CN104854410A - 低压冷却器 - Google Patents

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Abstract

一种暖通空调(HVAC)系统包括冷凝器，其用以将制冷剂流冷凝成液体状态。所述系统还包括节油器总成，所述节油器总成具有至少一个分离器腔室，以便将液体制冷剂与蒸汽制冷剂分离。所述节油器总成与所述冷凝器的至少一部分共用上部共同壁，并且从所述冷凝器进入到所述节油器总成中的所述制冷剂流行进穿过所述上部共同壁中的流动开口。降膜蒸发器在所述液体制冷剂和流过所述蒸发器中多个蒸发器导管的介质之间交换热能。

Description

低压冷却器
背景
本文中所公开的主题涉及暖通空调(HVAC)系统。更具体而言，本文中所公开的主题涉及冷却器。
随着监管和行业趋势继续推动朝向取代常规HFC(例如R134a)的方向发展，特别令人感兴趣的是“低压制冷剂”的类别，也就是冷却器中在沸腾温度下接近或低于大气压力的制冷剂。早已知晓这些制冷剂提供比介质(R134a)或更高(R410A)压力制冷剂更好的热力学循环性能，这是由于它们的更高蒸发潜热和其它热力学性质。然而，如蒸汽密度或输送性质(如表面张力)的其它热力学性质可以降低热传递性能并且抵消掉大部分热力学循环性能增益。此外，低压制冷剂具有明显更大的比容，从而需要更大的蒸汽空间和管道来连接冷却器系统的部件。更大的蒸汽空间和管道的成本更高，并且增加了容纳冷却器系统所需要的体积占据区域。
简要概述
在一个实施方案中，一种暖通空调(HVAC)系统包括冷凝器，其用以将制冷剂流冷凝成液体状态。所述系统还包括节油器总成，所述节油器总成具有至少一个分离器腔室，以便将液体制冷剂与蒸汽制冷剂分离。所述节油器总成与所述冷凝器的至少一部分共用上部共同壁，并且从所述冷凝器进入到所述节油器总成中的制冷剂流行进穿过所述上部共同壁中的流动开口。降膜蒸发器在所述液体制冷剂和流过所述蒸发器中多个蒸发器导管的介质之间交换热能。
在另一实施方案中，一种操作暖通空调(HVAC)系统的方法包括：在冷凝器中将制冷剂流冷凝成液体状态；以及，使所述制冷剂流从所述冷凝器，经由所述冷凝器和节油器总成的至少一部分所共用的上部共同壁中的流动开口，流动到所述节油器总成。在所述节油器总成的至少一个分离器腔室处，将所述制冷剂流中的液体制冷剂与蒸汽制冷剂分离。使所述液体制冷剂流入到降膜蒸发器中，以便在所述液体制冷剂和流过所述蒸发器中多个蒸发器导管的介质之间交换热能。
这些和其它的优点和特征将从以下结合附图进行的描述中变得更加显而易见。
附图简述
在本说明书完结处的权利要求书中具体地指出并且明确地要求保护被视为本发明的主题。本发明的前述和其它特征以及优点从以下结合附图进行的详述显而易见，在附图中：
图1是冷却器的实施方案的正视图；
图2是冷却器的实施方案的端视图；以及
图3是用于冷却器的蒸发器的实施方案的示意图。
详述部分参考附图借助于实例来解释本发明的实施方案以及优点和特征。
详述
本文中公开低压制冷剂冷却器系统的实施方案。首先，应理解，术语“低压制冷剂”定义了在104°F(40℃)下的液相饱和压力低于约45磅/平方英寸(310.3kPa)的制冷剂。低压制冷剂的实例包括R245fa。还应理解，虽然被描述为采用低压制冷剂，但是示例性实施方案也可以采用中压制冷剂。术语“中压制冷剂”定义了在104°F(40℃)下的液相饱和压力介于45(绝对压力)磅/平方英寸(310.3kPa)和170(绝对压力)磅/平方英寸(1172kPa)之间的制冷剂。
具体而言，公开了低压制冷剂冷却器系统的实施方案，所述低压制冷剂冷却器系统被配置成通过减小关于低压制冷剂所指出的热传递缺点的影响，来比中压或高压制冷剂冷却器系统更好地利用热力学循环性能优点。这些改进包括在低压系统中使用降膜蒸发器，这确保沸腾温度在降膜管束中大致上均匀，因为管束并未浸没在制冷剂池中。这种浸没会导致浸没部分中更高的沸腾温度和热传递性能的降低。另外，降膜蒸发器的使用促进从导管有效移除大量制冷剂蒸汽流，从而确保连续的液体馈送，并且因此提升热传递性能。低压系统允许使用具有成本效益的矩形部件。因而，可以优化冷凝器的宽高比，以便凭借低压制冷剂较差的热力学性质和输送性质来校正冷凝器中的热传递缺陷。另外，可以优化蒸发器的宽高比，以便通过确保导管的更完全湿润来最大化降膜管束中的热传递性能。
