CN106322805B

CN106322805B - 制冷系统及其净化方法

Info

Publication number: CN106322805B
Application number: CN201510402611.3A
Authority: CN
Inventors: 张海涛; M.A.斯塔克
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2020-11-17
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: WO2017011378A1; EP3320276A1; CN106322805A; US10724774B2; US20190078821A1; EP3320276B1

Abstract

本发明提供一种制冷系统，其包括:制冷回路,其包括通过管路依次连接的压缩机、冷凝器、主节流元件及蒸发器；以及净化回路，其包括通过管路依次连接的净化压缩机、净化冷凝器、净化节流元件以及低温分离器，所述净化回路通过所述低温分离器双向连接至所述制冷回路，且用于将所述制冷回路内的不凝性气体分离；其中，所述净化冷凝器能够与所述制冷回路中的制冷剂进行换热。从而来实现制冷剂与不凝性气体的高效及可靠的分离。

Description

制冷系统及其净化方法

技术领域

本发明涉及一种制冷系统，更具体而言，本发明涉及一种具有净化装置的制冷系统及其净化方法。

背景技术

目前，采用低压制冷剂的大型制冷设备在其制造、运输或使用后停机的过程中均可能发生渗入不凝性气体的现象。例如，在其运输过程可能发生空气渗入及腐蚀等可靠性问题。此时，通常会在设备制造完成的同时向其管路内先后注入额定量的制冷剂及保压气体。此时人为注入的保压气体也可认定为不凝性气体的一种。在设备正式运营前，若不将这些保压气体分离，则可能对系统性能造成很大影响。再如，当设备停止运行一段时间后，由于其管路内长期处于负压状态，即，低于环境大气压，此时，环境空气可能会渗入管路中，而在设备再次运行时对其性能造成影响。上述问题的出现，使得根据需要时刻对制冷设备进行不凝性气体的分离操作成为必然。然而，现有的制冷净化装置存在若干问题。例如，对于采用低温分离原理的净化装置，其通常采用低成本的风冷翅片式换热器，此种换热器一般采用风扇与空气强制对流来进行热交换，这将导致其换热效果极易受到环境温度影响。但是，此种大型机组通常安装在客户机房中，其处于相对封闭的环境下。因此，此种情况下的环境温度通常较高，而难以使采用低温分离原理的净化装置具有较好的分离效果。

另一方面，若采用其他非风冷式的换热器时，如果额外布置与其进行热交换的水源/冷源又成为衍生的待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制冷系统与净化回路具体的连接设计，以便实现制冷剂与不凝性气体的高效及可靠的分离。

本发明的目的还在于提供一种制冷系统的净化方法，以配合本发明的系统使用来进一步提高制冷剂与不凝性气体的分离效果。

为实现以上目的或其他目的，本发明提供以下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供一种制冷系统，其包括:制冷回路,其包括通过管路依次连接的压缩机、冷凝器、主节流元件及蒸发器；以及净化回路，其包括通过管路依次连接的净化压缩机、净化冷凝器、净化节流元件以及低温分离器，所述净化回路通过所述低温分离器双向连接至所述制冷回路，且用于将所述制冷回路内的不凝性气体分离；

其中，所述净化冷凝器能够与所述制冷回路中的制冷剂进行换热。

根据本发明的另一个方面，还提供一种制冷系统，其包括:制冷回路,其包括通过管路依次连接的压缩机、冷凝器、主节流元件及蒸发器；净化回路，其包括通过管路依次连接的净化压缩机、净化冷凝器、净化节流元件以及低温分离器，所述净化回路通过所述低温分离器双向连接至所述制冷回路，且用于将所述制冷回路内的不凝性气体分离；第一辅助流路，其第一端连接所述冷凝器，第二端连接所述蒸发器；以及第二辅助流路，其第一端与第二端分别连接所述蒸发器；其中，所述第一辅助流路及第二辅助流路具有公共流路，所述净化冷凝器能够通过所述公共流路与所述制冷回路中的制冷剂进行换热。

