CN105829810A - 具有两相回路的级联空调系统的操作 - Google Patents

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Abstract

一种操作传热系统的方法，其包括第一传热流体蒸气/压缩循环回路的起动操作，该回路包括流体泵送机构、用于从第一传热流体排出热能的换热器和内部换热器的吸热侧。闭合的流体循环回路中的第一管道使通过其中的第一传热流体循环。在起动第一传热流体循环回路的操作之后，起动第二两相传热流体循环回路的操作。第二传热流体循环回路通过内部换热器将热量传递到第一传热流体循环回路，并且包括内部换热器的排热侧、液体泵和换热器蒸发器。闭合的流体循环回路中的第二管道使通过其中的第二传热流体循环。

Description

具有两相回路的级联空调系统的操作
联邦研究声明
本发明是根据能源部颁发的合同号DE-EE0003955在政府支持下完成的。政府对本发明享有某些权利。
发明背景
本公开涉及制冷系统。更具体地，本公开涉及具有多个传热流体循环回路的制冷系统。
制冷剂系统在HVAC&R(加热，通风，空调和制冷)领域中已知，并且操作以在连接多个部件的整个闭合回路传热流体循环中压缩和循环传热流体，以将热量从要输送到气候受控空间的二次流体传递出去。在基本的制冷剂系统中，传热流体在压缩机中从较低压力压缩至较高压力，并且被输送到下游的排热换热器，排热换热器通常被称为冷凝器用于其中流体为亚临界流体的应用，并且排热换热器也用于将传热流体从气体状态冷凝成液体状态。高压传热流体从其中热量通常从传热流体传递到周围环境的排热换热器流向膨胀装置，在膨胀装置中其膨胀到较低压力和温度，并且然后被发送到蒸发器，在蒸发器中，传热流体将要输送到受调节环境的二次传热流体冷却。传热流体从蒸发器返回到压缩机。制冷剂系统的一个常见示例为空调系统，空调系统操作以调节(冷却并且经常除湿)要输送到气候受控区域或空间中的空气。其他示例可包括用于要求制冷环境的各种应用的制冷系统。
然而，许多已经提出的具有两相CO2作为二次传热流体的系统要求CO2维持在超临界流体状态，这可增加设备和操作的复杂性与成本。进一步地，这种系统的常规操作特别是启动可导致操作效率低，并且在二次传热回路中导致泵气穴。
发明内容
在一个实施方案中，一种操作传热系统的方法包括起动第一传热流体蒸汽/压缩循环回路的操作，该回路包括流体泵送机构、用于将热能从第一传热流体排出的换热器和内部换热器的吸热侧。闭合的流体循环回路中的第一管道使通过其中的第一传热流体循环。在起动第一传热流体循环回路的操作之后，起动第二两相传热流体循环回路的操作。第二传热流体循环回路通过内部换热器将热量传递到第一传热流体循环回路，并且包括内部换热器的排热侧、流体泵和换热器蒸发器。闭合的流体循环回路中的第二管道使通过其中的第二传热流体循环。
在另一个实施方案中，传热系统包括第一两相传热流体蒸汽/压缩循环回路，该回路包括压缩机、换热器冷凝器、膨胀装置和换热器蒸发器/冷凝器的吸热侧。闭合的流体循环回流中的第一管道使通过其中的第一传热流体循环。第二两相传热流体循环回路通过换热器蒸发器/冷凝器将热量传递到第一传热流体循环回路，并且包括换热器蒸发器/冷凝器的排热侧、垂直设置在换热器蒸发器/冷凝器下方的液体泵，以及换热器蒸发器。闭合的流体循环回路中的第二管道使通过其中的第二传热流体循环。
附图说明
在本说明书结束时的权利要求中具体指出并且清楚地要求了被视为本发明的主题。从结合附图做出的以下详细描述中，本发明的前述特征和其他特征与优点显而易见，其中：
图1为描绘具有第一传热流体循环回路和第二传热流体循环回路的传热系统的实施方案的方框示意图；
图2为具有第一传热流体循环回路和第二传热流体循环回路的传热系统的实施方案的立视图；以及
图3为说明用于具有第一传热流体循环回路和第二传热流体循环回路的传热系统的启动顺序的实施方案的示意图。
具体实施方式
