CN104204692A - 具有降膜蒸发器和水平的油分离器的冷冻器或热泵 - Google Patents

Abstract

制冷剂回路，使用蒸汽压缩循环，该回路能用于空调、制冷或热泵的目的。该回路包括润滑压缩机、降膜或混合降膜蒸发器、以及冷凝器，所述润滑压缩机连接到与该压缩机分立的油分离器容器。所述油分离器容器基本水平地延伸。所述油分离器容器被过滤垫分成主空间和副空间，该过滤垫被配置为从进入油分离器容器的制冷剂中基本移除大约5μm和更大的夹带油滴。所述主空间与所述压缩机的一个排出口处于流体连通。所述副空间与所述冷凝器的一个入口处于流体连通。所述回路具有的从所述压缩机排放的润滑剂的油夹带流相对于制冷剂流按重量计为至少大约2％。

Description

具有降膜蒸发器和水平的油分离器的冷冻器或热泵

背景技术

本发明涉及具有中到高冷却能力(通常约100kW及更高)的用于制冷和空调或热泵的机器，其使用蒸汽压缩循环，包括与润滑压缩机相结合的降膜或混合降膜蒸发器，该润滑压缩机连接到与该压缩机分立的油分离器。

在为节能和温室气体减排所做的研究的领域中，所寻求的是高的设备效率和低的制冷剂充注量。为了达到这些目标，正在对系统中的所有部件做出改进：压缩机、变速驱动器、制冷剂的优化选择、油分离器、热交换器等。大多数的压缩机需要大量的润滑，这些润滑类似地产生将来自压缩机的大量油携带进入制冷剂回路。这些被夹带到制冷剂回路的油接下来必须通过一个足够的油返回系统返回到压缩机，以避免各种不同的不利影响诸如热交换器性能的退化。对螺杆压缩机尤其是如此：这些机器需要特别大量的润滑来确保转子之间适当的气密性，且避免对在转子间的额外的同步齿轮的需要。因此，螺杆压缩机往往需要一个定位在压缩机排出口和冷凝器入口之间的容器，通常也被称为油分离器。一个与制冷机器和热泵有关的难点在于对制冷剂回路中的油的管理。这要求在油携带、油返回系统和热交换器技术之间的细致组合。

除了将油从排出气体中分离以外，此容器或油分离器或分离器容器通常还有作为用于压缩机的集油槽的功能。分离器容器或油分离器可以基于若干运行原理。最常用的包括：

——冲击分离：将油和气体的两相混合物喷射到容器的一个壁上或到容器的端部，提供分离的第一阶段。

——重力分离：混合着油的气体被允许在容器中行进，或者水平或者垂直向上地；这允许处于液相的油的较大液滴有足够的时间被重力驱使朝向容器的底部。

——过滤垫分离：混合物被迫使通过充当过滤器的一个由紧密间隔的和/或细密交织的丝或线制成的垫。在一个实施方案中，过滤垫可能包括一个线网。根据像这样的过滤器制造商的规程，过滤垫通常水平安装，其中气体的流通被导引向上。过滤垫的过滤水平相对粗糙；它不会阻止被夹带在气体或雾中的非常细小的液滴，但是和重力分离比较可以去除更小的液滴。

——离心分离：油和气体的两相混合物沿切线方向被引入圆筒形容器。涡旋运动易于将油滴喷射到容器的圆筒形壁上，在该壁上油滴凝聚并落向容器底部。类似于重力分离，离心分离允许去除最大的油滴。

——凝聚过滤器：油和气体的两相混合物被迫使通过充当过滤器的盒子(cartridge)。过滤器的材料通常是玻璃纤维。该过滤与过滤垫(见上文)相比要细密得多。例如，在制冷剂回路运行过程中，凝聚过滤器基本上可以阻止1μm(微米)或更大直径的液滴通过该凝聚过滤器。在一个典型的实施方案中，凝聚过滤器一般允许按质量计大约1至10百万分率(PPM)的夹带在制冷剂流中的油滴从分离器排出。

