專利名稱：可變制冷劑、級(jí)內(nèi)壓縮熱泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用可變制冷劑成分以提高擴(kuò)大范圍的效率和/或在加熱和冷卻模式中，利用蒸汽射入壓縮機(jī)內(nèi)以提高容量和效率的熱泵。
熱泵系統(tǒng)通常是雙向的，即它們能夠?qū)崿F(xiàn)加熱或冷卻，或者有時(shí)同時(shí)加熱和冷卻。用于加熱時(shí)，我們已知可利用多組分CFC或HCFC制冷劑來擴(kuò)大熱泵有效范圍的低溫端值。但是，由于CFC或HCFC中含有消耗地球臭氧層和使全球變暖的氯成分，所以近來已限制使用CFC和HCFC，并且將重點(diǎn)移向HFC或其他能為環(huán)境所接受的制冷劑的應(yīng)用。目前用電力驅(qū)動(dòng)的住宅用和小型商用熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行上和性能存在著兩方面的局限。主要是，它們?cè)诘陀?0°F或40°F左右的低溫環(huán)境下，沒有充足的容量，這樣必須利用諸如電阻加熱或石油燃燒之類的補(bǔ)充熱源。另外，熱泵在低溫環(huán)境下工作加熱的空氣溫度低于人們感到舒適的溫度；低于90°F的空氣進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，由于空氣流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生冷氣流不舒適感。
本發(fā)明的目的包括提供一具有很寬環(huán)境運(yùn)行范圍的熱泵系統(tǒng)，它能在很寬的環(huán)境溫度內(nèi)有效地運(yùn)行，這個(gè)范圍滿足建筑物加熱負(fù)載的要求，通過有效地向空間提供足夠的高溫加熱空氣，熱泵能提供舒適的室內(nèi)空氣傳送溫度，不會(huì)再產(chǎn)生冷氣流效應(yīng)，并且熱泵能使用為環(huán)境所接受的安全的制冷劑。本發(fā)明的目的還包括在一給定的壓縮機(jī)內(nèi)提高熱泵系統(tǒng)的容量和效率。
根據(jù)本發(fā)明的第一方式，一熱泵系統(tǒng)使用一多組分非共沸混合制冷劑，制冷劑中的一種或多種組分的沸點(diǎn)高于混合物中的其他組分；一定量足以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的制冷劑，它具有一大部分從混合物中分離出來的低壓組分；一由一精餾柱向儲(chǔ)藏罐供料以及從系統(tǒng)混合物中除去低壓組分的分離器。進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的這種方式，儲(chǔ)藏罐內(nèi)的液體可被加熱以進(jìn)一步增加從混合物中被分離出來的低壓組分。再根據(jù)本發(fā)明的這種方式，當(dāng)系統(tǒng)以加熱方式運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)藏罐內(nèi)的液體可被冷凝器的流出物加熱，從而可過冷返回的制冷劑。當(dāng)基本上把低壓組分從系統(tǒng)的混合物中除去，并留在儲(chǔ)藏罐內(nèi)時(shí)，可將它隔離，沒有必要繼續(xù)再進(jìn)行精餾程序或?qū)χ评鋭┻M(jìn)行任何特殊的加熱或冷卻?；蛘咴谡麄€(gè)加熱模式的運(yùn)行過程中，可以繼續(xù)進(jìn)行精餾程序。本發(fā)明的這個(gè)方式在使用很多HFC混合物或其他為環(huán)境所接受的制冷劑時(shí)可以完美地工作?？商峁┑倪@樣一種制冷劑R407C作用特別好，因?yàn)樗蠷32、R125和R134a。目前的成分包括R32、(32％)R125(25)和R134a(低壓力組分)52％。但是這些制冷劑的各種組合和其他HFC混合物也可以有效地工作。
根據(jù)本發(fā)明另一級(jí)內(nèi)壓縮方式，制冷劑蒸汽在冷凝器流出物溫度和蒸發(fā)器流出物溫度之間平衡的選定壓力下從系統(tǒng)制冷劑流體中分離出來，然后蒸汽基本上在壓縮機(jī)壓縮沖程中所述選定壓力點(diǎn)進(jìn)入壓縮機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方式，可以使用閃蒸箱也可以通過在制冷劑流體的液體和蒸汽組分間提供熱交換實(shí)現(xiàn)這個(gè)蒸汽分離。對(duì)于一給定的壓縮機(jī)，本發(fā)明的這個(gè)方式顯著地增加了一熱泵系統(tǒng)的效率和容量。
根據(jù)本發(fā)明，制冷劑混合物的調(diào)整可擴(kuò)大有效和高效率加熱的范圍，并且提供改進(jìn)的房間進(jìn)入空氣供給溫度，同時(shí)還在一選定的中間壓力下分離蒸汽，并在壓縮機(jī)沖程內(nèi)的相似壓力點(diǎn)處將它傳送到一進(jìn)口，綜合使用這些方法可大大提高容量、效率以及對(duì)于熱泵系統(tǒng)有用的有效溫度范圍。