具有第一传热流体循环回路和第二传热流体循环回路的示例性传热系统以方框示意图的形式在图1中示出。如图1所示，在第一流体循环回路100中的压缩机110或其它泵送装置以第一传热流体的气态对其加压，这既加热流体又提供压力以使流体在整个系统中循环。从压缩机110离开的热加压的气态传热流体通过管道115流向换热器冷凝器120，换热器冷凝器120用作换热器，以将热量从传热流体传递到周围环境，诸如通过穿过换热器冷凝器120的管道124传递到由风扇122吹出的空气。热的传热流体在冷凝器120中冷凝成加压的中等温度液体。从冷凝器120离开的液体传热流体通过管道125流向膨胀装置130，在膨胀装置130中压力降低。离开膨胀装置130的减压液体传热流体通过管道135流向换热器蒸发器/冷凝器140的吸热侧，该吸热侧用作换热器以在二次流体循环回路200中从第二传热流体吸收热量，并且将第一传热流体汽化，以产生处于其气体状态的传热流体，以通过管道105供给压缩机110，从而完成第一流体循环回路。
第二流体循环回路200中的第二传热流体将热量从换热器蒸发器/冷凝器140的排热侧传递到换热器140的吸热侧上的第一传热流体，并且第二传热流体蒸气在该过程中冷凝，以形成处于其液体状态的第二传热流体。液体第二传热流体离开换热器蒸发器/冷凝器140并且作为液体泵210的进料流流经管道205。液体第二传热流体以比泵入口压力高的压力离开泵210，并且通过管道215流向换热器蒸发器220，在蒸发器220热量通过管道230传递到由风扇225吹出的空气。液体第二传热流体在换热器蒸发器220中蒸发，并且气态第二传热流体离开换热器蒸发器220并通过管道235流向换热器蒸发器/冷凝器140的排热侧，其在此冷凝并且将热量传递到一次流体循环回路100中的第一传热流体，从而完成第二流体循环回路200。
在附加的示例性实施方案中，第二流体循环回路200可包括平行设置在流体循环回路中的多个换热器蒸发器(和伴随的风扇)。这可通过在管道215中包括接头(未示出)来实现，以将从泵210中输出的第二传热流体平行分配到多个管道，每个管道通向不同的换热器蒸发器(未示出)。每个换热器蒸发器的输出可供应到另一个接头(未示出)中，该接头可供应到管道235中。这种具有多个平行的换热器蒸发器的系统可从整个室内环境中的多个位置提供传热，而每个室内单元并不要求单独的室外流体分配回路，这使用基于常规2相可变制冷剂流量系统的室内回路不能容易地达到，常规2相可变制冷剂流量系统要求为每个蒸发器提供膨胀装置。在第一流体循环回路100中可任选地采用类似的配置，以包括平行设置在流体循环回路中的多个换热器冷凝器(和伴随的风扇与膨胀装置)，其中管道115中的接头(未示出)将第一传热流体平行分配到多个管道，每个管道通向不同的换热器冷凝器和膨胀装置(未示出)和管道135中的接头(未示出)，以将平行的流体流动路径再结合。当使用多个换热器冷凝器时，换热器冷凝器和膨胀装置的数目通常比换热器蒸发器的数目要少。
第一传热流体循环回路利用在易燃性和/或毒性方面不受限的传热流体，并且该回路基本上为室外回路。第二传热流体循环回路采用符合特定的易燃性和毒性要求的传热流体，并且该回路基本上为室内回路。就基本上室外而言，应当理解，如果不是全部那么大部分回路在室外，但基本上室外的第一回路的一些部分可以在室内，并且基本上室内的第二回路的一些部分可以在室外。在示例性实施方案中，室外回路的任何室内部分以密封方式与室内的其他受保护部分隔离，使得第一传热流体的任何泄漏不会逸出到室内结构的受保护部分。在另一个示例性实施方案中，所有的基本上室外的回路及其部件均定位在室外。就至少部分室内而言，应当理解，回路及其部件的至少一部分在室内，但是一些部件诸如液体泵210和/或换热器蒸发器冷凝器140可定位在室外。至少部分室内的回路可用于传递来自远离建筑外墙体的室内位置的热量，并且对于传热流体的易燃性和毒性具有更严格的要求。基本上室外的回路可用于将热量从室内回路传递到室外环境，并且可利用所选的传热流体提供具有热动力学的室外回路，该室外回路有效地工作同时符合全球变暖可能性和臭氧消耗可能性的目标。