在单个分离器中经常同时实施若干种不同的原理。例如，当使用凝聚过滤器时，它们通常被安装以增补一个过滤器或分离器，该过滤器或分离器可以包含一种或多种工作原理，诸如：冲击分离、重力分离、离心分离、和/或过滤垫分离。在油分离器的设计中，难点在于找到各个参数之间的最佳折衷，所述参数诸如：价格、大小、安装的容易度、压降、可靠性以及当然还有分离效率。

油分离器的典型设计包括：

——一个水平设计，具有多个凝聚过滤器。图1示出了这个众所周知的设计的一个实施例。分离以在容器的一个端部的冲击作为开始，接着是重力分离区段——这区段也可以用作集油槽，最后由凝聚过滤器完成。

——一个垂直旋流器设计，具有一个凝聚过滤器(没有示出)。

当恰当地实施时，这些设计通常由于凝聚器元件而提供高效的油分离。然而，凝聚过滤器有一些缺点。它们往往相对昂贵。如果凝聚过滤器没有安装恰当，一些串联的分离器可能不能满足操作规格。如果有可能想要检查和去除过滤器，则需要昂贵的额外凸缘或提供进入的人孔(man hole)，这也会增加制冷剂泄漏的风险。此外，对具有内部凝聚过滤器的容器的液压安全测试会增大破坏这些过滤器的风险，并且在测试完成后还有合适地清空和干燥容器方面相关的困难。

在突发的高的流体质量流量的情况下，凝聚过滤器也会遭受性能损失，且在升高的流体力的影响下容易受到堵塞和/或毁坏。增加的流体质量流量对于具有诸如HFC等高压卤化制冷剂的热泵应用尤其成问题。即使当在空调应用中使用时，当使用诸如R-410A或R-507等高压HFC时，凝聚器或凝聚过滤器需要超大尺寸。高温热泵的使用增多了与这样的应用相关的问题。在这样的高温热泵中，由于更高温度的水或其他介质在蒸发器中被冷却，蒸发温度远远高于当在相应空调应用中使用同样的机器和制冷剂时的蒸发温度。在高温热泵中，来自蒸发器的出水(leaving water)的温度往往超过20℃，且可以高达60℃或甚至更高。所形成的较高蒸发温度会大幅增加制冷剂的密度和质量流量，即使当使用相对低压的制冷剂诸如R-134a或更低压的制冷剂比如像R-245fa时。

对于使用压缩机的热泵或冷冻器，如螺杆压缩机，期望一种这样的油分离器：有极为简化的不包含凝聚过滤器的设计，同时在运行过程中提供充分的油分离。

发明内容

对于使用螺杆压缩机的热泵或冷冻器，本公开内容旨在使用降膜蒸发器或混合降膜蒸发器，诸如像在美国专利No.7,849,710中所描述的，该专利全部内容通过引证的方式纳入本说明书。这些蒸发器提供了在优化的性能和降低的制冷剂充注量之间折衷的最优的现有技术方案。此外，降膜和混合降膜蒸发器的性能对油携带量不像传统的溢流式蒸发器那么敏感，运行使用油分离器诸如过滤垫而不牺牲蒸发器的性能。

为了本公开内容的目的，术语“过滤垫”通常具有下列性能特征：在制冷剂回路运行过程中，基本上阻止直径约为5μm(微米)或更大的液滴通过过滤垫。在一个实施方案中，过滤垫运行使得来自分离器的制冷剂流中夹带的油在大约50到大约100百万分率(PPM)之间。在过滤垫的另一个实施方案中，过滤垫的空隙百分比为大约97％至大约99％。在过滤垫的另一个实施方案中，过滤垫的丝和/或线的直径为大约0.15mm至0.35mm(毫米)。