此外，所公开的实施方案通过嵌套矩形部件、消除部件之间的管道连接以及提供经由部件共用壁中的开口而穿行的流，来减小容纳冷却器系统所必需的占据区域。
图1中展示的是暖通空调(HVAC)单元的实施方案，例如利用低压制冷剂和降膜蒸发器12的冷却器10。冷却器10是重力供给式的，其中蒸发器12位于节油器总成14和冷凝器16下方。如图2中所示，冷却器10还包括压缩机18。所示实施方案的压缩机18是向上排放到冷凝器16的角落20中的两级压缩机18。通过挡板24将压缩机18的排放区域22与冷凝器16分离，以防止高速蒸汽冷凝器输出26对冷凝器导管28的冲击并且防止导管28的振动问题。
冷凝器16分成主冷凝器30和快速过冷器32。在冷凝器16中使用过冷器32确保了流过冷却器10的所有制冷剂34以液体状态到达蒸发器12。再次参看图1，冷凝器16是垂直方向上较短并且水平方向上较长的容器，并且大致上是具有六个矩形面的长方体。应了解，在本申请的全文中，术语“矩形”用来表示具有尖角或圆角的矩形形状。如图所示，冷凝器长度110沿着冷凝器导管28的长度方向加以界定，而在图1和图2中冷凝器高度112是垂直上下的，并且在图2的侧视图中冷凝器宽度114是水平的。在一些实施方案中，冷凝器宽度114与冷凝器高度112的宽高比大于1且约小于3。冷凝器导管28具有在冷凝器入水口喷嘴38和冷凝器出水口喷嘴40之间流过冷凝器导管28的液体(例如，水)流36。作为蒸汽从压缩机18输出的制冷剂34由流过冷凝器导管28的液体36冷凝成液体。
从冷凝器16将制冷剂34馈送到节油器总成14中。图1的实施方案的节油器总成14包括三个腔室，但是应了解，可以利用其它数量的腔室。在一些实施方案中，节油器总成大致上是具有六个矩形面的长方体。此外，在一些实施方案中，冷凝器16和节油器总成14被配置成共用冷凝器16和节油器总成14之间的上部共同壁116的至少一部分，而这两个部件大致上彼此邻接。这允许冷凝器16和节油器总成14之间经由上部共同壁116中的流动开口118发生流动，而无需外部的导管或管道。
制冷剂34首先流入到节油器总成14的高侧腔室42，在高侧腔室42中经由高侧浮球46或者允许制冷剂34从高侧腔室42流到节省器腔室48的其它计量装置来控制高侧制冷剂液位44。制冷剂34从高侧腔室42流入到节省器腔室48，并且在节省器腔室48中被闪蒸，从而产生一定体积的制冷剂蒸汽52和一定体积的冷却制冷剂34。制冷剂34在高侧腔室42和节省器腔室48之间的流动是受到这两个腔室42和48之间的压力差的驱使。由此产生的制冷剂蒸汽52在例如压缩机18(图2中所示)的第二级中通过位于节油器总成14和压缩机18之间的共同节省器壁120中的节省器喷嘴54被引入到压缩机18中。液体制冷剂34停留在节省器腔室48中，并且通过低侧浮球56或控制节省器腔室48和分离器腔室50之间流动的其它计量装置的操作而行进到分离器腔室50中。将分离器腔室50中的蒸汽制冷剂52经由分离器腔室口60送到抽吸室58(图2中所示)，所述抽吸室58定位成与节油器总成14相邻并且与节油器总成14共用抽吸室壁122。将抽吸室58和节油器总成14定位成具有共用壁允许分离器腔室口60仅仅是这个壁中的孔洞，从而消除通常在抽吸室和分离器之间的这种连接中所使用的管道和配件。分离器腔室50中的液体制冷剂34到达分离器腔室液位62，并且被允许经由重力流入到蒸发器12中。蒸发器12被配置为具有六个大致上为矩形的面的长方体结构，并且位于节油器总成14下方。在一些实施方案，蒸发器12与节油器总成14在下部共同壁124处邻接，所述下部共同壁124将这两个部件分离，其中下部共同壁124中的蒸发器开口126允许从节油器总成14到蒸发器12中的流动。蒸发器12具有大致上平行于如图1所示的冷凝器长度110而延伸的蒸发器长度128，以及如图1所示的上下延伸的蒸发器高度130。此外，蒸发器12具有在图2的横截面图中左右延伸的蒸发器宽度132。在一些实施方案中，蒸发器12的蒸发器高度130与蒸发器宽度132的高宽比大于1且约小于3。
