CN111712679A - 组合式级联制冷设备 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种组合式级联制冷设备，其包括具有制冷回路的压缩制冷设备以及具有蒸发器的吸着制冷设备。所述制冷回路与所述蒸发器耦合，以提高制冷回路的效率。

Description

组合式级联制冷设备

技术领域

所公开的主题涉及一种制冷设备和方法，具体地，涉及使用低品位热量获得制冷设备的最佳制冷性能。所公开的主题旨在在制冷设备内使用或作为制冷设备的不可或缺部分使用，制冷设备包含例如在零售、公共餐饮、食品和乳品生产领域安装于海船或内河船舶上的移动冰箱。

背景技术

已知级联制冷设备的各种设计和构造。经常使用的级联设备由两个单回路制冷设备组成，其中每个设备包括压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀和热交换器。此外，已知级联设备，其中顶部级联代表双回路制冷设备。其中，不同的制冷剂为每个级联提供动力。存在热泵，其可以与各种制冷剂进行级联循环。例如，美国专利4,149,389[Hayes等人]公开了一种热泵，其可以当作级联制冷设备运行。

美国专利5,729,993[Boiarski等人]公开了一种空气预冷式设备的实施例，其中空气被用作热载体。主回路包含主压缩机、冷凝器、蒸发器和三流热交换器。辅助回路采用连接到三流热交换器的辅助压缩机、冷凝器和蒸发器。因此，以两个回路和三流热交换器作为通用模块，所公开的设备可以被分类为级联制冷设备。

在现有的级联制冷设备中通常使用两个或多个电动压缩机。低温级联制冷设备以比输出制冷电功率高30-40％的输入电功率运行。最简单的降低级联设备耗电量的方法是，例如，将顶部级联设计为吸收器式制冷设备，由排出的低品位热量驱动。因此，对于零下35°С或更低的输出冷量，耗电量可降低50％。

美国专利3,824,804[Sandmark]提出了组合式循环的实例。它的核心是双闭合回路的级联制冷设备。一个回路由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。另一个回路集成了发电器、冷凝器、蒸发器和吸收器。因此，三模阀是通用模块。它安装在压缩回路的蒸发器与吸收回路的蒸发器之间。此外，Sandmark公开了发电器中的砂浆被热蒸汽加热，而热蒸汽又由第一制冷回路的压缩机产生。此设备的主要缺点是不可能从制冷剂的蒸汽中获得砂浆热。只有降低过热制冷剂气体的温度，才能使压缩回路的冷凝器中发生冷凝。为了达到这一效果，发电器必须要么具有最大可能的热交换表面要么吸收回路中非常低的砂浆消耗。

美国专利4,869,069[Scherer]公开了一种包括压缩回路和吸收回路两者的制冷设备。吸收回路包括发动机或原动机/发电器组合。其驱动器为吸收回路的发电器提供热能，且为制冷回路的电力驱动提供电能。制冷压缩机与吸收回路这种耦合方式不允许将上述制冷设备分类为级联设备。另一方面，它很可能被归类为混合设备，其中压缩机将制冷剂蒸汽供应给冷凝器或介质热交换器。此专利公开内容包含一些严重错误，这可能导致设备故障。

最后，已知在以下所列专利中公开的级联制冷设备和热泵的其他设计：

Bailey的美国专利2,204,394；

Lawer等人的美国专利2,717,765；

Nussbaum等人的美国专利3,392,541；

Sandmark的美国专利3,824,804；

Brown的美国专利3,852,974；

Costello等人的美国专利4,031,712；

Hayes等人的美国专利4,149,389；

Wendschlag的美国专利4,391,104；

Muench的美国专利4,484,449；

Scherer的美国专利4,869,069；

Boiarski等人的美国专利5,729,993；

Ueno等人的美国专利6,609,390；

Takasugi等人的美国专利6,986,262；

Pemmi等人的美国专利8,631,660；

Martin等人的美国专利8,844,308；

Won等人的KR专利20030071607；

Zhou等人的CN专利201666687；

Mei等人的CN专利202393074；

Cuizhen等人的CN专利203364496；

Bukachevich等人的RU专利2047058。

非专利文献：

Piotr Cyklis、Ryszard Kantor，《生态混合压缩–吸着制冷系统的概念(Conceptof ecological hybrid compression–sorption refrigerating systems)》。《技术交易(Technical Transactions)》，Politechniki Krakowskiej；1–M/2012，第5期，年份109，第31–40页。

