專利名稱：熱交換性能增強的基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及提供以冰的形式存儲的熱學能量的系統(tǒng)，并且更具體地講，涉及冰存儲冷卻和制冷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著對于峰值需求電能消耗的增加的要求，冰蓄冷已經(jīng)被用來轉(zhuǎn)換空調(diào)電能負載的非峰值次數(shù)和速度。存在這樣的需要，不僅針對從峰值周期至非峰值周期的負載轉(zhuǎn)換，還要增加空調(diào)能力和效率。當前的、具有能量存儲系統(tǒng)的空調(diào)單元具有有限的成就，這是因為多種缺陷，包括依賴水冷卻器，其僅僅在大型商業(yè)建筑物中實用，并且難以獲得高效率。為了大型和小型商業(yè)建筑中的熱學能量存儲的商業(yè)優(yōu)點，熱學能量存儲系統(tǒng)必須具有最小化的生產(chǎn)成本，在不同的操作狀態(tài)下保持最大化的效率，在制冷劑控制結(jié)構(gòu)中具有簡單性，并且在多制冷或空調(diào)應(yīng)用中保持靈活性。
用于提供存儲的熱學能量的系統(tǒng)之前在以下專利公開文獻中有所說明，即授權(quán)給Harry Fischer的美國專利No.4735064、No.4916916；授權(quán)給Fischer等人的美國專利No.5647225；以及Narayanamurthy等人于2004年10月15日提交的美國專利申請No.10/967114。所有這些專利公開文獻利用冰蓄冷將空調(diào)負載從峰值電費率轉(zhuǎn)換至非峰值電費率，以提供經(jīng)濟的證明，并且因而這些專利公開文獻結(jié)合在此引作參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例可包括基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)，其包括冷凝單元，所述冷凝單元包含壓縮機和冷凝器；制冷劑控制單元，其連接至所述冷凝單元，所述制冷劑控制單元調(diào)節(jié)、蓄積并泵送制冷劑；負載熱交換器，其連接至所述制冷劑控制單元，其連接至所述制冷劑控制單元，通過增加所述制冷劑的焓而將冷卻能提供至冷卻負荷；充滿適于在液體與固體之間相變的流體的罐，在其中包含主熱交換器，所述主熱交換器連接至所述制冷劑控制單元，利用來自所述制冷劑控制單元的所述制冷劑冷卻所述流體，并且冷凍所述罐中的至少一部分所述流體；以及第二熱交換器，其連接至所述負載熱交換器，有助于被冷卻的所述流體與所述制冷劑之間的熱學接觸，從而減少所述制冷劑的焓，并且將加溫的所述流體返回至所述罐。
本發(fā)明的實施例還可包括用基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)提供冷卻負荷的方法，其包括以下步驟利用冷凝單元冷凝第一膨脹的制冷劑，以產(chǎn)生第一冷凝的制冷劑；將所述第一冷凝的制冷劑供應(yīng)至蒸發(fā)單元，其中所述蒸發(fā)單元限定在充滿適于在液體與固體之間相變的流體的罐內(nèi)；在第一時間階段的過程中，在蒸發(fā)單元內(nèi)膨脹所述第一冷凝的制冷劑，以冷凍所述罐內(nèi)的所述流體的一部分，從而產(chǎn)生冷卻的流體、冷凍的流體以及第二膨脹的制冷劑；在第二時間階段中至少一部分冷卻的流體通過第二熱交換器，以減少第二膨脹的制冷劑的焓，并且形成低焓的制冷劑；循環(huán)所述低焓的制冷劑通過位于所述冷凍的流體內(nèi)的所述蒸發(fā)單元，以冷凝所述低焓的制冷劑并且產(chǎn)生第二冷凝的制冷劑；并且膨脹所述第二冷凝的制冷劑，以提供所述冷卻負荷。


在附圖中圖1示出了熱交換性能增強的基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)的實施例；圖2示出了熱交換性能增強的基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)的實施例；圖3示出了具有多個改進的熱交換器的基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)的實施例；圖4示出了利用了共用流體槽的熱交換性能增強的基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)的實施例；圖5示出了利用了共用流體槽的熱交換性能增強的基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)的實施例。
具體實施例方式
盡管本發(fā)明受到多種不同形式的實施例影響，但是在附圖中示出并且在此將詳細說明本發(fā)明的特定實施例，應(yīng)該理解的是，本說明在此應(yīng)該被認為是本發(fā)明的原則的示例性說明，并且不限于所述的特定實施例。
如圖1所示，示出了基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)的實施例，其包括限定了系統(tǒng)的五個主要部件?？照{(diào)單元102利用壓縮機110和冷凝器111產(chǎn)生高壓液體制冷劑，其通過高壓液體供應(yīng)管線112輸送至制冷劑控制單元104。制冷劑控制單元104連接至熱學能量存儲單元106，其包括充滿流體(即，水)的絕緣罐140，以及制冰螺線管142?？照{(diào)單元102、制冷劑控制單元104以及熱學能量存儲單元106一致作用以提供給負載單元108高效的多模式的冷卻，其中所述負載單元108包括負載熱交換器108(室內(nèi)冷卻螺線管組件)，并且因而實現(xiàn)操作系統(tǒng)的主要模式的功能。第二熱交換器162的循環(huán)回路用于循環(huán)并且去分層化(destratify)絕緣罐140中的流體152，并且從離開負載熱交換器123的制冷劑吸收熱量。
如圖1進一步所示，在一個時間階段(造冰)過程中，空調(diào)單元102產(chǎn)生高壓液體制冷劑，其通過高壓液體供應(yīng)管線112輸送至制冷劑控制單元104。高壓液體供應(yīng)管線112穿過油蒸餾(still)/浪涌(surge)容器116，在其中形成熱交換器。油蒸餾/浪涌容器116用于三種目的油蒸餾/浪涌容器116被用于濃縮低壓制冷劑中的油，其中所述油將通過油返回毛細管148和干吸返回管線114返回至壓縮機110；油蒸餾/浪涌容器116被用于在第二時間階段(冷卻模式)過程中存儲液體制冷劑；并且油蒸餾/浪涌容器116被用于防止緊隨在壓縮機110啟動之后流體倒溢至壓縮機110，這是由于制冷劑在冰冷凍/排放螺線管142和通用制冷劑控制容器146中的快速膨脹。如果沒有油蒸餾/浪涌容器116，則油將保持在系統(tǒng)中，并且不返回至壓縮機110，最后使得壓縮機110由于缺少油而卡住，并且熱交換器還由于污垢而變得低效。如果沒有油蒸餾/浪涌容器116，則在第二時間階段(冷卻模式)的過程中不可能充分地從冰冷凍/排放螺線管排空液體制冷劑，從而幾乎利用冰冷凍/排放螺線管142內(nèi)的整個熱交換表面，以便冷凝從負載熱交換器123返回的制冷劑蒸氣。
冷液體制冷劑與位于油蒸餾/浪涌容器116內(nèi)的內(nèi)部熱交換器接觸，高壓(溫的)液體位于內(nèi)部熱交換器內(nèi)。形成蒸氣，其上升至油蒸餾/浪涌容器116的頂部，并且流出排出毛細管128(或孔口)，從而重新引入到濕吸返回管線124中。排出毛細管128的長度和內(nèi)徑在造冰時間階段的過程中限制油蒸餾/浪涌容器116中的壓力和油蒸餾/浪涌容器116中的制冷劑的質(zhì)量。