通過下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。


圖1是本發(fā)明第一方式雙向熱泵系統(tǒng)的示意圖，它示出在選定運(yùn)行模式和實(shí)施例前，系統(tǒng)中所有的閥門、連接線路和組件；圖2是圖1所示系統(tǒng)的示意圖，僅示出在系統(tǒng)注入過量制冷劑時(shí)所使用的那些部件的有效運(yùn)行；圖3是圖1所示系統(tǒng)的示意圖，僅示出緊接著圖2運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)加熱模式中所使用的那些組件的有效運(yùn)行；圖4是圖1所示系統(tǒng)的示意圖，僅示出從中等容量轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)最大加熱能力的精餾過程中使用的那些部件的有效運(yùn)行；圖5是圖1所示系統(tǒng)的示意圖，僅示出在建立冷卻運(yùn)行的被動(dòng)反精餾過程中使用的那些組件的有效運(yùn)行；圖6是圖1所示系統(tǒng)的示意圖，僅示出在建立冷卻運(yùn)行的加壓反精餾過程中使用的那些組件的有效運(yùn)行；圖7是圖1所示系統(tǒng)的示意圖，僅示出正常冷卻運(yùn)行時(shí)所使用的那些部件的有效運(yùn)行；圖8是示出當(dāng)施加熱能時(shí)典型的動(dòng)力精餾循環(huán)過程中經(jīng)歷的制冷劑成分(按質(zhì)量計(jì))圖表，說明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的第一方式，在系統(tǒng)中剩留的制冷劑混合物成分從自然精餾后的高質(zhì)量濃度的R134a(40％左右)變化到動(dòng)力精餾后小于10％的濃度；圖9是說明本發(fā)明第二方式(稱作級(jí)內(nèi)壓縮)原理的系統(tǒng)循環(huán)熱力學(xué)圖；圖10是本發(fā)明第二方式雙向熱泵系統(tǒng)的示意圖；圖11是本發(fā)明具有蒸汽進(jìn)口的蝸旋式壓縮機(jī)的局部截面圖；圖12是結(jié)合本發(fā)明第一和第二方式的雙向熱泵系統(tǒng)的示意圖13是本發(fā)明第二方式中的第二實(shí)施例的雙向熱泵系統(tǒng)的示意圖；圖14是說明本發(fā)明第二方式第二實(shí)施例原理的相圖。
參考圖1，本發(fā)明的熱泵系統(tǒng)12包括一室內(nèi)部分13和一室外部分14。室內(nèi)部分包括一普通的初級(jí)盤管16、一膨脹閥17和一諸如止回閥18之類的單向流動(dòng)裝置。除了在室內(nèi)部分逆時(shí)針流動(dòng)時(shí)，止回閥18使膨脹閥17無效。
室外部分14包括一普通的初級(jí)盤管21、一膨脹閥22和一諸如止回閥23之類的單向流動(dòng)裝置。室外部分還包括一通過導(dǎo)管27連接到一四通閥28上的壓縮機(jī)26，圖1所示的四通閥位于空檔位置。閥28可電動(dòng)地或電子地定位，如通過一螺線管31定位，這樣當(dāng)熱泵系統(tǒng)處于冷卻模式時(shí)，導(dǎo)管27通過導(dǎo)管29與盤管21連接，或者(在另一位置)在運(yùn)行加熱模式時(shí)，使導(dǎo)管27通過導(dǎo)管30與盤管16連接。將在下文中根據(jù)圖2至7更詳細(xì)地說明這些模式。為了本發(fā)明的第一個(gè)方式的目的，壓縮機(jī)26可以是任何普通的活塞式、旋轉(zhuǎn)式或其他類型壓縮機(jī)。為了結(jié)合本發(fā)明的級(jí)內(nèi)壓縮方式，如下文中圖8至圖10說明的，較可取的是一改進(jìn)的蝸旋式壓縮機(jī)；但是，如果需要，也可以使用其他類型的壓縮機(jī)，如螺桿式、旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式壓縮機(jī)，提供級(jí)內(nèi)壓縮技術(shù)。
壓縮機(jī)26通過導(dǎo)管33，由普通的抽吸蓄熱器34補(bǔ)給，后者的輸入經(jīng)由導(dǎo)管35、36可以來自盤管16或21，這要取決于四通閥28的位置。蓄熱器34將有一普通的油抽出(未示)以便緩慢地計(jì)量蓄熱器內(nèi)返回壓縮機(jī)的所有液體，從而恢復(fù)壓縮機(jī)油。
