CN1902448A - 氨/co2制冷系统,用于其中的co2盐水生成系统,以及结合该生成系统的氨冷却单元 - Google Patents

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Abstract

一种CO2盐水生成系统，即使CO2循环的冷却侧上的冷藏陈列柜因为客户原因安装在任意位置，也能可靠地形成组合氨循环与CO2循环的制冷循环。在该CO2盐水生成系统中包括：氨制冷循环；用于通过利用氨的蒸发潜热冷却/液化CO2的蒸发器；以及在向冷却负荷侧供应被蒸发器冷却/液化的CO2的供应线路中提供的液泵，所述液泵是可变液体供应受迫环流泵，其基于泵入口与出口之间的压力差和在冷却负荷侧上提供的CO2冷却器的温度和压力中的至少任何一个而受到可变控制。

Description

氨/CO2制冷系统，用于其中的CO2盐水生成系统， 以及结合该生成系统的氨冷却单元
技术领域
本发明涉及一种基于氨制冷循环和CO2制冷循环工作的制冷系统，一种生成其中所用的CO2盐水的系统，以及一种采用氨作为制冷剂并具有用于生成CO2盐水的系统的制冷单元，具体地，本发明涉及一种氨制冷循环，一种通过利用氨的汽化潜热而冷却和液化CO2的盐水冷却器，一种产生用于制冷系统的CO2盐水的装置，其中所述制冷系统在供应线路中具有向制冷负荷侧供应被所述盐水冷却器冷却和液化的液化CO2的液泵，以及一种具有所述盐水生成装置的氨制冷单元。
背景技术
近来出于防止臭氧层破坏及全球变暖的需要，在空调和制冷领域中，不仅从防止臭氧层破坏的观点出发，势必要避免使用CFC，还要从防止全球变暖的观点出发，回收替代的化合物HFC并提高能量效率。为满足该要求，考虑使用天然的制冷剂如氨、烃、空气、二氧化碳等，并且氨正被用于许多大型冷却/制冷装备中。在与所述大型冷却/制冷装备有关的小规模冷却/制冷装备，例如冷库、货物处置间及加工间中，天然制冷剂的应用也趋于增长。
但是，由于氨是有毒的，所以在很多制冰厂、冷库及食物冷冻厂中采用组合氨循环和CO2循环，并且CO2在制冷负荷侧中用作第二制冷剂的制冷循环。
在例如日本专利No.3458310中公开一种组合氨循环和二氧化碳循环的制冷系统。该系统的组成如图9(A)所示。在图中，首先，在氨循环中，被压缩机104压缩的气态氨在氨气经过冷凝器105时由冷却水或空气冷却而被液化。液化的氨在膨胀阀106上膨胀。蒸发时，氨从二氧化碳循环中的二氧化碳接收热量而使二氧化碳液化。
另一方面，在二氧化碳循环中，在级联冷凝器107中所冷却和液化的二氧化碳通过它的液压头(hydraulic head)向下流动经过流动调整阀108并进入底部加料型蒸发器109而进行所需冷却。在蒸发器109内加热并蒸发的二氧化碳再次回到级联冷凝器107，如此氨完成自然环流。
在所述现有技术的系统中，级联冷凝器107处于高于蒸发器108的位置，例如，位于屋顶上。由此，液压头在级联冷凝器107与具有冷却风扇109a的蒸发器之间生成。
其原理参照图1(B)的压力-焓图说明。在该图中，虚线示出使用压缩机的氨制冷循环，实线示出可通过使得在级联冷凝器107与底部加料型蒸发器109之间有液压头而实现的自然环流的CO2循环。
但是，所述现有技术包括一个根本的缺点，即级联冷凝器(在氨循环中用作蒸发器冷却二氧化碳)必须位于高于在CO2循环中进行所需冷却的蒸发器的位置。
特别地，为了用户方便可能出现要求冷藏陈列柜(refrigerating showcase)或冷冻单元安装在高层或中层建筑的较高层的情况，而现有技术的系统绝对不能处理类似这种的情况。
为处理这种情况，部分系统在二氧化碳循环中提供如图9(B)所示的液泵110促进二氧化碳制冷剂的环流，以确保更多正环流。但是，液泵只用作辅助手段，而主要地，用于冷却二氧化碳的自然环流由也在该现有技术中的级联冷凝器107与蒸发器109之间的液压头产生。
即，在现有技术中，如果CO2的自然环流是利用液压头产生，平行于该自然环流路线增加具有辅助泵的路径。(因此，具有辅助泵的路径应平行于自然环流路线。)
特别地，在保证了液压头的情况下，即如果级联冷凝器(用于冷却二氧化碳制冷剂的蒸发器)位于比用于在二氧化碳循环中进行冷却的蒸发器高的位置，图9(B)的现有技术利用液泵，在该现有技术中上述根本缺点还是没有解决。
另外，当蒸发器(冷藏陈列柜、冷却装置等)位于底层和一层，因而级联冷凝器与每个蒸发器之间的液压头会彼此不同时，该现有技术难以应用。
在现有技术中，对在级联冷凝器107与蒸发器109之间提供液压头有限制，即除非蒸发器是底部加料型，即CO2的入口位于蒸发器的底部而CO2的出口在其顶部提供，如图9(A)和图9(B)所示，否则不能发生自然环流。
但是，在底部加料型冷凝器中，液体CO2从低侧进入冷却管，在冷却管内蒸发，并在向上流动的同时接收到热，即吸收冷却管外空气的热，而蒸发的气体在冷却管内向上流动。因此，在冷却管内，上部分只由气态CO2填充，致使冷却效率很差，而只有低部的冷却管被有效冷却。另外，如果在入口侧提供液体收集器(liquid header)，在冷却管内不可能实现CO2的均匀分布。实际上，如图1(B)的压力-焓图所示，在液体CO2被充分蒸发后，CO2被回收到级联冷凝器。
通常利用的盐水生成装置包括：氨制冷循环；利用氨的汽化潜热而冷却和液化的盐水冷却剂；以及生成CO2盐水的装置，该装置在供应线路中具有液泵以向制冷负荷侧供应被所述盐水冷却剂冷却和液化的液化CO2。特别地，在氨循环中，使得被压缩机压缩的气态氨冷凝为液氨的冷凝部分是采用水或空气作为冷却介质的蒸发型冷凝器。