當在第二時間階段的過程中被激活時，液體制冷劑泵120為泵送式液體供應(yīng)管線122供應(yīng)制冷劑液體，其然后運輸至熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)的負載單元108中的負載熱交換器123的蒸發(fā)器螺線管。低壓制冷劑從負載熱交換器123的蒸發(fā)器螺線管經(jīng)由濕吸返回管線124返回至存儲器或通用制冷劑控制容器(URMV)146。同時，富含部分蒸餾的油的制冷劑通過油返回毛細管148流出油蒸餾/浪涌容器116的底部，并且在低壓蒸氣排出通用制冷劑控制容器146的情況下重新引入到干吸返回管線114中，并返回至空調(diào)單元102。油返回毛細管148控制富含油的制冷劑排出油蒸餾/浪涌容器116的速度。還由高壓液體供應(yīng)管線112中的溫的高壓液體制冷劑加熱的油返回毛細管允許油返回至壓縮機110中的油池。
附加地，濕吸返回管線124與上集管組件154相連，其中所述上集管組件154與二分叉器130相連，以將低壓制冷劑從混相調(diào)節(jié)器132供應(yīng)至系統(tǒng)。僅僅當在冷凝器111中具有足夠量的液體時，混相調(diào)節(jié)器132通過采用閥(孔口)測量系統(tǒng)中的制冷劑的流動，其中所述閥脈沖式打開，以釋放液相(液態(tài))制冷劑。該混相調(diào)節(jié)器132減少從壓縮機110供應(yīng)至通用制冷劑控制容器146的過多的蒸氣(而非在飽合的高壓液體的壓力減小時形成的閃蒸氣體)，而還將所需要的壓力從冷凝器壓力降低至蒸發(fā)器飽合壓力。這導(dǎo)致了系統(tǒng)的較大的總效率，而同時簡化了重力再循環(huán)式或液體溢流式系統(tǒng)的制冷劑控制單元104。因而，有利的是設(shè)有調(diào)節(jié)式流體控制器，其可調(diào)節(jié)壓力輸出，或測量制冷劑的流動，這是通過控制制冷劑的溫度和蒸氣含量的獨立變化而實現(xiàn)的。該壓力或流動控制是在沒有來自系統(tǒng)的其它部件的單獨的反饋的前提下完成的，從而利用傳統(tǒng)的熱膨脹閥完成。
絕緣罐140包含雙用途的冰冷凍/排放螺線管142，其設(shè)置成用于液體制冷劑的重力再循環(huán)以及排空，并且在頂部連接至上集管組件154，在底部連接至下集管組件156。上集管組件154和下集管組件156向外延伸穿過絕緣罐140至制冷劑控制單元104。在制冷劑流動穿過冰冷凍/排放螺線管142以及集管組件154和156時，螺線管用作為蒸發(fā)器，而在一個時間階段過程中流體/冰152(相變材料)在絕緣罐140中固化。冰冷凍/排放螺線管142以及集管組件154和156連接至制冷劑回路的低壓下側(cè)，并且設(shè)置成重力式或泵送式再循環(huán)和排空液體制冷劑。在第二時間階段過程中，溫的氣相制冷劑循環(huán)通過冰冷凍/排放螺線管142以及集管組件154和156，并且冷凝制冷劑，同時融化冰。
隨著熱量從冰冷凍/排放螺線管142傳遞至周圍的冰，一層水形成在單個螺線管142的環(huán)體周圍。在該層水在螺線管周圍形成足夠的包封之后，其開始用作為冰冷凍/排放螺線管142與冰塊之間的絕緣體。這種狀態(tài)將持續(xù)直至水環(huán)體變得足夠大以致于實現(xiàn)顯著的水循環(huán)，從而克服這種局部熱學分層。為了補償系統(tǒng)無法產(chǎn)生高級別的瞬時冷卻負荷，冰塊的外側(cè)表面附加地被利用。
在絕緣罐140內(nèi)，在造冰循環(huán)的過程中，全部水并未被凍結(jié)，并且因而一定量的水連續(xù)圍繞冰塊。在罐的底部，這種水非常接近冰點(大約33至34)，并且通過水泵164被吸入到冷水進入管線166中，并且輸送至第二熱交換器162。從負載熱交換器123(通常冷卻通道中的蒸發(fā)器螺線管)返回的制冷劑從濕吸返回管線124的豎直路徑轉(zhuǎn)向，并且經(jīng)由第二冷卻管線170輸送至第二熱交換器162。在此，溫的制冷劑由從冷水進入管線166進入的水冷卻，并且冷凝，同時增加制冷劑中的液體的比例，其中所述制冷劑然后通過第二冷卻排出管線172輸送至主熱交換器160。集管結(jié)構(gòu)將大多數(shù)液體驅(qū)動至通用制冷劑控制容器146，并且將蒸氣驅(qū)動至主熱交換器160。剩余的制冷劑蒸氣然后于絕緣罐140中在主熱交換器160中冷凝。在將熱量傳遞至第二熱交換器162中的制冷劑之后，加溫的水經(jīng)由溫水返回管線168返回至絕緣罐140的任意部分(所示的上側(cè)部分)。
制冷劑控制單元104包括通用制冷劑控制容器146，其用作為存儲器。通用制冷劑控制容器146位于制冷劑回路的低壓側(cè)，并且實現(xiàn)多種功能。在制冷劑能量存儲階段的過程中并且另外在冷卻階段的過程中，通用制冷劑控制容器146將液相制冷劑從氣相制冷劑中分離。在制冷劑能量存儲階段的過程中，通用制冷劑控制容器146還提供了液體制冷劑的靜止柱體，其中所述制冷劑能量存儲階段維持了經(jīng)過絕緣罐140中的冰冷凍/排放螺線管142的重力循環(huán)。在第一熱學能量存儲時間的過程中，干吸返回路線114在空調(diào)單元102中從通用制冷劑控制容器146頂部的出口將低壓氣相制冷劑供應(yīng)至壓縮機110。濕吸返回管線124設(shè)置成穿過上集管組件154的頂部中的入口，以便當制冷劑能量存儲系統(tǒng)提供制冷時在第二時間階段的過程中連接至蒸發(fā)器(負載熱交換器123)。
第一時間階段是制冷劑能量存儲時間階段，其中顯熱(sensible heat)以及潛熱(latent heat)從水中去除，從而使得水冷凍。壓縮機110的輸出是高壓制冷劑蒸氣，其被冷凝以形成高壓液體。液體制冷劑泵120的出口上(泵送式液體供應(yīng)管線120中)的閥(未示出)控制針對負載單元108的連接，例如在液體制冷劑泵停止時，關(guān)閉連接。
在第一時間階段過程中，熱量從高壓溫的液體流至油蒸餾/浪涌容器116中的低壓冷的液體，其中所述在油蒸餾/浪涌容器116使得冷的液體沸騰。由于在液體沸騰過程中在油蒸餾/浪涌容器116中形成的蒸氣所導(dǎo)致的壓力上升使得冷的液體排出油蒸餾/浪涌容器116，并且將其移動至冰冷凍/排放螺線管142，在這里在第一時間階段的過程中需要適合的系統(tǒng)操作。在第二時間階段的過程中，溫的高壓液體不再流動穿過高壓液體供應(yīng)管線112，這是因為空調(diào)單元102中的壓縮機110關(guān)閉。因此，前述熱量從溫的液體流至冷的液體停止。這種停止允許液體從通用制冷劑控制容器146以及冰冷凍/排放螺線管流回到油蒸餾/浪涌容器116中，這是因為在第一階段過程中容器內(nèi)部不再出現(xiàn)高壓氣體。
在熱學能量存儲階段的過程中，高壓液體制冷劑從空調(diào)單元102流至內(nèi)部熱交換器，其幾乎將所有(少量除外)低壓液體制冷劑保持在油蒸餾/浪涌容器116之外。位于容器內(nèi)的制冷劑以由兩個毛細管(管道)確定的速度沸騰。一個毛細管是排出毛細管128，其控制油蒸餾/浪涌容器116中的制冷劑的液面。其次，油返回毛細管148將富含油的制冷劑以確定的速度返回至空調(diào)單元102中的壓縮機110。通用制冷劑控制容器1 46中的液體制冷劑的柱體通過重力被作用，并且油蒸餾/浪涌容器116定位在通用制冷劑控制容器146的底部附近，柱體維持了將液體制冷劑穩(wěn)定流動供應(yīng)至油蒸餾/浪涌容器116并且進入熱學能量存儲單元106中。浪涌功能允許在冷卻階段的過程中過多的制冷劑從冰冷凍/排放螺線管142排空，其中所述冰冷凍/排放螺線管142位于絕緣罐140中，在第二時間階段的過程中保持表面積最大化以便冷凝制冷劑。
油蒸餾/浪涌容器116參照系統(tǒng)的其余部分的物理定位是作為油蒸餾和浪涌容器的一種性能因素。這種油蒸餾/浪涌容器116附加地提供油返回的路徑，其中所述油隨著制冷劑移動，其中所述制冷劑必須返回至壓縮機110。排出油蒸餾/浪涌容器116的稍微過冷(比制冷劑的氣-液相溫度更冷)的高壓液體制冷劑流過混相調(diào)節(jié)器132，在該過程中，壓力下降。