把基本上室外回路的一些部分放在室内或把在室内回路的一些部分放在室外将部分取决于换热器蒸发器/冷凝器的放置和配置，在换热器蒸发器/冷凝器中，两个回路热接触。在换热器蒸发器/冷凝器在室外的示例性实施方案中，那么第二回路的管道205和/或235的一些部分将延伸通过外部的建筑墙体，以与室外换热器蒸发器/冷凝器140连接。在换热器蒸发器/冷凝器140在室内的示例性实施方案中，那么第一基本上室外的回路的管道105和/或135的一些部分将延伸通过外部的建筑墙体，以与室内换热器蒸发器/冷凝器140连接。在第一回路在室内延伸的这种实施方案中，那么可为换热器蒸发器/冷凝器140和管道105和/或135的室内延伸部分提供通向外部的壳体。在另一个示例性实施方案中，换热器蒸发器/冷凝器140可与外部墙体结合在一起，使得流体循环回路两者均不穿过它们的主要(室内或室外)区域的外部。
现在参考图2，在一些实施方案中，液体泵210定位在垂直低于换热器蒸发器/冷凝器140的位置处，其中管道205从换热器蒸发器/冷凝器140向下延伸，以确保第二传热流体在液体泵210的入口处的足够液柱高度，从而避免液体泵210的气穴。进一步地，换热器蒸发器/冷凝器140与换热器蒸发器220的内部容积相匹配，以确保在广泛的预期操作条件范围内的系统充注平衡。更进一步地，在一些实施方案中，作为系统的总换热器容积的百分比，系统中的液体充注的量为大约50％的液体，以确保系统的正常启动，尤其是第二流体循环回路200的启动。
第一流体循环回路100和第二流体循环回路200的起动操作要求在第一流体循环回路100和第二流体循环回路200中的各种部件经由控制其部件的多个致动器进行协调。整个回路100和200的初始化操作同时降低了系统效率，并且可导致系统中断或故障。为使启动时的系统效率最大化，在第二流体循环回路200的启动之前将第一流体循环回路100初始化，通常是在第二流体循环回路200启动之前的0.1秒与10分钟之间的范围内。在其他实施方案中，第二流体循环回路200的启动在第一流体循环回路100启动之后的0.1秒与5分钟之间，或者0.1秒与1分钟之间起动。这确保冷却的第一传热流体流经换热器蒸发器/冷凝器140，用于与第二传热流体进行热交换。
更具体地，如图3所示，系统的启动在打开膨胀装置130的情况下开始，随后启动风扇122，以使空气流过冷凝器120。然后起动压缩机110。在压缩机110启动并且通过换热器蒸发器/冷凝器140的第一传热流体的流动开始之后，在0.1秒与10分钟之间的延迟之后，液体泵210然后起动以抽吸第二传热流体通过换热器蒸发器/冷凝器140并且朝向换热器蒸发器220。一旦实现冷却的第二传热流体流通过换热器蒸发器220，风扇225就起动，以使空气流过换热器蒸发器220。
类似地，当停止系统的操作时，第一流体循环回路100的操作在第二流体循环200的操作停止之前停止。在关闭第一流体循环回路100与关闭第二流体传送回路200之间的时间延迟在0.1秒与10分钟的范围内。在其他实施方案中，时间延迟在0.1秒与5分钟之间或者在0.1秒与1分钟之间。
在第一流体循环回路中使用的传热流体具有大于或等于31.2℃，更具体地大于或等于35℃的临界温度，这有助于使传热流体能够在正常操作条件下维持两相。用于在第一流体循环回路中使用的示例性传热流体包括但不限于饱和烃(例如，丙烷、异丁烷)、不饱和烃(例如，丙烯)、R32、R152a、氨、R1234异构体(例如，R1234yf、R1234ze、R1234zf)、R410a以及包含前述流体中的一种或多种的混合物。
