制冷系统

本分案申请是基于申请号为201880084289.6、申请日为2018年11月27日、发明名称为“制冷系统”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本公开涉及制冷系统，且尤其涉及利用二氧化碳(以下称为“CO

背景技术

蒸气压缩循环已在制冷工业中广泛使用了很多年。该循环通常采用制冷剂在四个主要组件之间的连续流动：计量装置，蒸发器，压缩机和冷凝器。

在该循环中使用的制冷剂类型取决于所需的制冷温度和应用而有所不同。通常使用合成制冷剂，例如CFC's，HCFC's和HFC's。由于CFC's和HCFC's的臭氧消耗潜势(ODP)，按照《蒙特利尔议定书》，在许多国家这些制冷剂正处于被禁止的过程中。类似地，由于HFC's具有很高的全球增温潜势(GWP)，按照《蒙特利尔议定书》的《基加利修正案》，在那些相同国家中HFC's正逐步被淘汰。由于合成制冷剂对环境的影响，其使用的逐步淘汰已引起对使用诸如二氧化碳(CO

在低环境温度的环境中，CO

在制冷系统中，冷凝器通过将热量从制冷剂传递到冷却介质(例如空气或水)来冷凝制冷剂。这种热交换是由冷却介质和制冷剂之间的温差引起的。因为冷却介质的温度通常取决于当时环境的环境温度，所以当环境温度较高时(例如在较热的气候中)，将CO

将理解的是，如果在本文中引用了任何现有技术，则这种引用并不等同于承认现有技术在澳大利亚或任何其它国家形成了本领域公知常识的一部分。

发明内容

公开了一种基于CO

如本领域技术人员应当理解，术语“冷凝器”涵盖气体冷却器。术语气体冷却器用于描述在冷凝器接收的制冷剂是超临界而不是亚临界的条件下操作(即，使得仅对其进行冷却而不是冷凝)的冷凝器。冷凝器或气体冷却器可以是风冷式冷凝器。冷凝器可以备选地是水冷式冷凝器，并且热量可以在水与冷却的空气之间交换。

向冷凝器提供冷却的环境空气(而不是环境空气)可以允许CO

使用蒸发冷却器来冷却环境空气可以使CO

应当理解，制冷系统还可以适用于(并被配置成用于)各种应用，包括住宅空调、商业空调(包括例如冷藏室，冷藏柜等)和车辆空调。

在一个实施例中，间接蒸发冷却器可包括用于从空气源接收第一环境空气流的第一通道(例如干通道)和与第一通道分开的第二通道(例如湿通道)。第二通道可以用于接收第二空气流，并且可以包括用于通过蒸发向第二空气流供应水的润湿表面。间接蒸发冷却器还可包括用于在第一通道和第二通道之间交换热量的热交换器。如下面进一步讨论的，第二空气流和/或第一环境空气流的至少一部分可以被供应到冷凝器以促进热量从CO

这样，第二空气流可以通过蒸发过程被冷却(即，因为借助相变从空气和水中传递能量)。由于冷却的第二空气流和第一环境空气流(最初处于空气源的温度)之间的温差，热量从第一环境空气流传递到较冷的第二空气流。蒸发过程降低了第二空气流的干球温度，但湿球温度通常保持不变(因为空气中夹带的水分增加)。但是，在第一环境空气流的情况下，湿球温度和干球温度都降低了，因为热量损失是与第二空气流进行热交换的结果，而不是由于蒸发过程引起的。因此，第一环境空气流的水分含量保持不变。

为了简洁起见，仅讨论一对第一和第二通道，但是制冷系统可以包括以各种构造布置的多个第一通道和多个第二通道。例如，每个第一通道可以与多个第二通道相邻(并且可以与多个第二通道进行热交换)，且反之亦然。