如上所述，制冷劑控制單元104經(jīng)由高壓液體供應(yīng)管線112從空調(diào)單元102接收高壓液體制冷劑。高壓液體制冷劑流過油蒸餾/浪涌容器116中的熱交換器，在那里，其稍微被過冷，并且然后流至混相調(diào)節(jié)器132，在那里，制冷劑壓力下降。混相調(diào)節(jié)器132的使用提供了除了液體制冷劑壓力下降以外的多種有利的功能。通過混相調(diào)節(jié)器132的制冷劑的質(zhì)量匹配熱學能量存儲時間階段過程中制冰螺線管142中的制冷劑沸騰速度，從而減少了制冷劑液面控制的需求。
混相調(diào)節(jié)器132通過液體制冷劑，但是在感應(yīng)到蒸氣后關(guān)閉。蒸氣在調(diào)節(jié)器的下側(cè)的存在形成關(guān)閉閥的壓力，其與作用在活塞上的其它力結(jié)合，以在與期望的蒸氣含量對應(yīng)的預(yù)定觸發(fā)點關(guān)閉活塞。該觸發(fā)點由調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)預(yù)確定(即，改變調(diào)節(jié)器部件的幾何結(jié)構(gòu)以及材料)。該觸發(fā)點還可由針對調(diào)節(jié)器幾何結(jié)構(gòu)的自動或手動調(diào)整裝置(即，針對活塞限位的螺紋調(diào)整裝置)調(diào)整。
在排出混相調(diào)節(jié)器132的制冷劑中由于混相調(diào)節(jié)器132的打開和關(guān)閉而產(chǎn)生的脈沖作用在液體制冷劑中形成脈沖影響，其中所述脈沖影響在通用制冷劑控制容器146中的封閉的柱體內(nèi)產(chǎn)生壓力波。這在熱學能量存儲第一時間階段的過程中在制冰螺線管142和冷凝器111這兩者中攪動液體制冷劑，并且改進熱交換并有助于隔離液相制冷劑和氣相制冷劑?；煜嗾{(diào)節(jié)器132與通用制冷劑控制容器146協(xié)作還在第一時間階段的過程中排空空調(diào)單元102中的液體制冷劑，同時保持其冷凝表面區(qū)域沒有液體冷凝物，并且因而可以進行冷凝?；煜嗾{(diào)節(jié)器132允許空冷式空調(diào)單元102的壓頭(head pressure)隨著環(huán)境溫度而變化。系統(tǒng)不需要過熱線路，其對于連接至直接膨脹式制冷裝置的大多數(shù)冷凝單元而言是必要的。
離開混相調(diào)節(jié)器132的低壓混相制冷劑穿過二分叉器130到達位于通用制冷劑控制容器146的入口與制冰螺線管142的上集管組件154之間的噴射器(或噴射噴嘴)，以有助于重力制冷劑循環(huán)。在制冷劑熱學能量存儲時間階段的過程中，噴射器在其下游立即產(chǎn)生壓力下降，并且在熱學能量存儲單元106的上集管組件154中，隨著制冷劑離開二分叉器130，因而增加了制冰螺線管142中的制冷劑循環(huán)的速度，而同時改進了系統(tǒng)的性能。
隨著橫跨壓縮機的出口的壓力差隨著戶外環(huán)境空氣溫度的增加或降低而變化，混相調(diào)節(jié)器132還起作用以改變來自壓縮機110的制冷劑質(zhì)量流。這允許冷凝壓力隨著環(huán)境空氣溫度而波動。隨著環(huán)境空氣溫度下降，壓縮機110的壓頭下降，這減少了能量消耗并且增加了壓縮機110的性能?；煜嗾{(diào)節(jié)器132允許液體制冷劑通過而同時在感應(yīng)到蒸氣后關(guān)閉活塞。因而，混相調(diào)節(jié)器132暫時地將氣相混合物保持成“捕獲狀態(tài)”。在感應(yīng)到高壓液體之后，活塞從其座提升，這允許液體通過。
因而，混相調(diào)節(jié)器132允許蒸氣壓力將高壓液體制冷劑轉(zhuǎn)換成低壓液體制冷劑以及閃蒸氣。由混相調(diào)節(jié)器132保持回的蒸氣增加了回到冷凝器111的管線壓力，并且進一步冷凝成液體?；煜嗾{(diào)節(jié)器132是自我調(diào)節(jié)，并且沒有附加損失。附加地，混相調(diào)節(jié)器132通過將蒸氣從液體中去除并且在系統(tǒng)的低壓側(cè)和高壓側(cè)這兩者上產(chǎn)生脈沖作用而改進熱交換器的螺線管中的熱傳遞的效率。如上所述，混相調(diào)節(jié)器打開以令低壓液體通過，并且然后關(guān)閉，以在調(diào)節(jié)器的高壓側(cè)上捕獲蒸氣，并且在調(diào)節(jié)器的低壓側(cè)上產(chǎn)生脈沖作用。該脈沖作用以一定的沸騰和冷凝級別使得熱交換器的內(nèi)壁更加濕潤，這有助于熱傳遞。
低壓混相制冷劑進入通用制冷劑控制容器146，并且液體成分和蒸氣成分通過重力被分離，從而液體掉落至底部而蒸氣上升至頂部。液體成分充滿通用制冷劑控制容器146至由系統(tǒng)中的制冷劑的充注量所確定的級別，而蒸氣成分返回至空調(diào)單元102的壓縮機。在傳統(tǒng)的直接膨脹式冷卻系統(tǒng)中，蒸氣成分在整個系統(tǒng)中循環(huán)，從而減少效率。根據(jù)圖1中所示的實施例，蒸氣成分直接返回至壓縮機110，而不必通過蒸發(fā)器。通用制冷劑控制容器146中的液體制冷劑的柱體由重力作用，并且在熱學能量存儲時間階段的過程中具有兩個路徑。一個路徑是油蒸餾/浪涌容器116，在這里，由毛細管128和148測量速度。
針對液體制冷劑的柱體的第二路徑是下集管組件156，通過冰冷凍/排放螺線管142和上集管組件154，并且經(jīng)由通用制冷劑控制容器146回到壓縮機110。在罐充滿諸如水的相變液體時，這種重力輔助式循環(huán)方式以冰的形式存儲熱學容量。通用制冷劑控制容器146中的液體靜態(tài)集管用作為泵，以在冰冷凍/排放螺線管142內(nèi)產(chǎn)生流動。隨著制冷劑變成蒸氣，螺線管中的液體液面被強制低于通用制冷劑控制容器146中的液體液面，并因而，促進通用制冷劑控制容器146與冰冷凍/排放螺線管142之間的連續(xù)流動。通用制冷劑控制容器146與冰冷凍/排放螺線管142之間的這種壓力差維持重力循環(huán)。最初僅僅蒸氣，并且隨后(在存儲循環(huán)中)制冷劑液體和蒸氣這兩者從上集管組件154返回至通用制冷劑控制容器146。
隨著制冷劑返回至通用制冷劑控制容器146，熱通量由于增加冰厚度(增加熱阻抗)而逐漸減小。液體在制冷劑控制單元104中返回至通用制冷劑控制容器146，并且蒸氣在空調(diào)單元102中返回至壓縮機110。重力循環(huán)確保冰的均勻產(chǎn)生。隨著一個冰冷凍/排放螺線管142產(chǎn)生較多的冰，其熱通量率減小。其下一個螺線管接收更多的制冷劑，直至所有螺線管具有幾乎相同的熱通量率。
冰冷凍/排放螺線管142的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生這樣一種造冰的模式，其在造冰存儲(第一)時間階段的過程中維持高壓縮機吸引壓力(因而增加的吸引氣體密度)。在熱學能量存儲(第一)時間階段的最后期間的過程中，各個冰冷凍/排放螺線管142之間的所有剩余空隙由冰封閉，因而冰表面區(qū)域上的剩余水減少，并且吸引壓力顯著下降。吸引壓力的下降可用作為全充料的指示，其自動通過可調(diào)節(jié)的制冷劑壓力開關(guān)而關(guān)閉冷凝單元。
當在熱學能量存儲第一時間階段的過程中空調(diào)單元102打開時，通過重力防止低壓液體制冷劑通過液體制冷劑泵120，并且通過泵送式液體供應(yīng)管線122中的提升閥(未示出)防止進入負載熱交換器123。當熱學能量存儲系統(tǒng)被完全充料，并且空調(diào)單元102關(guān)閉后，混相調(diào)節(jié)器132允許制冷劑系統(tǒng)壓力快速均衡。這種快速壓力均衡允許在壓縮機110中使用高效、低啟動扭矩的電機。負載熱交換器123設(shè)置在熱學能量存儲單元106之上或之下，從而制冷劑可從負載熱交換器123(作為混相液體和蒸氣)流動，或者通過濕吸返回管線124(作為僅在飽合狀態(tài)的蒸氣)，到達上集管組件154。在通過上集管組件154之后，制冷劑然后流入冰冷凍/排放螺線管中，以便冷凝回液體。
