專利名稱:雙級制冷系統(tǒng)的制作方法
技術領域:
本發(fā)明大體上涉及制冷的產生和供應,其對于使用多成分的制冷劑流體來說尤其有利。
背景技術:
制冷廣泛地應用于食品冷凍、空氣低溫凈化、藥物生產、天然氣液化,以及許多其它的需要制冷來為冷凍負荷提供冷卻的應用中。
近來在制冷領域中的一項顯著進展是使用多成分制冷劑的制冷系統(tǒng)的研究,這種制冷系統(tǒng)能產生比傳統(tǒng)系統(tǒng)更有效得多的制冷效果。這些制冷系統(tǒng)也稱為混合氣體制冷劑系統(tǒng)或MGR系統(tǒng),其對于在非常低或深冷的溫度如低于-80°F下提供制冷尤其具有吸引力。
在將小型MGR系統(tǒng)升級到工業(yè)規(guī)模時會產生許多問題?;旌现评鋭┭h(huán)的本質優(yōu)點是飽和溫度隨著更多的液相被蒸發(fā)而升高,因而產生了溫度滑移。這使得可在較寬的溫度范圍內進行制冷。如果提供用于流動的截面積太大,那么蒸氣速率和液體速率之間的差異將很大。如果液體速率很低或液體停止流動,那么蒸氣和液體之間的局部平衡將喪失,其將傾向于在液體的較大區(qū)域和從其表面中所產生的蒸氣之間達到平衡。這稱為“池沸騰”或“容器沸騰”,它是性能降低的原因。
為了避免發(fā)生池沸騰,蒸氣速率必須很高,因此熱交換器的最優(yōu)設計是使其高度顯著地超過其寬度。長條形熱交換器的問題是裝有此制冷系統(tǒng)的冷箱包裝體必須非常高。當系統(tǒng)要安裝在室內時,高的熱交換器尤其成為問題。室內系統(tǒng)的一個很好的例子是用于食品冷凍的混合氣體制冷劑系統(tǒng)。
另一問題發(fā)生在將后冷卻器相對于高的主熱交換器進行定位時。如果后冷卻器設于主熱交換器的頂部,這會增大整個系統(tǒng)的高度,且需要昂貴的機械支撐。如果后冷卻器設于地面上,那么需要將兩相的液體和蒸氣混合物傳送到主熱交換器的頂部。此第二選擇顯著地增加了系統(tǒng)的壓力損失,又需要消耗壓縮機的電功率來驅動制冷劑流動。第三選擇是在地面處將液相和蒸氣相分離,液體被單獨地泵送到主熱交換器的頂部。然而這需要引進帶有可動件的設備,通常是不符合需要的。
在關閉包含有液體內循環(huán)的制冷系統(tǒng)時,還存在著與制冷劑排放有關的其它問題。這種循環(huán)通常用于提供低于120K的制冷。關鍵的是在熱交換器的最冷區(qū)域,混合物的較重成分(即具有較低揮發(fā)性的成分)具有較低的濃度。這是因為它們可能會凍結并阻塞熱交換器的通道。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中,工藝過程的熱端位于熱交換器的頂部,使得較重成分以液體形式自然地向最低(最冷)點排放。為了防止這一點,有時會使用止回閥,但是止回閥因泄漏和其它困難而同樣存在著問題。
因此,本發(fā)明的一個目的是提供一種改良的制冷系統(tǒng),其可以有效地采用多成分的制冷劑流體。
本發(fā)明的另一目的是提供一種改良的制冷系統(tǒng),其可以在工業(yè)規(guī)模下有效地運轉,同時克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)尤其在采用多成分制冷劑流體時會承受到的問題。
發(fā)明內容
通過本發(fā)明可以實現(xiàn)上述及其它目的,本領域的技術人員通過閱讀本說明書可以清楚這些目的,本發(fā)明的一方面是一種用于為冷凍負荷提供制冷的方法,包括(A)壓縮熱的制冷劑流體,并通過向上流經第一熱交換器部分來冷卻此被壓縮的制冷劑流體;
(B)通過向下流經第二熱交換器部分來進一步冷卻被冷卻的制冷劑流體,使所述被進一步冷卻的制冷劑流體膨脹以產生制冷,并從可制冷的制冷劑流體中為冷凍負荷提供制冷;(C)通過與所述被進一步冷卻的制冷劑流體進行間接熱交換來加熱所得到的制冷劑流體;和(D)通過與所述冷卻的壓縮制冷劑流體進行間接熱交換來進一步加熱所得到的制冷劑流體,以產生所述熱的制冷劑流體。
