不有毒的另一传热流体。因此，最可燃或最有毒的传热流体的总进料得以最小化，而且，该最可燃或最有毒的传热流体被限制于未封闭区域和/或被限制于在发生泄漏的情况下不具有与公众或人员接触的风险的区域。
举例来说，由于二氧化碳的不可燃性以及从环境的观点来看，二氧化碳是高度有利的传热流体。但是，由于其低的临界点，其与常规传热流体(烃、氢氟烃及其类似物)相比通常是较不有效的。最佳的解决方案可在于使用包括在低温回路中的二氧化碳和在高温回路中的常规传热流体的阶式系统。
文献WO 2008/150289和WO 2011/056824提供了阶式制冷系统的实例。
论文Theoretical analysis of a CO2-NH3 cascade refrigeration system forcooling applications at low temperatures(Dopazo等，Applied ThermalEngineering，29，1577-1583(2009))以及论文Experimental investigation on theperformances of NH3/CO2 cascade refrigeration system with twin-screwcompressor(Bingming等，International Journal of Refrigeration，32，1358-1365(2009))描述了在低温回路中使用二氧化碳和在高温回路中使用氨的阶式系统的性能。
但是，仍然存在改善阶式制冷系统的效率和性能的需要且特别是仍然存在使这些系统的总能耗以及相关的环境影响最小化的需要。
发明内容
本发明首先涉及借助于至少一个包含第一传热流体的第一蒸气压缩回路和至少一个包含第二传热流体的第二蒸气压缩回路来冷却流体或物体(形体，body)的方法，所述方法包括：
-在所述第一蒸气压缩回路中：
■通过与所述流体或物体交换热量来使所述第一传热流体至少部分地蒸发；
■压缩所述第一传热流体；
■通过与所述第二传热流体交换热量来使所述第一传热流体至少部分地凝结；
■降低所述第一传热流体的压力；
-在所述第二蒸气压缩回路中：
■通过与所述第一传热流体交换热量来使所述第二传热流体至少部分地蒸发；
■压缩所述第二传热流体；
■通过与外部介质交换热量来使所述第二传热流体至少部分地凝结；
■降低所述第二传热流体的压力；
所述方法额外包括：
-测量所述外部介质的温度；和
-随着所述外部介质温度的变化，调节在蒸发下所述第二传热流体的温度(调节所述第二传热流体的蒸发温度)。
根据实施方案，在蒸发下所述第二传热流体的温度调节是连续进行的或者每小时进行至少一次。
根据一个实施方案，所述方法包括检测所述外部介质温度的变化，而且，在蒸发下所述第二传热流体的温度调节包括若检测到所述外部介质的温度升高则提高在蒸发下所述第二传热流体的温度且若检测到所述外部介质的温度下降则降低在蒸发下所述第二传热流体的温度。
根据一个实施方案，该方法包括计算作为所述外部介质温度的测量结果的函数的最佳蒸发温度。
根据一个实施方案，将在蒸发下所述第二传热流体的温度调节至所述最佳蒸发温度。
根据一个实施方案，所述最佳蒸发温度对应于所述第一蒸气压缩回路和所述第二蒸气压缩回路的总性能系数处于最大值时的蒸发温度。
根据一个实施方案，所述最佳蒸发温度由式T最佳＝AxT外部+B定义，其中，T外部是所述外部介质的以摄氏度计的温度，A是无量纲常数且B是以摄氏度计的常数。
根据一个实施方案，所述常数A具有0.3～0.6、优选0.4～0.45的值，且所述常数B具有-50℃～0℃、优选-30℃～-20℃的值。
根据一个实施方案，将所述流体或物体冷却至-50～-15℃、优选-40～-25℃的温度。
根据一个实施方案：
-所述第一传热流体选自二氧化碳、烃、氢氟烃、醚、氢氟醚、氟烯烃、以及这些的混合物，且优选为二氧化碳；和/或
-所述第二传热流体选自氨、烃、氢氟烃、醚、氢氟醚、氟烯烃、以及这些的混合物，优选为四氟丙烯且更特别优选为2,3,3,3-四氟丙烯或1,3,3,3-四氟丙烯。
根据一个实施方案，通过一个或多个压缩机实施所述第二传热流体的压缩且通过调整所述压缩机实施在蒸发下所述第二传热流体的温度调节。
根据一个实施方案，所述压缩机的调整包括调节所述压缩机的旋转速度，或者，所述压缩机的调整通过相继地启动和关闭所述压缩机来实施。
根据一个实施方案，所述方法为用于冷却包含深度冷冻或冷冻的产品、优选食品的室的方法。
此外，本发明涉及用于冷却流体或物体的装置，其至少包括：
-包含第一传热流体的第一蒸气压缩回路；
-包含第二传热流体的第二蒸气压缩回路；
-阶式换热器，适用于在所述第一传热流体与所述第二传热流体之间交换热量；
所述第一蒸气压缩回路包括：
-适用于在所述第一传热流体与所述流体或物体之间交换热量的第一蒸发器；
