蒸汽压缩热传递系统的制作方法
【专利说明】蒸汽压缩热传递系统
[0001] 本申请是专利申请号为200880015513. 2、国际申请日为2008年5月9日（国际申 请号为PCT/US2008/006043)、发明名称为"用于在蒸汽压缩热传递系统中进行热交换的方 法以及包含具有双排蒸发器或冷凝器的中间换热器的蒸汽压缩热传递系统"的发明专利申 请的分案申请。
[0002] 发明背景 1技术领域。
[0003] 本发明涉及在蒸汽压缩热传递系统中进行热交换的方法。具体地讲，它涉及使用 中间换热器，以改善使用包含至少一种氟烯烃的工作流体的蒸汽压缩热传递系统的性能。 2.【背景技术】。
[0004] 一直在寻找改善热传递系统（例如冷却系统和空调）的性能的方法，以降低此类 系统的运行成本。
[0005] 在推荐用于热传递系统（包括蒸汽压缩热传递系统）的新工作流体时，重要的是 能够提供改善新工作流体冷却能力和能量效率的方法。
【发明内容】
[0006] 申请人已经发现，由于流出冷凝器的工作流体过冷，在使用氟烯烃的蒸汽压缩热 传递系统中使用中间换热器可提供意想不到的有益效果。所谓"过冷"是指液体温度降至 给定压力下液体的饱和点以下。饱和点是蒸汽通常会冷凝成液体的温度，但过冷会使得在 给定压力下产生较低温度的蒸汽。通过将蒸汽冷却至饱和点以下，可提高净制冷量。因此， 过冷可改善系统的冷却能力和能量效率，所述系统例如使用氟烯烃作为其工作流体的蒸汽 压缩热传递系统。
[0007] 具体地讲，当氟烯烃2, 3, 3, 3-四氟丙烯（HFC_1234yf)用作工作流体时，与使用已 知的工作流体，例如1，1，1，2_四氟乙烷（HFC-134a)相比，氟烯烃工作流体的性能系数与能 力方面获得了令人惊讶的结果。实际上，与使用HFC-134a作为工作流体的系统相比，使用 HFC-1234yf的系统的性能系数以及冷却能力提高了至少7. 5%。
[0008] 因此，根据本发明，本公开提供了用于在蒸汽压缩热传递系统中进行热交换的方 法，该方法包括：
[0009] (a)使包含氟烯烃的工作流体循环至内部换热器的第一管道的入口，通过内部换 热器并循环至其出口；
[0010] (b)使工作流体从内部换热器的第一管道的出口循环至蒸发器的入口，通过蒸发 器以使工作流体蒸发，从而将工作流体转换为气态的工作流体，然后通过蒸发器的出口；
[0011] (C)使工作流体从蒸发器的出口循环至内部换热器的第二管道的入口，以将热量 从来自冷凝器的液态工作流体传递至来自蒸发器的气态工作流体，然后通过内部换热器， 循环至第二管道的出口；
[0012] (d)使工作流体从内部换热器第二管道的出口循环至压缩机的入口，通过压缩机 以压缩气态工作流体，然后循环至压缩机的出口；
[0013] (e)使工作流体从压缩机的出口循环至冷凝器的入口，通过冷凝器以使压缩的气 态工作流体冷凝成液体，然后循环至冷凝器的出口；
[0014] (f)使工作流体从冷凝器的出口循环至中间换热器的第一管道的入口，以将热量 从来自冷凝器的液体传递至来自蒸发器的气体，然后循环至第二管道的出口；以及
[0015] (g)使工作流体从内部换热器第二管道的出口循环回蒸发器。
[0016] 此外，已经发现的是，过冷可以提高采用错流/逆流热交换的系统，例如使用双排 冷凝器或双排蒸发器的系统的性能和效率。
[0017] 因此，进一步根据本发明的方法，本公开还提供了冷凝步骤，该冷凝步骤可包括：
[0018] (i)使工作流体循环至双排冷凝器的后排，其中后排接纳第一温度下的工作流体； 以及
[0019] (ii)使工作流体循环至双排冷凝器的前排，其中前排接纳第二温度下的工作流 体，其中第二温度低于第一温度，使得经过前排和后排的空气是预先加热的，因此空气到达 后排时比到达前排时的温度要高。
[0020] 在一个实施方案中，本发明的工作流体可以是2,3,3,3_四氟丙烯（HFC-1234yf)。
[0021] 进一步根据本发明的方法，本公开还提供了蒸发步骤，该蒸发步骤可包括：
[0022] (i)使工作流体通过具有第一排和第二排的双排蒸发器的入口，
[0023] (ii)使第一排中的工作流体以垂直于通过蒸发器入口的流体流动的方向循环，以 及
[0024] (iii)使第二排中的工作流体通常以与通过入口的工作流体流动方向相反的方向 循环。
[0025] 根据本发明，还提供了用于热交换的蒸汽压缩热传递系统，其包括与双排冷凝器 或双排蒸发器或这两者相结合的中间换热器。
【附图说明】
[0026] 结合下列附图可以更好地理解本发明，其中：
[0027] 图1为包括中间换热器的蒸汽压缩热传递系统的一个实施方案的示意图，用于在 根据本发明的蒸汽压缩热传递系统中实施热交换方法。
[0028] 图1A为中间换热器的一个特定实施方案的剖面图，其中换热器的管道是彼此同 心的。
[0029] 图2为可以与图1的蒸汽压缩热传递系统一起使用的双排冷凝器的透视图。
[0030] 图3为可以与图1的蒸汽压缩热传递系统一起使用的双排蒸发器的透视图。
