专利名称：中央空调系统之制冷方法及制冷储冷装置的制作方法
专利说明 本发明涉及一适用于中央空调系统上的制冷方法，以及应用该方法的一种制冷储冷装置。其是将冷媒以喷雾方式与被冷却流体混合，利用直接接触传热效果，提高热交换效率以大幅缩短制冷时间。
一般常见用于目前中央空调系统的制冷储冷装置(即俗称的制冰储冰槽)，主要是在用电低谷期间(如假日或晚上)以压缩机来制冰或制冷并储存之，待至白天需要冷气时，再透过输水泵、送风机来送，而不需动用耗电惊人的压缩机，如此可在用电高峰期间内有效地减轻电力供应上的负荷，并在用电低谷期间内有效地运用剩余用电。
这种现有技术以台湾明潭水力发电厂为例-白天以明潭的水发电供电，而夜晚利用剩余用电将水抽回明潭以供白天发电。
这种现有的制冷储冷装置(制冰储冰槽)，在目前有多种型式，且各有其特色。其基本的动作原理是在晚上启动压缩机而使冷媒流动于图3所示的冷媒管30内，并启动水泵而使被冷却水流动于制冰储冰槽20内。而水流的方向是自下而上(如图3中具有箭头的流线所表示)，而水之出、入口21、22可设成多组。被冷却水绕经冷媒管30经多次循环之后，其水温即因冷媒吸热之故而逐渐降低。最后将凝结成冰或冷却成冰水(冰水内可能亦有浮冰)，并被储存。待白天需要系统供应冰水送冷时，则仅需透过输水泵，供入相当量的水来化冰，并将化得的冰水输送至空调空间吸热，以调整室内温度。而吸收热后的冰水再回到制冰储冰槽20内进行化冰，从另一方面来讲即是进行降温释热。如此循环，空调空间的热量就不断地被带走，使空调空间得在适当的控制下而冷却降温至适当的温度。
另外，亦有以冰点较低的卤水来取代被冷却水，则储冰槽内就可以储存低温的不冻液，然后在白天系统供冷时，就直接将不冻液送至空调空间吸热，而不需要另外供水来化冰了。
而目前虽有很多形式的制冷储冷装置以供使用者选用，但皆为上述的传统管壳式热交换器之使用。该类热交换器常使用于工业用的冷冻系统及商业空调系统。其缺点为仅管在各方面作改善，例如冷媒管外壁表面的形状改变、或冷媒管盘绕格局的改变等等，却无法大幅提高其传热效率，使制冷、结冰时间漫长而耗电。
近年来，有效高效率、小体积、小接近温差的板式热交换器(COMPACT HIGH EFFICIENCY SMALL APPROACH TEMPERATURE DIFFERENCE PLATE HEAT EXCHANGER)替代管壳式热交换器。但仍有结垢(Fouling Factor)及换热系数无法大幅度提高的缺点。
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点而提出一种用于利用低谷电力以热交换系统储存冷源之循环的制冷方法。
本以明的另一目的在于提出一种新颖的制冷储冷装置。
为此，一方面本发明提出一种制冷方法，用于利用低谷电力以热交换系统储存冷源之循环，其特征在于在上述热交换系统中的冷却室顶端内部，将冷媒雾化后以雾状喷洒于经过的被冷却流体，使冷媒与被冷却流体直接接触以进行热交换;冷媒吸热后，膨胀气化自上述冷却室顶端排出;而被冷却流体降温后，下降至上述冷却室底部收集。
另一方面，本发明提供一种制冷储冷装置，包括一制冷储冷槽，其顶部中央具有一两相流体混合器，且顶部具有冷媒排出口，底部具有被冷却流体流出口;一冷媒循环系统，可将冷媒经液滴分离器、除液器、干燥器后，自上述两相流体混合器送入上述制冷储冷槽;一被冷却流体循环系统，将被冷却流体经一过滤器过滤清除杂物及污泥后，经上述两相流体混合器送入上述制冷储冷槽;上述冷媒与被冷却流体于上述制冷储冷槽内直接接触进行热交换，而经热交换后的冷媒自上述冷媒排出口送出并进入冷媒循环系统，而被冷却流体则从上述被冷却流体出口排出进入被冷却流体循环系统的管路。
本发明所使用制冷方法，热传效果良好，无严重发生导致物理性质改变或相变化温度点改变的现象。因而经由长期实际运转下，仍不致发生结垢的现象。