到目前為止，說明的都是普通的裝置。將根據(jù)圖1對(duì)本發(fā)明的低壓制冷劑的儲(chǔ)藏進(jìn)行概述，再根據(jù)圖2至圖7對(duì)它進(jìn)行進(jìn)一步完整說明。根據(jù)本發(fā)明，低壓制冷劑儲(chǔ)藏罐39包括一加熱盤管40，通過導(dǎo)管41、42將它連接到閥門B的相對(duì)側(cè)，通過任何合適的電動(dòng)或電子裝置，如螺線管44，可以有選擇地操作閥門B。當(dāng)打開閥門B時(shí)，導(dǎo)管41、42以及加熱盤管40均不在系統(tǒng)內(nèi)。通過一普通的精餾柱47向儲(chǔ)藏罐39供料，精餾柱47結(jié)合一普通的液體/蒸汽分離器48一起工作，它們的工作方式是這樣的，當(dāng)一對(duì)閥門A關(guān)閉時(shí)，罐39、柱47和分離器48都在系統(tǒng)外。當(dāng)通過任何合適的電動(dòng)或電子裝置，如螺線管49，打開閥門A時(shí)，在導(dǎo)管36內(nèi)的高度蒸發(fā)的返回制冷劑，通過右邊的閥門A50流入分離器48。液體趨向下流動(dòng)通過柱47。在普通的方式下，低揮發(fā)性(低壓)的非共沸(zeotropic)制冷劑混合物中的制冷劑蒸汽將凝結(jié)在柱47內(nèi)的襯料(packing)上?；旌衔镙^高揮發(fā)性(較高壓)的組分蒸汽將從液體中分離出來，并且將流經(jīng)左邊的閥門A51中之一，通過導(dǎo)管52進(jìn)入導(dǎo)管35，以返回抽吸蓄熱器34。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)閥門A打開時(shí)，系統(tǒng)填充足夠的制冷劑，這樣當(dāng)?shù)蛪航M分被分離出去時(shí)，使用高壓組分可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量，其中R407C將是在最高環(huán)境溫度下系統(tǒng)額定值所需填充量的兩倍(或更多)。當(dāng)閥門A打開而閥門B關(guān)閉時(shí)，返回的制冷劑將流過導(dǎo)管41和42，通過位于罐39內(nèi)用來加熱液體的加熱盤管40，使得更多的揮發(fā)性組分蒸發(fā)，并且通過柱47向上流動(dòng)。一些向上流動(dòng)的低揮發(fā)性組分的蒸汽將在向上流過的過程中受到冷卻而凝結(jié)，并且再返回罐39內(nèi)。由盤管40產(chǎn)生的熱用來促進(jìn)在柱47的低壓制冷劑從柱47內(nèi)的高壓制冷劑中分離出來。不使用分離器48，也可以使用一流動(dòng)分配器；但是制造一簡(jiǎn)單的分離器構(gòu)造的成本是合適和有效的。
再根據(jù)本發(fā)明，可以通過任何合適的電動(dòng)或電子裝置，如螺線管55，通過導(dǎo)管56、57將儲(chǔ)藏罐39的底部與真空蓄熱器連接，有選擇地打開或關(guān)閉閥門C，以完成反精餾。在一個(gè)實(shí)施例中，可垂直地安裝儲(chǔ)藏罐39，使它高于蓄熱器34的進(jìn)口，這樣液體就能通過重力作用，從罐39中流到蓄熱器34中。在另一實(shí)施例中，當(dāng)希望反精餾時(shí)，可以關(guān)閉閥門A、B和C，加熱罐39、柱47和分離器48中的液體，直到產(chǎn)生了足夠的壓力為止，這樣使打開閥門C將迫使液體流出罐39，通過導(dǎo)管56、57流入真空蓄熱器34。在精餾或反精餾過程中，如果希望，可用一電氣浸沒式加熱器來代替盤管40、導(dǎo)管41、42以及閥門B。但是所示的包括盤管的裝置更加經(jīng)濟(jì)，這是因?yàn)樗槐厥褂秒娔?，并且可過冷返回制冷劑。
雖然具體的制冷劑成分與本發(fā)明無關(guān)，但是作為一個(gè)示例，可買到的制冷劑是R407C，其中質(zhì)量百分比是R32為23％,R125為25％，而R134為52％。也可以使用幾種其他的HFC制冷劑非共沸混合物，這取決于希望得到的加熱和冷卻變化范圍。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)使用圖1所示熱泵系統(tǒng)來加熱室內(nèi)部分13時(shí)，通過有效地除去制冷劑混合物中大部分最低壓力(最小揮發(fā)性)的組分，把制冷劑改成一更具揮發(fā)性的混合物，可以提高效率，被吸取熱量的室外溫度可被顯著降低，并且可以顯著地提高真正進(jìn)入房間的室內(nèi)溫度，從而避免了冷氣流效應(yīng)。正如所適知曉的那樣，根據(jù)它的R134a組分以及其他組分，R407C是非共沸的。因此，可以通過一已知方式的選擇性蒸發(fā)和凝結(jié)，將R134a組分從R32和R125組分中分離出來。本發(fā)明可以通過一改進(jìn)的方式完成這個(gè)步驟，這個(gè)方式不需要在加熱運(yùn)行中對(duì)制冷劑進(jìn)行穩(wěn)態(tài)加熱和冷卻以保持精餾過程，并且這個(gè)方式與迄今為止能得到的那些方法相比，能夠更有效地實(shí)現(xiàn)成分的產(chǎn)生。但是本發(fā)明可以在整個(gè)需加熱的季節(jié)連續(xù)精餾使用，這是因?yàn)榧訜醿?chǔ)藏罐內(nèi)液體的返回制冷劑的使用可過冷制冷劑，提高效率。