《制冷设备(Refrigerating apparatuses)》，A.Baronenko，N.Bukharin，V.Pekarev，I.Sakun，L.Timopheevski：编辑：L.Timopheevski-Saint-Petersburg，Politechnika，1997-992p。-第84-90页，图3.5

所提及的设备由于在其实施例中使用了蒸发器-冷凝器，因此在能量转换方面均没有足够的效率。为了使蒸发器-冷凝器高效地工作，要求一级回路的功率保持在较高的水平，并且此外，限制制冷剂的温度范围。

而且，上述串联运行模块的级联制冷设备的特征在于功能不稳定。实施例的任何元件的故障都会导致制冷设备的严重故障。吸着式设备很难调整，尤其是在现场。由固体吸着剂(吸附剂)驱动的吸着式设备的特征在于温度范围宽。但是，通过任何特殊装置(例如接收器)来稳定可能的温度变化是相当复杂的。这一技术特点影响了整个级联的运行，并将其实施例限制在扇区内，这对温度范围没有严格的要求。

吸收式(液体吸着剂式)设备的技术能力比吸附式(固体吸着剂)设备更好。同时，它们需要复杂的控制系统，用于工作物质循环的附加泵，整流单元的安装，从而具有低热系数的特征。后者是当吸收式设备被实现为级联设备的第一回路时效率降低的原因，其特征在于更高的功耗。

混合制冷设备的主要缺点是增加了电力消耗，并且使实施例复杂，其中为了提高功率循环的效率，压缩机包含在吸着式设备的回路中。这些缺点严重降低了低品位(排气)热应用的实用性。与使用各种类型的制冷剂运行的级联设备相比，混合设备由单一类型的不可替代制冷剂驱动。此特点使功率效率进一步降低，并使耗电量控制的系统复杂化。

发明内容

因此，根据一些示例性实施例，提供了一种组合式级联制冷设备，其包括具有制冷回路的压缩制冷设备；以及

具有蒸发器的吸着制冷设备；其中制冷回路与蒸发器耦合。

根据本主题的另一实施例，在吸着制冷设备中使用固体吸着剂(吸附器)。

根据本主题的另一实施例，在吸着制冷设备中使用液体吸着剂(吸收器)。

根据本主题的另一实施例，对于正温度选择水等制冷剂，并且对于负温度选择甲醇、乙二醇或氨。

根据本主题的另一实施例，蒸发器用作过冷器。

根据本主题的另一实施例，级联制冷设备还设有连接在蒸发器与制冷回路之间的介质热载体。

根据本主题的另一实施例，制冷回路经由接收器连接到介质热载体以确保稳定的温度。

根据本主题的另一实施例，吸着制冷设备经由开路被供给低品位热量。

根据本主题的另一实施例，吸着制冷设备经由带介质热载体的闭路被供给低品位热量。

根据本主题的另一实施例，接收器用于稳定输入温度。

附图说明

在此参考附图仅以示例的方式描述实施例。现在具体参考详细的附图，要强调的是，所示的细节是作为示例并且出于对优选实施例说明性讨论的目的，并且以提供被认为是对实施例原理和概念方面最有用和容易理解的描述的目的呈现。在这方面，不试图以比基本理解所必需的更详细的方式来显示结构细节，结合附图进行的描述使本领域技术人员能了解在实践中如何体现几种形式。

