CN106662365B - 基于改进的直接膨胀式蒸发器的冷冻器系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种冷冻器系统，所述冷冻器系统包括由流体联接的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成的蒸气压缩回路。制冷剂循环通过所述蒸气压缩回路。所述蒸发器是直接交换热交换器。在所述蒸发器的出口处提供的制冷剂是包含液体制冷剂和蒸气制冷剂的两相混合物。所述蒸气制冷剂占所述两相混合物的小于或等于85％。制冷剂间热交换器流体联接到所述回路。所述制冷剂间热交换器被配置来将在所述蒸发器的所述出口处提供的所述蒸气制冷剂转变成过热蒸气。

Description

基于改进的直接膨胀式蒸发器的冷冻器系统

发明背景

本发明总体涉及空调和制冷系统，并且更具体地涉及能够使用不可混溶的油的空调和制冷系统。

在蒸气压缩系统中，来自蒸发器的制冷剂蒸气由压缩机抽取，所述压缩机随后将所压缩的制冷剂递送至冷凝器(或用于跨临界应用的气体冷却器)。在冷凝器中，热量在二次流体(诸如空气或水)与制冷剂之间交换。通常呈液态的制冷剂从冷凝器穿行到膨胀装置，在所述膨胀装置中将所述制冷剂膨胀至较低压力和温度，之后提供给蒸发器。在空调应用中，热量在蒸发器内在制冷剂与空气或另一种二次流体(例如像水、乙二醇或盐水)之间交换，以调节空间的室内空气。

由于制冷剂压缩机必要地涉及移动零件，通常需要借助于与穿过压缩机的制冷剂混合或夹带在所述制冷剂中的润滑油向这些零件提供润滑。尽管润滑剂正常地在除压缩机之外的系统内没有用，但是其在系统中以较低浓度的存在在制冷剂在常规蒸气压缩循环下穿过系统时通常不会减弱制冷剂的流动、热传递和特性。

可将各种类型的热交换器(例如像直接膨胀式热交换器和溢流式热交换器)可用作HVAC系统中的蒸发器。在溢流式热交换器中，制冷剂通常围绕定位在壳体内的管的外部，并且将要冷却的二次流体(例如像水)流动通过所述管。通过将溢流式热交换器的管浸入“沸腾的”液体制冷剂内，在制冷剂与冷冻的二次流体之间仅需要非常小的温差(.5°K-1.5°K)，从而提高热传递效率。在直接膨胀式热交换器中，制冷剂在管内膨胀，而冷冻的第二流体循环通过壳体。直接膨胀式热交换器中的典型温差在4°K与6°K之间，以确保在压缩机吸入处为气相。

由于环境的全球变暖潜势问题，正在考虑新型的制冷剂用于空调应用中。这些新制冷剂包括导致通过压缩过程使气相和液相共存的制冷剂，或者与常规制冷剂相比具有更低排出气体温度和与润滑剂的更高可混溶性的制冷剂。这些新制冷剂的实例包括但不限于：氢氟烯烃(HFO)以及HFO和氢氟烃(HFC)的共混物，或具有类似性质的通常称为“湿制冷剂”的其他制冷剂和/或制冷剂共混物。

由于这些新的“湿制冷剂”较高的可混溶性，它们趋于吸收大量的油，从而使得油-制冷剂混合物的粘度要求难以实现。使用不与这些制冷剂混合的不可混溶的油将提高油的粘度；然而，与此同时，使用不可混溶的油显著并持久地降低采用现代溢流型蒸发器的空调和制冷系统的性能。替代溢流式蒸发器，直接交换蒸发器的使用可允许在制冷系统中使用不可混溶的油。在此类情况下，油返回由制冷剂通过热交换器管的速度驱动。

发明简述

根据本发明的方面，提供冷冻器系统，所述冷冻器系统包括由流体联接的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成的蒸气压缩回路。制冷剂循环通过蒸气压缩回路。蒸发器是直接交换热交换器。在蒸发器的出口处提供的制冷剂是包含液体制冷剂和蒸气制冷剂的两相混合物。蒸气制冷剂占两相混合物的小于或等于85％。制冷剂间热交换器流体联接到回路。制冷剂间热交换器被配置来将在蒸发器的出口处提供的制冷剂转变成过热蒸气。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，制冷剂具有较低的全球变暖潜势。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，制冷剂包括氢氟烯烃(HFO)和HFO共混物中的至少一种。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，冷冻器系统包括润滑系统，所述润滑系统具有大体布置在压缩机下游的油分离器。油分离器被配置来将与制冷剂分离的油供应至压缩机的一个或多个移动部件。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，油是不可混溶的油。