本發(fā)明的另一方面是一種雙級制冷系統(tǒng),其包括(A)第一垂直定向的熱交換器部分、壓縮機,以及用于將制冷劑流體從壓縮機傳送到第一垂直定向的熱交換器部分的底部的裝置;(B)第二垂直定向的熱交換器部分,以及用于將制冷劑流體從第一垂直定向的熱交換器部分的頂部傳送到第二垂直定向的熱交換器部分的頂部的裝置;(C)膨脹設備、用于將制冷劑流體從第二垂直定向的熱交換器部分的底部傳送到膨脹設備中的裝置,以及用于將制冷劑流體從膨脹設備傳送到第二垂直定向的熱交換器部分的底部的裝置;和(D)用于將制冷劑流體從第二垂直定向的熱交換器部分的頂部傳送到第一垂直定向的熱交換器部分的頂部的裝置,以及用于將制冷劑流體從第一垂直定向的熱交換器部分的底部傳送到壓縮機中的裝置。
在本文中所用的用語“冷凍負荷”指需要降低能量或排出熱量以降低其溫度或保持其溫度不再升高的流體或對象。
在本文中所用的用語“膨脹”指進行減壓。
在本文中所用的用語“膨脹設備”指用于實現(xiàn)流體膨脹并在使流體膨脹時產生制冷的設備。
在本文中所用的用語“壓縮機”指可對流體進行壓縮的裝置;在本文中所用的用語“多成分制冷劑”指含有兩種或多種物質并能產生制冷的流體。
在本文中所用的用語“制冷”指可從低于室溫的系統(tǒng)中吸收熱量并將熱量在高于室溫下排出的能力。
在本文中所用的用語“制冷劑”指在制冷過程中經歷溫度變化、壓力變化和可能的相變以在較低溫度下吸收熱量并在較高溫度下排出熱量的流體。
在本文中所用的用語“過冷卻”指將液體冷卻到比液體在現(xiàn)有壓力下的飽和溫度更低的溫度下。
在本文中所用的用語“間接熱交換”指使流體形成熱交換關系而不用流體相互間發(fā)生任何物理接觸或混合。
在本文中所用的用語“相分離器”指一種容器,其中進入流體被分成單獨的蒸氣部分和液體部分。通常這種容器具有足夠的截面積以使蒸氣和液體可通過重力而分離開來。
在本文中所用的用語“向上流動”和“向下流動”包括如同在交叉流動裝置中將發(fā)生的大致向上的流動和向下的流動。
圖1是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的示意圖。
圖2是本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例的示意圖,其采用了制冷劑流體的內循環(huán)。
具體實施例方式
下面將參考附圖來詳細介紹本發(fā)明?,F(xiàn)參考圖1,熱的制冷劑流體1通過穿過壓縮機2而被壓縮至通常在100到800絕對磅/平方英寸(psia)范圍內的壓力。雖然制冷劑流體可以是單一成分的制冷劑流體,然而在本發(fā)明所用的制冷劑流體是多成分的制冷劑流體時,本發(fā)明尤其有利??梢栽诒景l(fā)明的實施中使用的多成分的制冷劑流體最好包括選自碳氟化合物、氫氟烴、氫氯氟烴、氟代醚、大氣源氣體和碳氫化合物中的至少兩種成分,例如,多成分的制冷劑流體可以只包含兩種碳氟化合物。
可用于本發(fā)明的一種優(yōu)選的多成分制冷劑最好包括至少一種選自碳氟化合物、氫氟烴和氟代醚中的成分以及至少一種選自碳氟化合物、氫氟烴、氫氯氟烴、氟代醚、大氣源氣體和碳氫化合物中的成分。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中,多成分的制冷劑僅由碳氟化合物組成。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中,多成分的制冷劑僅由碳氟化合物和氫氟烴組成。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中,多成分的制冷劑僅由碳氟化合物、氟代醚和大氣源氣體組成。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中,多成分的制冷劑包括一種或多種碳氟化合物和大氣源氣體。多成分制冷劑的各成分最好是碳氟化合物、氫氟烴、氟代醚或大氣。