如圖1所示，示出了高效制冷劑能量存儲和冷卻系統(tǒng)的實施例，其包括限定系統(tǒng)的五個主要部件?？照{(diào)單元102是傳統(tǒng)的冷凝單元，其利用壓縮機110和冷凝器111，以產(chǎn)生高壓液體制冷劑，其經(jīng)由高壓液體供應(yīng)管線112輸送至制冷劑控制單元104。制冷劑控制單元104連接至熱學能量存儲單元106，其包括充滿水的絕緣罐140以及制冰螺線管142。最后，第二熱交換器單元162引入外部融化容量(melt capability)，其提供附加的瞬間冷卻負荷至系統(tǒng)?？照{(diào)單元102、制冷劑控制單元104以及熱學能量存儲單元106共同作用，以提供高效多模式冷卻至負載熱交換器108(戶內(nèi)冷卻螺線管組件)并因而實現(xiàn)系統(tǒng)的主要操作模式的功能。由第二熱交換器162形成的循環(huán)回路在離開負載熱交換器123的制冷劑與絕緣罐140內(nèi)的流體之間進行熱傳遞。該回路作用成循環(huán)和去分層化絕緣罐140內(nèi)的流體152，并且從離開負載熱交換器123的制冷劑中吸收熱量。在需要瞬時的冷卻負荷時，按需要，該第二熱交換器回路可通過閥188切換到系統(tǒng)內(nèi)和外。所示的系統(tǒng)是公知為內(nèi)部/外部融化系統(tǒng)，這是因為已經(jīng)被存儲為冰形式的熱學能量通過冰冷凍/排放螺線管142被內(nèi)部融化成塊，并且通過第二熱交換器162從塊的周邊通過循環(huán)冷水而外部融化。在需要瞬時的冷卻負荷時，按需要，該附加的熱交換器回路可通過閥188切換到系統(tǒng)內(nèi)和外。
圖2示出了熱交換性能增強的基于制冷劑的熱學能量存儲冷卻系統(tǒng)。具有傳統(tǒng)冷凝單元202(空調(diào)機)的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)利用壓縮機和冷凝器以產(chǎn)生高壓液體制冷劑，其經(jīng)由高壓液體供應(yīng)管線212輸送至制冷控制和分配系統(tǒng)204，其可包括通用制冷劑控制容器246和液體制冷劑泵220。通用制冷劑控制容器246從高壓液體供應(yīng)管線212接收低壓混相262液體制冷劑，其壓力已經(jīng)下降。制冷劑蓄積在通用制冷劑控制容器246內(nèi)，其將液相制冷劑與氣相制冷劑分離?；煜嗾{(diào)節(jié)器(未示出)可用于最小化從壓縮機供應(yīng)至通用制冷劑控制容器246的蒸氣，而同時減少從冷凝器至蒸發(fā)器飽合壓力的制冷劑壓力差。
在熱學能量存儲模式中，通用制冷劑控制容器246通過液體輸送管線266將液體制冷劑輸送至主熱交換器260，其以冰或冰塊242的形式存儲冷卻能(熱學能量)。在將冷卻能輸送至主熱交換器260之后，混相制冷劑經(jīng)由濕吸返回管線224返回至通用制冷劑控制容器246。干吸返回管線218返回氣相制冷劑，其將在冷凝單元202內(nèi)被壓縮和冷凝，以完成熱學能量存儲循環(huán)。
在冷卻模式中，通用制冷劑控制容器246將液體制冷劑經(jīng)由泵入口管線264輸送至液體制冷劑泵220，其然后將制冷劑經(jīng)由泵出口管線260泵送至蒸發(fā)器螺線管222。在將冷卻能輸送至蒸發(fā)器螺線管222之后，混相或飽合制冷劑經(jīng)由低壓蒸氣管線268返回至主熱交換器260，并且利用冰塊242被冷凝和冷卻，其中所述冰塊242在熱學能量存儲模式的過程中被制成。氣相制冷劑然后經(jīng)由液體輸送管線266被返回至通用制冷劑控制容器246。第二熱交換器單元270將外部融體引入至系統(tǒng)，以提供附加的瞬時冷卻負荷至系統(tǒng)。通過提供給系統(tǒng)內(nèi)部/外部融化能力，以冰塊242形式存儲的熱學能量通過主熱交換器260內(nèi)的冷凍/排放螺線管被內(nèi)部融化，并且通過第二熱交換器270從塊的周邊循環(huán)冷水而外部融化。這使得系統(tǒng)實現(xiàn)增加四倍的瞬時冷卻能力。
在該第二時間階段(冷卻模式)的過程中，溫的氣相制冷劑循環(huán)通過主熱交換器260內(nèi)的冰冷凍/排放螺線管，并且從內(nèi)向外融化冰塊242，同時提供制冷劑冷凝功能。隨著熱量從這些冰冷凍/排放螺線管傳遞至周圍的冰塊242，在單個螺線管的環(huán)體周圍形成水層。如上所述，在該水層圍繞螺線管形成足夠的包封之后，其開始用作為冰冷凍/排放螺線管與冰塊242之間的絕緣體。這種狀態(tài)將持續(xù)直至這樣的時候，即水環(huán)體變得足夠大以便顯著水循環(huán)，從而克服這種局部熱學分層。為了補償系統(tǒng)無法產(chǎn)生高級別的瞬時冷卻負荷，冰塊的外側(cè)表面附加地被利用。
在絕緣罐240內(nèi)，在造冰循環(huán)的過程中，全部水并未被凍結(jié)，并且因而一定量的水連續(xù)圍繞冰塊。在絕緣罐240的底部，該水非常接近冰點(大約33至34)，并且通過水泵272被吸入到冷水管線274中，并且輸送至第二熱交換器270。從蒸發(fā)器螺線管222返回的制冷劑可從濕吸返回管線224的豎直路徑轉(zhuǎn)向，并且經(jīng)由第二冷卻進入管線278輸送至第二熱交換器270。在此，溫的制冷劑由從冷水管線274進入的水冷卻，并且冷凝，同時增加制冷劑中的液體的比例，其中所述制冷劑然后通過第二冷卻排出管線280輸送至主熱交換器260，在這里，集管結(jié)構(gòu)將大多數(shù)液體驅(qū)動至通用制冷劑控制容器246，并且將蒸氣驅(qū)動至主熱交換器260。剩余的制冷劑蒸氣然后于絕緣罐240中在主熱交換器260中冷凝。在將熱量傳遞至第二熱交換器270中的制冷劑之后，加溫的水經(jīng)由溫水返回管線276返回至絕緣罐240的上側(cè)部分。在需要瞬時的冷卻負荷時，按需要，該第二熱交換器回路可通過閥288切換到系統(tǒng)內(nèi)和外。附加地，附屬的冷卻源(未示出)，例如外部冷水管線等，可安置成與第二熱交換器中的制冷劑熱學接觸，以附加地加速預(yù)冷卻進入主熱交換器260或URMV 246的制冷劑。
圖3示出了具有多種改進的熱交換性能的基于制冷劑的熱學能量存儲冷卻系統(tǒng)的實施例。相似地，正如前圖中所示，具有傳統(tǒng)冷凝單元302(空調(diào)機)的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)利用壓縮機和冷凝器以產(chǎn)生高壓液體制冷劑，其經(jīng)由高壓液體供應(yīng)管線輸送至制冷控制和分配系統(tǒng)304，其可包括通用制冷劑控制容器346和液體制冷劑泵320。混相流體調(diào)節(jié)器(未示出)可用于從高壓液體供應(yīng)管線接收高壓液體制冷劑，并且調(diào)節(jié)從壓縮機輸送至熱負載的制冷劑的流動。低壓混相制冷劑蓄積在通用制冷劑控制容器346中，其將液相制冷劑與氣相制冷劑分離。
在熱學能量存儲模式中，通用制冷劑控制容器346將液體制冷劑通過液體輸送管線輸送至主熱交換器360，其以冰或冰塊342的形式存儲冷卻能。在將冷卻能輸送至主熱交換器360之后，混相制冷劑經(jīng)由濕吸返回管線324返回至通用制冷劑控制容器346。干吸返回管線返回氣相制冷劑，其將在冷凝單元302中被壓縮和冷卻，以完成熱學能量存儲循環(huán)。