在第二流体循环回路中使用的传热流体具有ASHRAEA级毒性等级和ASHRAE1或2L级易燃性等级。用于在第二流体循环回路中使用的示例性传热流体包括但不限于亚临界流体CO2、包含R1234异构体(例如，R1234yf、R1234ze)和R134异构体(例如，R134a、R134)或R32、2相水的混合物或包含前述流体中的一种或多种的混合物。在另一个示例性实施方案中，第二传热流体包含至少25wt％，并且更具体地至少50wt％的亚临界流体CO2。在又一个示例性实施例中，第二热传递流体包含纳米颗粒，以提供增强的热导率。示例性纳米颗粒包括但不限于粒度小于500nm(更具体地小于200nm)的颗粒。在示例性实施方案中，纳米颗粒的比热大于第二流体的比热。在又一个示例性实施方案中，纳米颗粒具有的热导率比第二流体的热导率大。在进一步的示例性实施方案中，纳米颗粒具有大于至少5J/mol·K(更具体为至少20J/mol·K)的比热，和/或具有至少0.5W/m·K(更具体地至少1W/m·K)的热导率。在另一个示例性实施方案中，第二传热流体包含大于0wt％且小于或等于10wt％的纳米颗粒，更具体地包含从0.01wt％至5wt％的纳米颗粒。示例性纳米颗粒包括但不限于碳纳米管和金属或准金属氧化物，诸如Si2O3、CuO或Al2O3。
在第一传热流体循环回路中使用的膨胀装置可以为任何种类的已知热膨胀装置，包括简单的孔口或热膨胀阀(TXV)或电子可控制膨胀阀(EXV)。膨胀阀可被控制以控制在换热器蒸发器/冷凝器的吸热侧出口处的过热并且优化系统性能。此类装置以及它们的操作在本领域中已知并且在此无需附加的详细解释。
在另一个示例性实施方案中，压缩机110、风扇122、风扇225和/或泵210中的一个或多个利用变速驱动器(VSD)。VSD的控制可利用已知的功率控制技术来实现，诸如结合输入功率因数校正(PFC)整流器和一个或多个逆变器(例如，用于每个单独的VSD的逆变器)的集成功率电子系统。输入PFC整流器将单相AC输入电压转换成调节的DC公共总线电压，以便使用来自AC电源的低谐波电流提供接近单位功率的因数。马达逆变器可与汲取自公共DC总线的输入并联连接。具有较高功率要求(例如，>1kW，诸如用于压缩机)的马达可使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电源开关，而具有较低功率要求(例如，<1kW，诸如用于风扇鼓风机)的马达可使用成本较低的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在VSD中可使用任何类型的电动马达，包括感应马达或永磁体(PM)马达。在示例性实施方案中，压缩机110利用PM马达，任选地与电子电路和/或微处理器结合，电子电路和/或微处理器仅使用绕组电流信号自适应地估计转子磁铁位置，从而消除了对通常在PM马达中使用的昂贵的霍尔效应传感器的需要。VSD的精确的速度设置将根据对系统的需求而改变，但可通过系统的控制算法设置，以最大化系统操作效率和/或符合正如在本领域中已知的系统需求。通常，可改变压缩机和泵的速度以基于用户需求控制系统容量，同时可以控制室内和室外风扇鼓风机的速度以优化系统效率。
虽然仅与有限数目的实施方案结合详细描述了本发明，但是应当容易理解的是，本发明并不限于此类公开的实施方案。相反，本发明可被修改以结合此前未描述过的任何数目的变化、改变、替换或等效布置，但它们与本发明的精神和范围相称。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施方案，但应当理解，本发明的方面可仅包括所述实施方案中的一些。因此，本发明不应被视为由前述描述加以限制，而是仅由所附权利要求的范围进行限制。

Claims (21)

1.一种操作传热系统的方法，其包括：
起动第一传热流体循环回路的操作，所述回路包括：
流体泵送机构；
用于从第一传热流体排出热能的换热器；以及
用于将热能吸收到第一传热流体中的换热器；
其中闭合的流体循环回路中的第一管道使通过其中的所述第一传热流体循环；以及
在起动所述第一传热流体循环回路的操作之后起动第二两相传热流体循环回路的操作，所述第二传热流体循环回路通过所述内部换热器与所述第一传热流体循环回路交换热量，并且包括：
排热侧；
液体泵；以及
吸热侧；
其中闭合的流体循环回路中的第二管道使通过其中的第二传热流体循环。