本發(fā)明的一個(gè)方面是可以使用制冷劑過充系統(tǒng)直到它容量的兩倍或更多。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，在儲(chǔ)藏罐39內(nèi)存放過量制冷劑。在圖2中，示出加熱模式運(yùn)行時(shí)，開始填充系統(tǒng)時(shí)的配置構(gòu)造，四通閥28的定位引導(dǎo)壓縮機(jī)26的流出物通過導(dǎo)管30和作為冷凝器的盤管16，并接受來自作為蒸發(fā)器的盤管21的流體，并引導(dǎo)它進(jìn)入導(dǎo)管36以便返回蓄熱器34，從而對(duì)室內(nèi)部分進(jìn)行加熱。另外，打開閥門A，使分離器48與導(dǎo)管36、52連接，這樣制冷劑從蒸發(fā)器21中的返回(當(dāng)系統(tǒng)一開始時(shí)返回的制冷劑可能具有較高的液體量)將向分離器48和蓄熱器34提供很大一部分(特別是液體部分)。另外打開閥門B，這樣加熱盤管40在系統(tǒng)外面。關(guān)閉閥門C這樣在罐39的底部和蓄熱器34之間就沒有什么聯(lián)系了。在這種配置結(jié)構(gòu)中，液體和蒸汽都按照普通的方式在柱47內(nèi)流動(dòng)，液體朝下流向儲(chǔ)藏罐39，而蒸汽朝上流向分離器48?；旌衔镏懈嗟膿]發(fā)組分將保持或進(jìn)入蒸汽相，而混合物中較小的揮發(fā)性組分(R134a)將保持或進(jìn)入液體相從而朝下流入罐39。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡后的某段時(shí)間后，系統(tǒng)內(nèi)R134a(罐39之外)的質(zhì)量百分比將從混合物的52％降低到大約40％左右，并且儲(chǔ)藏罐39將含有一定量的R32和R125?？梢约皶r(shí)地在這個(gè)點(diǎn)上關(guān)閉閥門A，如圖3所示，將液體密封在罐39內(nèi)。當(dāng)閥門A打開時(shí)系統(tǒng)將在這段時(shí)間內(nèi)不再繼續(xù)運(yùn)行，因?yàn)檫@將引起所有的壓縮機(jī)油積聚在罐39內(nèi)。當(dāng)需要適當(dāng)加熱外界大約高于40°(F)的空氣溫度時(shí)，圖3中40％的R134a混合物可用于北半球的春季和秋季。應(yīng)當(dāng)注意，不需要加熱或冷卻來保持40％的混合物。
當(dāng)外界空氣下降到低于40°(F)時(shí)，本發(fā)明可以根據(jù)圖4所示的方式適應(yīng)更強(qiáng)的加熱需求。在圖4中，除了關(guān)閉閥門B引起返回制冷劑從導(dǎo)管19直接流入導(dǎo)管42，通過浸沒式加熱器40和導(dǎo)管41，從那兒再流入膨脹閥22，它的構(gòu)造與圖2中的構(gòu)造完全一致。這引起罐39內(nèi)的液體以及罐和柱47內(nèi)的液體和蒸汽溫度提高，從而引起混合組分蒸發(fā)，其程度與各自揮發(fā)性有關(guān)。一些R407C將蒸發(fā)并流入柱47內(nèi)。當(dāng)它升高時(shí)，蒸汽會(huì)逐漸變冷，其中的一些會(huì)凝結(jié)在襯料上，結(jié)果使一些R407C向下流回罐39內(nèi)。揮發(fā)性更高的組分(R32和R125)將保持蒸汽相，從而到達(dá)分離器48，并經(jīng)過導(dǎo)管52進(jìn)入蓄熱器34。在這種形式下，可以達(dá)到一個(gè)新的平衡，其中R134a的百分比可以下降很多，這取決于整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)。這樣，如圖8所示，就可以輕易地得到小于5％R134A的組分。應(yīng)該相信，通過普通調(diào)節(jié)方法來調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，可以輕易地得到小的百分比。
當(dāng)?shù)竭_(dá)平衡時(shí)，典型地需一個(gè)半或兩個(gè)小時(shí)，這取決于熱量、所填充的數(shù)量和其他參數(shù)，不必繼續(xù)進(jìn)行精餾過程。因此，可以如圖3所示，關(guān)閉閥門A而打開閥門B。在圖3中，除了關(guān)閉閥門A以及再一次打開閥門B之外，其他的構(gòu)造都與圖4所示的相同，從而可有效地從系統(tǒng)中去除儲(chǔ)藏罐39、其加熱器40、導(dǎo)管41、42和精餾柱47及分離器48?，F(xiàn)在系統(tǒng)中的混合物含大約5％或更少的R134a，因?yàn)榇蟛糠值腞134a都儲(chǔ)存在罐39內(nèi)。應(yīng)當(dāng)注意不需任何加熱或冷卻來保持這種混合物。