应当显而易见的是，本文公开的系统需要最小的能量输入。最小能量输入主要是使空气移动通过通道所需的能量所要求的，并且受限于该能量，但是还包括用于例如将水供应至第二通道的能量。

在一个实施例中，间接蒸发冷却器可包括转向器，以将第一环境空气流的至少一部分转向到第二通道中，使得第二空气流包括第一环境空气流的被转向部分。可以将全部第一环境空气流转向，或者仅转向一部分的环境空气流。这可以允许供应到冷凝器的环境空气被冷却到低于空气源的湿球温度的温度(这对于直接蒸发过程是不可能的)。这是因为，第一环境空气流(通过热交换)的冷却降低了干球温度和湿球温度两者。因此，第一环境空气流的被转向部分(其变成第二空气流)具有比空气源更低的湿球温度。这降低了第二空气流可以被冷却到的最低温度，且进而(通过与第二空气流的热交换)降低了第一环境空气流可以被冷却到的温度。

这种布置可以提高系统将CO

在一个实施例中，间接蒸发冷却器的第一空气流可包括被供应到冷凝器以冷凝CO

在一个实施例中，该系统可以进一步包括控制器，该控制器布置成控制冷却的环境空气到冷凝器的供应。该控制器可以是可编程逻辑控制器(PLC)。该系统可以进一步包括风扇，以使环境空气移动通过间接蒸发冷却器。风扇可以是离心风扇。风扇可以是向后弯曲的离心风扇。

在一个实施例中，控制器可被配置成控制风扇以控制环境空气通过间接蒸发冷却器的移动。以这种方式，可以控制输入到风扇的功率，并且可以控制由间接蒸发冷却器供应的空气的温度和压力，从而可以使制冷系统的效率最大化。

在一个实施例中，控制器可以被配置成控制冷凝器风扇，以使该环境空气穿过冷凝器的盘管移动。冷凝器风扇可以是离心风扇。风扇可以备选地是向后弯曲的离心风扇。在某些情况下，由于间接冷却器引起的压降，离心风扇可能比轴流风扇提供更低的操作功率要求。

在一个实施例中，控制器可以被配置成基于空气源的相对湿度和温度来控制较冷的环境空气至冷凝器的供应。同样，这可以允许控制器来控制系统，以使系统效率最大化。相对湿度和温度可以用于确定被供应到冷凝器的空气的条件(例如温度)。

在一个实施例中，控制器可以被配置成将冷凝器中的制冷剂的温度保持在预定阈值温度以下。控制器可以被配置成将制冷剂的温度维持在制冷剂的临界温度以下。控制器可以被配置成将制冷剂的温度维持在至少30℃之间的温度以下。

在一个实施例中，该制冷系统可包括一个或多个用于测量空气源的温度和相对湿度的传感器。传感器可以位于间接蒸发冷却器的入口处。传感器可以以有线或无线方式将感测到的数据传送到控制器。

在一个实施例中，该制冷系统还可包括在冷凝器下游的计量装置(例如高压膨胀阀)。计量装置可以被配置成冷凝从冷凝器接收时的超临界制冷剂。该计量装置可以例如通过节流使超临界制冷剂液化。对于间接蒸发冷却器无法将CO

在一个实施例中，该制冷系统还可包括旁路阀。旁路阀在第一位置和第二位置之间是可配置的。在第一位置，制冷剂可绕过计量装置。在第二位置，制冷剂可通过计量装置。当制冷剂保持在亚临界状态时，旁路阀可以由控制器控制以移动到第一位置。当制冷剂未保持在亚临界状态时，旁路阀可以由控制器控制以移动到第二位置。当制冷剂能够被保持在亚临界状态时，这样的布置可以最大化系统的效率，但是当CO

在一个实施例中，该制冷系统还可包括接收器容器、膨胀阀、蒸发器和压缩机。这些组件可以以该顺序(即，在制冷剂的流动方向上)设置。制冷系统可以进一步包括旁路管线以用于在计量装置处形成的闪蒸气体。旁路管线可以将接收器容器流体地连接到压缩机。由于计量装置处的压降，可能在计量装置处形成闪蒸气体。可以在接收器容器中将闪蒸气体与CO