壓縮的制冷劑流體3通過穿過后冷卻器4而對壓縮熱量進行冷卻,然后以流5的形式傳送到第一垂直定向的熱交換器部分6的底部。流5可包含液體部分,倘若如此的話,流5應進行相分離,從而以單獨的相的形式提供給熱交換器部分6。在提及熱交換器部分時在本文中所用的用語“底部”基本上包括了熱交換器部分的底部和絕對底部。類似地,在提及熱交換器部分時在本文中所用的用語“頂部”基本上包括了熱交換器部分的頂部和絕對頂部。
當制冷劑流體穿過第一熱交換器部分6而向上流動時,其通過與熱的制冷劑流體之間的間接熱交換而被冷卻,并最好還被部分地冷凝,如同下面將更完整地介紹那樣。在制冷劑流體是多成分制冷劑流體的情況下,在多成分制冷劑流體經第一熱交換器部分6而向上流動時,多成分制冷劑流體中的一種或多種較重的即揮發(fā)性較低的成分將冷凝。
第一垂直定向的熱交換器部分6和第二垂直定向的熱交換器部分7可以是如圖1所示的單獨的直立部分,或者可結合于一個結構中。熱交換器部分6和7可以是板片型、盤繞旋管型、銅焊板型、管中管類型或管殼型。如圖1所示實施例的情況那樣,當熱交換器部分為板片型時,最好使用相分離器來保證相在層間的均勻分布。然而,如果這兩個部分結合于一個銅焊部分中,那么將不需要相分離器。
現(xiàn)在回到圖1,冷卻的制冷劑流體從第一垂直定向的熱交換器部分6的頂部傳送到第二垂直定向的熱交換器部分7的頂部。在圖1中所示的實施例中,由于制冷劑流體通過向上流經第一熱交換器部分6而被冷卻,因此制冷劑流體被部分地冷凝,并先經管線8傳遞到相分離器9中,在這里流體被分離成蒸氣相和液相。蒸氣經管線10而液體則經管線11從相分離器9傳送到第二熱交換器部分7的頂部,在此處采用傳統(tǒng)的混合裝置(未示出)將它們混合一起,從而保證制冷劑流體的相在板片型熱交換器部分的層之間均勻地分布。
被冷卻的制冷劑流體通過向下流經第二熱交換器部分7并與將在下文中更完整地介紹的熱制冷劑流體之間進行間接熱交換而被進一步冷卻。在制冷劑流體是通過向上流經第一熱交換器部分6而已被部分冷凝的多成分制冷劑流體時,它會通過向下流經第二熱交換器部分7而被進一步冷凝,最好是被完全地冷凝,即,這種向下流動用于冷凝多成分制冷劑流體混合物中的較輕的或更易揮發(fā)的一種或多種成分。
這種被進一步冷卻的制冷劑流體以流12的形式從第二熱交換器部分7的底部傳送到膨脹設備13中,流體在此處膨脹以產生制冷。膨脹設備13通常是等焓膨脹的Joule-Thomson閥,或者是渦輪膨脹機。然后采用可制冷的制冷劑流體14通過間接熱交換來為冷凍負荷提供制冷。在圖1所示的本發(fā)明的實施例中,這種間接熱交換發(fā)生在帶有冷凍負荷流體16的熱交換器15中,這就導致了冷卻流體22的產生。這種冷凍負荷可以是任何負荷,其例子包括用于食品冷凍的大氣或熱交換流體、用于低溫凈化車間的過程或熱交換流,以及用于生產液化天然氣的待液化的天然氣流。
制冷劑流體從膨脹設備13中傳送到第二垂直定向的熱交換器部分7的底部。在圖1所示的本發(fā)明的實施例中,制冷劑流體在以流17的形式進入第二熱交換器部分7的底部之前先為冷凍負荷提供制冷。在各熱交換器部分的入口處未示出相分離器,然而通??梢圆捎眠@種相分離器來改善分布。當制冷劑流體在第二熱交換器7中向上流動時,通過與如上所述的在第二熱交換器部分7中向下流動的被進一步冷卻的制冷劑流體之間形成間接熱交換,就可將制冷劑流體加熱并最好使其部分地蒸發(fā)。這種熱的最好為兩相的制冷劑流體18從第二熱交換器部分7的頂部傳送到第一熱交換器部分6的頂部。在圖1所示的本發(fā)明的實施例中,熱的制冷劑流體18從第二熱交換器部分7的頂部傳送到相分離器19中,在其中制冷劑流體分離成蒸氣相和液相。蒸氣以流20的形式而液體以流21的形式從相分離器19中傳送到第一熱交換器部分6的頂部,在此處采用傳統(tǒng)的混合裝置(未示出)將它們混合一起,從而保證制冷劑流體的相在板片型熱交換器部分的層之間均勻地分布。
通過在第一熱交換器部分6內向下流動并與上述冷卻的壓縮制冷劑流體之間形成間接熱交換,可將引入到第一熱交換器部分6頂部中的熱制冷劑流體進一步加熱。所得到的制冷劑流體作為熱的制冷劑流體1從第一熱交換器部分6的底部排到壓縮機2中,這就完成了循環(huán)。