在穩(wěn)態(tài)加熱時(shí)，使用圖3中的構(gòu)造，可能在蒸發(fā)器21上產(chǎn)生霜。在這種情況下，可以倒轉(zhuǎn)四通閥28，使這個(gè)構(gòu)造與圖7中的構(gòu)造相同，從而定期地實(shí)現(xiàn)大約幾分鐘的除霜運(yùn)行。如描述的那樣進(jìn)行除霜是傳統(tǒng)的方法。不論什么時(shí)候，系統(tǒng)容量太大時(shí)，將不能有效地運(yùn)行。當(dāng)加熱要求下降(如北半球的春天)并且需要冷卻時(shí)，系統(tǒng)中工作的制冷混合物應(yīng)恢復(fù)到包含40％R134a?？梢酝ㄟ^圖5和/或圖6中所說明的反精餾實(shí)現(xiàn)這個(gè)比例?，F(xiàn)在參考圖5，它描述的是閥門A和C關(guān)閉而閥門B打開時(shí)的裝置，四通閥28將壓縮機(jī)26連接到盤管21上，這樣在圖6中的流動(dòng)逆時(shí)針進(jìn)行；盤管21被用作一冷凝器，并且盤管16被用作一冷卻室內(nèi)部分的蒸發(fā)器。現(xiàn)在打開閥門C，從而通過導(dǎo)管56、57使罐39的底部與蓄熱器34連接。在最簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，罐39實(shí)際上垂直設(shè)置在蓄熱器的上方，從而罐39內(nèi)的液體將流入蓄熱器34。如果在本發(fā)明的任何實(shí)施例中，蓄熱器34不能設(shè)置在罐39的下方以充分地保證足夠的流動(dòng)，那么可以如圖6中所說明的實(shí)現(xiàn)加壓反精餾。在圖6中，當(dāng)閥門B關(guān)閉時(shí)，來自盤管21的冷凝器流出物直接通過罐39的加熱器40，而閥門A和C仍保持關(guān)閉。這將在罐39內(nèi)產(chǎn)生一壓力。當(dāng)形成足夠的壓力后，可通過再一次打開閥門B和閥門C而關(guān)閉閥門A，使裝置轉(zhuǎn)換到5所示的狀態(tài)，罐39內(nèi)的壓力迫使液體流出罐39，通過導(dǎo)管56、57進(jìn)入蓄熱器34。當(dāng)然，如果需要，對(duì)罐39加壓可與相對(duì)于蓄熱器34具有適當(dāng)高度的罐一起使用，以便重力流動(dòng)。
當(dāng)完成反精餾時(shí)，可如圖3或如圖7所示，使用圖8中40％R134a的混合物分別實(shí)現(xiàn)加熱或冷卻。除了四通閥28處于冷卻的位置，圖7與圖3相同。加熱器40和導(dǎo)管41、42、罐39、柱47、分離器48和導(dǎo)管56、57都不在系統(tǒng)內(nèi)。
現(xiàn)在參考圖10，本發(fā)明的一第二級(jí)內(nèi)壓縮方式采用一閃蒸箱60，將蒸汽部分地從膨脹冷凝器流出物中分離出來，并且蒸汽通過一導(dǎo)管61被傳送到一改進(jìn)的壓縮機(jī)26a的一輔助進(jìn)口62，進(jìn)口位于一經(jīng)選擇的壓縮沖程的中間壓力點(diǎn)處。在圖10中，四通閥28的定位使熱泵系統(tǒng)以冷卻方式運(yùn)行。盤管21被用作冷凝器，而它的流出物流經(jīng)一通過任何合適的電動(dòng)或電子裝置，如螺線管31a、與四通閥28一起被同步控制的第二個(gè)四通閥65。液體沿著導(dǎo)管66流經(jīng)膨脹閥67，到達(dá)閃蒸箱60的進(jìn)口68。液體從蒸汽中分離出來，并且經(jīng)過第二個(gè)膨脹閥69和一導(dǎo)管，到達(dá)四通閥65，在這以后，在導(dǎo)管71內(nèi)它被運(yùn)送到蒸發(fā)器中，蒸發(fā)器包括在室內(nèi)部分13內(nèi)的盤管16。然后制冷劑沿著導(dǎo)管30穿過四通閥28、導(dǎo)管36、進(jìn)入蓄熱器34a，在這個(gè)實(shí)施例中使用普通的蓄熱器。
在圖9中說明這個(gè)過程，其中離開壓縮機(jī)26a并進(jìn)入導(dǎo)管27的制冷劑在圖9中由T點(diǎn)表示，具有最高的壓力和焓。當(dāng)制冷劑流經(jīng)冷凝器時(shí)，損失熱量和焓，這樣當(dāng)它離開冷凝器時(shí)，如點(diǎn)U所示具有高壓力和較低的焓。當(dāng)制冷劑經(jīng)過第一膨脹閥67，壓力下降到一經(jīng)選擇的中間壓力，平衡于冷凝器溫度和蒸發(fā)器溫度間的一個(gè)溫度，使液體如點(diǎn)V所示成為雙相。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在最大效率和最大容量之間權(quán)衡，按每種情況的要求，通過模型試驗(yàn)或憑經(jīng)驗(yàn)決定，確定所選擇的中間壓力以達(dá)到最佳狀態(tài)。在某些情況下，它可以是基本上沿壓縮機(jī)壓縮沖程中間位置的壓力。蒸汽經(jīng)過導(dǎo)管61，在等于所述被選擇的中間壓力的壓縮機(jī)沖程內(nèi)的壓力點(diǎn)(如點(diǎn)W所示)時(shí)，進(jìn)入壓縮機(jī)26a的進(jìn)口62。這樣得到了一較高的系統(tǒng)容量。如點(diǎn)X所示，剩余的制冷劑以液態(tài)形式離開閃蒸箱，并且在經(jīng)過膨脹閥69到達(dá)Y點(diǎn)所示的最低壓力時(shí)，再一次變成雙相。然后經(jīng)過蒸發(fā)器和蓄熱器34a，如點(diǎn)Z所示，在壓縮機(jī)沖程的最低壓力點(diǎn)，進(jìn)入壓縮機(jī)。