根据本发明的再一个方面，还提供一种用于制冷系统的净化方法，其包括：在所述制冷系统运行时，开启第一电磁阀，关闭第二电磁阀，制冷剂在流经第一辅助流路的过程中节流降温，并与净化回路中的净化冷凝器换热，且随后返回所述蒸发器中；和/或在所述制冷系统停机时，开启第二电磁阀及循环泵，关闭第一电磁阀，制冷剂在流经第二辅助流路的过程中节流降温，并与净化回路中的净化冷凝器换热，且随后返回所述蒸发器中。

附图说明

图1是本发明的制冷系统的制冷回路与净化回路第一种管路连接方式的实施例的系统示意图；

图2是本发明的制冷系统的制冷回路与净化回路第二种管路连接方式的实施例的系统示意图；

图3是本发明的制冷系统的制冷回路与净化回路第三种管路连接方式的实施例的系统示意图；以及

图4是本发明的制冷系统的制冷回路与净化回路第四种管路连接方式的实施例的系统示意图。

具体实施方式

参照图1，提供了一套制冷系统，其包括制冷回路100及净化回路200。其中，鉴于本套制冷系统中制冷剂净化的高适用范围，此处描述的制冷回路100可为任一常规大型制冷设备的制冷回路，其通常包括通过管路依次连接的压缩机190、冷凝器110、主节流元件180及蒸发器120。该制冷系统还包括净化回路200，其用于将制冷回路100内的不凝性气体分离出来。

仍然参见图1，净化回路200包括通过管路依次连接的净化压缩机210、净化冷凝器220、膨胀阀240及低温分离器230。其中，净化回路200通过低温分离器230双向连接至制冷回路100。更具体而言，低温分离器230作为净化回路200与制冷回路100的流体交换中介而存在。即，制冷剂与不凝性气体的混合物从制冷回路100流入低温分离器230，经过低温分离器230的分离及提纯后，已分离的制冷剂经由低温分离器230流回至制冷回路100。

在此基础上，净化回路200中的净化冷凝器220与制冷回路100可呈热交换关系。具体而言，净化冷凝器220可为板式换热器或微通道换热器，其中具有至少两种不同流路，其一为供净化工作冷媒流过的流路，其二为供制冷回路100中的制冷剂流过的流路。具体而言，其可与制冷系统中的第一辅助流路呈热交换关系。例如，第一辅助流路的第一端111连接冷凝器110的底部，而第二端121连接蒸发器120的底部。如此设计，可以利用流经第一辅助流路中的制冷剂直接与净化回路200中的净化冷凝器220进行换热，一方面不再需要依赖环境状况，提高换热的稳定性，进而增加净化的效率；另一方面还可以在停机时给制冷回路提供热量，保证制冷系统内压力高于大气压。

具体而言，该第一辅助流路上还应设有第一节流阀130及第一电磁阀140。其中，第一节流阀130用于为流出冷凝器110来参与换热的制冷剂提供节流作用。第一电磁阀140则用于控制第一辅助流路的开闭，以配合系统根据实际需要来确定开通第一辅助流路或第二辅助流路（下文将结合第二辅助流路描述）。

此外，根据系统分析，可知当系统运行时，蒸发器120压力较低，此时使用冷凝器110内的制冷剂来与净化冷凝器220换热更为合适。而当系统不运行时，冷凝器110底部通常可能是干涸状态。因此，在系统不运行时无法使用冷凝器110来与净化冷凝器220换热。故此，此时考虑使用蒸发器120来进行换热。

根据上述分析，本发明的实施例的制冷系统中还包括第二辅助流路，其第一端122及第二端121分别连接至蒸发器120的底部（连接不同端口）。如此使得该套系统在任何情况下均可以利用制冷回路100中的制冷剂直接与净化回路200中的净化冷凝器220进行换热，提高了设计的效率和可靠性。