根据本发明的另一方面，提供冷冻器系统，所述冷冻器系统包括由流体联接的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成的蒸气压缩回路。制冷剂循环通过蒸气压缩回路。蒸发器是直接交换热交换器。在蒸发器的出口处提供的制冷剂是包含液体制冷剂和蒸气制冷剂的两相混合物。蒸气制冷剂占两相混合物的小于或等于85％。效率回路包括分离器，所述分离器被配置来将制冷剂的两相混合物分离成液体制冷剂和蒸气制冷剂。效率回路可操作地联接到蒸发器的出口，并且被配置来使来自分离器的液体制冷剂再循环通过蒸发器，以提高蒸发器和冷冻器系统的效率。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，制冷剂具有较低的全球变暖潜势。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，制冷剂包括氢氟烯烃(HFO)和HFO共混物中的至少一种。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，冷冻器系统包括润滑系统，所述润滑系统具有大体布置在压缩机下游的油分离器。油分离器被配置来将与制冷剂分离的油供应至压缩机的一个或多个移动部件。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，油是不可混溶的油。

除了以上所述特征的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，分离器可操作地联接到压缩机并且被配置来向其供应制冷剂蒸气。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，效率回路还包括具有第一入口和第二入口的喷射器。喷射器大体定位在冷凝器的下游和分离器的上游。

除了以上所述特征的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，分离器的第一出口可操作地联接到喷射器的第二入口，并且被配置来向其供应液体制冷剂。

除了以上所述特征的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，分离器大体布置在蒸发器的下游和压缩机的上游。

除了以上所述特征的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，喷射器大体定位在膨胀装置的上游。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，蒸发器的出口可操作地联接到喷射器的第二入口。

除了以上所述特征的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，分离器大体布置在喷射器的下游，并且大体布置在膨胀装置的上游。

除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，冷冻器系统包括制冷剂间热交换器，所述制冷剂间热交换器流体联接到蒸气压缩回路和效率回路。所述制冷剂间热交换器被配置来将在蒸发器的出口处提供的蒸气制冷剂转变成过热蒸气。

这些和其他优点和特征将从以下结合附图进行的描述变得更加显而易见。

附图简述

在本说明书结尾处的权利要求书中具体指出并且明确要求保护被认为是本发明的主题。本发明的前述和其他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是根据本发明的实施方案的冷冻器制冷系统的示意图；

图2是根据本发明的实施方案的图1的冷冻器制冷系统的蒸发器的横截面图；

图3是根据本发明的实施方案的另一个冷冻器制冷系统的示意图；

图4是根据本发明的实施方案的另一个冷冻器制冷系统的示意图；并且

图5是根据本发明的实施方案的另一个冷冻器制冷系统的示意图。

发明详述

现在参照附图，示出被配置用于与可混溶的或不可混溶的油一起使用的改进的冷冻器制冷系统20。制冷剂R被配置来循环通过冷冻器系统20，使得制冷剂R在较低温度和压力下蒸发时吸收热量，并在较高温度和压力下冷凝时释放热量。在一个实施方案中，制冷剂(例如像，氢氟烯烃(HFO)或HFO共混制冷剂)具有较低的全球变暖潜势。在此冷却器系统20内，如箭头所指示，制冷剂R沿逆时针方向流动。压缩机25接收来自蒸发器40的制冷剂蒸气并且将所述制冷剂蒸气压缩至较高的温度和压力，并且然后相对较热的蒸气穿行到冷凝器30，在冷凝器30中通过与冷却介质(例如像空气或水)的热交换关系而将所述蒸气冷却并冷凝至液态。液体制冷剂R然后从冷凝器30穿行到膨胀阀35，其中制冷剂R在穿行到蒸发器40时会膨胀到低温两相的液体/蒸气状态。在蒸发器40中添加热量之后，低压蒸气然后返回到压缩机25，在所述压缩机25中重复所述循环。压缩机25、冷凝器30、膨胀装置35和蒸发器40一起形成蒸气压缩回路。