图1描绘了根据本公开主题的优选实施例与吸着设备的蒸发器直接级联耦合的压缩设备的制冷回路。

图2描绘了根据本公开主题的优选实施例通过介质热载体与吸着设备的蒸发器级联耦合的压缩设备的制冷回路。

图3描绘了根据本公开主题的优选实施例通过介质热载体经由用于稳定温度的接收器与吸着设备的蒸发器级联耦合的压缩设备的制冷回路。

图4描绘了根据本公开主题的优选实施例通过开路与热载体耦合的吸着式设备。

图5示出了根据本公开主题的优选实施例通过介质热载体与热源耦合的吸着式设备。

图6描绘了根据本公开主题的优选实施例通过介质热载体经由用于稳定温度的接收器与热源耦合的吸着式设备。

图7呈现了根据本公开主题的优选实施例的制冷回路在具有和不具有过冷器的情况下的热力学图，以供比较。

为便于说明，图4、5、6未描绘循环泵。

具体实施方式

除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法和材料可以用于本发明的实践或测试中，但是下面描述了合适的方法和材料。如有冲突，以专利说明书(包含定义)为准。此外，材料、方法和示例仅是说明性的，并不意图是限制性的。

在详细解释至少一个实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于以下描述中阐述或附图中示出的构造细节和部件布置。本发明能够具有其他实施例或能够以各种方式来实践或执行。此外，应当理解，本文中采用的措辞和术语是为了描述目的，而不应被认为是限制性的。在讨论下面所描述的各图时，相似的标号指代相似的部分。附图通常不按比例绘制。

本公开主题的目的是通过在过冷器容量的现有回路中添加吸着式制冷设备来提高常用压缩式制冷设备的制冷回路的效率。

本文的技术假设是，如果将代表吸着式设备的级联的顶部回路(用于将环境公用事业的低品位热量转化为冷量)连接到压缩设备的过冷器上，则可以提高整个级联制冷设备的功率效率。

为了实施本公开的制冷设备，并非蒸发器-冷凝器的过冷器是组合式级联制冷设备的通用模块。过冷器包括在其顶部回路中的吸着式制冷设备和其下部回路中的蒸汽压缩制冷设备。因此，吸着式制冷设备连接到蒸汽压缩制冷设备的过冷器，而不是其冷凝器。与现有实施例相比，本实施例提供了许多优点。首先，吸着式设备的制冷功率可以比蒸汽压缩设备之一的制冷功率低得多。现有实施例的顶部回路通常连接到冷凝器，其中顶部回路的功率超过下部回路的功率，而下部回路的功率又由于低热系数而需要相当多的热能。这种方法甚至利用了最低限度的低品位热量，因此显著地拓宽了所公开主题的应用领域。此外，所公开的实施例不需要严格的温度控制，因此具有简化的自动化系统。而且，无需生产特殊类型的蒸发器-冷凝器，它是现有级联制冷设备的组成部分。因此，吸着式设备可以容易地集成到现有的制冷系统中，并满足大大降低财务支出和有限的期限。整个系统的可靠性显著提高，因为吸着式设备的故障不再是关键问题，并且不会影响蒸汽压缩设备的运行。

根据所公开主题的其他实施例，可以为吸着设备供应固体吸着剂(吸附器)和液体吸着剂(吸收器)。此外，本文的制冷剂可以由通常在负温度下使用的物质来表示。这种方法允许针对每个使用环境优化本发明的实施例，并提供更高的功率效率。

在此必须声明，有两个主要的替代实施例：

吸着式设备的蒸发器本身用作过冷器(蒸发器-过冷器)，或者；

吸着式设备的蒸发器通过介质热载体(例如，对于正温度通过水且对于负温度通过乙二醇灰浆)连接到过冷器。

在第一种替代方案中，热交换是最有效的。因此，本实施例可用于任何吸着式设备，其中蒸发器代表独立单元。如果吸着式设备没有直接的蒸发器出口(例如，具有轮流工作的两个独立模块的一些吸着式设备)，则可以使用介质热载体。

可选且可替代地，为了在过冷器中获得更稳定的温度并从而提供稳定的温度范围，经由接收器连接介质热载体的回路。当吸着式设备是实施例的一部分时，这一事实尤其重要。具有实用价值的公开主题的其他实施例包含以下内容：