本发明所提供之方法及装置中，因使用之被冷却流体与冷媒不相溶解，经由扩散(disperse)的接触过程中，两种流体不会发生损耗现象，而不需常加冷媒。
本发明之上述目的及其他进步功能，将在以下结合附图所示之较佳实例予以说明。图中
图1为依据本发明实验的一种喷雾冷却室实例; 图2为依据图1所示喷雾冷却室所作喷雾冷凝系统的实验装置; 图3表示现有技术的制冷储冷装置的简单构造图; 图4为依据本发明的一种较佳实施例的简单系统构造图; 图5为依据图示所示实例的网状结冰器的结构简图。
图6～图8分别示出了三种不同喷嘴的喷雾流体质量流率M与体积传热系数uv的关系; 图9所示为三种不同喷嘴的喷雾流体质量与体积传热系数uv关系的比较; 图10所示为喷雾流体之初始温度与质量流率对总传热量的影响; 图11所示喷雾流体初始温度与体积传热系数关系; 图12所示为本发明装置与传统式制冰储冰装置容积传热系数
比较。
本发明是应用于利用夜间进峰电力以热储存系统储存冷源，是相当有效的方法。
本发明的制冷方法，主要理论是建立在喷洒液滴与蒸发液滴之接触传热，此种研究尚未多见。以下为本发明之实验报告 实验设备 1.为了建立直接接触交换器制冷储冷装置(DCHE THERMO STORAGE CHILLER UNIT)，必需先找出其“传热系数”。因此，本实验首先进行液滴喷雾冷却传热效率分析。实验装置如图1所示，圆柱形的喷雾冷却室15，尺寸为800mm直径、1240mm高，水(H2O)由上方焊接铜管16进入四组喷嘴17，喷嘴口径1/8″φ、型号1/8GG-SS-2.8W，所有喷嘴皆为实心喷嘴。
冷媒为R-22，经由侧面圆周平均三方进入三组喷嘴18，喷嘴规格与水系统相同。
水与冷媒的流量皆由管路上的流量调整开关调节。冷却室内的水位保持一定高度水位。冷媒进出口压力保持一定值，以确定实验在稳态下进行。
要决定传热率，实验测定冷媒进出口压力、温度、水的流量、温度下降率。温度经由热偶式温度、计测定，并由水银式温度计及电子式温度计校正。流量则由面积式流量计测定。压力则由波登式(BOURDON TYPE)压力计测量。
2.经由前述第一阶段的实验、建立、掌握冷却室的传热特性，即着手进行第二阶段-原型机组的建立。如图2所示。其中图号代表说明如下 1......冷媒蒸发器(喷雾冷凝实验箱) 2......喷雾喷嘴 3......冰泥循环泵(ICE SLURY PUMP) 4......R-22冷媒旁通蒸发器 5......R-22冷凝机组 6......离心式分离器 7......除液器 8......R-22干燥器(过滤器) 9......压力表 10......温度计 11......闸阀 12......压力调整阀 13......流量计 从冷却室出来的冷媒，含有部分蒸发的水蒸汽及水滴，必须加以清除。在冷媒的吸回管路上，加上高效率的离心式液滴分离器6、除液器7、干燥器8，以充分分离水份。水系统管路上为了防止喷嘴的喷孔堵塞及结冰，必须经由一组高效率的过滤器3加以清除杂物及污泥。
符号命名
H2O水的质量流率(MASS FLOW RATE OF H2O) Q总传热量(TOTAL HEAT TRANSFER) uv体积换热系数(VOLUME HEAT TRANSFER COEFFICIENT)
R-22R-22的质量流率(MASS FLOW RATE OF R-22) dn喷嘴尺寸(NOZZLE DIAMETER) dD液滴尺寸(DROP DIAMETER) Ti喷雾冷却流体的初始温度(INITIAL TEMPERATURE OF SPRAY COOLING(DISPEREED LIQUID)) L MTD对数平均温度差(LOG MEAN TEMPERATURE DIFFERENCE) DCHE直接接触热交换器(DIRECT CONTACT HEAT EXCHANGER)