在由与本发明相同的申请人申请的日本公开专利申请2003-232583中公开包括蒸发型冷凝器的氨制冷单元的结构。
该现有技术的氨制冷单元的结构在图10中示出。该制冷单元这样组成：将压缩机1、盐水冷却剂3、膨胀阀23和高压液氨制冷剂接收器25等集成起来的下结构体56是密封结构；位于所述下结构体56上的上结构体55是双壳结构，该双壳结构将蒸发型冷凝器的喷水头61和其中集成换热器60的冷凝部分集成起来；冷却风扇63从在外机壳65内提供的空气入口抽吸冷却空气，所述冷却空气被从蒸发型冷凝器下导入换热器60；冷却空气以及被喷洒的水冷却在换热器60的倾斜的冷却管内流动的高压、高温氨气以冷凝氨，喷洒的水通过溶解泄露的氨而使泄露的氨无害化。
所述蒸发型冷凝器包括：倾斜的多管换热器60，喷水头61，消除器64，以及换热后送出空气的冷却风扇63。为了形成双壳结构，提供外机壳65围绕立方形冷凝部分，该部分包括换热器60，喷水头61以及消除器64，并向下打开以容许冷却空气导入该冷凝部分内。
所述倾斜的多管换热器60包括：一对管端支撑板，每个具有收集器60c、60d，以及多个倾斜的冷却管60g。水从在换热器60上方提供的喷水头61喷洒到倾斜的冷却管60g，以利用水的汽化潜热冷却这些管道。从空气入口导入的冷却空气经过消除器64并由在消除器64上方提供的冷却风扇送出。
多个消除器64并置在一平面上，以防止从喷头61朝倾斜的冷却管10g发散的水滴飞溅。因此，被冷却风扇63抽吸的空气经过消除器64之间的空间后，空气流的压力损失很大，使得必须增加扇功率，致使噪音和驱动功率增加。(图中箭头示出空气流。)
另外，如果在下结构体内使用和容纳用氨的装置和部分用二氧化碳的装置，如下所述，可能出现氨从压缩机的轴承等泄露的情况。尽管下部被密封，由于氨气有毒且易燃，也必须提供处理氨泄露的统计测量。
发明内容
根据上述问题做出本发明，本发明的一个目的是提供一种氨/CO2制冷系统以及一种用于其中的CO2盐水生成系统，即使CO2盐水生成系统位于根据用户方便的任何位置，也能无问题地建立组合氨循环与CO2循环的循环，其中所述CO2盐水生成系统包括：进行氨制冷循环的装置；用于通过利用氨的汽化潜热冷却和冷凝CO2的盐水冷却器；以及在向制冷负荷侧供应所冷却和液化的CO2的供应线路中提供的液泵；以及制冷负荷侧装置例如冷冻橱窗。
本发明的另一个目的是提供一种制冷系统，其中形成CO2环流循环可不考虑CO2循环侧冷却器的位置、其种类(底部加料型或顶部加料型)以及其数量，乃至即使CO2盐水冷却器位于低于制冷负荷侧冷却器的位置，以及用于该制冷系统中的一种CO2盐水生成系统。
本发明的另一个目的是提供一种集成CO2盐水生成系统的氨制冷单元，其中，当消除器位于冷凝器部分与冷却风扇之间时，经过该消除器的冷却空气流的损失可减少。
本发明的另一个目的是提供一种氨冷却单元，其中，如果通过利用容纳在一个空间中的氨系统和一部分二氧化碳系统组成氨制冷单元，即使出现泄露，有毒的氨泄露也可容易地无毒化，而氨气着火导致的火灾也可容易地得到防止。
为实现本发明的目的，本发明提出第一发明，一种氨/CO2制冷系统，包括：进行氨制冷循环的装置；用于通过利用氨的汽化潜热冷却和冷凝CO2的盐水冷却器；以及在向制冷负荷侧冷却器供应所冷却和液化的CO2的供应线路中提供的液泵，其中所述液泵是使CO2受迫环流的可变排量泵，并且受迫环流流量被确定，使得CO2在液体或液/所混合状态下从制冷负荷侧冷却器的出口被回收。
优选地，释放通路将能容许部分蒸发的所述制冷负荷侧冷却器连接到在其下游提供的盐水冷却器或贮液器，CO2回收通路将所述负荷侧冷却器的出口连接到盐水冷却器，并且当负荷侧冷却器内的压力等于或高于预设值时，通过所述释放通路释放CO2压力。
可提供能容许在液体或液/气混合态(不完全蒸发状态)下蒸发的多个所述冷却器，并且其中至少一个可为顶料加料型。
优选地，所述泵连接到能间断和/或可变速驱动的驱动装置，例如变频电机。
优选地，所述泵由变频电机驱动，并在启动时结合间断和变速控制操作，以使所述泵在低于设计允许压力的压力下运转，然后在控制转速的同时运转。
优选地，从所述泵的出口延伸的供应线路通过绝热接头连接到制冷负荷侧。
根据本发明，由于液泵是可变排量泵，其容许CO2的受迫环流并能排出大于制冷负荷侧冷却器所需环流流量的2倍，优选为3～4倍，使得CO2在液/气混合态下从制冷负荷侧冷却器的出口被回收，因此，即使氨循环中的CO2盐水冷却器位于建筑地下室，而能容许在液体或液/气混合态(不充分蒸发态)下蒸发的冷却器例如橱窗等位于地上的任意位置，CO2也可在CO2内平滑地环流。因此，如果冷却器(冷藏陈列柜，室内冷却器等)安装在建筑的底层和第一层，与每个冷却器与CO2盐水冷却器无关，可进行CO2循环操作。
进一步地，由于系统的组成使得CO2从能容许在液体或液/气混合态下蒸发的冷却器的出口被回收到盐水冷却器，所以即使该冷却器是底部加料型，即使在冷却器的冷却管上部内，CO2也保持在液/气混合态。因此，不会出现冷却管上部只由气态CO2填充导致不充分冷却的情况，因此在整个冷却管内有效进行冷却器内的冷却。
如果泵排出能容许在液体或液/气混合态(不充分蒸发态)下蒸发的冷却器所需CO2环流流量的2倍，优选为3～4倍，为在正常温度条件下完成启动，在液泵启动时，可能发生不希望的压力上升到高于泵的允许设计压力的危险。