在冷卻模式中，通用制冷劑控制容器346將液體制冷劑輸送至液體制冷劑泵320，其然后將制冷劑泵送至蒸發(fā)器螺線管322。在將冷卻能輸送至蒸發(fā)器螺線管322之后，混相制冷劑被返回至主熱交換器360，并且利用冰塊342被冷卻，其中所述冰塊342是在熱學能量存儲模式的過程中被制成。氣相制冷劑通過冰塊冷卻被冷凝成液體，并且經(jīng)由液體輸送管線366被返回至通用制冷劑控制容器346。第二熱交換器單元370以及第三級熱交換器單元390將外部融化引入至系統(tǒng)，以提供附加的瞬時冷卻負荷至系統(tǒng)。
通過提供給系統(tǒng)內(nèi)部/外部融化能力，以冰塊342形式存儲的熱學能量通過主熱交換器360內(nèi)的冷凍/排放螺線管被內(nèi)部融化，并且通過第二熱交換器370和第三級熱交換器390從塊的周邊循環(huán)冷水而外部融化。這允許系統(tǒng)起作用以實現(xiàn)非常大的瞬時冷卻需求。附加的熱交換器單元可以以第三級熱交換器390的方式增加至系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)廣泛不同的冷卻負荷需求。在該第二時間階段(冷卻模式)的過程中，溫的氣相制冷劑循環(huán)通過主熱交換器360內(nèi)的冰冷凍/排放螺線管，并且從內(nèi)向外融化冰塊342，同時提供制冷劑冷凝功能。
絕緣罐340的底部的水通過水泵372吸入冷水管線374中，并且輸送至第二熱交換器370和第三級熱交換器390。從蒸發(fā)器螺線管322返回的制冷劑可從濕吸返回管線324的豎直路徑轉(zhuǎn)向，并且經(jīng)由第二冷卻進入管線378輸送至第二熱交換器370和第三級熱交換器390。在此，溫的制冷劑由從冷水管線374進入的水冷卻，并且冷凝，同時增加制冷劑中的液體的比例，其中所述制冷劑然后通過第二冷卻排出管線380輸送至主熱交換器360，在這里，集管結(jié)構(gòu)將大多數(shù)液體驅(qū)動至通用制冷劑控制容器346，并且將蒸氣驅(qū)動至主熱交換器360。剩余的制冷劑蒸氣然后于絕緣罐340內(nèi)在主熱交換器360中被冷凝。在將熱量傳遞至第二熱交換器370和第三級熱交換器390中的制冷劑之后，加溫的水經(jīng)由溫水返回管線376返回至絕緣罐340的上側(cè)部分。在需要瞬時的冷卻負荷時，按需要，這些附加的熱交換器回路和第三級熱交換器回路可通過閥388切換到系統(tǒng)內(nèi)和外。如果需要的話，多個附加的熱交換器可以以與第三級主交換器相同的方式串行或并行地增加至系統(tǒng)，以實現(xiàn)制冷劑的附加的焓減少(enthalpyreduction)。
圖4示出了熱交換性能增強的基于制冷劑的熱學能量存儲冷卻系統(tǒng)的實施例，其利用了共用流體槽。具有傳統(tǒng)冷凝單元402(空調(diào)機)的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)利用壓縮機和冷凝器以產(chǎn)生高壓液體制冷劑，其經(jīng)由高壓液體供應(yīng)管線412輸送至制冷控制和分配系統(tǒng)404，其可包括通用制冷劑控制容器446和液體制冷劑泵420。通用制冷劑控制容器446從高壓液體供應(yīng)管線412接收低壓混相462液體制冷劑，其壓力已經(jīng)下降。制冷劑蓄積在通用制冷劑控制容器446中，其將液相制冷劑與氣相制冷劑分離。低壓混相制冷劑462蓄積在通用制冷劑控制容器446中，其將液相制冷劑與氣相制冷劑分離?；煜嗾{(diào)節(jié)器(未示出)可用于最小化從壓縮機供應(yīng)至通用制冷劑控制容器446的蒸氣，而同時減少從冷凝器至蒸發(fā)器飽合壓力的制冷劑壓力差。
在熱學能量存儲模式中，通用制冷劑控制容器446通過液體輸送管線466將液體制冷劑輸送至主熱交換器460，其以冰或冰塊442的形式存儲冷卻能(熱學能量)。在將冷卻能輸送至主熱交換器460之后，混相制冷劑經(jīng)由濕吸返回管線424返回至通用制冷劑控制容器446。干吸返回管線418返回氣相制冷劑，其將在冷凝單元402內(nèi)被壓縮和冷凝，以完成熱學能量存儲循環(huán)。
在冷卻模式中，通用制冷劑控制容器446將液體制冷劑經(jīng)由泵入口管線464輸送至液體制冷劑泵420，其然后將制冷劑經(jīng)由泵出口管線460泵送至蒸發(fā)器螺線管422。在將冷卻能輸送至蒸發(fā)器螺線管422之后，混相或飽合制冷劑經(jīng)由低壓蒸氣管線468返回至主熱交換器460，并且利用冰塊442被冷凝和冷卻，其中所述冰塊442在熱學能量存儲模式的過程中被制成。氣相制冷劑然后經(jīng)由液體輸送管線466被返回至通用制冷劑控制容器446。位于包含在絕緣罐440內(nèi)部但處于冰塊442外部的流體443內(nèi)的第二熱交換器單元470可用于引入外部融化，并且以串行的方式提供附加的瞬時冷卻負荷至系統(tǒng)。通過提供給系統(tǒng)內(nèi)部/外部融化能力，以冰塊442形式存儲的熱學能量通過主熱交換器460內(nèi)的冷凍/排放螺線管被內(nèi)部融化，并且通過第二熱交換器470從塊的周邊循環(huán)和/或接觸冷水而外部融化。這允許系統(tǒng)以簡單和獨立的方式實現(xiàn)增加的瞬時冷卻能力?？衫酶郊拥难h(huán)泵或空氣泵以在室內(nèi)去分層化和混合流體。
在該第二時間階段(冷卻模式)的過程中，溫的氣相制冷劑循環(huán)通過主熱交換器460內(nèi)的冰冷凍/排放螺線管，并且從內(nèi)向外融化冰塊442，同時提供制冷劑冷凝功能。隨著熱量從這些冰冷凍/排放螺線管傳遞至周圍的冰塊442，在單個螺線管的環(huán)體周圍形成水層。如上所述，在該水層圍繞螺線管形成足夠的包封之后，其開始用作為冰冷凍/排放螺線管與冰塊442之間的絕緣體。這種狀態(tài)將持續(xù)直至這樣的時候，即水環(huán)體變得足夠大以便顯著水循環(huán)，從而克服這種局部熱學分層。為了補償系統(tǒng)無法產(chǎn)生高級別的瞬時冷卻負荷，冰塊的外側(cè)表面附加地被利用。
在絕緣罐440內(nèi)，在造冰循環(huán)的過程中，全部水并未被凍結(jié)，并且因而一定量的水連續(xù)圍繞冰塊。在絕緣罐440的底部，該水非常接近冰點(大約33至34)，并且被用于接觸位于流體443內(nèi)的第二熱交換器470。從蒸發(fā)器螺線管422返回的制冷劑可從濕吸返回管線424的豎直路徑轉(zhuǎn)向，并且經(jīng)由第二冷卻進入管線480輸送至第二熱交換器470。在此，溫的制冷劑由冰塊442周圍的水冷卻，并且冷凝，同時增加制冷劑中的液體的比例，其中所述制冷劑然后通過第二冷卻排出管線480輸送至主熱交換器460，在這里，集管結(jié)構(gòu)將大多數(shù)液體驅(qū)動至通用制冷劑控制容器446，并且將蒸氣驅(qū)動至主熱交換器460。剩余的制冷劑蒸氣然后于絕緣罐440中在主熱交換器460中冷凝。在將熱量傳遞至第二熱交換器470中的制冷劑之后，加溫的水在絕緣罐440內(nèi)循環(huán)和混合。在需要瞬時的冷卻負荷時，按需要，該附加的熱交換器回路可通過閥488切換到系統(tǒng)內(nèi)和外。
圖5示出了熱交換性能增強的基于制冷劑的熱學能量存儲冷卻系統(tǒng)的實施例，其利用了共用流體槽。具有傳統(tǒng)冷凝單元502(空調(diào)機)的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)利用壓縮機和冷凝器以產(chǎn)生高壓液體制冷劑，其經(jīng)由高壓液體供應(yīng)管線512輸送至制冷控制和分配系統(tǒng)504，其可包括通用制冷劑控制容器546和液體制冷劑泵520。通用制冷劑控制容器546從高壓液體供應(yīng)管線512接收低壓混相562液體制冷劑，其壓力已經(jīng)下降。制冷劑蓄積在通用制冷劑控制容器546中，其將液相制冷劑與氣相制冷劑分離。低壓混相制冷劑562蓄積在通用制冷劑控制容器546中，其將液相制冷劑與氣相制冷劑分離。混相調(diào)節(jié)器(未示出)可用于最小化從壓縮機供應(yīng)至通用制冷劑控制容器546的蒸氣，而同時減少從冷凝器至蒸發(fā)器飽合壓力的制冷劑壓力差。