-一个或多个第一压缩机；
-第一膨胀器件；
所述第二蒸气压缩回路包括：
-一个或多个第二压缩机；
-适用于在所述第二传热流体与外部介质之间交换热量的第二凝结器；
-第二膨胀器件；
所述装置还包括：
-用于测量所述外部介质的温度的器件；和
-用于随着所述外部介质的温度测量结果的变化而调节所述阶式换热器中的蒸发温度的工具。
根据一个实施方案，所述装置额外地包括用于计算作为所述外部介质的温度测量结果的函数的最佳蒸发温度的模块。
根据一个实施方案，所述用于调节所述阶式换热器中的蒸发温度的工具适用于将所述阶式换热器中的蒸发温度调节至所述最佳蒸发温度。
根据一个实施方案，所述最佳蒸发温度对应于所述第一蒸气压缩回路和所述第二蒸气压缩回路的总性能系数处于最大值时的蒸发温度。
根据一个实施方案，所述最佳蒸发温度由式T最佳＝AxT外部+B定义，其中，T外部是所述外部介质的以摄氏度计的温度，A是无量纲常数且B是以摄氏度计的常数。
根据一个实施方案，所述常数A具有0.3～0.6、优选0.4～0.45的值，且所述常数B具有-50℃～0℃、优选-30℃～-20℃的值。
根据一个实施方案，所述装置适用于将所述物体或流体冷却至-50～-15℃、优选-40～-25℃的温度。
根据一个实施方案：
-所述第一传热流体选自二氧化碳、烃、氢氟烃、醚、氢氟醚、氟烯烃、以及这些的混合物，且优选为二氧化碳；和/或
-所述第二传热流体选自氨、烃、氢氟烃、醚、氢氟醚、氟烯烃、以及这些的混合物，优选为四氟丙烯且更特别优选为2,3,3,3-四氟丙烯或1,3,3,3-四氟丙烯。
根据一个实施方案，用于调节所述阶式换热器中的蒸发温度的工具包括用于调整所述第二压缩机的工具。
根据一个实施方案，用于调整所述第二压缩机的工具适用于调节所述第二压缩机的旋转速度或者适用于相继地启动和关闭所述第二压缩机。
根据一个实施方案，所述装置包括适用于容纳深度冷冻或冷冻的产品、优选食品的室。
本发明使得能够满足现有技术状态中所意识到的需要。更具体地说，其提供了其中使总能耗和环境影响最小化的制冷方法及相应的装置。
这通过随着外部温度(环境温度)的变化调节高温回路的传热流体蒸发温度而实现。已经发现，这样的调节使得能够最优化该系统的总体性能。
附图说明
图1是根据本发明的装置的图。
图2是表示如下的图：(1)在作为实例的典型的一天期间内的环境温度变化(白色圆圈，左侧的纵坐标轴，以摄氏度计的值)；以及(2)用于保存深度冷冻的食品所必需的制冷能力在该典型的一天期间内的常规变化的实例(黑色方块，右侧的纵坐标轴，以kW计的值)；这随着这一天的钟点(横坐标轴)而变化。
图3是说明了针对阶式制冷系统的最佳蒸发温度(以摄氏度计，纵坐标轴)随环境温度(以摄氏度计，横坐标轴)变化的图，在所述阶式制冷系统中，高温回路的传热流体是：(1)HFO-1234yf(白色方块)；或者(2)HFO-1234ze(黑色圆圈)。
图4是说明了在典型的一天期间内根据制冷系统是根据本发明的(灰色条块，随着环境温度的变化调节高温传热流体的蒸发温度)还是常规系统(黑色条块，高温传热流体的蒸发温度设定在-10℃)的制冷系统总能耗(以kWh计)的图。这两组数据对应于其中(1)高温回路的传热流体是HFO-1234yf和(2)高温回路的传热流体是HFO-1234ze的情形。
图5是说明了阶式制冷系统在如下不同情况下经过典型的一天的TEWI指数的图：常规制冷系统且HFO-1234yf在高温回路中(R1234yf条块)；根据本发明的制冷系统且HFO-1234yf在高温回路中(opti R1234yf条块)；常规制冷系统且HFO-1234ze在高温回路中(R1234ze条块)；根据本发明的制冷系统且HFO-1234ze在高温回路中(opti R1234ze条块)。所述数值对应于TEWI指数相对于参比情况(常规制冷系统且HFO-1234yf在高温回路中)的百分数。所述常规系统是其中高温传热流体的蒸发温度设定在-10℃的系统，且根据本发明的系统是其中高温传热流体的蒸发温度随着环境温度的变化而调节的系统。
图6是与图4的图相当的图，但使用其中高温传热流体的蒸发温度设定在-18℃的常规系统。
图7是与图5的图相当的图，但使用其中高温传热流体的蒸发温度设定在-18℃的常规系统。
具体实施方式
现在在下面的描述中更详细地并且非限制地描述本发明。
术语“传热化合物”或“传热流体”(或制冷剂)分别理解为是指在蒸气压缩回路中分别能够通过在低温和低压下蒸发而吸收热量且能够通过在高温和高压下凝结而放出热量的化合物或流体。通常地，传热流体可包含仅一种、两种、三种或超过三种的传热化合物。
术语“传热组合物”理解为是指包含传热流体以及任选的一种或多种添加剂(其不是用于预期应用的传热化合物)的组合物。