当低品位热量经由开路供应到吸着式设备时；或者

当热量经由闭路提供，但带有中热载体时。

从传热的角度来看，上述第一种替代方案更为有效，特别是当使用非侵蚀性低品位热源时，例如蒸汽或热的低品位水。当必须控制输入温度时，第二种替代方案对于低品位热源的较高温度是可取的。第二实施例允许积极降低对热源索引的要求。

接收器可以用于稳定吸着式设备入口的温度。当热电厂的能耗和热力学指标均不稳定时，这种设计是很重要的。

吸着式制冷设备以最低的耗电量将低品位热量转化为冷量，从而提高了整个设备的效率。

上述吸着式设备的应用不会增加系统故障的风险。故障不会影响压缩机制冷设备的运行。与在这种情况下会停止的任何常用级联设备相比，尽管效率较低，但它仍可以继续工作。根据应用领域的不同，吸着式设备可以有两种类型：带液体吸着剂(吸收器)和带固体吸着剂(吸附器)，其中制冷剂是用于接收正温度的水，或用于接收负温度的酒精，例如甲醇或氨(参见专利PCT/IL2017/050190)。

此外，将吸着式设备设计为过冷器允许应用比压缩式设备更低制冷功率的设备。这一事实解释了甚至利用更少量的低品位热量的可能性，因此，拓宽了本主题的应用领域。前述规定不排除使用更高功率容量的吸着式设备。

吸着式设备的另一个优点是其与现有制冷系统的简单集成能力。作为示例，这可以通过在本实施例中添加单个热交换器来执行。因此，可以方便地更新现有系统，并增加其功率容量。

现在参考图1，其示出了根据本公开主题的优选实施例与吸着设备的蒸发器直接级联耦合的压缩设备的制冷回路。根据所公开的主题，提供了一种组合式级联制冷设备，其中吸着式设备用作过冷器。本发明描绘的实施例包括具有本领域已知的制冷回路2的压缩制冷设备1，其与吸着制冷设备4的蒸发器3直接级联耦合。从传热的角度来看，本实施例是最有效的。它可以用于所有类型的吸着设备中，其中蒸发器3是独立单元。本公开的实施例可以在正温度以及负温度下使用。

现在参考图2，其描绘了根据本公开主题的优选实施例通过介质热载体与吸附设备的蒸发器级联耦合的压缩设备的制冷回路。压缩制冷设备的制冷回路2通过借助于循环泵7经由热交换器5排出的介质热载体6与吸着式设备4的蒸发器3级联耦合。所公开的实施例可以用于没有直接蒸发器出口的吸着式设备(例如，一些具有轮流工作的两个模块的吸着式设备)。在此，建议在正温度下将水且在负温度下将乙二醇灰浆用作介质热交换器6。

现在参考图3，其示出了根据本公开主题的优选实施例通过介质热载体经由用于稳定温度的接收器与吸着设备的蒸发器级联耦合的压缩设备的制冷回路。压缩设备1的制冷回路2通过借助于循环泵7经由热交换器5排出的介质热载体6与吸着式设备4的蒸发器3级联耦合。接收器8包含在介质热载体6的回路中，以确保稳定的温度范围。本设计适用于没有直接蒸发器出口的吸着设备(例如，像一些具有轮流工作的两个模块的吸着式设备)。在此，建议在正温度下将水且在负温度下将乙二醇砂浆用作介质热交换器6。

现在参考图4，其描绘了根据本公开主题的优选实施例通过开路与热载体耦合的吸着式设备。吸着式设备4通过开路经由加热器9与环境热设施12耦合。从传热的角度来看，本公开的实施例是最有效的，特别是当应用非侵蚀性的低品位热设施时，例如蒸汽或热的低品位水。

现在参考图5，其示出了根据本公开主题的优选实施例的通过介质热载体与热源耦合的吸着式设备。吸着式设备4通过被排放到加热器9中的介质热载体10在闭合回路中与环境热设施12耦合。经由热交换器11将热量排放到介质热载体10中，所述热交换器11被环境热设施12加热。本实施例的应用允许降低对环境热设施12的非侵蚀性要求。