在熱學能量存儲模式中，通用制冷劑控制容器546通過液體輸送管線566將液體制冷劑輸送至主熱交換器560，其以冰或冰塊542的形式存儲冷卻能(熱學能量)。在將冷卻能輸送至主熱交換器560之后，混相制冷劑經(jīng)由濕吸返回管線524返回至通用制冷劑控制容器546。干吸返回管線518返回氣相制冷劑，其將在冷凝單元502內(nèi)被壓縮和冷凝，以完成熱學能量存儲循環(huán)。
在冷卻模式中，通用制冷劑控制容器546將液體制冷劑經(jīng)由泵入口管線564輸送至液體制冷劑泵520，其然后將制冷劑經(jīng)由泵出口管線560泵送至蒸發(fā)器螺線管522。在將冷卻能輸送至蒸發(fā)器螺線管522之后，混相或飽合制冷劑經(jīng)由低壓蒸氣管線568返回至主熱交換器560，并且利用冰塊542被冷凝和冷卻，其中所述冰塊542在熱學能量存儲模式的過程中被制成。氣相制冷劑然后經(jīng)由液體輸送管線566被返回至通用制冷劑控制容器546。位于包含在絕緣罐540內(nèi)部但處于冰塊542外部的流體543內(nèi)的第二熱交換器單元570可用于引入外部融化，并且以并行的方式提供附加的瞬時冷卻負荷至系統(tǒng)。通過提供給系統(tǒng)內(nèi)部/外部融化能力，以冰塊542形式存儲的熱學能量通過主熱交換器560內(nèi)的冷凍/排放螺線管被內(nèi)部融化，并且通過第二熱交換器570從塊的周邊循環(huán)和/或接觸冷水而外部融化。這允許系統(tǒng)以簡單和獨立的方式實現(xiàn)增加的瞬時冷卻能力?？衫酶郊拥难h(huán)泵或空氣泵以在室內(nèi)去分層化和混合流體。
在該第二時間階段(冷卻模式)的過程中，溫的氣相制冷劑循環(huán)通過主熱交換器560內(nèi)的冰冷凍/排放螺線管，并且從內(nèi)向外融化冰塊542，同時提供制冷劑冷凝功能。隨著熱量從這些冰冷凍/排放螺線管傳遞至周圍的冰塊542，在單個螺線管的環(huán)體周圍形成水層。如上所述，在該水層圍繞螺線管形成足夠的包封之后，其開始用作為冰冷凍/排放螺線管與冰塊542之間的絕緣體。這種狀態(tài)將持續(xù)直至這樣的時候，即水環(huán)體變得足夠大以便顯著水循環(huán)，從而克服這種局部熱學分層。為了補償系統(tǒng)無法產(chǎn)生高級別的瞬時冷卻負荷，冰塊的外側(cè)表面附加地被利用。
在絕緣罐540內(nèi)，在造冰循環(huán)的過程中，全部水并未被凍結(jié)，并且因而一定量的水連續(xù)圍繞冰塊。在絕緣罐540的底部，該水非常接近冰點，并且被用于接觸位于流體543內(nèi)的第二熱交換器570。從蒸發(fā)器螺線管522返回的制冷劑可從濕吸返回管線524的豎直路徑轉(zhuǎn)向，并且同時經(jīng)由第二冷卻進入管線580輸送至第二熱交換器570和主熱交換器560。在此，溫的制冷劑由冰塊542周圍的水通過第二熱交換器570以及冰塊542內(nèi)的主熱交換器560冷卻，并且冷凝。集管結(jié)構(gòu)然后將大多數(shù)液體驅(qū)動至通用制冷劑控制容器546，并且將蒸氣驅(qū)動至主熱交換器560和第二熱交換器570。剩余的制冷劑蒸氣最后于絕緣罐540內(nèi)在主熱交換器560中冷凝。在將熱量傳遞至第二熱交換器570中的制冷劑之后，加溫的水在絕緣罐540內(nèi)循環(huán)和混合。在需要瞬時的冷卻負荷時，按需要，該第二熱交換器回路可通過閥590切換到系統(tǒng)內(nèi)和外。
利用基于制冷劑的、內(nèi)部融化、冰盤管系統(tǒng)的傳統(tǒng)熱學能量存儲單元是由冷卻負荷能力限定，其中所述冷卻負荷能力是由冰融化的熱傳遞系數(shù)限制。在這種系統(tǒng)中，冷凝單元被用于以冰的形式在一個時間階段的過程(造冰)中存儲制冷劑能量，并且在第二時間階段的過程(融冰)中從存儲的冰能中提供冷卻。該融化過程通常在熱交換器的熱傳遞管的外側(cè)開始，其中所述熱交換器嵌在冰塊中，溫的制冷劑流過所述熱交換器。隨著熱量經(jīng)由熱交換器傳遞至冰，在管與冰之間形成水的環(huán)體，并且在沒有循環(huán)的情況下，用作為針對進一步熱傳遞的絕緣體。因而，熱交換器的能力限于融化的早期階段，其在這樣的時刻之前，即足夠大的水環(huán)體允許在冰塊的區(qū)域內(nèi)混合水。改進由冰圍繞的熱交換器管之間的熱傳遞的以前的企圖已經(jīng)涉及到了由于水套中的空氣泡而產(chǎn)生紊流。該方法限于較差的效率、可靠性以及高成本(能量和金錢這兩者)。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點和限制，這是通過提供這樣的方法和裝置，以增加冷卻負荷，其可由具有改進的熱交換器的結(jié)構(gòu)的基于制冷劑的熱學能量和冷卻系統(tǒng)提供。這通過借助于第二熱交換器循環(huán)冰塊周圍的冷水而實現(xiàn)，其中所述冰塊用作為熱學能量存儲介質(zhì)，在所述第二熱交換器處，冷凝從負荷返回的制冷劑蒸氣。制冷劑然后循環(huán)通過冰塊內(nèi)的主熱交換器，在所述冰塊處，所述制冷劑被進一步冷卻和冷凝。該系統(tǒng)公知為內(nèi)部/外部融化系統(tǒng)，這是因為以冰塊形式存儲的熱學能量通過主熱交換器被內(nèi)部融化，并且通過第二熱交換器從塊的周邊循環(huán)冷水而外部融化。
在傳統(tǒng)的冰存儲單元內(nèi)，圍繞冰的周邊的罐內(nèi)的水從不凍成固體。該水在幾乎整個融化階段的過程中在罐的底部保持大約32。通過將該水循環(huán)經(jīng)過第二熱交換器并且由小的循環(huán)泵返回進入罐中，可實現(xiàn)較大的交換效率。第二熱交換器是高效的熱交換器，例如共軸線式冷凝器或釬焊板式熱交換器等，并且被用于在進入冰罐內(nèi)的主熱交換器之前降低制冷劑的焓(降低溫度和/或冷凝)。結(jié)果，系統(tǒng)的總的冷卻性能現(xiàn)在是由兩個熱交換器所提供的性能的總和。通過按需要利用多個第二熱交換器，系統(tǒng)可提供靈活性以將冰存儲系統(tǒng)匹配冷卻負荷的需要。
上述詳細的實施例最小化附加的部件，并且利用比由冷凝單元所使用的少得多的能量，以存儲熱學能量。制冷劑能量存儲結(jié)構(gòu)已經(jīng)被構(gòu)造成提供靈活性，從而可實際用于各種不同的應(yīng)用。實施例可利用所存儲的能量以為大型商業(yè)應(yīng)用提供冷藏的水，或直接將制冷劑空調(diào)提供至多個蒸發(fā)器。這種結(jié)構(gòu)具有多種操作模式，增加可選的部件的能力，以及靈活控制的整體性，其確保以最大的效率存儲能量。在連接至冷凝單元時，系統(tǒng)在第一時間階段中存儲制冷能量，并且在第二時間階段的過程中利用所存儲的能量以提供冷卻。另外，冷凝單元和制冷劑能量存儲系統(tǒng)這兩者可同時操作，以在第三時間階段的過程中提供冷卻。
在利用第二熱交換器回路中實現(xiàn)多個優(yōu)點，以在高效熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)中控制冷卻劑。所述的實施例可增加系統(tǒng)的冷卻性能400％，以匹配所需要的冷卻負荷。該系統(tǒng)減少了復(fù)雜的和代價昂貴的空氣分配系統(tǒng)，它們經(jīng)受很大的可信度關(guān)注，并且該系統(tǒng)可容易地適于由冷水分配冷卻的建筑物。這些實施例在所有冷卻系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，可延伸超出空調(diào)的應(yīng)用。例如，該方法可用于利用儲冰冷卻的任何流體介質(zhì)。與制冰的高效方法結(jié)合，這些實施例可廣泛應(yīng)用于乳業(yè)和石油工業(yè)。