本发明旨在使用蒸汽压缩循环的制冷剂回路，该回路能用于空调、制冷或热泵的目的。该回路包括润滑压缩机、降膜或混合降膜蒸发器、以及冷凝器，所述润滑压缩机连接到与该压缩机分立的一个油分离器容器。该油分离器容器基本水平地延伸。该油分离器容器被过滤垫分成一个主空间和一个副空间，该过滤垫被配置为从进入油分离器容器的制冷剂中基本移除大约5μm和更大的夹带油滴。主空间与压缩机的一个排出口处于流体连通。副空间与冷凝器的一个入口处于流体连通。所述回路具有的从所述压缩机排放的润滑剂的油夹带流相对于制冷剂流按重量计为至少大约2％。

附图说明

图1示出了一个现有技术的油分离器。

图2示出了本公开内容的一个油分离器的一个示例实施方案。

图3示出了本公开内容的一个油分离器的一个示例实施方案。

图4示出了本公开内容的一个油分离器的一个示例实施方案。

图5示意性示出了本公开内容的一个蒸汽压缩系统的一个示例实施方案。

图6示意性示出了本公开内容的一个蒸汽压缩系统的一个示例实施方案。

图7示出了本公开内容的一个油分离器的一个示例实施方案。

图8示出了本公开内容的一个油分离器的一个示例实施方案。

具体实施方式

图2示出了具有过滤垫2的一个水平容器1，该过滤垫2将容器纵向分成两个空间：主空间3，有一个入口4以接收来自压缩机的排出物；以及副空间5，有一个出口6与冷凝器(没有示出)的一个入口相通。在一个示例实施方案中，入口4接收压缩机排出物，在压缩机排出物中进入分离器容器1的气体和油的混合物15可被安排用于在主空间3中在容器1的一个端部提供冲击分离。此外，第二过滤垫7可以布置在发生冲击的容器1的端部17上或附近，以在从压缩机排出的气体与容器的端部碰撞后对该气体的液体再度夹带进行限制。

在该布置方式中，如图2进一步所示，从气体中分离出的油被允许自由地从主空间3移动到副空间5。在一个实施方案中，过滤垫2被安装穿过容器1的整个横截面，横向于容器1的纵向方向。容器1的下部收集液体油19且执行集油槽的功能。由于过滤垫2对液体油19在主空间3和副空间5之间的循环提供非常小的阻力，因此液体油19的液面对于这两个空间大致相同。通常选择通过油管8收集来自副空间5的液体油19以返回到压缩机用于润滑是更好的，因为油从主空间3迁移到副空间5时有机会借助过滤垫2与泡沫及气泡分开。以此布置方式和蒸发器12(图5)诸如降膜蒸发器或混合降膜蒸发器，油分离器可以容纳这样的回路，该回路具有的从压缩机排出的润滑剂的油夹带流相对于制冷剂流按质量计为约2％或更多(也即，在制冷剂加润滑剂的质量流量总量中所占的百分比)，诸如与螺杆压缩机的操作相关联。在一个实施方案中，油分离器和压缩机分立开来。

在一个布置方式中，将相应的主空间3和副空间5分隔开的过滤垫2是基本平面的且是垂直安装的，即过滤垫2垂直于容器1的纵向轴线，且在分离容器的中间长度附近。在替代布置中，该过滤垫2可以被定位成不垂直于容器轴线，如图3示出。此布置方式有一个好处是减小流过过滤垫2的气体的速率。因此，本公开内容的容器可以具有比常规结构的容器的直径更小的容器直径，而本公开内容的直径较小的容器可以以通过过滤垫2的这样一个气体流速运行，该气体流速类似于通过图2的较大的常规容器的过滤垫2的工作气体流速。在一个实施方案中，本公开内容的直径较小的容器可以用与较大的常规容器相比较小的通过过滤垫2的气体流速而运行。在另一个实施方案中，过滤垫2可以由彼此成一角度布置的(例如布置成如图4所示的“V”形的)两个或更多个部分2a、2b组成，图4是容器的俯视图。在另外一个实施方案中，部分2a、2b可以具有不同长度。