因此，优选地，组合泵的间断操作和转速控制，以使所述泵在低于设计允许压力的压力下运转，然后在控制转速的同时运转。
为使得所述泵可进行这种操作，优选地，所述泵连接到能间断和/或可变速驱动的驱动装置，例如变频电机。
进一步地，优选地，作为安全设计，提供连接制冷负荷侧冷却器与在其下游提供的CO2盐水冷却器或贮液器的压力释放通路，以及将所述冷却器的出口连接到CO2盐水冷却器的CO2回收通路，使得当负荷侧冷却器内的压力超过预设压力(接近设计压力，例如设计制冷负荷的90％负荷的压力)时，CO2压力可通过所述释放通路释放。
进一步地，在提供多个负荷侧冷却器，并且CO2通过从液泵分支的通路供应到冷却器时，或在制冷负荷改变很大时，甚或至少一个冷却器是顶部加料型时，可应用本发明的系统。
进一步地，每次泵停止前系统操作完成时，都必须回收制冷负荷侧内的CO2。优选地，如果所述制冷负荷是包含冷却器的制冷装备，检测容纳所述装备的空间的温度以及负荷侧冷却器出口处的CO2压力，并完成CO2回收控制，其中在通过比较所检测温度下的CO2的饱和温度与所述空间的温度判断残余在冷却器内的CO2量的同时判断停止冷却器的冷却风扇的时间。
进一步地，当所述制冷负荷是包含除霜型冷却器(defrosting type cooler)的制冷装备时，通过在喷洒除霜用的水(water for defrosting)的同时回收，可缩短CO2回收所用时间。
在这种情况下，优选地，在冷却器出口处检测CO2压力，并基于所测压力控制喷洒的水的量。
优选地，从所述泵的出口延伸的供应线路通过绝热接头连接到制冷负荷侧。
本发明提出一种CO2盐水生成系统作为第二发明，其中，CO2盐水生成系统包括：进行氨制冷循环的装置；用于通过利用氨的汽化潜热冷却和冷凝CO2的盐水冷却器；以及在向制冷负荷侧供应所冷却和液化的CO2的供应线路中提供的液泵，其中所述液泵是使CO2受迫环流的可变排量泵，并且所述液泵基于所述泵的出口与入口之间的压力差或在提供到所述制冷负荷侧的冷却器内的温度或压力的检测信号中的至少一个而被控制改变其排量。
本发明中，优选地，提供过冷器以基于贮液器内或供应线路内CO2的冷却状态的条件而使为贮存所冷却和液化的CO2而提供的贮液器内至少一部分液体CO2过冷。
进一步地，优选地，CO2的冷却状态的条件由控制器判断，所述控制器通过检测贮液器内液体的压力和温度并将所测压力下的饱和温度与所测液体温度比较而确定过冷的程度。
进一步地，优选地，提供压力传感器以检测所述液泵的出口与入口之间的压力差，并基于来自所述压力传感器的信号判断CO2的冷却条件。
可以将该过冷器构成分支的氨气线路，以便绕过将氨引入该氨制冷循环中的氨蒸发器的线路。。
作为本发明的另一个优选实施例，优选地，提供旁路通路，以利用开/关控制阀所述液泵出口侧与能够容许部分蒸发的冷却器之间旁通。
作为本发明的另一个优选实施例，优选提供控制器以基于所述液泵的出口与入口之间所测的压力差在氨制冷循环内强制卸载压缩机。优选在CO2盐水生成侧的盐水线路与制冷侧盐水线路的接头部分采用绝热接头。
根据第二发明，可有效制造其中二氧化碳(CO2)作为第二制冷剂依靠液泵进行环流的CO2盐水生成系统。具体地，根据第一和第二发明，通过采用依靠液泵的受迫环流，通过使能容许在液体或液/气混合态(不完全蒸发态)下蒸发的冷却器可被液体填充以及通过提高冷却管内液体速度，增强热传递，并且进一步地，如果提供多个冷却器，液体可被有效分配。其中所述液泵的容量大于制冷负荷侧所需环流流量(3～4倍于所需流量)。
进一步地，通过在贮液器内部或外部提供过冷器，以基于贮液器内或供应线路内的液体CO2的冷却条件全部或部分地过冷贮液器内的液体。
进一步地，通过在液泵出口与盐水冷却器之间提供旁路通路，以使CO2可通过开/关控制阀旁通到盐水冷却器，即使启动时过冷程度下降，或制冷波动而泵入口与出口之间压力差下降并出现空腔状态时，液/气混合态的CO2也可从泵的出口旁通到盐水冷却器，以使CO2气体可液化，使得可及早消除空腔状态。
进一步地，如果提供控制器以基于所述液泵的出口与入口之间的压力差在氨制冷循环内强制卸载压缩机，当泵的入口与出口之间的压力差下降并出现空腔状态时，如上所述，卸载压缩机可被强制执行，以容许CO2的明显饱和温度上升而确保过冷程度，从而及早消除空腔状态。
第三发明涉及一种用于生成CO2盐水的氨冷却单元，包含：氨压缩机；用于通过利用氨的汽化潜热冷却和冷凝CO2的盐水冷却器；以及在向位于该单元的内部空间内的制冷负荷侧供应所冷却和液化的CO2的供应线路中提供的液泵，其特征在于：所述液泵是可变排量泵，该可变排量泵基于所述泵的出口与入口之间的压力差或在提供到所述制冷负荷侧的冷却器内的温度或压力的检测信号中的至少一个而被控制改变其排量以使CO2受迫环流，在该单元的内部空间内提供用于氨去毒的水箱，并且其中提供中和线路以将容纳在该单元内部空间中的CO2系统内的CO2导入所述水箱。
根据本发明，除第一和第二发明所获得的效果外，还获得以下效果：如果氨从容纳在该单元内部空间内的氨系统泄露，二氧化碳可导入氨去毒水箱以中和水箱内氨的碱性溶液。
进一步地，本发明的特征在于：所述液泵是可变排量泵，该可变排量泵基于所述泵的出口与入口之间的压力差或在提供到所述制冷负荷侧的冷却器内的温度或压力的检测信号中的至少一个而被控制改变其排量以使CO2受迫环流，并且其中提供CO2注入线路，用于将该单元内部空间中的CO2系统内的CO2朝面向氨系统的部分注入。