具体而言，该第二辅助流路上还应设有第二节流阀150、第二电磁阀160及循环泵170。其中，第二节流阀150用于为流出蒸发器120来参与换热的制冷剂提供节流作用。而循环泵170则用于为此处的制冷剂流动提供动力，因为此时系统处于停机状态，故而不存在其他动力来驱动制冷剂。第二电磁阀160则用于控制第二辅助流路的开闭，以配合系统根据实际需要来确定开通第一辅助流路或第二辅助流路。从而使得这两条辅助流路只有一条处于开启状态，而另一条处于闭合状态。更具体而言，当需要对系统净化时，若系统在工作，则使第一电磁阀140开启、第二电磁阀160闭合；而若系统停止，则使第二电磁阀160开启、第一电磁阀140闭合。

此外，关于本系统，为提高管路利用率，降低管路复杂程度及物料成本，还可提供第二实施例，其包括公共流路。该公共流路为第一辅助流路及第二辅助流路下游处的共有区段，且可将与净化冷凝器220的换热位置设于该公共流路处。如此使得第一辅助流路的第一端111连接冷凝器110的底部，而第二辅助流路的第一端121连接蒸发器120的底部，而两者的下游直接在公共流路区段合并，并通过公共流路中共有的第二端连接至蒸发器120的底部。该实施例在节约成本的同时还能达到与第一实施例相近的技术效果。

为实现更好的换热效率及净化效率，接下来将详述各个连接点的具体位置设计：

参照图1至图4，不凝性气体在设备制成初期、设备装运途中或设备停机状态下均可能渗入系统管路中，并且在此后通常会积存在整个机组的最高点处或局部最高处。因此，为便于净化系统的分离提纯，可使制冷回路100在所述制冷系统的最高处或局部最高处接入至低温分离器230。其中，值得注意的是，由于不凝性气体的密度通常低于气态制冷剂的密度，因此这些气体在进入系统管路后理论上应积存在整个系统的最高点处。然而，在实际应用中，取决于不凝性气体渗入系统管路的具体位置不同，这些气体同样有可能直接积存在其进入系统处的部件内最高点处（也即局部最高处），而不必然顺着管路流至整个系统的最高处。

根据大型机组的常规部件布局，整个系统的最高处一般为压缩机顶部，而常规的不凝性气体在机组运行时，由于压缩机循环会留存于冷凝器顶部。因此，本发明的实施例提出使制冷回路100通过其冷凝器的顶部的待净化制冷剂的流出口112（如图1及图4所示）或压缩机顶部的待净化制冷剂的流出口112（如图2及图3所示）接入至低温分离器230。这更易于将制冷剂与不凝性气体的混合物引入低温分离器230，从而更优地实现对不凝性气体及制冷剂的分离，进而保证后续机组开机运行时的高性能。

此外，如图1及图2所示，制冷回路运行时，低温分离器230可在蒸发器120底部的已净化制冷剂的返回口123接回至制冷回路100。如此设计使得净化回路200的待净化制冷剂的入口231及已净化制冷剂的返回口123存在高度差而受到重力驱动，同时，还能受到额外的压差推动，改善了驱动效率。

出于上文所述的同样的目的，作为备选，如图3及图4所示，低温分离器230还可在冷凝器的底部的已净化制冷剂的返回口123接回至制冷回路100。如此设计使同样能受到重力驱动而顺利流回冷凝器。

关于低温分离器230中的各个开口，本实施例也提供了其具体的设计位置。例如，其具有位于低温分离器230顶部的待净化制冷剂的入口231、位于低温分离器230底部的已净化制冷剂的出口232以及位于低温分离器230顶部的不凝性气体出口233。由于此实施例采用的低温分离原理，因此，在低温下发生液化的制冷剂可以十分容易地从设于较低处的已净化制冷剂的出口232流回制冷回路100；而在低温下依然保持气态的不凝性气体则可以十分容易地从设于较高处的不凝性气体出口233排放至大气中。此外，将待净化制冷剂的入口231设于低温分离器230顶部也避免了制冷剂及不凝性气体的混合气体对积存在低温分离器230底部的液体制冷剂造成扰动，更有助于净化回路的净化工作。