在冷冻器系统20的示出的实施方案中，蒸发器40是直接膨胀式热交换器。如图2中所示，蒸发器40包括连接的第一壳体100a和第二壳体100b，以及联接的第一多个管105a和第二多个管105b，所述第一多个管105a和所述第二多个管105b分别布置在壳体100a、100b中的每一个内。然而，具有任意数量的壳体100a、100b的实施方案在本发明的范围内。在蒸发器40包括多个壳体(例如像壳体100a和100b)的实施方案中，壳体相互流体联接，并且每个相应的壳体105a、105内的管105a、105b流体联接。多个大挡板107和小挡板109通常接收并支撑管105a、105b，以保持管105a、105b沿着壳体100a、100b的长度的位置。在一个实施方案中，大挡板107被配置来接收壳体100a、100b内多个管105a、105b中的每一个，并且小挡板109被配置来仅接收壳体100a、100b内多个管105a、105b的一部分(例如像，中心部分)。

冷冻器系统20的制冷剂被配置来从入口集管110穿行，通过一个或多个多个管105b、105a，并从出口集管115离开。类似地，将加热介质(例如像水)通过入口125泵送到壳体100的内部120，通过一个或多个壳体100a、100b并且从出口130离开。在所示出的非限制性实施方案中，加热介质被配置来从第二壳体100b流动到第一壳体100a，并且制冷剂被配置来从第一多个管105a流动到第二多个管105b。所示出和描述的蒸发器40具有逆流配置以最大化加热介质与制冷剂之间的热传递。在蒸发器40的出口集管115处提供的制冷剂可以是包含液体制冷剂和蒸气制冷剂两者的两相混合物。在一个实施方案中，85％或更少的两相混合物是蒸气化的制冷剂。

再次参照图1，系统20包括另外的热交换器45，所述另外的热交换器45被配置来接收第一制冷剂流和第二制冷剂流。热交换器45可定位在系统20内，使得第一制冷剂流从冷凝器30的出口提供。在示出的非限制性实施方案中，第一制冷剂流被配置来穿过热交换器45，之后被供应至膨胀阀35。热交换器45内的第二制冷剂流通常从蒸发器40的出口提供。第二制冷剂流被配置来穿过热交换器45，之后被供应至压缩机25。通过将来自冷凝器30的暖的液体制冷剂与离开蒸发器40的制冷剂蒸气或两相混合物布置成热传递关系，来自第一制冷剂流的热量传递给第二制冷剂流。因此，从热交换器45供应至压缩机25的第二制冷剂流通常是过热蒸气。

在50处示意性地示出的润滑系统可集成到冷冻器系统20中。因为润滑剂在穿过压缩机25时可变成夹带于制冷剂中，所以油分离器55直接定位在压缩机20的下游。在一个实施方案中，油分离器55与压缩机25的出口整体形成。将由油分离器55分离的制冷剂提供给冷凝器30，并且将由油分离器55隔离的润滑剂再循环给压缩机25的移动部分(未示出)(例如像再循环给旋转轴承)，在所述移动部分中润滑剂变成夹带于制冷剂R中，并且重复润滑剂循环。

在图3中示出的另一个实施方案中，冷冻器系统20另外包括回路58，所述回路58被配置来使在蒸发器40的出口115处提供的两相混合物中的液体制冷剂再循环，以提高冷冻器系统20的效率。回路58包括被配置来使制冷剂的液相与气相分离的闪发气体制冷剂分离器60。在示出的非限制性实施方案中，分离器60大体布置在膨胀装置35的下游和蒸发器40的上游，使得两相制冷剂从膨胀装置35穿行到分离器60中。泵65被配置来从分离器60的第一出口66抽取液体制冷剂并且将其供应至蒸发器40。蒸发器40的出口也连接到分离器60并且被配置来向其供应两相制冷剂混合物。在分离器60内，液体制冷剂与液体和蒸气混合物分离，并且重复地再循环通过蒸发器40直到其被气化。分离器60的第二出口68可操作地联接到压缩机25，使得向其直接供应分离的气化的制冷剂。在这种情况下，气化的制冷剂绕过蒸发器40。在冷冻器系统20包括制冷剂间热交换器45的实施方案中，来自分离器60的气化的制冷剂可穿过热交换器45，之后被供应到压缩机25。