2.根据权利要求1所述的方法，其中起动所述第一传热流体循环回路的操作包括：
打开流量计量装置；
起动换热器风扇；以及
起动所述流体泵送机构。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述流量计量装置为膨胀阀。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体泵送机构为压缩机。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述第二两相传热流体循环回路的起动操作之前，使第一传热流体流经所述内部换热器。
6.权利要求5所述的方法，其中经由所述第一管道使第一传热流体流经所述内部换热器通过所述流体泵送机构的启动来驱动。
7.根据权利要求1所述的方法，其中起动所述第二传热流体循环回路的操作包括起动所述液体泵。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括在起动所述液体泵之后起动换热器风扇。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在起动所述第一传热流体循环回路的操作与起动所述第二传热流体循环回路的操作之间的时间延迟在0.1秒与10分钟之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述时间延迟在0.1秒与5分钟之间。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述时间延迟在0.1秒与1分钟之间。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一流体循环回路至少部分地设置在室外。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二流体循环回路至少部分地设置在室内。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二传热流体具有ASHRAEA级毒性等级和ASHRAE1或2L级易燃性等级。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一传热流体包括丙烷、丙烯、异丁烷、R32、R152a、氨、R1234异构体或R410A，或任何上述流体的混合物。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二传热流体包括亚临界流体CO2。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二传热流体包含至少50％的液体。
18.一种停止传热系统操作的方法，其包括：
停止第一传热流体循环回路的操作，所述回路包括：
流体泵送机构；
用于从第一传热流体排出热能的换热器；以及
用于将热能吸收到第一传热流体中的换热器；
其中闭合的流体循环回路中的第一管道使通过其中的所述第一传热流体循环；以及
在停止所述第一传热流体循环回路的操作之后停止第二两相传热流体循环回路的操作，所述第二传热流体循环回路通过所述内部换热器与所述第一传热流体循环回路交换热量，并且包括：
排热侧；
液体泵；以及
吸热侧；
其中闭合的流体循环回路中的第二管道使通过其中的第二传热流体循环。
19.根据权利要求18所述的方法，其中在停止所述第一传热流体循环回路的操作与停止所述第二传热流体循环回路的操作之间的时间延迟在0.01秒与15分钟之间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述时间延迟在0.1秒与10分钟之间。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述时间延迟在0.1秒与5分钟之间。
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