在另一个实施方案中，利用相同工作原理的两个油分离区段或空间可以被集成在单个容器1内，每个区段或空间或副空间5接收从主空间3排出的气体和油的大约一半体积。在此布置方式中，一个容器1有两个过滤垫2，且关于流动方向有两个可能的选项。在如图7示出的一个实施方案中，有一个主空间3基本定位在容器1的中间，且在两个过滤垫2之间，还有两个副空间5，其中在容器的每一个端部布置一个副空间5。如所示，有一个公共的气体入口4基本定位在主空间3的中间，而在两个相对的副空间5的每一个中设置有一个出口6，其中副空间5定位在主空间3的每一个端部。这两个出口6连接到冷凝器的入口(没有示出)。在两个出口之间的互连管路可以在容器1的内部或外部。在另一个实施方案中(图8)，流体被反向：有一个主空间3布置在容器1的每一个端部，而气体入口4的一个端部延伸进入每个相应的主空间3，还有一个公共的副空间5位于相对的两个主空间3之间，具有进入副空间5的公共的气体入口4。在此实施方案中，连接到压缩机排出处的入口4的区段被分成了两个管道或部分，延伸到两个主空间中的每一个，在容器1的每一个端部有一个主空间。入口4的互连管路或部分可以被布置在容器的内部或外部。例如，在图8中，有一个延伸到分叉的内部管13的公共的入口4，该内部管13将气体分送到容器1的每一个端部。

在图7的一个替代实施方案中，两个出口6都可以被连接以形成单个管，该管延伸到一个冷凝器入口。在一个替代布置方式中，冷凝器(没有示出)可以有两个入口，每个端部各有一个入口；而两个分离器出口6的每一个被连接到冷凝器入口之一。

在同一个容器内设置两个区段或两个空间的布置方式提供了许多优点。由于到每个区段或空间的流被减少，诸如减少到原来的二分之一，因此容器的必需横截面也减小了。因此，尽管长度增加，但直径的减小将会导致容器不那么昂贵。另一个优点在于，较小直径的容器往往辐射出较少的噪音，因为在较小直径的壳体内产生壁共鸣的可能性更小。最后，容器增加的长度不会引起和其他系统部件的包装问题，只要分离器或容器的长度不远远超过热交换器(诸如冷凝器和/或蒸发器)的长度。

由于油分离器容器是水平的，这样的布置方式使它与水平壳体和管道的热交换器、以及与水平螺杆压缩机驱动管线的包装变得容易。在如图5所示的一个可行的布置方式中，压缩机9的排出口被向下导引到分离器容器1。在如图6示出的另一个实施方案中，压缩机9的排出口可以从压缩机9的一侧被导引到油分离器容器1。在另一个实施方案中，压缩机排出口可以在介于向下方向和压缩机的侧向之间的一个方向上被导引到油分离器容器(没有示出)。在这个布置方式中，压缩机驱动管线可以被安装成至少部分在油分离器容器的上方。如图5进一步示出，蒸发器12被定位在冷凝器11上方，且被布置靠近压缩机驱动管线和分离器容器。在其他实施方案中(没有示出)，蒸发器12和冷凝器11可以以不同的布置方式相对于彼此和/或相对于压缩机驱动管线和油分离器容器被定位。在另一个布置方式中，诸如图6所示，压缩机的吸入口被竖向导引，以使得压缩机9安装在蒸发器12的顶上，而压缩机从压缩机的一侧排出到油分离器容器1。在另一个实施方案中(未示出)，压缩机的吸入口可以从侧面向外延伸出，或者在再另一个实施方案中，压缩机的吸入口可以相对于油分离器容器1在竖直定向和侧向定向之间延伸。在此布置方式中，压缩机9可以被安装成至少部分在蒸发器12上方。如图6进一步所示，油分离器容器1被示出侧向地定位在压缩机9的旁边，且在冷凝器11的顶上。在其他实施方案中，可以利用在压缩机、油分离器容器、冷凝器和蒸发器之间的其他布置方式。