圖2顯示了本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例,其采用了內循環(huán),而且熱交換器部分結合于一個結構中。例如,對于用作制冷劑流體的碳氟化合物的混合物來說,其最低溫度受到液相凝固點的限制。內循環(huán)用于防止較重成分到達冷端,較重成分在冷端處將凍結并阻塞通道。圖2中的標號與圖1中的標號相同,這些共同的元件將不再作詳細介紹。
現(xiàn)參考圖2,來自相分離器9的蒸氣和液體分開地向下傳送到第二垂直定向的熱交換器部分7中。流體被過冷卻并在部分地橫穿過第二熱交換器部分7之后,過冷卻的液體23快速通過閥24,并作為兩相流25傳送到相分離器26中,在其中流25分離成蒸氣相和液相。蒸氣以流27的形式從相分離器26中流出,而液體以流28的形式從相分離器26中流出。這些流均通過與熱的、最好是部分蒸發(fā)的可制冷的制冷劑流體混合而實現(xiàn)再循環(huán),流體向上經過第二熱交換器部分7,并為冷凍負荷16提供制冷以產生冷凍流體22。從圖中可以看出,在圖2所示的本發(fā)明的實施例中,可制冷的制冷劑流體和冷凍負荷之間的熱交換發(fā)生在第二熱交換器部分7中,而不是在如圖1所示的本發(fā)明實施例中的單獨的熱交換器中。
由于可將沸騰通道構造成在第二部分中具有比第一部分更小的橫截面,因此本發(fā)明改善了防止池沸騰的傳統(tǒng)方法。這將增大冷端處的沸騰流的速率。通過將兩個熱交換器部分彼此相接地布置,可以避免增大冷箱的高度(實際上減小了冷箱的高度)。與使用交叉流動來減小熱交換器的高度并因此減小冷箱的高度不同,這種方法仍然可以保持最佳的逆向流動。與使用粗糙表面(hardway)的散熱片來提高蒸氣速率不同,這種方法不會產生過大的壓力降。仍可使用增大速率的傳統(tǒng)措施(粗糙表面的散熱片、交叉流動部分),但這些措施可以更不嚴格的形式來使用。對于給定的熱負荷(熱負載)和可用的抽吸功率來說,本發(fā)明可降低冷箱的高度。對于給定的熱負荷來說,傳統(tǒng)結構(“冷端在下”)或甚至是“冷端在上”結構的熱交換器均比本發(fā)明所使用的冷箱的高度更高。
傳統(tǒng)裝置需要冷凝流體和沸騰流體在不同的高度進入。相比而言,本發(fā)明將熱進口和冷進口定位在大約相同的高度。如果本發(fā)明應用到采用多成分制冷劑流體的混合制冷劑循環(huán)中時,那么可將后冷卻器設置在地面上。不需要將兩相混合物傳輸?shù)嚼湎涞捻敳?。這避免了為傳輸流體至熱交換器頂部所需的壓縮機功率的增加,避免了將后冷卻器定位在冷箱頂部所增加的資金成本,或者避免了增加液泵形式的額外設備。對于使用內循環(huán)的MGR循環(huán)來說,存在于第一熱交換器部分中的液體(其將富含較重成分)將自然地排放到熱端,在關閉壓縮機時流體不會在此處凍結。另外,在本發(fā)明中,向上冷凝的熱交換器部分或第一部分不需要完全地冷凝流體,因此僅蒸氣速率就足以防止逆向混合。
本發(fā)明的最佳應用模式被認為是存在多成分沸騰流體并需要高效率的熱傳遞(即溫度差異較小)的過程。熱交換器部分最好是板片型熱交換器,因為這種類型的裝置提供了較大的表面積,其有助于有效的熱傳遞。這兩個熱交換器部分相互隔開。為了保持高效率的熱傳遞,在這兩個熱交換器部分之間必須存在隔熱間隙,以防止從熱端到冷端的熱傳遞。根據防止部分間的顯著熱傳遞所需的隔熱厚度來決定間隙的大小。熱交換器部分可密閉在冷箱中。在這種情況下,冷箱填充有隔熱材料(珍珠巖等),其也填充在部分之間的間隙中。
沸騰流體在第二部分中以足以避免發(fā)生池沸騰的速率向上流動。上流支路中的冷凝的蒸氣相必須具有高于逆流點的足夠速率。在逆流開始處的氣體速率(即,從蒸氣和液體向上流動到蒸氣向上流動而一些液體向下流動的轉換)可以由下述公式來決定jg*=Gxρg1/2[gDh(ρL-ρg)]1/2>0.9]]>其中符號定義國際標準單位G =每單位面積的質量流量kg/m2sx =蒸氣的質量分數(shù) -ρg=蒸氣相的密度kg/m3ρL=液相的密度 kg/m3Dh=水力直徑mg =重力加速度 m/s2