根据如此的本发明，除第一和第二发明所获得的效果外，还获得以下效果：如果氨从容纳在该单元内部空间内的氨系统泄露，二氧化碳可被强制朝容纳在该单元内部空间内的氨系统喷出，使得在喷出的二氧化碳与泄露的氨之间发生化学反应生成碳酸铵以使泄露的氨无毒化，并进一步提高系统的安全性。
进一步地，本发明的特征在于：所述液泵是可变排量泵，该可变排量泵基于所述泵的出口与入口之间的压力差或在提供到所述制冷负荷侧的冷却器内的温度或压力的检测信号中的至少一个而被控制改变其排量以使CO2受迫环流，提供CO2喷出部分以将该单元内部空间中的CO2系统内的CO2释放到空间内，并且其中基于该单元空间的温度或CO2系统内的压力完成所述部分的开/关控制。
根据如此的本发明，除第一和第二发明所获得的效果外，还获得以下效果：如果由于氨泄露发生火灾，并且单元内部空间内的温度上升或CO2系统内的压力上升，通过容许二氧化碳从CO2喷出部分释放到空间内而熄灭火灾或消除不正常的压力上升。
通常，在利用CO2作为制冷剂的装置内，装置停止延长的时间后压力会上升。为解决这一问题，常规地，在装置内进行机器的受迫运转，或在非工作时间提供小型机器。但是，由于CO2即使泄露到大气也是安全的，通过从CO2喷出部分释放CO2，可消除不正常的压力上升。
优选地，用于将CO2系统内的CO2释放到该单元内部空间的所述CO2喷出部分在围绕贮液器的注入线路的末端形成，在所述贮液器内提供过冷器以基于贮液器内或供应线路内的液体CO2的冷却条件至少部分地过冷其中的液体CO2，或在贮液器外部提供过冷器时接触所述过冷器。通过这种方式，由于在与过冷器接触或围绕贮液器的注入线路内冷却的CO2从喷出部分释放，系统的安全性提高。
本发明提出一种用于生成CO2盐水的氨制冷单元作为第四发明，所述氨制冷单元包含：氨压缩机；用于通过利用氨的汽化潜热冷却和冷凝CO2的盐水冷却器；以及在向位于该单元的封闭空间内部内的制冷负荷侧供应所冷却和液化的CO2的供应线路中提供的液泵，另一方面蒸发型冷凝器位于该单元的开放空间侧，并且该冷凝器包括：包括冷却管的换热器，喷水器，并排布置的多个消除器，以及冷却扇，其中所述液泵是可变排量泵，该可变排量泵基于所述泵的出口与入口之间的压力差或在提供到所述制冷负荷侧的冷却器内的温度或压力的检测信号中的至少一个而被控制改变其排量以使CO2受迫环流，并且其中互相邻近的消除器位于互成阶梯的位置，使得一个消除器的侧壁的上部分面向相邻消除器侧壁的下部分。
根据如此的本发明，除第一发明所获得的效果外，还获得以下效果：由于互相邻近的消除器位于互成阶梯的位置，使得一个消除器的侧壁的上部分面向相邻消除器侧壁的下部分，消除器之间的压力损失可减少，因此有一小缝隙(通常为壳体)地直接互相面对的消除器的侧壁部分的高度可减少。
进一步地，从喷头发散的水滴冲击消除器阶梯布置下与位于低位置的消除器相邻的消除器的侧壁，被冲击的水滴尺寸增加，而较不易于被风扇向上抽吸，由此水滴的飞溅得到有效防止。
进一步地，根据本发明，通过将所述换热器组成为具有引导压缩氨气以分布流入冷却管内的入口收集器的倾斜的多管换热器，并将隔板附接到收集器面向入口开口的位置以引导压缩氨气，从入口开口导入的氨气冲击隔板并均匀地进入倾斜的多管换热器的管道。
附图说明
图1示出组合的氨与CO2制冷循环的压力-焓图，(A)是在根据本发明的系统中工作时的循环的图，而(B)是在现有技术的系统中工作时的循环的图。
图2(A)～(D)是第一到第四发明的各种连接图。
图3示意性示出机器单元(CO2盐水生成单元)的总体结构，所述机器单元包含氨制冷循环部分和氨/CO2换热部分以及用于通过利用在机器单元侧冷却到液态的液体CO2的汽化潜热而将制冷负荷制冷的冷冻单元。
图4是图3的实施例的流程图。
图5是示出本发明的液泵转速变化与液泵出口与入口之间压力差的图。
图6是示意性示出具有蒸发型冷凝器的氨制冷单元结构的第二实施例的示意性表示。
图7(A)是示出图6的氨制冷单元的蒸发型冷凝器的结构的部分剖视图，图7(B)是图7(A)中的点划线圆所围绕的部分的水平剖视图，而图7(C)是同一部分的垂直剖视图。
图8是图6的单元的消除器布置的详细视图。
图9(A)、(B)是将氨循环与CO2循环组合起来的现有技术的制冷系统。
图10是具有蒸发型冷凝器的现有技术的氨制冷单元的示意性表示。
具体实施方式
现将参照附图详细描述本发明的优选实施例。但是，除非特别指出，在实施例中要素部分的尺寸、材料相对位置等应被理解为只是本发明范围的说明而不是限制。
图1(A)是本发明的氨循环与CO2循环的压力-焓图，其中虚线示出氨制冷循环，而实线示出受迫环流的CO2循环。在盐水冷却器内生成的液体CO2被通过液泵供应到制冷负荷侧以产生CO2受迫环流。液泵的排出容量被确定为等于或大于液体或液/气混合态(不充分蒸发态)的CO2可被蒸发的冷却器侧所需环流流量的两倍，以容许CO2在液态或液/气混合态下回收到盐水冷却器。因此，即使盐水冷却器位于低于制冷负荷侧冷却器的位置，由于在冷却器出口与盐水冷却器入口之间可确保足够的压力差，液体CO2也可被供应到制冷负荷侧冷却器，并且即使CO2处于液体或液/气混合态，CO2也可回到盐水冷却器。(这在图1(A)中示出，其中CO2循环在进入气态区域前返回。)
因此，当系统的构造使得液态或液/气混合态的CO2可回到能容许在液态或液/气混合态(不完全蒸发态)下蒸发的盐水冷却器，即使在盐水冷却器与制冷负荷侧冷却器之间没有足够的液压头，并且它们之间的距离有些长，该系统也可应用到所有制冷系统以冷却多个室(冷却器)而不考虑冷却器的类型，例如底部加料型或顶部加料型。