现在参考图6，其描绘了根据本公开主题的优选实施例通过介质热载体经由用于稳定温度的接收器与热源耦合的吸着式设备。吸着式设备4通过介质热载体10经由用于稳定温度的接收器13与环境热设施12耦合。给定的实施例旨在温度不稳定和热源消耗不稳定的情况下使用。

现在参考图7，其呈现了根据本公开主题的优选实施例的制冷回路在具有和不具有过冷器的情况下的热力学图，以供比较。呈现了本主题的制冷循环在具有和不具有过冷器的情况下的热力学图。阴影区域表示使用过冷器的设备的制冷效率提高。

组合式级联制冷设备的顶部模块表示吸着设备4，其将低品位热效用12的能量转换为冷量，并冷却底部模块的制冷回路2的制冷剂，而底部模块又代表在过冷器内的蒸汽压缩机式制冷设备1。所公开的实施例允许蒸汽压缩机式制冷设备的更高制冷功率并将耗电量降至最低。

此外，本公开的实施例允许利用现有设备无法利用的所有类型的低品位热源的能量，包含较小的热源。

所公开的实施例要求对现有制冷设备的构造进行最小改变，但是在其构造中包含单个热交换器。这个事实解释了为现有设备的现代化所期望的适度支出和最短期限。

即使在吸着式设备完全失效的情况下，所公开实施例的简单性和可靠性也能保证长期无故障且无紧急停机操作，尤其是当设备用作移动集群的一部分时，例如在运输车辆上。

所公开的主题的一个重要特征是其生态友好性。吸着式设备的制冷剂是臭氧无害。制冷剂的使用减少了向大气中散发的热量。此外，整个系统的耗电量减少也使得电能产生过程中热量和二氧化碳排放均减少。

实际应用

本公开的实施例允许将吸着式制冷设备用作所有类型的现有和新制冷设备内的过冷器，以达到其功率效率提高10-20％的目的(运行温度越低，功率容量越高)，并利用低品位热能的潜力(包含带排气的实施例)来提高制冷性能。

当吸着式设备在正温度下运行时，建议将水用作设备的制冷剂，而在负温度下建议使用酒精(甲醇)、氨等防冻砂浆。

建议在低和中功率容量的压缩制冷设备中使用单个吸着式设备；并且对于高功率容量的制冷设备使用几个吸着式设备的模块。

应当理解，为清楚起见，在不同实施例的上下文中描述的主题的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的主题的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合来提供。

尽管已经结合本发明的特定实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员而言，许多替代、修改和变化将是显而易见的。因此，其意图涵盖落入所附权利要求书的精神和广泛范围内的所有此类替代、修改和变化。

Claims (10)

1.一种组合式级联制冷设备，其包括

具有制冷回路的压缩制冷设备；以及

具有蒸发器的吸着制冷设备；其中所述制冷回路与所述蒸发器耦合。

2.根据权利要求1所述的级联制冷设备，其中在所述吸着制冷设备中使用固体吸着剂(吸附器)。

3.根据权利要求1所述的级联制冷设备，其中在所述吸着制冷设备中使用液体吸着剂(吸收器)。

4.根据权利要求1所述的级联制冷设备，其中对于正温度选择水等制冷剂，并且对于负温度选择甲醇、乙二醇或氨。

5.根据权利要求1所述的级联制冷设备，其中所述蒸发器用作过冷器。

6.根据权利要求1所述的级联制冷设备，还设有连接在所述蒸发器与所述制冷回路之间的介质热载体。

7.根据权利要求7所述的级联制冷设备，其中所述制冷回路经由接收器连接到所述介质热载体以确保稳定的温度。

8.根据权利要求1所述的级联制冷设备，其中所述吸着制冷设备经由开路被供给低品位热量。

9.根据权利要求1所述的级联制冷设备，其中所述吸着制冷设备经由带介质热载体的闭路被供给低品位热量。

10.根据权利要求8所述的级联制冷设备，其中所述接收器用于稳定输入温度。

Images