雖然已經參照一些優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了介紹,然而本領域的技術人員應當意識到,在權利要求的精神和范圍內本發(fā)明還存在其它的實施例。
權利要求
1.一種用于為冷凍負荷提供制冷的方法,包括(A)壓縮熱的制冷劑流體,并通過向上流經第一熱交換器部分來冷卻所述被壓縮的制冷劑流體;(B)通過向下流經第二熱交換器部分來進一步冷卻所述被冷卻的制冷劑流體,使所述被進一步冷卻的制冷劑流體膨脹以產生制冷,并從所述可制冷的制冷劑流體中為冷凍負荷提供制冷;(C)通過與所述被進一步冷卻的制冷劑流體進行間接熱交換來加熱所得到的制冷劑流體;和(D)通過與所述冷卻的壓縮制冷劑流體進行間接熱交換來進一步加熱所得到的制冷劑流體,以產生所述熱的制冷劑流體。
2.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,所述制冷劑流體是多成分的制冷劑流體。
3.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,所述冷卻的壓縮制冷劑流體通過向上流經所述第一熱交換器部分而被部分地冷凝。
4.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,所述被進一步冷卻的制冷劑流體的一部分通過向下流經所述第二熱交換器部分而被冷凝。
5.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,所述冷卻的制冷劑流體在向上流經所述第一熱交換器部分之后被部分地冷凝,并作為分開的蒸氣流和液流的形式向下流經所述第二熱交換器部分,所述方法還包括通過向下流經所述第二熱交換器而過冷卻所述液流。
6.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,從所述可制冷的制冷劑流體中為所述冷凍負荷提供制冷發(fā)生在所述第一和第二熱交換器部分之外。
7.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,從所述可制冷的制冷劑流體中為所述冷凍負荷提供制冷至少部分地發(fā)生在所述第二熱交換器部分內。
8.一種雙級制冷系統(tǒng),其包括(A)第一垂直定向的熱交換器部分、壓縮機,以及用于將制冷劑流體從所述壓縮機傳送到所述第一垂直定向的熱交換器部分的底部的裝置;(B)第二垂直定向的熱交換器部分,以及用于將制冷劑流體從所述第一垂直定向的熱交換器部分的頂部傳送到所述第二垂直定向的熱交換器部分的頂部的裝置;(C)膨脹設備、用于將制冷劑流體從所述第二垂直定向的熱交換器部分的底部傳送到所述膨脹設備中的裝置,以及用于將制冷劑流體從所述膨脹設備傳送到所述第二垂直定向的熱交換器部分的底部的裝置;和(D)用于將制冷劑流體從所述第二垂直定向的熱交換器部分的頂部傳送到所述第一垂直定向的熱交換器部分的頂部的裝置,以及用于將制冷劑流體從所述第一垂直定向的熱交換器部分的底部傳送到所述壓縮機中的裝置。
9.根據權利要求8所述的雙級制冷系統(tǒng),其特征在于,所述將制冷劑流體從所述第一垂直定向的熱交換器部分的頂部傳送到所述第二垂直定向的熱交換器部分的頂部的裝置包括相分離器。
10.根據權利要求8所述的雙級制冷系統(tǒng),其特征在于,所述將制冷劑流體從所述第二垂直定向的熱交換器部分的頂部傳送到所述第一垂直定向的熱交換器部分的頂部的裝置包括相分離器。
全文摘要
一種對于多成分的制冷劑流體來說尤其有用的制冷系統(tǒng),其中制冷劑流體在第一垂直定向的熱交換器部分的向上支路中被冷卻,并在第二垂直定向的熱交換器部分的向下支路中被進一步冷卻,而后產生制冷并經兩個熱交換器部分實現(xiàn)連續(xù)的循環(huán)流動。
文檔編號F25B9/02GK1497232SQ0314347
公開日2004年5月19日 申請日期2003年9月27日 優(yōu)先權日2002年9月30日
發(fā)明者M·J·洛克特, R·J·吉布, V·S·查克拉瓦蒂, M J 洛克特, 吉布, 查克拉瓦蒂 申請人:普萊克斯技術有限公司