另外，净化回路200还包括一条排放支路，其连接在低温分离器230的不凝性气体出口233上。排放支路上设有再生过滤器250、气泵260、第一阀门270及第二阀门280。其中，气泵260用于为待排放的不凝性气体提供抽吸动力，而再生过滤器250则用于将混合在不凝性气体中的微量制冷剂滤除，以免微量制冷剂逸散后对大气造成污染。所述再生过滤器250可以通过加热或者抽真空等方法释放出吸收的制冷剂，重新恢复其过滤能力，也即再生。具体而言，再生过滤器可包括但不限于活性碳过滤器，分子筛过滤器，半透膜过滤器等。另外，设于该排放支路上下端的第一阀门270及第二阀门280则用于控制该条支路的开闭。

可选地，各条回路或支路上均可设置开关阀或开度阀来控制流路的通断或开度。

作为备选，净化回路200可包括加压部件（未示出）。其能够协助加压来调节待净化制冷剂及不凝性气体的液化温度。从而进一步提高低温分离效果。

此外，由于本发明提供了制冷系统在运行状态及非运行状态下的不同净化回路工作方式的选择，因此，本发明还提供了配套的净化方法的实施例。

具体而言，该方法包括下述步骤：

1）在所述制冷系统运行时，开启第一电磁阀140，关闭第二电磁阀160，制冷剂在流经第一辅助流路的过程中节流降温，并与净化回路中的净化冷凝器220换热，且随后返回蒸发器120中；和/或

2）在所述制冷系统停机时，开启第二电磁阀160及循环泵170，关闭第一电磁阀140，制冷剂在流经第二辅助流路的过程中节流降温，并与净化回路中的净化冷凝器220换热，且随后返回蒸发器120中。

此时，系统中的净化回路也可以配套启动，所述净化冷媒经由净化压缩机210压缩，进入净化冷凝器220换热，经膨胀阀240节流后，进入低温分离器230与待净化的制冷剂换热，使其分离成不凝性气体及液态制冷剂。

其中，为更好地实现两者的分离，可选定制冷剂使其相对于这些不凝性气体而言具备如下性质：其应当具有低于选定制冷剂的液化温度，且无法与选定制冷剂和制冷系统自身发生化学反应。

其中，这些不凝性气体可以为空气或氮气等。

根据本文所教示的净化方法，有效结合制冷系统自身来开展净化操作，从而避免了净化回路的运行对环境状况的高依赖性，并高效实现制冷剂与不凝性气体的分离，将已分离出的制冷剂送回制冷回路，且将不凝性气体排放至大气中。

上述方法很好地解决了不凝性气体（例如，空气）在上述各个阶段泄漏进系统所带来的设备腐蚀及系统系能下降等问题，提高了系统的性能及可靠性。此外，由于冬天停机时蒸发器120内可能是负压。因此，当采用上述净化方法后，经与净化冷凝器220换热而得到温度提升的制冷剂返回蒸发器120中还可以有效缓解其负压状况，避免空气渗入问题。

如下，为便于理解，将参照图1中所示的制冷系统来描述该设备的制冷剂及不凝性气体混合物的可能的分离工作过程。

当制冷系统运行时，第一电磁阀140开启，第二电磁阀160闭合。一方面，制冷剂及不凝性气体的混合物从冷凝器顶部的待净化制冷剂的流出口112经待净化制冷剂的入口231被抽吸至净化回路200中的低温分离器230中。另一方面，净化回路200中的净化压缩机210开始工作，使净化回路200中的工作冷媒经其压缩后，再流过净化冷凝器220冷凝，随后经过膨胀阀240节流，并与最终进入低温分离器230中与制冷剂及不凝性气体的混合物进行热交换，随后流回净化压缩机210，开始新一轮的循环。再一方面，制冷剂从冷凝器110经第一辅助流路的第一端111流出，经由第一节流阀130节流后流至低温冷凝器220与其中的工作冷媒进行热交换，随后被加热的制冷剂经第一辅助流路的第二端121流入蒸发器120中，并继续进行制冷循环。在此过程中，制冷剂及不凝性气体的混合物在由净化回路200的工作冷媒吸热降温后，液化温度较高的制冷剂气体被冷凝成制冷剂液体并积存在低温分离器230的下部，而液化温度较低的不凝性气体则依然保持气体状态并积存在低温分离器230的上部。此后，制冷剂液体经由低温分离器230底部的已净化制冷剂的出口232经已净化制冷剂的返回口123进入蒸发器120中，继续参与制冷循环，而不凝性气体则经由低温分离器230顶部的不凝性气体出口233并通过排放支路排放至大气中。