本发明目标在于用于冷却流体或物体的装置以及相关的冷却方法。这些装置可以是固定或移动的空气调节装置，或者，优选是固定或移动的制冷和/或冷冻和/或低温装置。
关于图1，根据一个实施方案，根据本发明的装置包括：第一蒸气压缩回路10(或低温回路)，其包含第一传热流体；以及第二蒸气压缩回路20(或高温回路)，其包含第二传热流体。阶式换热器30(或者蒸发器-凝结器或者制冷剂到制冷剂型换热器)提供了所述两个蒸气压缩回路之间的热耦合。
第一蒸气压缩回路10包括至少一个第一蒸发器11、至少一个第一压缩机12和至少一个第一膨胀器件14。在第一压缩机12与第一膨胀器件14之间，所述回路通过阶式换热器30，所述阶式换热器30作为用于该第一回路的凝结器(第一凝结器)。
在该回路的所有组件之间提供流体输送管线。
蒸气压缩回路10根据常规的蒸气压缩循环操作。所述循环包括：在相对低压下第一传热流体从液相(或液/气两相体系)到蒸气相的状态变化(在第一蒸发器11中)，然后，蒸气相的流体直至相对高压的压缩(在第一压缩机12中)，在相对高压下传热流体从蒸气相到液相的状态变化(凝结)(在阶式换热器30中)，以及压力降低以重新开始循环(在第一膨胀器件14中)。
第二蒸气压缩回路20包括：至少一个第二压缩机22a、22b、22c；至少一个第二凝结器23；以及至少一个第二膨胀器件24。
在第二膨胀器件24与第二压缩机22a、22b、22c之间，所述回路通过阶式换热器30，所述阶式换热器30作为用于该第二回路的蒸发器(第二蒸发器)。
在该回路的所有组件之间提供流体输送管线。
与第一蒸气压缩系统类似地操作第二蒸气压缩系统20。
可在该回路中提供存储器27以形成处于液态的流体储备物。所述存储器中的液体水平根据随着使用条件而变化的装置要求而改变。
在第一蒸发器11中，第一传热流体从待冷却的流体或物体部分接收热量。例如，当待冷却的物体由一种或多种冷冻或深度冷冻的产品(特别是食品)组成时，可将该物体置于室中，所述室的壁的至少一部分与第一蒸发器11直接接触(或者所述室的壁的至少一部分属于第一蒸发器11)。
或者，可经由包含例如(具有或不具有状态变化的)热交换流体(诸如空气或二醇化合物)的辅助回路实施第一传热流体与待冷却的流体或物体之间的热量交换。
在提供这两个回路之间的耦合的阶式换热器30中，第一传热流体进而向第二传热流体供给热量。热量从第一传热流体向第二传热流体的输送一方面引起第一传热流体的凝结，且另一方面引起第二传热流体的蒸发。
最后，第二凝结器23允许第二传热流体向外部介质供给热量。外部介质优选为周围的空气。
第二传热流体与外部介质之间的热量交换可直接地实施或者经由(具有或不具有状态变化的)热交换流体的辅助回路实施。
在前述回路中，作为压缩机，可特别使用单级或多级离心式压缩机或者离心式微型压缩机。还可使用旋转式压缩机、活塞式压缩机或螺杆式压缩机。压缩机可通过电动机或者通过燃气涡轮机(例如通过来自交通工具的废气进料，用于移动应用)或者通过传动装置驱动。
作为用于本发明实施的换热器，可使用并流式换热器，或者优选，逆流式换热器。还可使用微通道交换器。
设备的每个项目(凝结器、膨胀器件、蒸发器、压缩机)可由一个单元或者串联和/或并联布置的若干个单元组成。当使用并联的若干个单元时(如图1中的第二压缩机22a、22b、22c的情况)，如果必要的话，提供分配器25和收集器26，以将流体分配到各单元中并收集得自各单元的流体。
还可提供与单个的第二蒸气压缩(高温)回路耦合的若干个第一蒸气压缩(低温)回路、或者与单个的第一蒸气压缩(低温)回路耦合的若干个第二蒸气压缩(高温)回路。
第一传热流体优选选自二氧化碳、烃、氢氟烃、醚、氢氟醚、氟烯烃、以及这些的混合物。其可特别地为二氧化碳。
第二传热流体优选选自氨、烃、氢氟烃、醚、氢氟醚、氟烯烃、以及这些的混合物。其可特别地为四氟丙烯、且更特别优选2,3,3,3-四氟丙烯(HFO-1234yf)或1,3,3,3-四氟丙烯(HFO-1234ze)，以顺式或反式的形式或者以顺式与反式形式的混合物的形式。
根据一个实施方案，第一传热流体是二氧化碳且第二传热流体是HFO-1234yf。
根据另一实施方案，第一传热流体是二氧化碳且第二传热流体是HFO-1234ze。
用于第二传热流体的其它可能的实例为：
-HFO-1234yf与HFC-134a(1,1,1,2-四氟乙烷)的混合物，其优选为二元混合物且其优选包含50％-65％的HFO-1234yf且理想地约56％的HFO-1234yf。
-HFO-1234ze与HFC-134a的混合物，其优选为二元混合物且其优选包含50％-65％的HFO-1234ze且理想地约58％的HFO-1234ze。
-HFO-1234yf与HFO-1234ze的混合物，其优选为二元混合物且其优选包含35％-65％的HFO-1234yf且理想地约50％的HFO-1234yf。