在图2中示出各种框图。图中，参考符号A是集成氨制冷循环部分的机器单元和集成氨/CO2换热部分(包括盐水冷却器和CO2泵)的机器单元(CO2盐水生成装置)，而参考符号B是用于由在机器单元A中产生CO2盐水(液体CO2)的汽化潜热和显热冷却(冷冻)制冷负荷侧的冷冻单元。
接下来，将说明机器单元A的构造(见图3)。
图3中，参考标号1是压缩机。被压缩机1压缩的氨气在冷凝器2内冷凝，然后被冷凝的液氨在膨胀阀23膨胀而被导入到CO2盐水冷却器3，以在其中蒸发同时换热，蒸发的氨气被导入压缩机1内，如此进行氨制冷循环。
CO2盐水冷却制冷负荷，同时，在冷冻单元B内的蒸发被导入盐水冷却器3，其中液体和气态CO2的混合物通过与氨制冷剂的换热而冷却到被冷凝，而被冷凝的液体CO2通过由可变转速的变频电机驱动并能间断旋转的液泵5返回冷冻单元B。
接下来将说明冷冻单元B。冷冻单元B在液泵5的排出侧与盐水冷却器3的入口侧之间具有CO2盐水线路，在该线路上提供一个或多个能容许在液体或液/气混合态(不充分蒸发态)下蒸发的冷却器6。导入冷冻单元B的液体CO2在该冷却器或冷却器6内部分蒸发，而CO2在液体或液/气混合态下回到机器单元A的CO2盐水冷却器，如此，进行CO2的第二制冷剂循环。
在图2(A)中，在液泵5的下游提供顶部加料型冷却器6和底部加料型冷却器6。为了防止易于在底部加料型冷却器内出现的因气化的CO2而造成的不希望的压力增加，以及发动时加于在冷却器6与盐水冷却器3之间提供的回收线路53的压力增加，具有安全阀或压力调节阀31的释放线路30在能容许在液体或液/气混合态下蒸发的冷却器6与盐水冷却器3之间提供。
当冷却器6内的压力上升到预设压力以上时，压力调节阀31打开以使CO2可通过释放线路30选出。
图2(B)是提供单个顶部加料型冷却器的例子。在这种情况中，具有安全阀或压力调节阀31的释放线路30也提供在能容许在液体或液/气混合态下蒸发的冷却器6与盐水冷却器3之间，以防止发动时加于在冷却器6与盐水冷却器3之间提供的回收线路53的压力增加。
图2(C)是在进给线路52内提供多个液泵用于向底部加料型冷却器6进料，以产生各自独立的受迫环流的例子。
利用如此结构，即使在盐水冷却器3与制冷负荷侧冷却器6之间没有足够的液压头，并且它们之间距离有些长，所需量的CO2也可被受迫环流。每个泵5的排出容量应高于每个冷却器6所需流量的两倍，以使得CO2可在液体或液/气混合态下回收。
图2(D)是提供单个底部加料型冷却器的例子。在这种情况中具有安全阀或压力调节阀31的释放线路30也提供在冷却器6与盐水冷却器3之间，以防止因气化的CO2而造成的不希望的压力增加，以及发动时加于在冷却器6与盐水冷却器3之间提供的回收线路53的压力增加。
实施例1
图3是受迫CO2环流型制冷装置的示意性表示，其中已用其汽化潜热冷却制冷负荷的CO2盐水返回以通过与氨制冷剂的换热而被冷却。
图3中，参考符号A是集成氨制冷循环部分和氨/CO2换热部分的机器单元(CO2盐水生成装置)，而B是通过利用在机器单元侧内冷却的CO2的汽化潜热冷却(制冷)制冷负荷的冷冻单元。
接下来，将说明机器单元A。
图3中，参考标号1是压缩机。被压缩机1压缩的氨气在蒸发型冷凝器2内冷凝，然后被冷凝的液氨在膨胀阀23膨胀而通过线路24导入CO2盐水冷却器3内。氨在盐水冷却器3内蒸发同时与CO2换热，并被再次导入压缩机1而完成氨循环。参考标号8是连接到绕过膨胀阀23的出口侧与盐水冷却器3之间的线路24的旁路管的过冷器，该过冷器8被集成在CO2贮液器4内。
参考标号7是氨去毒水箱，喷洒在蒸发型氨冷凝器2上并收集到水箱7内的水被通过泵26环流。
从冷冻单元B侧通过绝热接头10回收的CO2盐水被导入CO2盐水冷却器3，在这里通过与氨制冷剂换热而冷却并冷凝，被冷凝的液体CO2导入贮液器4内而在其中通过过冷器8过冷到低于氨蒸汽饱和温度1～5℃。
被过冷的液体CO2通过在CO2进给线路52内提供并由可变转速的变频电机51驱动的液泵5导入冷冻单元B侧。
参考标号9是连接液泵5和盐水冷却器3的旁路通路，11则是连接到去毒喷嘴91的氨去毒线路，其中来自盐水冷却器3的液体CO2或液/气混合CO2通过开/关阀911从所述去毒喷嘴91喷出到氨可能泄露的空间，例如压缩机1附近。
参考标号12是中和线路，CO2通过该中和线路12从盐水冷却器3导入去毒水箱7以将氨中和为碳酸铵。
参考标号13是熄火线路。当在单元内出现着火时，阀131打开以使CO2喷出而熄灭火灾，阀131组成安全阀，当检测到温度上升或检测到盐水冷却器3内CO2不正常的压力上升时打开。
参考标号14是CO2释放线路。当单元A内的温度上升时，阀151打开，CO2盐水冷却器3内的CO2可通过围绕贮液器4的注入线路15释放到该单元内部的空间以冷却该空间。阀151组成安全阀，在负荷操作期间当盐水冷却器内的压力上升到预设压力以上时打开。
接下来，将说明冷冻单元B。
在冷冻单元B中，多个CO2盐水冷却器6位于沿传输器的传送方向传送食品27以供冷冻的传输器25的上方。通过绝热接头10导入的液体CO2在冷却器6内部分蒸发，通过冷却风扇29朝食品27带来的空气在它到食品的路上被冷却器6冷却。
冷却风扇沿传输器25布置并由变频电机261驱动，使其转速可被控制。
在冷却风扇29与冷却器6之间提供联通除霜热源(defrost heat source)的除霜喷嘴28。