壓縮機(jī)26a可以是一活塞式壓縮機(jī)，或者是經(jīng)過修改大約在其壓縮沖程的中間具有一進(jìn)口的其他合適的壓縮機(jī)。但是對(duì)于本發(fā)明實(shí)踐來說，較可取的模式是如圖11所示，采用一蝸旋壓縮機(jī)75，在圖11中示出通過具有進(jìn)口77的殼體76和穿過螺旋渦管78的截面。殼體76的內(nèi)部形成一具有腔底81和腔頂(未示)的壓力腔。當(dāng)螺旋渦管78繞著靜止渦管82旋轉(zhuǎn)并位于其中時(shí)，制冷劑蒸汽在兩渦管的在兩點(diǎn)83、84之間被傳送，渦管包括兩壓縮沖程的進(jìn)口，在靜止渦管82的每一側(cè)上各有一個(gè)。壓縮機(jī)可能具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)渦管。根據(jù)本發(fā)明，這些壓縮路徑中的每一個(gè)在某一點(diǎn)上都具有一對(duì)應(yīng)的級(jí)內(nèi)壓縮蒸汽進(jìn)口，這個(gè)點(diǎn)大致位于沿著壓縮沖程所選擇的壓力點(diǎn)上。在圖11中進(jìn)口包括四個(gè)通過鉆孔方便地形成的孔口85、86。但是進(jìn)口可以是其他形狀的，只要它們具有正確的尺寸和定位以實(shí)現(xiàn)最高的性能。在圖11中，進(jìn)口靠近靜止渦管82的相應(yīng)邊緣，但是它們可以位于任何側(cè)向位置內(nèi)。
在本發(fā)明中，通過使相當(dāng)大一部分制冷劑質(zhì)量流在一較高的中間壓力點(diǎn)進(jìn)入壓縮機(jī)，提高了制冷劑的質(zhì)量流，從而對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)一給定尺寸的蒸發(fā)器和冷凝器以及一定量的制冷劑，提高了冷卻(或加熱)效果。需要一臺(tái)更大功率的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。但是即使需要提高電力輸入，但仍舊提高了整體效率和EER。
如圖9-11所示的采用一閃蒸箱的級(jí)內(nèi)壓縮可以在如圖10所示的構(gòu)造中用來冷卻(或通過反轉(zhuǎn)閥門28、65而用來加熱)，而沒有通過如上述根據(jù)圖1至圖8描述的那樣調(diào)節(jié)制冷劑成分有任何改進(jìn)。另一方面，在既需要實(shí)現(xiàn)加熱又需要冷卻的任何情況下，較可取的是，將本發(fā)明的兩個(gè)方式結(jié)合在一起利用。圖12說明結(jié)合了本發(fā)明兩種方式的系統(tǒng)。在圖12的系統(tǒng)中，所有的組件都與上述相同的方式運(yùn)行，它們各自的特性互不干擾。
可以通過采用一熱交換器而不是閃蒸箱來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的級(jí)內(nèi)壓縮方式。在圖13中，如上所述，冷凝器流出物通過四通閥65直接流入膨脹閥67。但是流體被分開了，并且一些流體流經(jīng)一導(dǎo)管進(jìn)入一熱交換器92的放熱(熱釋放)部分91，而其吸熱(熱供應(yīng))部分93接收來自膨脹閥97的已膨脹冷凝器流出物。參考圖14中的相位圖，導(dǎo)管27和29內(nèi)壓縮機(jī)26a的流出物在點(diǎn)T具有高于系統(tǒng)內(nèi)任何其他點(diǎn)的壓力和焓。當(dāng)制冷劑經(jīng)過冷凝器時(shí)，它釋放熱量，從而損失焓，離開冷凝器時(shí)具有點(diǎn)U所示的壓力和焓。一些流體經(jīng)過膨脹閥67并經(jīng)歷降壓過程到達(dá)點(diǎn)V’。導(dǎo)管90內(nèi)的液體經(jīng)過熱交換器，釋放熱量給通過閥門67進(jìn)入熱交換器的蒸汽。這種蒸汽焓的增加使得它到達(dá)了圖14中的點(diǎn)W，在這種狀態(tài)下，蒸汽沿著導(dǎo)管流動(dòng)，以便在進(jìn)口62進(jìn)入壓縮機(jī)26a內(nèi)。通過釋放熱量，熱交換器中部分91內(nèi)的液體在到達(dá)點(diǎn)X’時(shí)損失更多的焓。然后通過膨脹閥門69，在點(diǎn)Y’膨脹成雙相。然后制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)器，取得熱量且蒸發(fā)后到達(dá)點(diǎn)Z。然后這些蒸汽作為壓縮機(jī)的正常輸入通過導(dǎo)管30、36和33進(jìn)入壓縮機(jī)。
圖13中實(shí)施例所示的熱交換器可以通過變換閥門28、65被用來加熱，并且可以根據(jù)圖10和12所示很明顯的方式與本發(fā)明的其他方式組合。
本發(fā)明根據(jù)使用R407C作為制冷劑的運(yùn)行進(jìn)行說明。但是本發(fā)明的第一方式也可用于具有兩種或更多種組分的非共沸制冷劑。本發(fā)明已根據(jù)室內(nèi)和室外部分描述本發(fā)明，但是初級(jí)盤管可以有其他相似的關(guān)系。本發(fā)明已采用膨脹閥進(jìn)行說明，但毛細(xì)管等其他膨脹裝置也可用于本發(fā)明范圍內(nèi)的任何適當(dāng)位置。本發(fā)明可以使用一變速壓縮機(jī)以提高加熱和冷卻運(yùn)行間的容量和/或效率。圖10、12和13中的實(shí)施例可以在所示的四通閥前以普通的方法使用多種膨脹裝置和旁路閥，使制冷劑在即將進(jìn)入盤管前立即膨脹。所有上述內(nèi)容均與本發(fā)明無關(guān)。