-HFO-1234yf、HFO-1234ze及HFC-134a的混合物，其优选为三元混合物且其优选包含40％-45％的HFC-134a、35％-50％的HFO-1234ze以及5％-25％的HFO-1234yf。
-HFO-1234yf与氨的混合物，其优选为二元混合物且其优选包含15％-30％的氨。
-HFO-1234yf、HFC-152a(1,1-二氟乙烷)及HFC-134a的混合物，其优选为三元混合物且其优选包含2％-15％的HFC-134a、2％-20％的HFC-152a以及65％-96％的HFO-1234yf。
-HFO-1234ze、HFC-134a及HFO-1336mzz(1,1,1,4,4,4-六氟丁-2-烯)的混合物，其优选为三元混合物。
在前述范围内，不同化合物的比例是重量比例。
在本发明的情况下，可向蒸气压缩回路中的传热流体中加入各种添加剂。它们可特别地为润滑剂、稳定剂、表面活性剂、示踪剂、荧光剂、气味剂和增溶剂。
当存在一种或多种稳定剂时，所述一种或多种稳定剂优选地在传热组合物中占至多5重量％。在稳定剂中，可特别提及硝基甲烷，抗坏血酸，对苯二甲酸，唑如甲基苯并三唑或苯并三唑，酚化合物如生育酚、氢醌、叔丁基氢醌、或2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚，环氧化物(烷基(任选地被氟化或全氟化)或链烯基或芳族的环氧化物)例如正丁基缩水甘油醚、己二醇二缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚、或丁基苯基缩水甘油醚，亚磷酸酯，膦酸酯，硫醇和内酯。
作为示踪剂(能够被检测的试剂)，可提及氘代或未氘代的氢氟烃、氘代烃、全氟烃、氟代醚、溴化化合物、碘化化合物、醇、醛、酮、一氧化二氮、以及这些的组合。所述示踪剂不同于构成传热流体的传热化合物。
作为增溶剂，可提及烃、二甲醚、聚氧亚烷基醚、酰胺、酮、腈、氯烃、酯、内酯、芳基醚、氟代醚和1,1,1-三氟烷烃。所述增溶剂不同于构成传热流体的传热化合物。
作为荧光剂，可提及萘二甲酰亚胺、苝、香豆素、蒽、菲(phenanthracene)、夹氧杂蒽、噻吨、苯并夹氧杂蒽、荧光素、以及这些的衍生物和组合。
作为气味剂，可提及丙烯酸烷基酯、丙烯酸烯丙基酯、丙烯酸、丙烯酰基酯(acryl ester)、烷基醚、烷基酯、炔、醛、硫醇、硫醚、二硫化物、异硫氰酸烯丙基酯、链烷酸、胺、降冰片烯、降冰片烯衍生物、环己烯、杂环芳族化合物、驱蛔萜、邻甲氧基(甲基)苯酚、以及这些的组合。
作为润滑剂或润滑油，可特别地为选择选自如下的化合物：矿物来源的油、硅油、天然来源的石蜡、环烷、合成石蜡、烷基苯、聚(α-烯烃)、多元醇酯、聚亚烷基二醇和/或聚乙烯基醚。优选多元醇酯和聚乙烯基醚。非常特别优选聚亚烷基二醇。
本发明非常特别地适用于待冷却至-50～-15℃、优选-40～-25℃的温度的流体或物体。外部介质的温度典型地从-10℃至50℃、特别是从0℃至40℃、且非常特别地从10℃至35℃变化。
第一传热流体的蒸发温度(第一蒸发器11中的温度)优选为-60～-20℃、更特别地为-50～-25℃。
第二传热流体的凝结温度(第二凝结器23中的温度)取决于外部温度且其典型地为20～60℃、更特别地为20～45℃。例如，其可相对于外部温度为+10℃。
阶式换热器(热交换器)30中的第一传热流体的凝结温度取决于在该同一交换器中的第二传热流体的蒸发温度。例如，其可相对于所述蒸发温度为+5℃。
此外，本发明提供了用于测量所述外部介质温度的器件41以及用于随着测量的外部温度的变化而调节所述阶式换热器30中的蒸发温度的工具42。
本申请人已经发现，当阶式换热器30中的第二传热流体的温度随着外部温度的变化而调节时，装置的整体性能处于最佳(也就是说，对于待冷却的流体或物体的给定冷却温度，能耗处于最小值)。为了更好的效力，外部温度越高，阶式换热器30中的第二传热流体的温度必须越高，且反之亦然。
根据优选实施方案，将阶式换热器30中的蒸发温度调节至作为所测量的外部介质温度的函数的最佳蒸发温度，所述最佳蒸发温度由计算模块确定。
所述最佳蒸发温度优选定义为装置的总性能系数处于最高值且装置的总能耗处于最小值(对于给定的制冷能力和/或对于经冷却的流体或物体的给定的冷却温度)时的阶式换热器30中的蒸发温度。
对于给定的装置，最佳蒸发温度可通过如下确定：直接使用与图3有关的以下实施例1中所提供的数据；或者，对于所讨论的装置，实施与以下实施例1中所给出的计算相似的计算；或者，实验性地或经验性地，测量针对高温回路的不同蒸发温度的装置能耗，并且建立相对于外部温度的相互关系。
所述装置中可包括用于确定最佳蒸发温度的工具。可选择地且优选地，预先确定将最佳蒸发温度与外部温度相关联的函数，并然后仅将该函数结合到前述计算模块中。