出于示例和說明的目的給出了本發(fā)明的前述說明。不應(yīng)該排除或?qū)⒈景l(fā)明限制于所公開的確切形式，并且在上述啟發(fā)下可以進行其它改型和改變。所選擇和說明的實施例是為了更好說明本發(fā)明的原則和其實際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域技術(shù)人員更好以各種不同的實施例和各種不同的改型的方式理解本發(fā)明，其中所述各種不同的實施例和各種不同的改型適于預(yù)期的特定應(yīng)用。應(yīng)該清楚的是，權(quán)利要求書可被理解為包括本發(fā)明的其它可選實施例，除了由現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)定的范圍以外。
權(quán)利要求
1.一種基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)，其包括冷凝單元，所述冷凝單元包含壓縮機和冷凝器；制冷劑控制單元，其連接至所述冷凝單元，調(diào)節(jié)、蓄積和泵送制冷劑；負載熱交換器，其連接至所述制冷劑控制單元，通過增加所述制冷劑的焓而將冷卻能提供至冷卻負荷；充有適于在液體與固體之間相變的流體的罐，在其中包含主熱交換器，所述主熱交換器連接至所述制冷劑控制單元，利用來自所述制冷劑控制單元的所述制冷劑冷卻所述流體，并且冷凍所述罐中的至少一部分所述流體；以及第二熱交換器，其連接至所述負載熱交換器，促進冷卻的所述流體與所述制冷劑之間的熱學接觸，從而減少所述制冷劑的焓，并且將加溫的所述流體返回至所述罐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二熱交換器從所述負載熱交換器接收高焓制冷劑，并且將低焓制冷劑傳遞至所述主熱交換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主熱交換器從所述負載熱交換器接收高焓制冷劑，并且將低焓制冷劑傳遞至所述第二熱交換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二熱交換器連接至所述制冷劑控制單元，并且所述第二熱交換器從所述制冷劑控制單元接收所述制冷劑，并且降低所述制冷劑的焓，并且將低焓制冷劑傳遞至所述負載熱交換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主熱交換器和所述第二熱交換器這兩者從所述負載熱交換器接收高焓制冷劑，并且將低焓制冷劑傳遞至所述制冷劑控制單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷劑控制單元還包括制冷劑存儲器以及液體制冷劑泵。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷劑控制單元還包括混相調(diào)節(jié)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷劑控制單元還包括油蒸餾/浪涌容器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述流體是水。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)被用于提高空調(diào)系統(tǒng)的性能。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)被用于變換空調(diào)系統(tǒng)的耗能時間階段的至少一部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個閥，其允許所述第二熱交換器與所述負載熱交換器脫離連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二熱交換器利用第二冷卻源，其安置成與所述制冷劑熱學接觸，以減少所述制冷劑的焓。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二熱交換器安置在所述罐內(nèi)，并且與所述流體熱學連通。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括第三熱交換器，其從所述第二熱交換器接收所述流體，并且促進與所述制冷劑的附加的熱學接觸，從而進一步減少一部分所述制冷劑的焓，并且將加溫的所述流體返回至所述罐。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括第三熱交換器，其以并行的方式與所述第二熱交換器相連，附加地促進冷卻的所述流體與所述制冷劑之間的熱學接觸，從而減少所述制冷劑的焓，并且將加溫的所述流體返回至所述罐。
17.一種用基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)提供冷卻負荷的方法，其包括以下步驟冷凝第一膨脹制冷劑，以產(chǎn)生第一冷凝制冷劑；在第一時間階段的過程中，在蒸發(fā)單元內(nèi)膨脹所述第一冷凝制冷劑，其中所述蒸發(fā)單元位于充滿適于在液體與固體之間相變的流體的罐內(nèi)，以冷凍所述流體的一部分，從而產(chǎn)生冷卻的流體、冷凍的流體以及所述第一膨脹制冷劑；在第二時間階段中利用至少一部分所述冷卻的流體的熱學冷卻容量，以減少第二膨脹制冷劑的焓，因而形成低焓制冷劑；循環(huán)所述低焓制冷劑通過位于所述冷凍的流體內(nèi)的所述蒸發(fā)單元，以冷凝所述低焓制冷劑并且產(chǎn)生第二冷凝制冷劑；并且膨脹所述第二冷凝制冷劑，以提供所述冷卻負荷。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在制冷劑控制單元內(nèi)減少所述第一冷凝制冷劑的壓力；將所述第一冷凝制冷劑蓄積在通用制冷劑控制容器內(nèi)；并且利用液體制冷劑泵從所述通用制冷劑控制容器泵送所述第一冷凝制冷劑。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在所述制冷劑控制單元內(nèi)利用混相調(diào)節(jié)器減少所述第一冷凝制冷劑的壓力。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在第二時間階段中傳遞至少一部分所述冷卻的流體的熱學冷卻容量，以減少所述第二膨脹制冷劑的焓，從而利用第二熱交換器產(chǎn)生低焓制冷劑。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用至少一個閥將所述第二熱交換器與所述負載熱交換器脫離連接。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用第二冷卻源與所述第二熱交換器熱學連通，其中所述第二熱交換器安置成與所述制冷劑熱學接觸，以減少所述第二膨脹制冷劑的焓。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟將所述第二熱交換器安置在所述罐內(nèi)，并且與所述流體熱學連通。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用第三熱交換器從所述第二熱交換器接收所述流體，其中所述第三熱交換器促進冷卻的所述流體與所述第二膨脹制冷劑之間的附加的熱學接觸，以進一步減少一部分所述第二膨脹制冷劑的焓；并且將已經(jīng)加溫的所述流體返回至所述罐。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用第三熱交換器減少所述第二膨脹制冷劑的焓，其中所述第三熱交換器以并行的方式與所述第二熱交換器相連，附加地促進冷卻的所述流體與所述第二膨脹制冷劑之間的熱學接觸；并且將已經(jīng)加溫的所述流體返回至所述罐。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用多個熱交換器從所述第二熱交換器接收所述流體，其中所述多個熱交換器促進冷卻的所述流體與所述第二膨脹制冷劑之間的附加的熱學接觸，以進一步減少一部分所述第二膨脹制冷劑的焓；并且將已經(jīng)加溫的所述流體返回至所述罐。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用多個熱交換器減少所述第二膨脹制冷劑的焓，其中所述多個熱交換器以并行的方式與所述第二熱交換器相連，附加地促進冷卻的所述流體與所述第二膨脹制冷劑之間的熱學接觸；并且將加溫的所述流體返回至所述罐。