在一个实施例中，旁路管线可以包括旁路管线阀，用于选择性地限制通过旁路管线的闪蒸气体的流动。当制冷剂处于超临界状态时，旁路管线阀可被打开，且当制冷剂处于亚临界状态时，旁路管线阀可被关闭。该旁路阀可以结合用于绕过计量装置的旁路阀一起操作，从而当一个被打开时另一个被关闭(即，以反映制冷剂的状态)。

在一个实施例中，制冷系统的制冷剂回路可以是闭合系统。

还公开了一种操作基于CO

如上文所提供的，第二空气流的蒸发冷却以及从第一环境空气流到第二空气流的热量传递可提供一种高效的方式来将CO

在一个实施例中，该方法可以进一步包括使第一环境空气流的一部分转向。被转向部分可以成为第二空气流。这样，供应到冷凝器的空气(即，以供在CO

在一个实施例中，该方法可以进一步包括，基于空气源的条件来控制从空气源供应环境空气所用的速率和/或向冷凝器供应环境空气所用的速率。空气源的条件可以是空气源的相对湿度和温度中的至少之一。如上所述，该控制可以允许制冷系统的效率最大化(对于特定的一组条件)。

在一个实施例中，该方法可以进一步包括控制从空气源供应环境空气所用的速率和/或向冷凝器供应环境空气所用的速率，以将制冷剂维持在亚临界状态。

在一个实施例中，该方法可以进一步包括在冷凝器中传递热量的步骤中确定CO

还公开了一种改进CO

还公开了一种基于CO

在一个实施例中，旁路装置可包括阀，其在第一位置和第二位置之间是可配置的。在第一位置，制冷剂可绕过计量装置。在第二位置，制冷剂可通过计量装置。

在某些情况下，冷凝CO

在一个实施例中，旁路装置包括其上设置有阀的旁路管线。

在一个实施例中，制冷系统可以如以上另外定义。

还公开了一种操作基于CO

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述实施例，其中：

图1是示出本文所公开的制冷系统的示意图；

图2示意性地示出了间接蒸发冷却器的操作；

图3是图1中所示的制冷系统的操作方法的示意图；和

图4A、4B和4C是冷凝器/间接蒸发冷却器组装件的俯视图、侧视图和透视图。

具体实施方式

在下面的详细说明中，参照了形成详细说明的一部分的附图。在详细说明中描述的、在附图中描绘的以及在权利要求中所限定的说明性实施例并非旨在进行限制。在不脱离所呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其它实施例并且可以进行其它改变。将容易理解的是，可以以各种各样不同的配置来布置，替换，组合，分离和设计如本文中总体上描述的以及在附图中示出的本公开的各方面，所有这些都在本公开中考虑到。

图1示出了基于CO

在操作中，CO

冷凝器通常通过冷却介质和制冷剂(在这种情况下为CO

为了避免这种情况，或至少减少这种情况发生的可能性，当前描述的实施例还包括间接蒸发冷却器114，其将空气流(或多个空气流)供应给冷凝器104，以用于从制冷剂传递热量的目的。如将在下面进一步详细描述的，在将冷却空气供应到冷凝器104之前，间接蒸发冷却器114能够接收空气源(即环境空气或外部空气)并降低空气的温度。这样，系统100不再依赖于保持在特定温度以下的环境温度，并且结果是，即使在高环境温度(例如高达40℃)下，制冷剂也能够保持在亚临界状态。因此，本系统100可以在原本将不适用于基于CO