權(quán)利要求
1．一熱泵系統(tǒng)，它包括一室內(nèi)初級(jí)盤管；一室外初級(jí)盤管；一壓縮機(jī)；一向所述壓縮機(jī)提供輸入的抽吸蓄熱器；用來交替變換所述壓縮機(jī)流出物流向所述室外盤管方向，和用來改變所述室內(nèi)盤管流出物流向所述抽吸蓄熱器方向的裝置，使所述室外盤管被用作一冷凝器，所述室內(nèi)盤管被用作一蒸發(fā)器，并且所述熱泵系統(tǒng)以冷卻的方式進(jìn)行運(yùn)行，或者這個(gè)裝置用來改變所述壓縮機(jī)流出物流向所述室內(nèi)盤管的方向，以及所述室外盤管流出物流向所述抽吸蓄熱器的方向，使得室內(nèi)盤管被用作一冷凝器，所述室外盤管被用作一蒸發(fā)器，并且所述熱泵系統(tǒng)以加熱方式進(jìn)行運(yùn)行；和用來有選擇地膨脹從一個(gè)作為冷凝器的所述盤管中流到一個(gè)作為蒸發(fā)器的所述盤管的制冷劑的裝置；其特征在于，它的改進(jìn)包括一儲(chǔ)藏罐，一向所述儲(chǔ)藏罐供料的精餾柱，以及一設(shè)置在所述精餾柱進(jìn)口處的相位分離器；以及用來有選擇地將某些被用作蒸發(fā)器的一個(gè)所述盤管中流出的流出物轉(zhuǎn)移到所述相位分離器的裝置，并且同時(shí)通過所述抽吸蓄熱器的進(jìn)口連接所述相位分離器的蒸汽出口，從而將所述混合物的一部分低壓組分從系統(tǒng)中運(yùn)行的混合物中分離出來，并且將這部分組分保存在所述儲(chǔ)藏罐中。
2．一種如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于用來加熱所述儲(chǔ)藏罐內(nèi)的液體的選擇性可操作裝置。
3．一種如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述選擇性可操作裝置包括一加熱盤管，它設(shè)置在所述罐內(nèi)、并選擇性地連接在一個(gè)作為冷凝器的所述初級(jí)盤管和所述用來轉(zhuǎn)換冷凝器流出物通過所述加熱盤管的膨脹裝置之間。
4．一種如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于用來收集所述罐內(nèi)的所述混合物部分的閥裝置。
5．一種如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述膨脹裝置包括一對(duì)膨脹件，所述這對(duì)膨脹件中的第一個(gè)的進(jìn)口與一個(gè)被用作冷凝器的所述初級(jí)盤管的出口連接，而這對(duì)膨脹件中的另一個(gè)的出口與一個(gè)被作為蒸發(fā)器的所述初級(jí)盤管的進(jìn)口連接；和所述壓縮機(jī)在其壓縮沖程內(nèi)一經(jīng)選擇的中間壓力點(diǎn)處具有一輔助進(jìn)口；進(jìn)一步的特征為分離裝置設(shè)置在所述膨脹件對(duì)的所述第一個(gè)的進(jìn)口和所述膨脹件對(duì)的所述第二個(gè)的進(jìn)口之間以便在所述經(jīng)選擇的中間壓力點(diǎn)處分離蒸汽，該壓力點(diǎn)與作為蒸發(fā)器的一個(gè)所述初級(jí)盤管的流出物溫度和作為冷凝器的一個(gè)所述初級(jí)盤管流出物間溫度之間某一溫度平衡，并且用來將所述分離蒸汽供給所述輔助進(jìn)口。
6．一熱泵系統(tǒng)，它包括一室內(nèi)初級(jí)盤管；一室外初級(jí)盤管；一壓縮機(jī)；一向所述壓縮機(jī)提供輸入的抽吸蓄熱器；用來交替變換所述壓縮機(jī)流出物流向所述室外盤管方向，并且用來改變所述室內(nèi)盤管流出物流向所述抽吸蓄熱器方向的裝置，這樣所述室外盤管用作一冷凝器，所述室內(nèi)盤管用作一蒸發(fā)器，并且所述熱泵系統(tǒng)以冷卻的方式進(jìn)行運(yùn)行，或者這個(gè)裝置用來改變所述壓縮機(jī)流出物流向所述室內(nèi)盤管的方向，以及所述室外盤管流出物流向所述抽吸蓄熱器的方向，使得室內(nèi)盤管被用作一冷凝器，所述室外盤管被用作一蒸發(fā)器，并且所述熱泵系統(tǒng)以加熱方式進(jìn)行運(yùn)行；和用來有選擇地膨脹從一個(gè)作為冷凝器的所述盤管中流到一個(gè)作為蒸發(fā)器的所述盤管的制冷劑的裝置；其特征在于，它的改進(jìn)包括所述膨脹裝置包括一對(duì)膨脹件，所述這對(duì)膨脹件中的第一個(gè)的進(jìn)口與一個(gè)被用作冷凝器的所述初級(jí)盤管的出口連接，而這對(duì)膨脹件中的另一個(gè)的出口與一個(gè)被作為蒸發(fā)器的所述初能盤管的進(jìn)口連接；和所述壓縮機(jī)在其壓縮沖程內(nèi)一經(jīng)選擇的中間壓力點(diǎn)處具有一輔助進(jìn)口；進(jìn)一步的特征為一裝置設(shè)置在所述膨脹件對(duì)的所述第一個(gè)的進(jìn)口和所述膨脹件對(duì)的所述第二個(gè)的進(jìn)口之間以便在所述經(jīng)選擇的中間壓力點(diǎn)處分離蒸汽，該壓力點(diǎn)與作為蒸發(fā)器的一個(gè)所述初級(jí)盤管的流出物溫度和作為冷凝器的一個(gè)所述初級(jí)盤管流出物溫度之間某一溫度平衡，并且用來將所述分離蒸汽供給所述輔助進(jìn)口。