此外，可将阶式换热器30中的蒸发温度调节至不同于最佳蒸发温度的温度，以便顾及其它约束条件。例如，将阶式换热器30中的蒸发温度的可能的变化限制为一定温度范围T1-T2可为适当的。在该情况下，如果所述最佳蒸发温度属于范围T1-T2，则将阶式换热器30中的蒸发温度调节至最佳蒸发温度，或者，如果最佳蒸发温度低于T1，则将阶式换热器30中的蒸发温度调节至温度T1，且最后地，如果最佳蒸发温度大于T2，则将阶式换热器30中的蒸发温度调节至温度T2。
很多其它变化是可能的。特别可能的是，随着所述外部介质温度的变化，提供阶式换热器30中的蒸发温度的延迟调节或滞后调节，以防止过于频繁或过于突然的调节。
通常地，最佳蒸发温度是外部介质温度的递增函数。因此，当检测到外部介质温度的提高时，提高阶式换热器30中的蒸发温度是合乎期望的，而且，当检测到外部介质温度的降低时，降低阶式换热器30中的蒸发温度是合乎期望的。或者，根据另一实施方案，该调节使得，对于其中T2>T1的所有给定的外部介质温度T1和T2，阶式换热器30中的蒸发温度分别调节至其中T2’大于或等于T1’的温度T1’和T2’。
可通过调整第二压缩机22a、22b、22c来获得阶式换热器30中的蒸发温度的调节。例如，所述用于调节阶式换热器30中的蒸发温度的工具42可包括用于调节第二压缩机22a、22b、22c的旋转速度的工具、或者用于相继地启动和关闭第二压缩机22a、22b、22c的工具。
阶式换热器30中的蒸发温度的调节可连续地进行，或者，在分开的时刻且例如以规则的时间间隔(每分钟，每15、30、45或60分钟，以及类似的时间间隔)进行。此外，可通过获取在一定期间例如在10分钟、30分钟或1小时测量的外部介质温度的平均值作为参考来进行所述温度调节。
实施例
下述实施例说明本发明，而非对其进行限制。
实施例1-最佳蒸发温度的验证
图2提供了在一天内的外部介质温度(环境温度)变化的典型实例、以及在该天内的制冷能力要求的典型实例，以便对超级市场型商店中的包含冷冻或深度冷冻产品的室进行制冷。
制冷装置是图1中所图解示出的类型。低温回路包含二氧化碳且高温回路包含HFO-1234yf或HFO-1234ze。
对于低温回路，蒸发温度是-40℃、过热是25℃且过冷是5℃。压缩机是具有根据以下等式的等熵效率的螺杆式压缩机：ηiso＝0.00476τ2-0.09238τ+0.8981，τ是压力的比值(参见Thermodynamic analysisof optimal condensing temperature of cascadecondenser in CO2/NH3 cascaderefrigeration systems，Tzong-Shring等，International Journal of Refrigeration，第29卷第7期，2006，第1100-1108页)。
在高温回路中凝结温度比蒸发温度高5℃。
关于高温回路，蒸发温度固定为恒定数值(-10℃或-18℃)或者作为外部温度的函数而变化。过热是25℃且过冷是5℃。压缩机是具有根据以下等式的等熵效率的螺杆式压缩机：ηiso＝0.00060079τ2-0.03002352τ+0.90880781(参考：ASHRAE 2008 Handbook,HVAC system and equipments，第37章，第22页，Twin screw compressor，图34)。凝结温度比外部温度高10℃。
使用蒸发温度作为参数(高温阶段中的蒸发温度)，将性能系数(COP)作为环境温度的函数而最优化。整个装置的COP值对应于下式：
(其中COP1和COP2是低温回路和高温回路的性能系数)。
在图3中可看出环境温度(T外部)与高温回路中的最佳蒸发温度(T最佳)之间的相互关系。
对于所测试的两种制冷剂，倾向方程是非常相似的：
-对于HFO-1234yf，T最佳＝0.4411×T外部-26.549(以摄氏度计)。
-对于HFO-1234ze，T最佳＝0.4208×T外部-26.107(以摄氏度计)。
实施例2-由本发明提供的益处
在该实施例中，采用实施例1中所验证的最佳蒸发温度以实现节能。
因此，图4的图说明了如下之间的比较：(1)根据本发明操作的装置的总能耗(以灰色表示)，即为按一小时一小时地将高温回路的蒸发温度调节至作为环境温度的函数的其最佳值(如图3中所确定的)，假定温度在一天内根据图2的曲线变化；和(2)常规操作的相同装置的总能耗(以黑色表示)，其中高温回路中的恒定蒸发温度等于-10℃(这是最通常选择的值)。
图5的图说明了相同的两个情形之间的比较但相对于标准EN378-1:2008+A1:2010的附件B中所定义的TEWI(变暖影响总当量)指数。在该图中，所述指数是相对于针对在高温回路中使用HFO-1234yf的常规操作的装置的基准100而言的。