喷雾冷却室容积(VOLUME OF SPRAY COOLING CHAMBER) 实验结果 1.dn＝1/8″φ喷嘴直径，△P＝7kg/cm2·G喷雾流体质量流率
与体积传热系数uv关系如表一，并请参阅图6所示。
表(一) 单位
H2OKg/mim 水的质量流率 uvW/m3·℃ 体积传热系数 QW 总传热量 2.dn＝1/4″φDIAMETER NOZZLE，△P＝7kg/cm2·G喷雾流体质量流率
与体积传热系数uv关系如表二，并请参阅图7所示。
表(二) 单位
H2Okg/mim 水的质量流率 uvW/m3·℃ 体积传热系数 QW 总传热量 3.dn＝3/8″φDIAMETER NOZZLE，△P＝7kg/cm2·G喷雾流体质量流率
与体积传热系数uv关系如表三，并请参阅图8所示。
表(三) 单位
H2OKg/mim 水的质量流率 uvW/m3·℃ 体积传热系数 QW 总传热量 图9表示了比较不同喷嘴、喷雾流体质量流率
与体积传热系数uv关系。
4.下表为喷雾流体之起始温度与质量流率对总传热量的影响。
表(四) dn＝1/8″喷嘴直径 M(R-22)＝1.19 kg/min 平均喷雾粒直径dD 345 μm 图10所示为喷雾流体之初始温度与质量流率对总传热量的影响，但蒸发流体之流率固定。
○
＝10kg/min H2O ▲
＝12kg/min H2O □
＝14kg/min H2O ●
＝18kg/min H2O △
＝22kg/min H2O 图11所示为喷雾流体初始温度与体积传热系数关系。
○
＝10kg/min H2O ▲
＝12kg/min H2O □
＝14kg/min H2O ●
＝18kg/min H2O △
＝22kg/min H2O 实验结果与分析 1.直接接触喷雾(水)液滴冷却在喷雾冷媒R-22蒸发室内的传热实验结果显示，体积传热系数随着喷雾流体的质量流率的增加而增大。如图6至图9所示，三种不同口径喷嘴都有相同的现象。这与喷粒液柱之直接接触蒸发传热(DIRECT CONTACT EVAPORATION BETWEEN TWO IMMISCIBLE LIQUIDS IN A SPRAY COLUMN)，K.N.SEETHARAMU，P.BATTYA之实验结果完全相同。
2.相同的喷雾质量流率时，喷嘴口径越大，其体积传热系数愈小，传热量也愈小。喷嘴口径越大，其平均粒径愈大。因此，粒径愈小，其体积传热系数愈大。这与A.LEKIC，J.D.FORD所做关于喷嘴喷雾液滴在蒸汽的冷凝直接接触传热实验结果相同。本实验之滴液喷雾平均粒径量测值，分别为 1/8″φ喷嘴-340μm 1/4″φ喷嘴-480μm 3/8″φ喷嘴-650μm 附表一、二、三显示各种不同之质量流率条件下，皆有相同的趋势。
3.喷雾流体的初始温度愈高，传热量愈大，表四及图9中，清楚显示此一现象，但体积传热系数则愈低，这与T.COBAN，R.BOEHM所做关于喷粒液柱之直接接触热交换器特性研究报告中有相同之结果。
结论 本文所定义之体积传热系数(VOLUMETRIC HEAT TRANSFER COEFFICIENT)为
S为全传热量
为喷雾冷却室之体积 LMTD为喷雾冷却流体与喷雾蒸发流体之对数平均温差 图12所示为本装置与一般传统式制冰储冰装置容积传热系数
比较 △本装置 ○一般传统式制冰储冰装置
＝装置总传热量与接触温差及接触容积之比值 《具体实施例》 以下，为依据本发明所提出的制冷方法而设计出的一种全新型的储冷、储冷装置。
请参阅图4，该装置主要由一个制冰储冰槽30、及设置在制冰储冰槽30槽顶入口处的两相流体混合器40所构成。其中，制冰储冰槽30是主要为一内部具有足够空间的保温式槽体，其槽底设有若干个被冷却流体出口31及供冷出口32，而槽顶则设有若干个汽态冷媒出口33及一个具有内螺纹段的瓶口34。