在一些实施方案中，分离器腔室口60是可调式的，以便增加或减小第三腔室50中的压力。举例而言，当分离器腔室口60打开时，分离器腔室50中的压力减小，从而增加从第二腔室48推进到分离器腔室50的制冷剂34，从而升高分离器腔室液面62。随着分离器腔室液面62升高，可以使分离器腔室口60收紧，以便增加分离器腔室50中的压力，以驱使增加量的液体制冷剂34从分离器腔室50流入到蒸发器歧管64中。液体制冷剂34的这种增加的流量在某些操作条件是期望的，例如，在高负荷条件下。
现在参看图3，蒸发器12包括具有外表面68和内表面70的壳体66，所述外表面68和内表面70界定热交换区72。在所展示的示例性实施方案中，壳体66包括非圆形横截面。举例而言，壳体66可以具有矩形横截面，其中水平宽度(如图2中所示)小于垂直高度。壳体66包括来自蒸发器歧管64的制冷剂入口74，以便接纳液体制冷剂34。壳体66还包括连接到压缩机18的蒸汽出口76。蒸发器12还展示为包括布置在壳体66下部中的低压制冷剂池区78。低压制冷剂池区78包括使流体循环穿过低压制冷剂池82的池管束80。低压制冷剂池82包括具有上表面84的一定量的液体低压制冷剂34。循环穿过池管束80的流体与低压制冷剂池82交换热量，以便将所述量的低压制冷剂82从液体转换成蒸汽状态。
根据所展示的示例性实施方案，蒸发器12包括多个管束86至88，这些管束提供低压制冷剂和另一流体之间的热交换界面。在这点上，应理解，虽然展示为有多个管束86至88，但是单个管束也可以与节油器总成14结合使用。每个管束86至88连接到蒸发器歧管64。蒸发器歧管64向管束86至88上提供均匀的制冷剂分配。如下文将变得更加充分明显，蒸发器歧管64将低压制冷剂34传送到管束86至88上。管束86至88彼此隔开，以便形成第一蒸汽过道89和第二蒸汽过道90。另外，管束86和88与内表面70隔开，以便建立第一外部蒸汽过道91和第二外部蒸汽过道92。因为每个管束86至88大致上以类似方式形成，所以下文将参考管束88和蒸发器歧管64来进行详细描述，并且应理解，管束86和87是以类似方式构造而成的。
进一步根据所展示的示例性实施方案，管束88包括第一壁构件93和第二壁构件94。第一壁构件93和第二壁构件94彼此隔开，以便界定导管通道95，被配置来输送流体的多个导管96穿过所述导管通道95。如下文中将变得更加充分明显，穿过多个导管96的液体与流入到导管通道95中的低压制冷剂形成热交换关系。第一壁构件93包括第一末端97，并且延伸到第二末端98。类似地，第二壁构件94包括第一末端99，并且延伸到第二末端100。每个第一末端97和99在蒸发器歧管64下方隔开，而每个第二末端98和100在低压制冷剂池34上方隔开。在使用这种布置的情况下，从蒸发器歧管64中流出的液体低压制冷剂在重力作用下通过导管通道95流经导管96，并且流到低压制冷剂池34中。以这样的方式，制冷剂在转变为蒸汽以便经由蒸汽出口76返回到压缩机16之前，降低流过导管96的液体(例如，水)的温度。液体经由蒸发器液体入口102和蒸发器液体出口104流过导管96。
在这点上，应理解，示例性实施方案描述采用低压制冷剂来促进与次级介质的热交换的壳管式蒸发器。降膜系统和低压制冷剂的使用提供优于现有技术系统的各种优点。举例而言，与具有类似尺寸的常规淹没式蒸发器束相比而言，采用低压制冷剂的降膜系统的使用减少了与穿过管束的流量相关联的压力损耗。另外，降膜系统的制冷剂费用更低，从而使总体成本得以降低。通过与在低压制冷剂中使用降膜蒸发相关联的更高热传递系数，实现额外的好处。还应理解，虽然展示为具有圆形横截面，但是管束中的导管也可以由具有非圆形横截面的导管和/或由铜焊通道组件形成的导管来形成。