图6和7的图与图4和5的图类似，除了所述常规操作的装置以在高温回路中的等于-18℃而非-10℃的恒定蒸发温度来操作以外。
此外，已经证实，本发明使得可正确地预测(特别是基于图3的图)在比图2的典型的一天的环境温度更暖或更冷的环境温度的情况下的每日能耗。

Claims (24)

1.借助于至少一个包含第一传热流体的第一蒸气压缩回路(10)和至少一个包含第二传热流体的第二蒸气压缩回路(20)来冷却流体或物体的方法，所述方法包括：
-在所述第一蒸气压缩回路(10)中：
■通过与所述流体或物体交换热量来使所述第一传热流体至少部分地蒸发；
■压缩所述第一传热流体；
■通过与所述第二传热流体交换热量来使所述第一传热流体至少部分地凝结；
■降低所述第一传热流体的压力；
-在所述第二蒸气压缩回路(20)中：
■通过与所述第一传热流体交换热量来使所述第二传热流体至少部分地蒸发；
■压缩所述第二传热流体；
■通过与外部介质交换热量来使所述第二传热流体至少部分地凝结；
■降低所述第二传热流体的压力；
所述方法额外包括：
-测量所述外部介质的温度；和
-随着所述外部介质温度的变化，调节在蒸发下所述第二传热流体的温度。
2.权利要求1的方法，其中，在蒸发下所述第二传热流体的温度调节是连续进行的或者每小时进行至少一次。
3.权利要求1或2的方法，包括检测所述外部介质温度的变化，而且，其中，在蒸发下所述第二传热流体的温度调节包括若检测到所述外部介质的温度升高则提高在蒸发下所述第二传热流体的温度且若检测到所述外部介质的温度下降则降低在蒸发下所述第二传热流体的温度。
4.权利要求1-3之一的方法，包括计算作为所述外部介质温度的测量结果的函数的最佳蒸发温度。
5.权利要求4的方法，其中，将在蒸发下所述第二传热流体的温度调节至所述最佳蒸发温度。
6.权利要求4或5的方法，其中，所述最佳蒸发温度对应于所述第一蒸气压缩回路和所述第二蒸气压缩回路的总性能系数处于最大值时的蒸发温度。
7.权利要求4-6之一的方法，其中所述最佳蒸发温度由式T最佳＝AxT外部+B定义，其中T外部是所述外部介质的以摄氏度计的温度，A是无量纲常数且B是以摄氏度计的常数。
8.权利要求7的方法，其中，所述常数A具有0.3～0.6、优选0.4～0.45的值，且所述常数B具有-50℃～0℃、优选-30℃～-20℃的值。
9.权利要求1-8之一的方法，其中，将所述流体或物体冷却至-50～-15℃、优选-40～-25℃的温度。
10.权利要求1-9之一的方法，其中：
-所述第一传热流体选自二氧化碳、烃、氢氟烃、醚、氢氟醚、氟烯烃、以及这些的混合物，且优选为二氧化碳；和/或
-所述第二传热流体选自氨、烃、氢氟烃、醚、氢氟醚、氟烯烃、以及这些的混合物，优选为四氟丙烯且更特别优选为2,3,3,3-四氟丙烯或1,3,3,3-四氟丙烯。
11.权利要求1-10之一的方法，其中，通过一个或多个压缩机(22a、22b、22c)实施所述第二传热流体的压缩且通过调整所述压缩机(22a、22b、22c)实施在蒸发下所述第二传热流体的温度调节。
12.权利要求11的方法，其中，所述压缩机(22a、22b、22c)的调整包括调节所述压缩机(22a、22b、22c)的旋转速度，或者，所述压缩机(22a、22b、22c)的调整通过相继地启动和关闭所述压缩机(22a、22b、22c)来实施。
13.权利要求1-12之一的方法，其为用于冷却包含深度冷冻或冷冻的产品、优选食品的室的方法。
14.用于冷却流体或物体的装置，其至少包括：
-包含第一传热流体的第一蒸气压缩回路(10)；
-包含第二传热流体的第二蒸气压缩回路(20)；
-阶式换热器(30)，适用于在所述第一传热流体与所述第二传热流体之间交换热量；
所述第一蒸气压缩回路(10)包括：
-适用于在所述第一传热流体与所述流体或物体之间交换热量的第一蒸发器(11)；
-一个或多个第一压缩机(12)；
-第一膨胀器件(14)；
所述第二蒸气压缩回路(20)包括：
-一个或多个第二压缩机(22a、22b、22c)；
-适用于在所述第二传热流体与外部介质之间交换热量的第二凝结器(23)；
-第二膨胀器件(24)；
所述装置还包括：
-用于测量所述外部介质的温度的器件(41)；和
-用于随着所述外部介质的温度测量结果的变化而调节所述阶式换热器(30)中的蒸发温度的工具(42)。
15.权利要求14的装置，额外地包括用于计算作为所述外部介质温度测量结果的函数的最佳蒸发温度的模块。
16.权利要求15的装置，其中，所述用于调节所述阶式换热器(30)中的蒸发温度的工具(42)适用于将所述阶式换热器(30)中的蒸发温度调节至所述最佳蒸发温度。