过滤垫的此用途特别有利于供利用卤化制冷剂诸如HFC或HFO的热泵使用，以及当蒸发温度明显高于通常与空调应用有关的蒸发器温度(例如5℃)时。对于这样的热泵，使用HFC制冷剂R-134a或可能的等同物，蒸发温度可以高达30℃到大约40℃，而与低压制冷剂诸如R-245fa相关联甚至会达到更高温度。

在另一个实施方案中，制冷剂可包含有碳氢化合物，诸如R-290或R-1270。

Claims (16)

1.一种制冷剂回路，使用蒸汽压缩循环，该回路能用于空调、制冷或热泵的目的，该回路包括润滑压缩机、降膜或混合降膜蒸发器以及冷凝器，所述润滑压缩机连接到与该压缩机分立的油分离器容器，其中所述油分离器容器基本水平地延伸，所述油分离器容器被过滤垫分成主空间和副空间，该过滤垫被配置为从进入所述油分离器容器的制冷剂中基本移除大约5μm和更大的夹带油滴，所述主空间与所述压缩机的一个排出口处于流体连通，所述副空间与所述冷凝器的一个入口处于流体连通，所述回路具有的从所述压缩机排放的润滑剂的油夹带流相对于制冷剂流按重量计为至少大约2％。

2.根据权利要求1所述的制冷剂回路，其中油分离器容器的底部被用作集油槽，且该集油槽与压缩机的供油孔处于流体连通。

3.根据权利要求1所述的制冷剂回路，其中所述压缩机具有被基本向下导引的排出口和来自压缩机的上方或侧向的吸入口，以及其中压缩机驱动管线被定位成至少部分在所述油分离器的上方，并且所述蒸发器被定位成至少部分在所述冷凝器的上方。

4.根据权利要求1所述的制冷剂回路，其中所述压缩机具有被向下导引的吸入口和来自所述压缩机的一侧的排出口，且其中所述压缩机被定位成至少部分在所述蒸发器上方，且所述油分离器被定位成至少部分在所述冷凝器的上方。

5.根据权利要求1所述的制冷剂回路，其中所述油分离器容器的一个入口是分叉的，所述油分离器容器被两个过滤垫分成三个空间。

6.根据权利要求5所述的制冷剂回路，其中制冷剂流是分叉的。

7.根据权利要求5的制冷剂回路，其中所述三个空间包括彼此不相邻的两个副空间。

8.根据权利要求1所述的制冷剂回路，其中所述过滤垫被定位成垂直于所述油分离器容器的纵向轴线。

9.根据权利要求8所述的制冷剂回路，其中所述过滤垫位于所述油分离器容器的纵向轴线的中间长度附近，并且包括一个第二过滤垫，该第二过滤垫位于所述油分离器容器的一个端部。

10.根据权利要求1所述的制冷剂回路，其中所述过滤垫被定位成不垂直于所述油分离器容器的纵向轴线。

11.根据权利要求10所述的制冷剂回路，其中所述过滤垫由彼此成一个角度布置的两个或更多个部分组成。

12.根据权利要求11所述的制冷剂回路，其中所述两个或更多个部分具有不等的长度。

13.根据权利要求1所述的制冷剂回路，其中所述过滤垫允许从所述油分离器容器流出的制冷剂中夹带的油在大约50到大约100PPM之间。

14.根据权利要求1所述的制冷剂回路，被用作热泵，并且使用卤化流体作为制冷剂。

15.根据权利要求14所述的制冷剂回路，其中所述卤化流体是作为制冷剂的HFC或HFO。

16.根据权利要求1所述的制冷剂回路，其中所述制冷剂是碳氢化合物。