7．一種如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述分離裝置包括一閃蒸箱，它的進(jìn)口與所述膨脹件對(duì)中的所述第一膨脹件的出口連接，它的液體出口與所述膨脹件對(duì)中所述第二膨脹件的進(jìn)口連接，并且其蒸汽出口與所述壓縮機(jī)的所述輔助進(jìn)口連接。
8．一種如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述分離裝置包括一熱交換器，它的一個(gè)盤管進(jìn)口被連接到所述膨脹件對(duì)的所述第一膨脹件的出口上，所述第一盤管的出口被連接到所述壓縮機(jī)的所述輔助輸入端，所述熱交換器的另一個(gè)盤管進(jìn)口被連接在所述膨脹件對(duì)的所述第一膨脹件和作為冷凝器的一個(gè)所述初級(jí)盤管出口間，以便使從冷凝器中一部分流出物在此分道，所述另一盤管的出口被連接到所述膨脹件對(duì)的所述第二膨脹件的進(jìn)口上。
9．一種在低溫環(huán)境下擴(kuò)大熱泵系統(tǒng)加熱能力的方法，其特征在于(a)提供一與所述系統(tǒng)抽吸蓄熱器連通的儲(chǔ)藏罐；和(b)向所述系統(tǒng)充料，并且所述儲(chǔ)藏罐具有一定量多組分非共沸制冷劑混合物，這個(gè)混合物的一個(gè)組分的沸點(diǎn)高于所述混合物中的其他組分，它大約等于所述熱泵額定最高環(huán)境運(yùn)行所需量的二倍；
10．一種如權(quán)利要求9所述的方法，附加的特征是在所述步驟(b)后(c)精餾所述罐內(nèi)的制冷劑，從而從所述系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的混合物中除去相當(dāng)多質(zhì)量百分比的低壓組分。
11．一種如權(quán)利要求10所述的方法，附加的特征在于在所述步驟(c)后在所述罐內(nèi)隔離所述低壓組分。
12．一種如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述步驟(c)包括對(duì)所述罐內(nèi)的液體加熱。
13．一種提高熱泵系統(tǒng)容量和效率的方法，其特征在于，在所述熱泵系統(tǒng)內(nèi)提供一壓縮機(jī)，在其壓縮沖程經(jīng)選擇的一中間壓力點(diǎn)處具有一輔助進(jìn)口；對(duì)冷凝器的流出物進(jìn)行膨脹，使之到達(dá)所述經(jīng)選擇的中間壓力；從已膨脹流出物的液體中分離出蒸汽，并且將所述蒸汽提供給所述輔助進(jìn)口；和膨脹所述已膨脹流出物的液體，并且將它供給所述系統(tǒng)的蒸發(fā)器。
14．一種提高熱泵容量和效率、并且擴(kuò)大熱泵的在低溫環(huán)境下的加熱能力的方法，其特征在于在所述熱泵系統(tǒng)內(nèi)提供一壓縮機(jī)，在其壓縮沖程經(jīng)選擇的一中間壓力點(diǎn)處具有一輔助進(jìn)口；提供一與所述系統(tǒng)抽吸蓄熱器連通的儲(chǔ)藏罐；填充所述系統(tǒng)，并且所述儲(chǔ)藏罐具有一多組分制冷劑混合物，它具有一相對(duì)于所述混合物剩余物而言非共沸的低壓組分；精餾所述罐內(nèi)的制冷劑，從而從所述系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的混合物中除去相當(dāng)多質(zhì)量百分比的低壓組分；對(duì)冷凝器的流出物進(jìn)行膨脹，使之到達(dá)所述經(jīng)選擇的中間壓力；在已膨脹的流出物中將蒸汽從液體中分離出來，并且將所述蒸汽提供給所述輔助進(jìn)口；和膨脹所述已膨脹流出物的液體，并且將它供給所述系統(tǒng)的蒸發(fā)器。
全文摘要
一種熱泵系統(tǒng),采用多組分制冷劑混合物,其中的一個(gè)低壓組分相對(duì)混合物的其余組分是非共沸的,這種系統(tǒng)通過再精餾分離低壓組分,來增強(qiáng)低溫環(huán)境下的加熱能力。從熱泵的冷凝器的流出物內(nèi)的液體中分離出蒸汽,在一壓力下與蒸發(fā)器流出物溫度和冷凝器流出物溫度之間的某一溫度平衡,再在壓縮機(jī)壓縮沖程的中間壓力點(diǎn)處將蒸汽提供給一輔助進(jìn)口。
文檔編號(hào)F04C29/00GK1209533SQ9811864
公開日1999年3月3日 申請(qǐng)日期1998年8月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月22日
發(fā)明者弗蘭克R·比安卡爾迪, 戴維J·Mc法林, 雷蒙德L·De布盧瓦, 托拜厄斯H·謝內(nèi)爾 申請(qǐng)人:運(yùn)載器有限公司