17.权利要求15或16的装置，其中，所述最佳蒸发温度对应于所述第一蒸气压缩回路和所述第二蒸气压缩回路的总性能系数处于最大值时的蒸发温度。
18.权利要求15-17之一的装置，其中，所述最佳蒸发温度由式T最佳＝AxT外部+B定义，其中T外部是所述外部介质的以摄氏度计的温度，A是无量纲常数且B是以摄氏度计的常数。
19.权利要求18的装置，其中，所述常数A具有0.3～0.6、优选0.4～0.45的值；且所述常数B具有-50℃～0℃、优选-30℃～-20℃的值。
20.权利要求14-19之一的装置，适用于将所述物体或流体冷却至-50～-15℃、优选-40～-25℃的温度。
21.权利要求14-20之一的装置，其中：
-所述第一传热流体选自二氧化碳、烃、氢氟烃、醚、氢氟醚、氟烯烃、以及这些的混合物，且优选为二氧化碳；和/或
-所述第二传热流体选自氨、烃、氢氟烃、醚、氢氟醚、氟烯烃、以及这些的混合物，优选为四氟丙烯且更特别优选为2,3,3,3-四氟丙烯或1,3,3,3-四氟丙烯。
22.权利要求14-21之一的装置，其中，所述用于调节所述阶式换热器(30)中的蒸发温度的工具(42)包括用于调整所述第二压缩机(22a、22b、22c)的工具。
23.权利要求22的装置，其中，所述用于调整所述第二压缩机(22a、22b、22c)的工具适用于调节所述第二压缩机(22a、22b、22c)的旋转速度或者适用于相继地启动和关闭所述第二压缩机(22a、22b、22c)。
24.权利要求14-23之一的装置，包括适用于容纳深度冷冻或冷冻的产品、优选食品的室。
CN201380006833.2A 2012-01-26 2013-01-08 阶式制冷系统 Pending CN104067072A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR12.50746 2012-01-26
FR1250746A FR2986309B1 (fr) 2012-01-26 2012-01-26 Systeme de refrigeration en cascade
PCT/FR2013/050034 WO2013110866A1 (fr) 2012-01-26 2013-01-08 Systeme de refrigeration en cascade

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104067072A true CN104067072A (zh) 2014-09-24

Family

ID=47628367

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201380006833.2A Pending CN104067072A (zh) 2012-01-26 2013-01-08 阶式制冷系统

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20140352336A1 (zh)
EP (1) EP2807431B1 (zh)
JP (1) JP5901797B2 (zh)
KR (1) KR20140123968A (zh)
CN (1) CN104067072A (zh)
FR (1) FR2986309B1 (zh)
WO (1) WO2013110866A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113251698A (zh) * 2021-04-29 2021-08-13 太原理工大学 适用于回收电厂余热的大温差多级压缩混合工质热泵系统

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6223545B2 (ja) * 2014-03-17 2017-11-01 三菱電機株式会社 冷凍装置
CN110770516A (zh) 2017-06-23 2020-02-07 大金工业株式会社 传热系统
CN114198932B (zh) * 2020-09-17 2023-08-11 青岛海尔生物医疗股份有限公司 一种保存箱控制方法及保存箱

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004190917A (ja) * 2002-12-10 2004-07-08 Sanyo Electric Co Ltd 冷凍装置
FR2940410B1 (fr) * 2008-12-24 2011-02-11 J F Cesbron Holding Soc Installation frigorifique comprenant deux circuits en cascade.