间接蒸发冷却器114可以采取各种形式，但是通常它通过在至少一个通过蒸发过程冷却的第一空气流与至少一个单独的第二空气流之间传递热量来进行操作。

通过参照图2对间接蒸发冷却器114的操作进行最佳描述。本实施例的间接蒸发冷却器114包括第一组和第二组通道，该第一组和第二组通道形成在垫板中，通过垫板吸入空气。为了说明的目的，在图2中仅示出了一个第一通道216和一个第二通道218，并且在下面进行了描述，但是应该意识到，实际上可以存在多个第一通道和多个第二通道。第一通道216(或“干”通道)通过不透水但允许第一通道216和第二通道218之间的热传递的壁226与第二通道218(或“湿”通道)隔开。

在操作中，第一通道216从环境空气源(即，处于环境温度)接收第一空气流220。第二通道包括润湿表面222并且接收第二空气流224，该第二空气流224使润湿表面222上的水蒸发。蒸发过程导致空气中的显热和水变成蒸气中的潜热，这导致空气的温度和润湿表面222上水的温度降低。第一通道216和第二通道218之间的温差经由通道壁226形式的热交换器(其将第一通道216和第二通道218隔开)来驱动从第一通道216到关联的第二通道218的热交换。以这种方式，第一通道216中的第一空气流220当其沿着第一通道216流动时被冷却。然后，该冷却的空气流228被供应至冷凝器(例如，图1中示出的并且如上所述的冷凝器104)，以便在冷凝器的盘管、管道、导管等中将热量从制冷剂中传递出去。

该间接蒸发冷却器还包括转向器(未示出)，该转向器将每个第一通道216中的第一空气流220的一部分230转向到第二通道218中。在这方面，第一空气流220的被转向部分230变为第二空气流224，其流过第二通道218中的润湿表面222上方(并经由通过通道壁226上的热交换冷却第一空气流220)。冷却的空气流228(即，其未被转向)被供应到冷凝器，并且剩余的被转向的部分(第二空气流224)在其流过润湿表面222之后被排放到大气中。

这种布置意味着，实际上，从蒸发冷却器114供应(例如到冷凝器)的冷却空气流228可以处于低于蒸发冷却器114接收的环境空气的湿球温度的温度(对于直接蒸发冷却，情况并非如此)。这是因为，随着第一空气流220被冷却，第一空气流220的干球温度和湿球温度两者均降低。因此，第二空气流224(其为第一空气流220的改向部分)的湿球温度低于环境湿球温度。

虽然未示出，但是间接蒸发冷却器114还包括供水系统，该供水系统将水(例如，经由泵和喷嘴)供应到第二通道218(或第二组通道)。在一些情况下，间接蒸发冷却器114的第二通道可被定向为促进润湿表面222的润湿。

返回到图1，间接蒸发冷凝器114包括风扇132，风扇132使空气移动通过通道(216、218)，排出湿空气(224)并将冷却空气(228)供应到冷凝器104。冷凝器104还包括离心风扇112，其使供应的空气移动经过盘管，以将热量从盘管传递到空气。蒸发冷却器风扇132和冷凝器风扇112中的每一个都可以(例如通过PLC)被控制以将冷凝器压力维持在期望水平。

如上所述，因为间接蒸发冷却器114能够将低于空气的湿球温度的温度下的空气供应到冷凝器104，所以(即在由于环境空气温度原本不可能的环境中)将CO

在正常操作下，亚临界CO

本系统100还提供用于处理处于超临界状态时(即，在非正常操作下)的CO

高压膨胀阀138中的节流的一个结果是，它形成了闪蒸气体成分，该闪蒸气体成分也流到接收器容器134(在此处它与液体成分分离)。为了容纳闪蒸气体，本系统还包括将接收器容器134(在此处闪蒸气体与液体制冷剂分离)连接到压缩机102的旁路管线140。应当显而易见的是，闪蒸气体是制冷剂的一部分，其对制冷系统100的冷却功能无用，且因此代表效率损失。效率上的这种损失意味着当CO