[0031] 发明详沐
【具体实施方式】
[0032] 本公开的一个实施方案提供了用于在蒸汽压缩热传递系统中进行热交换的方法。 蒸汽压缩热传递系统是可在多个步骤中重复使用工作流体的闭回路系统，其中在一个步骤 中产生冷却效应，在另外的步骤中产生加热效应。此类系统一般包括蒸发器、压缩机、冷凝 器和膨胀装置，在本领域是已知的。将参考图1对该方法进行描述。
[0033] 结合图1，来自冷凝器41的液态工作流体经管线流至中间换热器，或简称IHX。中 间换热器包括含有相对较热的液态工作流体的第一管道30,和含有相对较冷的气态工作流 体的第二管道50。IHX的第一管道与冷凝器的出口管线连接。然后液态工作流体流经膨胀 装置52,并经过管线62流至位于待冷却的主体附近的蒸发器42。在蒸发器中，工作流体经 蒸发转换成气态工作流体，工作流体的蒸发可提供冷却效应。膨胀装置52可以是膨胀阀、 毛细管、孔道或任何使得工作流体可经受突然的压力下降的其他装置。蒸发器具有出口，冷 的气态工作流体通过该出口流至IHX的第二管道50,其中冷的气态工作流体与IHX的第一 管道30中的热的液态工作流体进行热接触，因此冷的气态工作流体被稍微加热。气态工作 流体从IHX的第二管道经过管线63流至压缩机12的入口。气体在压缩机中被压缩，压缩 的气态工作流体从压缩机中排出，经过管线61流至冷凝器41，工作流体在冷凝器41中冷 凝，从而释放出热量，然后重复该循环。
[0034] 在中间换热器中，含有相对较热的液态工作流体的第一管道和含有相对较冷的气 态工作流体的第二管道处于热接触状态，从而允许热量从热的液体传递至冷的气体。两个 管道进行热接触的方式可以有所不同。在一个实施方案中，第一管道具有大于第二管道的 直径，而且第二管道设置为与第一管道同心，第一管道中的热液体包围第二管道中的冷气 体。该实施方案在图1A中示出，图中第一管道（30a)包围第二管道（50a)。
[0035] 在一个实施方案中，内部换热器第二管道中的工作流体还可以沿着与第一管道中 工作流体的流动方向相反的方向流动，从而冷却第一管道中的工作流体，并加热第二管道 中的工作流体。
[0036] 可通过双排冷凝器或双排蒸发器在图1的系统中提供错流/逆流热交换，但应当 指出的是，该系统并不限于此类双排冷凝器或蒸发器。此类冷凝器和蒸发器在提交于2006 年12月19日的美国临时专利申请号60/875,982 (现在为国际申请？〇71^07/25675，提交 于2007年12月17日）中有详细的描述，其尤其适用于包含非共沸或近共沸组合物的工作 流体。因此，根据本发明，提供了包括双排冷凝器或双排蒸发器或两者的蒸汽压缩热传递系 统。此类系统与以上根据图1所述的系统相同，不同的是对双排冷凝器或双排蒸发器的描 述。
[0037] 参考图2描述包括双排冷凝器的此类系统。图2示出了双排冷凝器41。在该双 排错流/逆流设计中，热工作流体通过第一排或后排14进入冷凝器，流经第一排，并通过第 二排或前排13离开冷凝器。第一排连接到入口或收集器6上，使得工作流体经由收集器 6进入第一排14。第一排包括第一入口歧管和多个通道或管程，图2中示出了其中一个管 程2。工作流体进入入口并在第一排的第一管程2内流动。通道允许第一温度下的工作流 体流入歧管，然后以至少一个方向流经通道，并在第二出口歧管中汇集，其被示为图2中的 15。在第一排或后排中，工作流体以逆流方式被空气冷却，其中空气已被该双排冷凝器的第 二排或前排13加热。工作流体从第一排14的第一管程2流至与第一排相连的第二排13。 第二排包括多个用于传导第二温度下的工作流体的通道，该第二温度低于第一排中工作流 体的温度。工作流体从第一排的第一管程2通过导管，或连接处7并通过导管16流至第二 排的管程3。然后工作流体通过与第一和第二排相连的导管或连接处8从管程3流至第二 排13中的管程4。然后工作流体通过导管或连接处9从管程4流至管程5。然后过冷的工 作流体经由出口歧管15从连接处或出口 10离开冷凝器。空气以相对于工作流体流的逆流 方式流动，在图2中以具有点11和12的箭头表示。图2中示出的设计是通用的，可用于固 定应用以及移动应用中的任何空气-制冷剂冷凝器。
[0038] 现在将参考图3对包括双排蒸发器的蒸汽压缩热传递系统进行描述。图3中示出 了双排蒸发器42。在该双排错流/逆流设计中，双排蒸发器包括入口、与入口相连的第一排 或前排17、与第一排相连的第二排或后排18,以及与后排相连的出口。具体地讲，工作流体 以最低温度经由图3中示出的入口或收集器24进入蒸发器19。然后工作流体向下流过槽 20,经由收集器25流至槽21，然后从槽21经由收集器26流至后排中的槽22。然后工作流 体从槽22经由收集器27流至槽23,最后通过出口或收集器28离开蒸发器。空气以交叉逆 流方式流动，如图3中具有点29和30的箭头所示。
[0039] 在图1、1A、2和3所示的实施方案中，蒸汽压缩热传递系统组件之间的连接管线 可以由已知可用于此类目的的任何一般导管材料构成