28.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟將所述蒸發(fā)單元限定在所述充滿水的罐內(nèi)。
29.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用所述第二冷凝制冷劑，以促進空調(diào)系統(tǒng)的冷卻負荷。
30.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用所述第二冷凝制冷劑，以變換空調(diào)系統(tǒng)的耗能時間階段的至少一部分。
31.一種用基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)提供冷卻負荷的方法，其包括以下步驟冷凝第一膨脹制冷劑，以產(chǎn)生第一冷凝制冷劑；在第一時間階段的過程中，在蒸發(fā)單元內(nèi)膨脹所述第一冷凝制冷劑，其中所述蒸發(fā)單元位于充滿適于在液體與固體之間相變的流體的罐內(nèi)，以冷凍所述流體的一部分，從而產(chǎn)生冷卻的流體、冷凍的流體以及所述第一膨脹制冷劑；膨脹負載熱交換器內(nèi)的低焓制冷劑，以提供所述冷卻負荷并且產(chǎn)生第二膨脹制冷劑；循環(huán)所述第二膨脹制冷劑通過位于所述冷凍的流體內(nèi)的所述蒸發(fā)單元，以冷凝所述第二膨脹制冷劑并且產(chǎn)生第二冷凝制冷劑；在第二時間階段中利用至少一部分所述冷卻的流體的熱學冷卻容量，以減少所述第二冷凝制冷劑的焓，因而形成附加的所述低焓制冷劑。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在制冷劑控制單元內(nèi)減少所述第一冷凝制冷劑的壓力；將所述第一冷凝制冷劑蓄積在通用制冷劑控制容器內(nèi)；并且利用液體制冷劑泵從所述通用制冷劑控制容器泵送所述第一冷凝制冷劑。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在所述制冷劑控制單元內(nèi)利用混相調(diào)節(jié)器減少所述第一冷凝制冷劑的壓力。
34.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在第二時間階段中傳遞至少一部分所述冷卻的流體的熱學冷卻容量，以減少第二膨脹制冷劑的焓，從而利用第二熱交換器產(chǎn)生低焓制冷劑。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用至少一個閥將所述第二熱交換器與所述負載熱交換器脫離連接。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用第二冷卻源與所述第二熱交換器熱學連通，其中所述第二熱交換器安置成與所述第二冷凝制冷劑熱學接觸，以減少所述第二冷凝制冷劑的焓。
37.根據(jù)權(quán)利要求20所述方法，其特征在于，還包括以下步驟將所述第二熱交換器安置在所述罐內(nèi)，并且與所述流體熱學連通。
38.根據(jù)權(quán)利要求20所述方法，其特征在于，還包括以下步驟利用第三熱交換器從所述第二熱交換器接收所述流體，其中所述第三熱交換器促進冷卻的所述流體與所述第二冷凝制冷劑之間的附加的熱學接觸，以進一步減少一部分所述第二冷凝制冷劑的焓；并且將已經(jīng)加溫的所述流體返回至所述罐。
39.根據(jù)權(quán)利要求20所述方法，其特征在于，還包括以下步驟利用第三熱交換器減少所述第二冷凝制冷劑的焓，其中所述第三熱交換器以并行的方式與所述第二熱交換器相連，附加地促進冷卻的所述流體與所述第二冷凝制冷劑之間的熱學接觸；并且將已經(jīng)加溫的所述流體返回至所述罐。
40.根據(jù)權(quán)利要求20所述方法，其特征在于，還包括以下步驟利用多個熱交換器從所述第二熱交換器接收所述流體，其中所述多個熱交換器促進冷卻的所述流體與所述第二冷凝制冷劑之間的附加的熱學接觸，以進一步減少一部分所述第二冷凝制冷劑的焓；并且將已經(jīng)加溫的所述流體返回至所述罐。
41.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用多個熱交換器減少所述第二冷凝制冷劑的焓，其中所述多個熱交換器以并行的方式與所述第二熱交換器相連，附加地促進冷卻的所述流體與所述第二冷凝制冷劑之間的熱學接觸；并且將加溫的所述流體返回至所述罐。
42.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟將所述蒸發(fā)單元限定在所述充滿水的罐內(nèi)。
43.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用所述低焓制冷劑，以促進空調(diào)系統(tǒng)的冷卻負荷。
44.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用所述低焓制冷劑，以變換空調(diào)系統(tǒng)的耗能時間階段的至少一部分。
45.一種基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)，其包括冷凝裝置，其利用冷凝單元冷凝第一膨脹制冷劑，以產(chǎn)生第一冷凝制冷劑；供應(yīng)裝置，其用于將所述第一冷凝制冷劑供應(yīng)至蒸發(fā)單元，其中所述蒸發(fā)單元限定在充滿適于在液體與固體之間相變的流體的罐內(nèi)；膨脹裝置，其用于在所述蒸發(fā)單元內(nèi)，在第一時間階段的過程中膨脹所述第一冷凝制冷劑，以冷凍所述罐內(nèi)的所述流體的一部分，并且產(chǎn)生冷卻的流體、冷凍的流體和第二膨脹制冷劑；循環(huán)裝置，其用于在第二時間階段內(nèi)將所述冷卻的流體的至少一部分循環(huán)通過第二熱交換器，以減少所述第二膨脹制冷劑的焓，并且產(chǎn)生低焓制冷劑；將所述低焓制冷劑循環(huán)通過所述冷凍的流體內(nèi)的所述蒸發(fā)單元的裝置，以冷凝所述低焓制冷劑并且產(chǎn)生第二冷凝制冷劑；以及膨脹所述第二冷凝制冷劑的裝置，以提供所述冷卻負荷。
全文摘要
公開了一種增加冷卻負荷的方法和裝置，其中所述冷卻負荷由具有改進的熱交換器結(jié)構(gòu)的基于制冷劑的熱學能量存儲和冷卻系統(tǒng)提供。通過循環(huán)用作為熱學能量存儲介質(zhì)的冰塊周圍的冷水經(jīng)過第二熱交換器(162)而實現(xiàn)這種負載增加，在所述第二熱交換器處，冷凝從負載返回的制冷劑蒸氣。制冷劑然后被循環(huán)通過冰塊內(nèi)的主熱交換器(160)，在這里制冷劑被進一步冷卻和冷凝。該系統(tǒng)公知為內(nèi)部/外部融化系統(tǒng)，以冰塊形式存儲的熱學能量通過主熱交換器被內(nèi)部融化，并且通過第二熱交換器從塊的周邊循環(huán)冷水而外部融化。
文檔編號F25B40/02GK101027525SQ200580025127
公開日2007年8月29日 申請日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月25日
發(fā)明者拉馬錢德蘭·納拉亞納穆爾蒂, 羅伯特·S.·?？怂?申請人:冰能有限公司