CN105960567A - 两相制冷系统 - Google Patents

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F.赵
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Abstract

一种传热系统，其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。闭合的流体循环回路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，包括换热器蒸发器/冷凝器的排热侧、液体泵、定位在液体泵上游和换热器蒸发器/冷凝器下游的液体制冷剂贮存器，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，第二传热流体具有ASHRAE A级毒性和1或2L级易燃性等级。

Description

两相制冷系统
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
本主题发明涉及制冷系统。更具体地，本主题发明涉及具有两相制冷剂回路的级联空调系统。
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次要流体传递出去。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次要流体冷却。传热流体从蒸发器返回到压缩机。制冷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。
在历史上，常规HFC和HCFC传热流体诸如R22、R123、R407C、R134a、R410A和R404A已经用于加热、空调和制冷应用中。然而，最近，关于全球变暖并且在一些情况下关于臭氧消耗的问题已经产生了对另选传热流体的需要。在一些情况下，已经提出使用天然传热流体诸如R744(CO2)、R718(水)或R717(氨)。各种已知和已经提出的传热流体各自具有它们自己的优点和缺点。例如，相比于许多烃基传热流体，CO2作为传热流体提供零臭氧消耗可能性和低全球变暖可能性。然而，许多已经提出的具有CO2作为传热流体的系统要求CO2维持在超临界流体状态，这可以增加设备和操作的复杂性与成本。例如，在许多系统中，CO2在泵入口上游被低温冷却，或被冷却到低于其饱和温度，在大约1.5华氏度与3华氏度之间，以迫使CO2液体完全相变成液体。为降低系统的功率消耗，可消除在泵入口处的低温冷却，但CO2流体流中夹带的蒸汽在泵中导致气穴，并且因此导致泵操作的不稳定性。
发明内容
在一个实施方案中，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。闭合的流体循环回路中的第一管道使通过其中的第一传热流体循环。该系统进一步包括第二两相传热流体循环回路，该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，第二两相传热流体循环回路包括换热器蒸发器/冷凝器的排热侧、液体泵、定位在液体泵上游和换热器蒸发器/冷凝器下游的液体制冷剂贮存器，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。第二传热流体具有ASHRAE A级毒性等级和ASHRAE 1或2L级易燃性等级，并且液体泵入口低温冷却在0℃与10℃之间。
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：
图中为描绘具有主要传热流体循环回路和次要传热流体循环回路的传热系统的实施方案的方框示意图。
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中示出。如图所示，在第一流体循环回路100中的流体泵送装置诸如压缩机110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流向换热器的冷凝器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流向流量计量装置诸如膨胀装置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次级流体循环回路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，在换热器蒸发器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主要流体循环回路100中的第一传热流体，从而完成第二流体循环回路200。
为防止在液体泵210处的气穴和操作不稳定性，液体第二传热流体贮存器例如接收器232沿换热器蒸发器/冷凝器140与液体泵210之间的管道215定位。在接收器232处，第二传热流体冷凝成液体状态但不低温冷却，或者在一些实施方案中最小限度的低温冷却，最小限度的低温冷却定义为在0摄氏度至10摄氏度之间的低温冷却，接收器232的体积防止蒸气进入液体泵210，从而消除了液体泵210的气穴。在其他实施方案中，低温冷却的量在0摄氏度至5摄氏度之间、0摄氏度至3摄氏度之间或者0摄氏度至2摄氏度之间。在其他实施方案中，低温冷却的量为零。液体泵210速度的控制基于换热器蒸发器220出口过热水平。使用接收器232作为低温冷却第二传热流体的替代减少了系统的功率消耗，在一些实施方案中，每年减少在1％与2％之间。
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实现，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交换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。基本上室外回路可用于在室内回路与外部环境之间交换热量，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。在第一回路的一些部分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初始(室内或室外)区域的外部。
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，这有助于使其能够维持正常操作条件下的两相。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ASHRAE A级毒性等级和ASHRAE 1或2L级易燃性等级，或它们的ISO 817等效级。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相水的混合物或者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方案中，第二传热流体包含纳米颗粒，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，纳米颗粒的热导率大于第二流体的热导率。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。
用作换热器冷凝器120，换热器蒸发器/冷凝器140，以及换热器蒸发器220的换热器可以为任何类型的常规换热器，诸如管壳式换热器。此类换热器在本领域中已知，并且在此无需详细说明。在示例性实施方案中，换热器冷凝器120和/或换热器蒸发器220中的一个或多个为紧凑型换热器，诸如微通道换热器。微通道换热器可在减少所需传热流体量的情况下提供高的传热水平。示例性的可用微通道换热器可具有小于2mm，更具体地小于1.5mm的单个管直径。在另一个示例性实施方案中，换热器蒸发器/冷凝器140为钎焊板式换热器。此类换热器在本领域中已知，并且表示在其中板布置在壳内部的传统管壳式换热器的变型。板沿其外围使用钎焊(或另选地焊接)组装在一起，从而在相邻的板之间形成流体流动通道，其中横跨一个或多个板发生传热。在相邻板的内表面上的凸出波纹也可以钎焊在一起，以提供迂回通路用于流体通道内的流体流动。板在其中具有孔以提供流体的入口和出口，孔经配置将流体流动导入适当的流动通道。
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 (17)

1.一种传热系统，其包括：
第一传热流体循环回路，其包括：
流体泵送装置；
换热器，其将热量从流过其中的第一传热流体排出；
流量计量装置；以及
换热器，其用于将热能吸收到第一传热流体中；
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
第二两相传热流体循环回路，其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，所述第二两相传热流体回路包括：
排热换热器；
液体泵；以及
吸热换热器；
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，所述第二传热流体具有ASHRAE A级毒性等级和ASHRAE 1或2L级易燃性等级或它们的ISO 817等效级，并且液体泵入口低温冷却在0℃与10℃之间。
2.根据权利要求1所述的传热系统，其中所述第一流体循环回路至少部分地设置在室外。
3.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。
4.根据权利要求1所述的传热系统，其中所述第一传热流体具有大于或等于31.2℃的临界温度。
5.根据权利要求1所述的传热系统，其中在所述第一流体循环回路中的所述流体泵送装置为变速的。
6.根据权利要求1所述的传热系统，其中在所述第二流体循环回路中的液体泵为变速泵。
7.根据权利要求6所述的传热系统，其中所述液体泵的速度由所述第二循环回路的吸热换热器过热水平来确定。
8.根据权利要求1所述的传热系统，其中所述第一流体循环回路进一步包括膨胀装置。
9.根据权利要求1所述的传热系统，其中所述第一传热流体包括饱和烃。
10.根据权利要求1所述的传热系统，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。
11.根据权利要求1所述的传热系统，其中所述第二传热流体包括亚临界流体CO2、包含R1234异构体和R134异构体或R32或2相水的混合物。
12.根据权利要求11所述的传热系统，其中所述第二传热流体包括亚临界流体CO2。
13.根据权利要求1所述的传热系统，其进一步包括在所述液体泵上游安装在所述第二流体循环回路中的接收器，以实现所述泵入口低温冷却。
14.根据权利要求1所述的传热系统，其中在所述第二流体循环回路中的所述液体泵上游的所述第二管道实现所述泵入口低温冷却。
15.根据权利要求1所述的传热系统，其中所述液体泵入口低温冷却在0℃与5℃之间。
16.根据权利要求15所述的传热系统，其中所述液体泵入口低温冷却在0℃与1℃之间。
17.权利要求16所述的传热系统，其中所述液体泵入口低温冷却为0℃。
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