当制冷系统停止时，第二电磁阀160开启，第一电磁阀140闭合。一方面，制冷剂及不凝性气体的混合物从冷凝器顶部的待净化制冷剂的流出口112经待净化制冷剂的入口231被抽吸至净化回路200中的低温分离器230中。另一方面，净化回路200中的净化压缩机210开始工作，使净化回路200中的工作冷媒经其压缩后，再流过净化冷凝器220冷凝，随后经过膨胀阀240节流，并与最终进入低温分离器230中与制冷剂及不凝性气体的混合物进行热交换，随后流回净化压缩机210，开始新一轮的循环。再一方面，制冷剂从蒸发器120经第二辅助流路的第一端122流出，经由第二节流阀150节流后被循环泵170泵送至至低温冷凝器220，并与其中的工作冷媒进行热交换，此后被加热的制冷剂经第二辅助流路的第二端121流入蒸发器120中，并继续进行制冷循环。在此过程中，制冷剂及不凝性气体的混合物在由净化回路200的工作冷媒吸热降温后，液化温度较高的制冷剂气体被冷凝成制冷剂液体并积存在低温分离器230的下部，而液化温度较低的不凝性气体则依然保持气体状态并积存在低温分离器230的上部。此后，制冷剂液体经由低温分离器230底部的已净化制冷剂的出口232经已净化制冷剂的返回口123进入蒸发器120中，继续参与制冷循环，而不凝性气体则经由低温分离器230顶部的不凝性气体出口233并通过排放支路排放至大气中。

以上例子主要说明了本发明的制冷系统及其净化方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims

1.一种制冷系统，其特征在于，包括:

制冷回路, 其包括通过管路依次连接的压缩机、冷凝器、主节流元件及蒸发器；以及

净化回路，其包括通过管路依次连接的净化压缩机、净化冷凝器、净化节流元件以及设置在低温分离器内的净化蒸发器，所述净化回路通过所述低温分离器双向连接至所述制冷回路，且用于将所述制冷回路内的不凝性气体分离；

2.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，还包括第一辅助流路，其第一端连接所述冷凝器，第二端连接所述蒸发器；在所述制冷系统运行时，所述净化冷凝器通过所述第一辅助流路与所述制冷回路中的制冷剂进行换热。

3.根据权利要求2所述的制冷系统，其特征在于，所述第一辅助流路上设有第一节流元件和/或第一电磁阀。

4.根据权利要求2所述的制冷系统，其特征在于，所述第一辅助流路的第一端连接至所述冷凝器的底部，且/或所述第一辅助流路的第二端连接至所述蒸发器的底部。

5.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，还包括第二辅助流路，其第一端与第二端分别连接所述蒸发器；在所述制冷系统停机时，所述净化冷凝器通过所述第二辅助流路与所述制冷回路中的制冷剂进行换热。

6.根据权利要求5所述的制冷系统，其特征在于，所述第二辅助流路的第一端连接所述蒸发器的底部，且/或所述第二辅助流路的第二端连接至所述蒸发器的底部。

7.根据权利要求5所述的制冷系统，其特征在于，所述第二辅助流路上还设有第二节流元件和/或第二电磁阀。

8.根据权利要求7所述的制冷系统，其特征在于，所述第二辅助流路上还设有循环泵。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的制冷系统，其特征在于，所述净化冷凝器为板式换热器或微通道换热器。