然而，即使当处于亚临界状态时，高压膨胀阀138的节流作用也会导致系统100的效率降低。为避免这种情况，本系统100还包括第一旁路阀142，其允许制冷剂绕过高压膨胀阀138。第一旁路阀142可以避免(不必要的)效率损失，否则该效率损失将由于CO

系统100还包括第二旁路阀144，其位于旁路管线140上(在接收器容器134和压缩机102之间)，其提供对旁路管线140上的制冷剂流的控制。

以此方式，当制冷剂处于亚临界时(例如，因为间接蒸发冷却器114正在运行以将其维持在该状态)，第一旁路阀142可以被打开，并且第二旁路阀144可以被关闭。这避免了由于在高压膨胀阀138中的节流而导致的效率损失，并且关闭了旁路管线140(其由于闪蒸气体没有产生而不被需要)。相反，当制冷剂处于超临界时，第一旁路阀142可以被关闭，并且第二旁路阀144可以被打开，使得超临界制冷剂流过高压膨胀阀138，并且(由节流作用产生的)闪蒸气体能够经由旁路管线140从接收器134流到压缩机102。

在图3中描绘了阀的该操作，该图是示出制冷系统100的示例性操作的示意图。控制方法346包括检测环境空气条件348(即，由间接蒸发冷却器114接收的用于冷却的空气的条件)。这些条件可以是例如环境空气的湿度和温度，并且可以由适当的传感器检测(这些传感器参考图4A、4B和4C进行更详细的讨论)。

然后可以将检测到的条件用于确定冷凝器入口处的条件350，而冷凝器入口继而可以用于确定CO

如果CO

还可以发出警报358以通知操作员该系统100正在超临界状态下操作。然后，操作员可以纠正可能导致系统100在该状态下(即，除了极端气候条件之外)运行的任何问题。

另一方面，如果确定CO

图4描绘了可以在诸如上述的制冷系统100的制冷系统中使用的示例性间接蒸发冷却器414和冷凝器404组装件464。组装件464包括可以将数据传送到控制器(未示出)的多个传感器，使得冷凝器404和间接蒸发冷却器414可以以例如使系统效率最大化的方式被控制。

组装件464包括设置在间接蒸发冷却器414的入口处的湿度和温度传感器466。该传感器466测量被供应到间接蒸发冷却器414的环境空气的湿度和温度。组装件464还包括冷凝器出口468和冷凝器入口470温度传感器，其检测进入和离开冷凝器404的空气温度。还提供了间接蒸发冷却器入口压力传感器472，间接蒸发冷却器排气压力传感器474，冷凝器压力传感器476和冷凝器风扇压力传感器478。

来自这些传感器的数据(例如，无线地或经由有线连接)被传送到控制器。控制器利用该数据来控制组装件的各个方面，例如冷凝器风扇412和/或间接蒸发冷却器风扇432，以使效率最大化。

在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对先前描述的部分进行变化和修改。

例如，该系统可以包括上面未讨论的附加组件，或者可以以替代的方式配置。

间接蒸发冷却器可以替代上述来布置。为了说明的目的，图2示出了单个干(第一)通道和单个湿(第二)通道，但是应当理解，间接蒸发冷却器可以包括多个干通道和多个湿通道。例如，每个干通道可以与多个湿通道相邻(且反之亦然)。

类似地，使第一空气流的一部分被转向以形成第二空气流可能是不必要的。相反，第一(干)空气流和第二(湿)空气流可以保持分开，从而处于错流布置。第一空气流和第二空气流可以不彼此平行，并且可以相反例如彼此垂直。

此外，并且如本领域技术人员将理解的那样，用于向通道提供水的部件可以不是经由喷嘴。

在所附权利要求和先前描述中，除非上下文由于表达语言或必要暗示而另有要求，否则词语“包括”或诸如“包括有”或“包含”的变体以包括性含义使用，即，在基于CO