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6249160A (ja) * 1985-08-28 1987-03-03 シャープ株式会社 ヒ−トポンプ給湯装置
JPH0756421B2 (ja) * 1989-01-20 1995-06-14 ダイキン工業株式会社 二元冷凍機の高圧制御装置
JP2003279181A (ja) * 2002-03-25 2003-10-02 Sanyo Electric Co Ltd ２元冷凍装置
JP4179927B2 (ja) * 2003-06-04 2008-11-12 三洋電機株式会社 冷却装置の冷媒封入量設定方法
FR2860001B1 (fr) * 2003-09-19 2008-02-15 Arkema Composition a base d'hfc (hydrofluorocarbures) et son utilisation
JP2005180866A (ja) * 2003-12-22 2005-07-07 Sanyo Electric Co Ltd 二元冷凍装置
JP4346473B2 (ja) * 2004-02-27 2009-10-21 三洋電機株式会社 空調冷凍装置
JP2007278666A (ja) * 2006-04-11 2007-10-25 Daikin Ind Ltd 二元冷凍装置
EP2162686A4 (en) 2007-06-04 2013-05-22 Carrier Corp REFRIGERANT SYSTEM WITH CASCADE CIRCUITS AND PERFORMANCE IMPROVEMENT FEATURES
US8011191B2 (en) * 2009-09-30 2011-09-06 Thermo Fisher Scientific (Asheville) Llc Refrigeration system having a variable speed compressor
CA2779093A1 (en) * 2009-11-03 2011-05-12 E.I. Du Pont De Nemours And Company Cascade refrigeration system with fluoroolefin refrigerant
US9239174B2 (en) * 2011-02-17 2016-01-19 Rocky Research Cascade floating intermediate temperature heat pump system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004190917A (ja) * 2002-12-10 2004-07-08 Sanyo Electric Co Ltd 冷凍装置
FR2940410B1 (fr) * 2008-12-24 2011-02-11 J F Cesbron Holding Soc Installation frigorifique comprenant deux circuits en cascade.

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113251698A (zh) * 2021-04-29 2021-08-13 太原理工大学 适用于回收电厂余热的大温差多级压缩混合工质热泵系统

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015505029A (ja) 2015-02-16
EP2807431B1 (fr) 2020-11-18
EP2807431A1 (fr) 2014-12-03
JP5901797B2 (ja) 2016-04-13
FR2986309A1 (fr) 2013-08-02
WO2013110866A1 (fr) 2013-08-01
US20140352336A1 (en) 2014-12-04
KR20140123968A (ko) 2014-10-23
FR2986309B1 (fr) 2018-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Arpagaus et al. Multi-temperature heat pumps: A literature review
Pabon et al. Applications of refrigerant R1234yf in heating, air conditioning and refrigeration systems: A decade of researches
Roy et al. Thermo-economic analysis and multi-objective optimization of vapour cascade refrigeration system using different refrigerant combinations: A comparative study
Aprea et al. An experimental investigation on the substitution of HFC134a with HFO1234YF in a domestic refrigerator
da Silva et al. Comparison of a R744 cascade refrigeration system with R404A and R22 conventional systems for supermarkets
CN102264860B (zh) 用于冷却器应用的反式-氯-3,3,3-三氟丙烯
Saravanakumar et al. Exergy analysis of a domestic refrigerator using eco-friendly R290/R600a refrigerant mixture as an alternative to R134a
Sánchez et al. Energy assessment and environmental impact analysis of an R134a/R744 cascade refrigeration plant upgraded with the low-GWP refrigerants R152a, R1234ze (E), propane (R290) and propylene (R1270)
Raveendran et al. Exergy analysis of a domestic refrigerator with brazed plate heat exchanger as condenser
Zhang et al. Experimental investigation of the performance of an R1270/CO2 cascade refrigerant system
Cavallini et al. Carbon dioxide as a natural refrigerant
Fajar et al. Energy and exergy analysis of an R410A small vapor compression system retrofitted with R290
Chaichana et al. Natural working fluids for solar-boosted heat pumps
Hamza et al. Comparative performance of low-GWP refrigerants as substitutes for R134a in a vapor compression refrigeration system
CN104067072A (zh) 阶式制冷系统
Tritjahjono et al. Evaluation of subcooling with liquid-suction heat exchanger on the performance of air conditioning system using R22/R410A/R290/R32 as refrigerants
Liu et al. Thermodynamic analysis of NH3/CO2 cascade refrigeration system with thermosyphon refrigerant cooling screw compressor motor
Qin et al. Study on the performance of an energy-efficient three-stage auto-cascade refrigeration system enhanced with a pressure regulator
Zhang et al. Experimental performance of moderately high temperature heat pump with working fluid R1234ze (Z)
Zuev et al. Investigation of the efficiency of autocascade and cascade heat pumps in cold climate
Zanchi et al. Refrigerant options in the near future
Oruç et al. Retrofitting an air-conditioning device to utilize R1234yf and R1234ze (E) refrigerants as alternatives to R22
Yi et al. Exergy characteristics of R404A indirect refrigeration system using CO 2 as a secondary refrigerant
US20090049856A1 (en) Working fluid of a blend of 1,1,1,3,3-pentafluoropane, 1,1,1,2,3,3-hexafluoropropane, and 1,1,1,2-tetrafluoroethane and method and apparatus for using
Shilliday et al. Comparative energy and exergy analysis of R744, R404A and R290 refrigeration cycles

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20140924

RJ01 Rejection of invention patent application after publication