由在冷却器6内部分蒸发而产生的气/液混合CO2通过绝热接头10返回机器单元A内的CO2盐水冷却器3，从而完成第二制冷剂循环。
具有安全阀或压力调节阀31的释放线路30设置在能容许在液体或液/气混合态下的蒸发的冷却器6与在盐水冷却器下游提供的盐水冷却器3或贮液器4之间，以防止因气化的CO2而造成的不希望的压力上升以及开动时加于连接每个冷却器6的出口侧与盐水冷却器3的回收线路的压力上升。
将参照图3和图4说明实施例1类似这样的工作。图中，参考符号T1是用于检测贮液器4内的液体CO2温度的温度传感器，T2是用于检测冷冻单元B的入口侧的CO2温度的温度传感器，T3是用于检测冷冻单元B的出口侧的CO2温度的温度传感器，T4是用于检测冷冻单元B内的空间温度的温度传感器，P1是用于检测贮液器4内压力的压力传感器，P2是用于检测冷却器6内压力的压力传感器，P3是用于检测液泵5的出口与入口之间的压力差的压力传感器，CL是用于控制驱动液泵5的变频电机51和驱动冷却器风扇29的变频电机261的控制器。参考标号20是向过冷器8供应氨的旁路管81的开/关控制阀，21是连接液泵5的出口侧与CO2盐水冷却器3的旁路通路9的开/关控制阀。
实施例1的组成使得，提供控制器CL，通过基于传感器T1和P1的信号比较饱和温度与液体CO2的检测温度而确定过冷的程度，并且可调整导入旁路管8的氨制冷剂的量。由此，贮液器4内的CO2温度可被控制为低于饱和温度1～5℃。
过冷器8可独立设置在贮液器4外部而不必在贮液器4内部。
如此构造，贮液器4内全部或部分液体CO2可由过冷器8稳定地过冷到过冷所需程度的温度。
来自传感器P2检测能容许在液体或液/气混合态(不充分蒸发状态)下蒸发的冷却器6内的压力的信号输入到控制变频电机(inverter motor)51的控制器以调整液泵5的排出(该调整包括排出的无级调节与间断排出)，并且可通过控制变频器(inverter)51实现CO2稳定供应到冷却器6。
另外，控制器CL还基于来自传感器P2的信号控制变频电机261，冷却器风扇29的转速与液泵5的转速一起受到控制，使得CO2液流和冷却空气流受到适当控制。
将CO2盐水进给到冷冻单元B侧的液泵5排出制冷负荷侧(冷冻单元B侧)所需CO2盐水量的3～4倍，以产生CO2盐水的受迫环流，而冷却器6由液体CO2填充，并且通过使用变频器(inverter)51，液体CO2的速度增加，使得热传递性能增加。
另外，当液体CO2通过具有3～4倍制冷负荷侧必须流量的排出容量的可变排出(具有变频电机)的液泵5被受迫环流时，即使在提供多个冷却器的情况下也可良好完成液体CO2到冷却器6的分布。
另外，当开动或制冷负荷变化时，过冷程度降低，泵5的出口与入口之间的压力差降低而出现空腔状态，此时检测压力差的传感器P3检测到泵的出口与入口之间的压力差下降，控制器CL容许旁路通道9上的开/关控制阀21打开，CO2旁通到CO2盐水冷却器3，因此空腔状态下的气/液混合态CO2的气体可被液化。
所述控制可在氨循环中完成，其方式为，当开动或制冷负荷变化时，过冷程度降低，泵5的出口与入口之间的压力差降低而出现空腔状态，此时压力传感器P3检测到液泵5的出口与入口之间的压力差下降，控制器CL控制一控制阀卸载压缩机1(容积型压缩机(displacement type compressor))，以容许CO2的明显饱和温度上升而确保过冷程度。
接下来，将参照图5说明实施例1的操作方法。
首先，氨循环侧中的压缩机1运转冷却盐水冷却器3和贮液器4内的液体CO2。起动时，液泵5间断/循环运行。
液泵5以0％→100％→60％→0％→100％→60％的转速运转。这里，100％的转速意为泵被变频电机以电源本身的频率驱动，而0％意为停止泵的运转。通过以这种方式操作，可防止泵的出口与入口之间的压力差大于设计压力。
首先，在100％下运转泵，当泵的出口与入口之间的压力差达到满负荷运转(满负荷泵压头)值时，降低到60％，然后液泵的运转停止预设时间，此后再次在100％下运转，当泵的出口与入口之间的压力差达到满负荷运转(满负荷泵压头)值时，降低到60％，然后转到正常运转，同时提高变频频率以增加泵的转速。
通过以这种方式操作，可避免出现不希望的压力上升到泵的设计压力以上，从而在正常温度状态下以及在液泵容量被确定为大于2倍，优选为3～4倍能够容许在液体或液/气混合态(不充分蒸发态)下蒸发的冷却器所需环流流量的情况下开始系统运转。
冷冻操作结束后清洁冷冻器单元时，必须通过机器单元的盐水冷却器3将冷冻器单元B内的CO2回收到贮液器4。该回收操作可通过以下操作而受到控制：分别由温度传感器T2、T3检测入口侧的液体CO2温度与冷却器6出口侧的气态CO2温度，由控制器CL获得T2和T3所检测的温度之间的差，以及判断冷冻单元B内的CO2的剩余量。即，在温度差变为零时判断回收完成。
回收操作还可通过以下操作而受到控制：由温度传感器T4和压力传感器P2分别检测冷冻单元内空间的温度和冷却器3出口侧的压力，将传感器T4所检测的空间温度与在传感器P2检测的压力下CO2的饱和温度比较，以及基于饱和温度与检测到的空间温度之间的差判断CO2是否残留在冷冻器单元B内。
如果冷却器6是喷水除霜型，通过利用喷水的热缩短CO2回收所需时间。在这种情况中，适于进行除霜控制，其中监视由传感器P2检测的冷却器6的出口侧的CO2的压力差而控制喷水的量。
进一步地，在冷冻单元B内处理食品时，操作结束后可进行该单元的高温灭菌。因此，机器单元A的CO2线路到冷冻单元B的CO2线路的连接部分使用低导热材料，例如强化玻璃等制成的绝热接头，使得热不会通过连接部分传导到机器单元A的CO2线路。