现在参照图4，在冷冻器系统20的另一个实施方案中，闪发气体分离器60相对于制冷剂的流动大体定位在蒸发器40的下游并且大体定位在压缩机25的上游。在此类实施方案中，冷冻器系统20的另外的回路58还包括布置在冷凝器30与膨胀阀35之间的制冷剂流动路径内的喷射器70。将来自冷凝器30的制冷剂提供给喷射器70的第一入口72。当制冷剂流动通过喷射器70时，所述流被加速并且所述流的压力降低，使得供应至膨胀装置35的制冷剂大体是液体-蒸气混合物。

在制冷剂穿过蒸发器40之后，制冷剂穿行到闪发气体分离器60以用于分离成液体制冷剂和蒸气制冷剂。分离器60的第一出口66流体连接到喷射器70的第二入口74。通过喷射器70的第一入口72的制冷剂流的高速度和压降通过第二入口74将液体制冷剂从分离器60抽取到喷射器70中。因此，在蒸发器40的出口115处提供的任何液体制冷剂将重复地循环通过回路58和蒸发器40直到被气化。分离器60的第二出口68被配置来将分离器60内的气化的制冷剂供应至压缩机25。在冷冻器系统20包括制冷剂间热交换器45的实施方案中，来自冷凝器30的液体制冷剂可作为第一制冷剂流穿过热交换器45，之后被供应至喷射器70，并且在分离器60的第二出口68处提供的气化的制冷剂可作为第二制冷剂流穿过热交换器45，之后被供应至压缩机25。

在图5中示出的另一个实施方案中，闪发气体分离器60相对于制冷剂的流动大体定位在冷凝器30的下游并且大体定位在膨胀装置35的上游。在回路58的此类实施方案中，喷射器70相对于制冷剂的流动大体布置在冷凝器30的下游并且大体布置在分离器60的上游。将来自冷凝器30的制冷剂提供给喷射器70的第一入口72，并且将来自蒸发器40的出口115的制冷剂提供给喷射器70的第二入口74。将液体-蒸气制冷剂混合物从喷射器70供应至分离器60，在所述分离器60中所述液体-蒸气制冷剂混合物被分成液体制冷剂和蒸气制冷剂。将分离器60内的液体制冷剂通过分离器60中的第一出口66提供给膨胀装置35。制冷剂在穿过膨胀装置35和蒸发器40之后被提供给喷射器70的第二入口74。如前所述，通过喷射器70的制冷剂流的高速度和压降通过喷射器70的第二入口74从蒸发器40抽取两相制冷剂的混合物。制冷剂然后返回到分离器60，在所述分离器60中，将所述制冷剂分离成液体制冷剂和蒸气制冷剂。因此，在蒸发器40的出口115处提供的液体制冷剂将继续循环通过回路58和蒸发器40直到其完全被气化。蒸气压缩循环还得益于这种配置的是喷射器70的放置降低了压缩机25的压缩比，从而增加了系统的性能系数。

分离器60的第二出口68被配置来将气化的制冷剂供应至压缩机25。在这种情况下，气化的制冷剂绕过膨胀装置35和蒸发器40。在冷冻器系统20包括制冷剂间热交换器45的实施方案中，来自冷凝器30的液体制冷剂可作为第一制冷剂流穿过热交换器45，之后被供应至喷射器70，并且在分离器60的第二出口68处提供的气化的制冷剂可作为第二制冷剂流穿过热交换器45，之后被供应至压缩机25。

本文所述的冷冻器系统20的各种实施方案具有至少等同于包括溢流式蒸发器的常规系统的效率或性能水平。此外，冷冻器系统20与不可混溶的油相容，这减少了系统所需的油量，并因此降低了成本。因此，可简化润滑系统50的设计。

尽管仅结合有限数量的实施方案对本发明进行了详细描述，但应容易理解，本发明不限于此类所公开的实施方案。相反，可对本发明进行修改，以并入以上未描述但与本发明精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等同布置。另外，尽管已描述了本发明的各种实施方案，但应理解，本发明的方面可仅包括所描述的实施方案中的一些。因此，本发明不应被视为受限于前述描述，而是仅受限于所附权利要求书的范围。