两相流体混合器40的详细结构请参阅图4a所示，它具有一外管41及内管42。该外管41的一端螺接在制冰储冰槽30的瓶口34内，另一端则可螺接被冷却流体输送管(在图3及图4中未示)，使得被冷却流体(卤水或水)经由外管而被引入制冰储冰槽30内。
内管42在外管41中段处插入，具有一径向段421及一轴向段422。该径向段421贯穿外管21的管壁，而轴向段422则与外管41同轴向延伸至制冰储冰槽30的顶端。径向段421末端与冷媒输送管连接(图中未示)，以将冷媒经内管导引入制冰储冰槽30顶端，并经由轴向段422末端所连接的雾化喷头43将冷媒形成雾状而喷洒入制冰储冰槽30内。
外管41与制冰储冰槽30以螺纹连结之目的，主要为了提供调整功能，使内管42末端的雾化喷头43在瓶口34内取得最适当位置。
在本发明的制冷储冷装置中，采用本说明书前面所述的“喷雾式直接接触”制冷方法，以达快速制冷。被冷却流体在压缩机(未示出)启动后，自两相流体混合器40的外管41导入制冰储冰槽30;低温液态冷媒则自内管42流入。
被冷却流体外管末端时，刚好将为低温液态冷媒的出口(即雾化喷头43位置)并将其涵盖于内。在低温液态冷媒被自雾化喷头43以雾状喷洒出的瞬间，微小颗粒状的冷媒即藉喷出冲力由内而外的冲击被冷却流体。被冷却流体因被冷媒冲击而碎散分布于槽内空间。并且，如图4b所示，在每一冷媒颗粒R之外围均包围有一层被冷却流体F。图中，具有斜线部分表示冷却流体F，而斜线内空白部分表示冷媒颗粒R。
在此状态下，使被冷却流体与冷媒间的接触机会增加，同时，接触面积也增加。因此，两者间是以直接接触方式作热交换，使得冷媒颗粒迅速地吸收被冷却流体的温度而膨胀蒸发，就是说，冷媒的蒸发效率将大幅提高，并且被冷却流体在单位时间内被冷媒带走的热量大增。蒸发后的汽态冷媒由制冰储冰槽30的气态冷媒出口33排出，经压缩机压缩、冷凝器等必要循环释热之后，再回流至两相流体混合器40的内管42而喷出;相反地，被冷却降温后的被冷却流体，则下降至制冰储冰槽30底部收集，并由被冷却流体出口32排出，再经由水泵抽引回流至两相流体混合器40的外管41重行热交换。
经过循环之后，被冷却流体很快地冷却降温至所需的低温。此时，可控制压缩机停机以防止制冷，并在制冰储冰槽30内储存了低温的被冷却流体(可为不冻液或H2O所形成冰水或冰块)。待至白天，所储冷提供给需要供冷于空调空间时，这些低温不冻液或冰水即可自供冷出口32排出，提供空调使用。
被冷却流体若是为水的话，该制冰储冰槽30的中下段处，可增设一个网状加速结冰器50，如图5所示。该网状加速结冰器50的结构显示于图5a中，为一个由若干条金属长片51、52制成交叉成格状。其交叉出来的每一格的大小、形状均不同，经此格状结构，而具有以收集冰块、冰珠及加速结冰之实效。
以上所述的制冷方法，可使冷媒与被冷却流体间的传热效率大幅提高，而加快制冷或结冰速度，以缩短制冷或结冰时间，进而在制冷时电能的耗费乃可因而大为减少，达成节省电能之功。
另外，本发明所设计的制冷方法，依据实验，并无冷媒“污染”的问题，亦无严重发生导致物理性质改变或相变化温度点改变的现象。其原因是在于系统设备中，使用高压(高温)液气分离器及干燥过滤器的发生作用，相当理想的分离了冷媒(经压缩机后的高温、高压气体)中的水份。因而在循环的冷媒重新进入两相流直接接触的蒸发器内时，已经成为接进纯净不含水份的冷媒。经由长期实际运转下，仍不致发生污染。