[实施例2]
图6～8示出例子，当图3的机器单元的构造使得在一个单元内采用和容纳氨循环部分和一部分二氧化碳循环部分而组成制冷单元。
如图6所示，本发明的氨制冷单元A位于室外，单元A生成的CO2的冷热(低温热)被传递到制冷负荷，例如图3的冷冻单元。氨制冷单元A包括两个结构体，下结构体56和上结构体55。
下结构体56包含除蒸发型冷凝器外的氨循环设备以及一部分CO2循环设备。附接于上结构体55的有排泄盘62、蒸发型冷凝器2、外机壳65、冷却风扇63等。蒸发型冷凝器2包括倾斜的多管换热器60、喷水头61、阶梯式布置的消除器64、冷却风扇63等。外部空气被冷却风扇抽吸而从空气入口开口69导入(见图7(A))。空气从蒸发型冷凝器2下方向上流动到换热器60。水从喷水头61喷洒到换热器的冷却管上。在冷却管内流动的高压、高温氨气被喷洒的水和冷却风扇抽吸的空气冷却，而如果出现泄露的话，泄露的氨汇集到排泄盘上方的空间并溶解到喷洒的水内而去毒。
如图7所示，倾斜的多管换热器60包括多个倾斜的冷却管60g，这些管穿过两边的管支撑板60a和60b并从入口侧收集器60c向下倾斜到出口侧收集器60d。由于冷却管60g的倾斜，从入口侧收集器60c导入的制冷剂气体在朝出口侧收集器60d流动的过程中被空气和喷洒的水冷却和冷凝，而在冷却管内表面上形成的制冷剂液膜不停滞而是朝出口侧收集器60d向下移动。因此，制冷剂气体在冷却管内被高效率地冷凝，制冷剂在换热器中停留的时间可被缩短。因此，可通过采用上述换热器实现冷凝效率提高以及残留在单元内的制冷剂量的显著减少。
如图7(C)所示，入口侧收集器60c形成为半圆形部分，具有多个孔的隔板在面向入口孔道67的位置上附接在内部。从入口孔道67的开口导入的氨气冲击隔板66，一部分氨气通过隔板66的孔前进到位于隔板66后部的冷却管，而另一部分氨制冷剂则朝隔板两侧转向而被引导进入位于相对入口孔道67的开口中心远侧的冷却管，于是氨气被均匀地导入冷却管10g内，如图7(B)所示。
接收从喷水头61喷洒的冷却水的排泄盘62位于倾斜的多管换热器60下方并形成下结构体56与上结构体55之间的边界。排泄盘62的底板的形状类似空心漏斗，使得落入排泄盘内的冷却水朝排泄管(图6中未示出)平滑地流动，而不会在排泄盘内被截流而排到氨去毒水箱7。
位于冷却风扇与喷水头61之间的消除器64布置为互相邻近。互相邻近的消除器64A和64B位于互成阶梯的位置，使得消除器64B的侧壁的上部分面向消除器64A的侧壁的下部分。该台阶，即消除器64A的底部与消除器64B的顶部之间的距离被确定为大约它们高度的一半，即大约50mm。
因此，如图8所示，从喷水头61发散的水滴撞击相邻于上消除器64A的下消除器64B的侧壁64a，水滴变大。大水滴较不易于被冷却风扇63吸取，从而可防止水滴向上飞溅。
图8是提供多个冷却风扇的实施例。
顺便提及，在图6中，由圆圈所圈起的A部分连接到由圆圈所圈起的Aa部分，而由圆圈所圈起的B部分连接到由圆圈所圈起的Bb部分。
工业应用性
如上所述，根据本发明，在单个单元内应用氨制冷循环，通过利用氨的汽化潜热冷却和液化CO2的CO2盐水冷却器(氨蒸发器)，以及在向制冷负荷侧供应CO2的CO2供应线路内具有液泵的CO2盐水生成装置，并且氨循环和CO2盐水循环可无问题的组合，即使制冷负荷例如冷藏陈列柜等位于根据用户方便的环境的任何位置。
进一步地，根据本发明，形成CO2环流循环可不考虑CO2循环侧冷却器的位置、其种类(底部加料型或顶部加料型)以及其数量，乃至即使CO2盐水冷却器位于低于制冷负荷侧冷却器的位置。
进一步地，根据本发明，组成包括蒸发型冷凝器的氨制冷单元，其中，当消除器位于冷凝器部分与冷却风扇之间时，经过该消除器的冷却空气流的压力损失可减少。
进一步地，根据本发明，如果通过利用容纳在一个空间中的氨系统和一部分二氧化碳系统组成氨制冷单元，即使出现泄露，有毒的氨泄露也可容易地无毒化，而氨气着火导致的火灾也可容易地得到防止。

Claims (22)

1.一种氨/CO2制冷系统，包括：进行氨制冷循环的装置；用于通过利用氨的汽化潜热冷却和冷凝CO2的盐水冷却器；以及在向制冷负荷侧冷却器供应所冷却和液化的CO2的供应线路中提供的液泵，其中所述液泵是使CO2受迫环流的可变排量泵，并且受迫环流流量被确定为使得CO2在液体或液/气混合状态下从制冷负荷侧冷却器的出口被回收。
2.根据权利要求1所述的氨/CO2制冷系统，其中一释放通路将能容许在液体或液/气混合态(不完全蒸发状态)下蒸发的所述制冷负荷侧冷却器连接到在其下游提供的盐水冷却器或贮液器，CO2回收通路将所述负荷侧冷却器的出口连接到盐水冷却器，并且当负荷侧冷却器内的压力等于或高于一预设值时，通过所述释放通路释放CO2压力。
3.根据权利要求1所述的氨/CO2制冷系统，其中能容许在不完全蒸发状态下蒸发的所述冷却器是顶部加料型。
4.根据权利要求1或2所述的氨/CO2制冷系统，其中所述泵连接到能间断和/或可变速驱动的驱动装置。
5.根据权利要求1所述的氨/CO2制冷系统，其中所述泵启动时结合间断和速度控制驱动而操作，以使所述泵在低于设计允许压力的压力下运转，然后在控制转速的同时运转。