此外，本文中所描述的布置利用重力来驱使从节油器总成14到蒸发器歧管64中的流动。将冷凝器配置成垂直方向上较短在一些实施方案中使冷凝器效率相比以传统方式配置的冷凝器提高了约30％，并且允许系统部件的紧凑布置。此外，压缩机和蒸发器/分离器结构是承载负荷的，进而降低对系统的结构支撑要求。
虽然仅结合有限数量的实施方案来详细描述本发明，但是应易于理解，本发明不限于这些已公开的实施方案。相反，本发明可进行修改来并入此前并未描述但与本发明的精神和范围相符的任何数量的变化、改变、替代或等效布置。另外，虽然已描述本发明的各种实施方案，但是应理解，本发明的各方面可仅包括所描述实施方案中的一些。因此，本发明不应被视为受前文描述的限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (19)

1.一种暖通空调(HVAC)系统，其包括：
冷凝器，其用以将制冷剂流冷凝成液体状态；
节油器总成，其包括至少一个分离器腔室，以便将液体制冷剂与蒸汽制冷剂分离，所述节油器总成与所述冷凝器的至少一部分共用上部共同壁，并且从所述冷凝器进入到所述节油器总成中的所述制冷剂流行进穿过所述上部共同壁中的流动开口；以及
降膜蒸发器，其用以在所述液体制冷剂和流过所述蒸发器中多个蒸发器导管的介质之间交换热能。
2.如权利要求1所述的HVAC系统，其中所述上部共用壁是所述节油器总成的上部壁和所述冷凝器的下部壁。
3.如权利要求1所述的HVAC系统，其中所述节油器总成与所述蒸发器的至少一部分共用下部共同壁。
4.如权利要求3所述的HVAC系统，其中从所述节油器总成进入到所述蒸发器中的所述液体制冷剂流穿过所述下部共同壁中的蒸发器开口。
5.如权利要求3所述的HVAC系统，其中所述下部共同壁是所述节油器总成的下部壁和所述蒸发器的上部壁。
6.如权利要求1所述的HVAC系统，其中所述冷凝器的宽度大于其高度。
7.如权利要求6所述的HVAC系统，其中冷凝器宽度与冷凝器高度的比介于1和约3之间。
8.如权利要求1所述的HVAC系统，其中所述蒸发器的高度大于其宽度。
9.如权利要求6所述的HVAC系统，其中蒸发器高度与蒸发器宽度的比介于1和约3之间。
10.如权利要求1所述的HVAC系统，其中所述冷凝器、所述节油器总成和所述蒸发器中的至少一个是长方体形状。
11.如权利要求1所述的HVAC系统，其中所述制冷剂流包括一定量的低压制冷剂，所述低压制冷剂在104°F(40℃)下的液相饱和压力低于约45磅/平方英寸(310.3kPa)。
12.如权利要求1所述的HVAC系统，其还包括压缩机，以便将所述制冷剂流推进到所述冷凝器中。
13.如权利要求12所述的HVAC系统，其中所述压缩机大致上向上排放到所述冷凝器中。
14.如权利要求1所述的HVAC系统，其中所述节油器总成的分离器腔室包括可调式分离器端口，以便增加和/或减小所述分离器腔室中的压力。
15.如权利要求14所述的HVAC系统，其中所述分离器端口是所述分离器腔室和抽吸室之间的共同壁中的开口。
16.一种操作暖通空调(HVAC)系统的方法，其包括：
在冷凝器中将制冷剂流冷凝成液体状态；
使所述制冷剂流从所述冷凝器，经由所述冷凝器和节油器总成的至少一部分所共用的上部共同壁中的流动开口，流动到所述节油器总成；
在所述节油器总成的至少一个分离器腔室处，将所述制冷剂流中的液体制冷剂与蒸汽制冷剂分离；以及
使所述液体制冷剂流入到降膜蒸发器中，以便在所述液体制冷剂和流过所述蒸发器中多个蒸发器导管的介质之间交换热能。
17.如权利要求16所述的方法，其中从所述冷凝器进入到所述节油器总成中的所述制冷剂流的方向大致上向下。
18.如权利要求16所述的方法，其还包括使所述液体制冷剂从所述节油器总成，经由所述节油器总成和所述蒸发器的至少一部分所共用的下部共同壁中的蒸发器开口，流入到所述降膜蒸发器中。
19.如权利要求18所述的方法，其中从所述节油器总成进入到所述蒸发器中的所述液体制冷剂流的方向大致上向下。
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