而且，在实验记录中，亦无发生冷媒耗损现象。经深入研究，参考许多关于直接接触蒸发器热性能研究报告文献，例如 R.C.SMITH & W.M.ROHSENOIU & M.S.KAZIMT，“VOLUMETRC HEAT-TRANSFER COEFFICIENTS FOR DIRECT-CONTACT EVA-PORATION”PP.264/VOL 104，MAY 1982，ASME SAMUEL SIDEMAN & YEHUDA GAT.“DIRECT CONTACT HEAT TR-ANSFER WITH CHANGE OF PHASE”PP.296，AICHE JOURN-AL，MARCH，1966. 其实验结果数据中显示，在系统循环中，两种流体的质量流率(g/mm)固定不变的条件下，测试其体积传热系数及扩散流体百分比(L值)(HOLDYUP OF DISPERSED HPASE)，得到稳定的关系曲线(STEADYSTATE PARFORMANCE)，图11和图12显示在两种流体互不溶解的物理特性条件下，经扩散(DISPERSE)接触的过程中，两种流体都没有发生损耗的现象。否则实验结果数据将会发生暂态的不稳定特性(TRANSIENT UNSTEADY STATE)出现。即随着时间进行，会有不同的系统特性参数，即例如流率Gc、Gd、全热传热系数Vuv及H值等(CHARACTERISTIC PARAMETER)。实验结果证明没有这种现象，故与本发明情形相同，冷媒不会耗损，因而不需常加冷媒。
权利要求
1、一种制冷方法，用于利用低谷电力以热交换系统储存冷源之循环，其特征在于在上述热交换系统中的冷却室顶端内部，将冷媒雾化后以雾状喷洒于经过的被冷却流体，使冷媒与被冷却流体直接接触以进行热交换；冷媒吸热后，膨胀气化自上述冷却室顶端排出；而被冷却流体降温后，下降至上述冷却室底部收集。
2、根据权利要求1所述的制冷方法，其中雾化冷媒是从被冷却流体的中心喷洒出。
3、一种制冷储冷装置，包括
一制冷储冷槽，其顶部中央具有一两相流体混合器，且顶部具有冷媒排出口，底部具有被冷却流体流出口，
一冷媒循环系统，可将冷媒经液滴分离器、除液器、干燥器后，自上述两相流体混合器送入上述制冷储冷槽，
一被冷却流体循环系统，将被冷却流体经一过滤器过滤清除杂物及污泥后，经上述两相流体混合器送入上述制冷储冷槽，
上述冷媒与被冷却流体于上述制冷储冷槽内直接接触进行热交换，而经热交换后的冷媒自冷媒排出口送出并进入冷媒循环系统，而被冷却流体则从上述被冷却流体出口排出进入被冷却流体循环系统的管路。
4、根据权利要求3所述的制冷储冷装置，其中所述的两相流体混合器包括
一外管，其一端与上述被冷却流体循环系统相连接，另一端与上述制冷储冷槽顶端相连接，将循环的被冷却流体送入储槽内，及
一内管，在上述外管中段处插入，具有一径向段及一轴向段，该径向段贯穿上述外管的管壁，而轴向段则与上述外管同轴向延伸至上述储槽的顶端，其中径向段末端与冷媒循环系统的输送管连接，以将冷媒导引入上述制冷储冷槽。
5、根据权利要求4所述的制冷储冷装置，其中两相流体混合器内管的轴向段末端设有一雾化喷头，将导入冷媒形成雾状而喷洒。
6、根据权利要求4所述的制冷储冷装置，其中两相流体混合器的外管是与制冰储冰槽的瓶口以螺纹相接合。
7、根据权利要求4所述的制冷储冷装置，其中制冰储冰槽内的中下段位置，进一步设置一个网状加速结冰器，它由若干金属片做成交叉成格状。
8、根据权利要求7所述的制冷储冷装置，其中制冰储冰槽中网状加速结冰器每一格状的形状、大小均不同。
9、根据权利要求1所述之制冷方法，其中被冷却流体是可为水、卤水或其它任何可接受的冷却储冷流体。
全文摘要
一种用于中央空调系统的制冷方法，其主要是在系统中，将被冷却流体由一个两相流体混合器导引至一储槽内，在该冷却流体导入的同时，以雾状冷媒冲散流体，使得每一冷媒颗粒的外围以被冷却流体包覆。在冷媒与被冷却流体间则以微粒状态作直接的接触及热交换，以降低被冷却流体温度，并向储槽下方汇集。而冷媒吸收热量后蒸发，自槽顶排出回收循环再用。经此提高热交换的功率，以缩短制冷时间，节省电能。
文档编号F24F3/00GK1096868SQ9310742
公开日1994年12月28日 申请日期1993年6月23日 优先权日1993年6月23日
发明者卢杏中 申请人:卢杏中