6.根据权利要求1所述的氨/CO2制冷系统，其中，当所述制冷负荷是包含能容许在液体或液/气混合态(不完全蒸发态)下蒸发的所述冷却器的制冷装备时，检测容纳所述装备的空间的温度以及所述负荷侧冷却器的出口处的CO2压力，并完成CO2回收控制，其中在通过比较所检测温度下的CO2的饱和温度与所述空间的温度判断残余在所述冷却器内的CO2量的同时判断停止所述冷却器的冷却风扇的时间。
7.根据权利要求1所述的氨/CO2制冷系统，其中，当所述制冷负荷是包含能容许在液体或液/气混合态(不完全蒸发态)下蒸发的除霜型冷却器的制冷装备时，喷洒除霜用的水的同时完成CO2回收。
8.根据权利要求7所述的氨/CO2制冷系统，其中检测能容许在液体或液/气混合态(不完全蒸发态)下蒸发的所述冷却器的出口处的CO2的压力，并基于所检测压力而控制喷洒水的量。
9.根据权利要求1所述的氨/CO2制冷系统，其中从所述泵的出口延伸的供应线路通过绝热接头而连接到所述制冷负荷侧。
10.一种CO2盐水生成系统，包括：进行氨制冷循环的装置；用于通过利用氨的汽化潜热冷却和冷凝CO2的盐水冷却器；以及在向制冷负荷侧供应所冷却和液化的CO2的供应线路中提供的液泵，其中所述液泵是使CO2受迫环流的可变排量泵，并且所述液泵基于所述泵的出口与入口之间的压力差或在提供到所述制冷负荷侧的冷却器内的温度或压力的检测信号中的至少一个而被控制改变其排量。
11.根据权利要求10所述的CO2盐水生成系统，其中提供过冷器以基于贮液器内或供应线路内CO2的冷却状态的条件而使为贮存所冷却和液化的CO2而提供的贮液器内至少一部分液体CO2过冷。
12.根据权利要求11所述的CO2盐水生成系统，其中CO2的冷却状态的条件由控制器判断，所述控制器通过检测贮液器内液体的压力和温度并将所测压力下的饱和温度与所测液体温度比较而确定过冷的程度。
13.根据权利要求11所述的CO2盐水生成系统，其中提供压力传感器用于检测所述液泵的出口与入口之间的压力差，并基于来自所述压力传感器的信号判断CO2的冷却条件。
14.根据权利要求11所述的CO2盐水生成系统，其中所述过冷器是分支的氨气线路，以便绕过将氨引入所述氨制冷循环中的氨蒸发器的线路。
15.根据权利要求10所述的CO2盐水生成系统，其中提供旁路通路，以利用开/关控制阀在所述液泵出口侧与能够容许部分蒸发的冷却器之间旁通。
16.根据权利要求10所述的CO2盐水生成系统，其中提供控制器，以基于所述液泵的出口与入口之间的压力差在所述氨制冷循环内强制卸载压缩机。
17.一种用于生成CO2盐水的氨冷却单元，包含：氨压缩机；用于通过利用氨的汽化潜热冷却和冷凝CO2的盐水冷却器；以及在向位于该单元的内部空间内的制冷负荷侧供应所冷却和液化的CO2的供应线路中提供的液泵，其中所述液泵是可变排量泵，基于所述泵的出口与入口之间的压力差或在提供到所述制冷负荷侧的冷却器内的温度或压力的检测信号中的至少一个而被控制改变其排量以使CO2受迫环流，其中在该单元的内部空间内提供用于氨去毒的水箱，并且其中提供中和线路以将容纳在该单元内部空间中的CO2系统内的CO2导入所述水箱。
18.一种用于生成CO2盐水的氨冷却单元，包含：氨压缩机；用于通过利用氨的汽化潜热冷却和冷凝CO2的盐水冷却器；以及在向位于该单元的内部空间内的制冷负荷侧供应所冷却和液化的CO2的供应线路中提供的液泵，其中所述液泵是可变排量泵，基于所述泵的出口与入口之间的压力差或在提供到所述制冷负荷侧的冷却器内的温度或压力的检测信号中的至少一个而被控制改变其排量以使CO2受迫环流，并且其中提供CO2注入线路，用于将该单元内部空间中的CO2系统内的CO2朝面向氨系统的部分注入。
19.一种用于生成CO2盐水的氨冷却单元，包含：氨压缩机；用于通过利用氨的汽化潜热冷却和冷凝CO2的盐水冷却器；以及在向位于该单元的内部空间内的制冷负荷侧供应所冷却和液化的CO2的供应线路中提供的液泵，其中所述液泵是可变排量泵，基于所述泵的出口与入口之间的压力差或在提供到所述制冷负荷侧的冷却器内的温度或压力的检测信号中的至少一个而被控制改变其排量以使CO2受迫环流，其中提供CO2喷出部分以将该单元内部空间中的CO2系统内的CO2释放到空间内，并且其中基于该单元空间的温度或CO2系统内的压力完成所述部分的开/关控制。
20.根据权利要求19所述的氨冷却单元，其中用于将CO2系统内的CO2释放到该单元内部空间的所述CO2喷出部分在围绕贮液器的注入线路的末端形成，在所述贮液器内提供过冷器以基于贮液器内或供应线路内的液体CO2的冷却条件至少部分地过冷其中的液体CO2，或在贮液器外部提供过冷器时接触所述过冷器。
21.一种用于生成CO2盐水的氨冷却单元，包含：氨压缩机；用于通过利用氨的汽化潜热冷却和冷凝CO2的盐水冷却器；以及在向位于该单元的封闭空间内部内的制冷负荷侧供应所冷却和液化的CO2的供应线路中提供的液泵，另一方面蒸发型冷凝器位于该单元的开放空间侧，并且该冷凝器包括：包括冷却管的换热器，喷水器，并排布置的多个消除器，以及冷却扇，其中所述液泵是可变排量泵，基于所述泵的出口与入口之间的压力差或在提供到所述制冷负荷侧的冷却器内的温度或压力的检测信号中的至少一个而被控制改变其排量以使CO2受迫环流，并且其中互相邻近的消除器位于互成阶梯的位置，使得一个消除器的侧壁的上部分面向相邻消除器侧壁的下部分。
22.根据权利要求21所述的氨冷却单元，其中所述换热器是具有入口收集器以引导要被分布的压缩氨气分布流入冷却管内的倾斜的多管换热器，隔板在面向入口开口的位置附接于所述收集器以引导压缩氨气。
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