Claims (18)

1.一种冷冻器系统，其包括：

蒸气压缩回路，所述蒸气压缩回路包括流体联接并且具有从中循环通过的制冷剂的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，所述蒸发器是具有出口和与外部流体连通的入口的单个的直接交换热交换器，使得在所述蒸发器的所述出口处提供的所述制冷剂是液体制冷剂和蒸气制冷剂的两相混合物，并且所述蒸气制冷剂占所述两相混合物的小于或等于85%；

制冷剂间热交换器，所述制冷剂间热交换器流体联接到所述回路，所述制冷剂间热交换器被配置来将在所述蒸发器的所述出口处提供的所述蒸气制冷剂转变成过热蒸气；以及

制冷剂分离器，所述制冷剂分离器与所述蒸发器的所述出口和所述制冷剂间热交换器流体连通，其中，积累在所述制冷剂分离器中的液体制冷剂被再循环到所述蒸发器的所述入口。

2.根据权利要求1所述的冷冻器系统，其中所述制冷剂具有低的全球变暖潜势。

3.根据权利要求2所述的冷冻器系统，其中所述制冷剂包括氢氟烯烃(HFO)或HFO共混物中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的冷冻器系统，其还包括润滑系统，所述润滑系统包括大体布置在所述压缩机下游的油分离器，所述油分离器被配置来将与所述制冷剂分离的油供应至所述压缩机的一个或多个移动部件。

5.根据权利要求4所述的冷冻器系统，其中所述油是不可混溶的油。

6.一种冷冻器系统，其包括：

蒸气压缩回路，所述蒸气压缩回路包括流体联接并且具有从中循环通过的制冷剂的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，所述蒸发器是具有出口和与外部流体连通的入口的单个的直接交换热交换器，使得在所述蒸发器的所述出口处提供的所述制冷剂是液体制冷剂和蒸气制冷剂的两相混合物，并且所述蒸气制冷剂占所述两相混合物的小于或等于85%；以及

效率回路，所述效率回路包括被配置来将所述两相混合物分离成液体制冷剂和蒸气制冷剂的分离器，所述效率回路可操作地联接到所述蒸发器的所述出口并且被配置来使来自所述分离器的液体制冷剂从所述入口再循环通过所述蒸发器，以提高所述冷冻器系统的效率。

7.根据权利要求6所述的冷冻器系统，其中所述制冷剂具有低的全球变暖潜势。

8.根据权利要求7所述的冷冻器系统，其中所述制冷剂包括HFO。

9.根据权利要求6所述的冷冻器系统，其还包括润滑系统，所述润滑系统包括大体布置在所述压缩机下游的油分离器，所述油分离器被配置来将与所述制冷剂分离的油供应至所述压缩机的一个或多个移动部件。

10.根据权利要求9所述的冷冻器系统，其中所述油是不可混溶的油。

11.根据权利要求6所述的冷冻器系统，其中所述分离器可操作地联接到所述压缩机并且被配置来向其供应蒸气制冷剂。

12.根据权利要求11所述的冷冻器系统，其中所述效率回路还包括具有第一入口和第二入口的喷射器，所述喷射器大体定位在所述冷凝器的下游和所述分离器的上游。

13.根据权利要求12所述的冷冻器系统，其中所述分离器的第一出口可操作地联接到所述喷射器的所述第二入口并且被配置来向其供应液体制冷剂。

14.根据权利要求13所述的冷冻器系统，其中所述分离器大体布置在所述蒸发器的下游和所述压缩机的上游。

15.根据权利要求14所述的冷冻器系统，其中所述喷射器大体定位在所述膨胀阀的上游。

16.根据权利要求12所述的冷冻器系统，其中所述蒸发器的所述出口可操作地联接到所述喷射器的所述第二入口。

17.根据权利要求16所述的冷冻器系统，其中所述分离器大体布置在所述喷射器的下游并且大体布置在所述膨胀阀的上游。

18.根据权利要求6所述的冷冻器系统，其还包括：

制冷剂间热交换器，所述制冷剂间热交换器流体联接到所述蒸气压缩回路和所述效率回路，所述制冷剂间热交换器被配置来将从所述分离器的出口提供的所述蒸气制冷剂转变成过热蒸气。

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