10.根据权利要求1至8任意一项所述的制冷系统，其特征在于，所述制冷回路在所述制冷系统的最高处或局部最高处接入至所述低温分离器。

11.根据权利要求9所述的制冷系统，其特征在于，所述制冷回路在所述压缩机顶部或冷凝器的顶部接入至所述低温分离器。

12.根据权利要求1至8任意一项所述的制冷系统，其特征在于，所述低温分离器在所述冷凝器的底部或所述蒸发器的底部接回至所述制冷回路。

13.根据权利要求1至8任意一项所述的制冷系统，其特征在于，所述制冷回路接入至所述低温分离器的顶部。

14.根据权利要求1至8任意一项所述的制冷系统，其特征在于，所述净化回路还包括：排放支路，其用于将由所述低温分离器分离出的不凝性气体排出。

15.根据权利要求14所述的制冷系统，其特征在于，所述排放支路连接至所述低温分离器的顶部。

16.根据权利要求14所述的制冷系统，其特征在于，所述排放支路上设置有再生过滤器、气泵、第一阀门及第二阀门。

17.根据权利要求1至8任意一项所述的制冷系统，其特征在于，所述净化回路还包括用于辅助低温分离的加压部件。

18.一种制冷系统，其特征在于，包括:

制冷回路, 其包括通过管路依次连接的压缩机、冷凝器、主节流元件及蒸发器；

第一辅助流路，其第一端连接所述冷凝器，第二端连接所述蒸发器；以及

第二辅助流路，其第一端与第二端分别连接所述蒸发器；

其中，所述第一辅助流路及第二辅助流路具有公共流路，所述净化冷凝器能够通过所述公共流路与所述制冷回路中的制冷剂进行换热。

19.根据权利要求18所述的制冷系统，其特征在于，所述第一辅助流路上设有第一节流元件和/或第一电磁阀；且/或所述第二辅助流路上还设有第二节流元件和/或第二电磁阀。

20.根据权利要求19所述的制冷系统，其特征在于，所述第二辅助流路上还设有循环泵。

21.根据权利要求18所述的制冷系统，其特征在于，所述第一辅助流路的第一端连接至所述冷凝器的底部，且通过所述公共流路连接至所述蒸发器的底部。

22.根据权利要求18所述的制冷系统，其特征在于，所述第二辅助流路的第一端连接所述蒸发器的底部，且通过所述公共流路连接至所述蒸发器的底部。

23.一种用于制冷系统的净化方法，其中所述制冷系统包括：制冷回路, 其包括通过管路依次连接的压缩机、冷凝器、主节流元件及蒸发器；净化回路，其包括通过管路依次连接的净化压缩机、净化冷凝器、净化节流元件以及设置在低温分离器内的净化蒸发器，所述净化回路通过所述低温分离器双向连接至所述制冷回路，且用于将所述制冷回路内的不凝性气体分离；第一辅助流路，其第一端连接所述冷凝器，第二端连接所述蒸发器；以及第二辅助流路，其第一端与第二端分别连接所述蒸发器；其特征在于，所述净化方法包括：

在所述制冷系统运行时，开启第一电磁阀，关闭第二电磁阀，制冷剂在流经第一辅助流路的过程中节流降温，并与净化回路中的净化冷凝器换热，且随后返回所述蒸发器中；和/或

在所述制冷系统停机时，开启第二电磁阀及循环泵，关闭第一电磁阀，制冷剂在流经第二辅助流路的过程中节流降温，并与净化回路中的净化冷凝器换热，且随后返回所述蒸发器中。

24.根据权利要求23所述的净化方法，其特征在于，还包括：

启动所述净化回路，所述净化回路内的净化冷媒经由所述净化压缩机压缩，进入所述净化冷凝器换热，经所述净化节流元件节流后，进入设置在所述低温分离器内的净化蒸发器与待净化的制冷剂换热，使其分离成不凝性气体及液态制冷剂。

25.根据权利要求24所述的净化方法，其特征在于：

在相同压力下，所述不凝性气体具有低于所述制冷剂的液化温度，且无法与所述制冷剂和/或所述制冷系统发生化学反应。

26.根据权利要求25所述的净化方法，所述不凝性气体为空气或氮气。