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CN101965492B - 减少除霜的浪涌式蒸汽压缩传热系统 - Google Patents

减少除霜的浪涌式蒸汽压缩传热系统 Download PDF

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CN101965492B CN200980000074.2A CN200980000074A CN101965492B CN 101965492 B CN101965492 B CN 101965492B CN 200980000074 A CN200980000074 A CN 200980000074A CN 101965492 B CN101965492 B CN 101965492B
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Abstract

本发明公开了具有制冷剂相分离器的浪涌式蒸汽压缩传热系统、装置和方法，该相分离器在压缩机运行周期的初始冷却之后产生进入蒸发器的入口中的汽相制冷剂的至少一次浪涌。汽相制冷剂的浪涌比液相制冷剂的温度高，该浪涌可增加蒸发器入口的温度，因而相对于缺少使汽相制冷剂的浪涌进入蒸发器的常规制冷系统，可减少霜冻形成。

Description

减少除霜的浪涌式蒸汽压缩传热系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年5月5日提交的名称为“减少除霜需求的浪涌式蒸汽压缩传热系统、装置和方法”的美国临时申请No.61/053,452的权利，引入该申请的全部内容作为参考。 
背景技术
蒸汽压缩系统使制冷剂在闭合回路系统中循环以从一种外部介质向另一种外部介质传热。蒸汽压缩系统被用于空调、热泵和制冷系统中。图1示出了常规蒸汽压缩传热系统100，该系统通过制冷剂流体的压缩和膨胀来工作。蒸汽压缩系统100通过闭合回路从第一外部介质150向第二外部介质160传热。流体包括液相和/或气相流体。 
压缩机110或其它压缩装置减小制冷剂的体积，于是产生使制冷剂在回路中循环的压差。压缩机110可机械地或用热的方法减小制冷剂的体积。然后，压缩的制冷剂流过冷凝器120或热交换器，这增大了制冷剂和第二外部介质160之间的表面积。随着热量从制冷剂传递到第二外部介质160，制冷剂体积缩小。 
当热量从第一外部介质150传递到压缩的制冷剂时，压缩的制冷剂体积膨胀。通常利用包括膨胀装置的计量装置130以及热交换器或蒸发器140来促进该膨胀。蒸发器140增大了制冷剂和第一外部介质150之间的表面积，于是增加了制冷剂和第一外部介质150之间的热传递。热量传递到制冷剂使至少一部分膨胀的制冷剂经历从液体到气体的相变。然后，变热的制冷剂返回到压缩机110和冷凝器120，在那里当热量传递给第二外部介质160时，至少一部分变热的制冷剂经历从气体到液体的相变。 
闭合回路传热系统100可包括诸如连接压缩机110和冷凝器120的压缩机排出管线115等其它部件。冷凝器120的出口可连接到冷凝器排出管线125，并且可连接到用于存储液体的波动水平的接收器、用于去除污染物的过滤器和/或干燥器等部件(图未示)。冷凝器排出管线125可使制冷剂循环到一个以上的计量装置130。 
计量装置130可包括一个以上的膨胀装置。膨胀装置可以是能够以与系统100的期望运行相适合的速度来膨胀制冷剂或测量制冷剂压降的任何装置。可用的膨胀装置包括热膨胀阀、毛细管、固定的和可调节的喷嘴、固定的和可调节的喷口、电子膨胀阀、自动膨胀阀、手动膨胀阀等。膨胀的制冷剂大部分以液态进入蒸发器140中，只有很小部分以汽态进入。 
离开计量装置130膨胀部分的制冷剂在流到蒸发器140之前流过膨胀的制冷剂传递系统135，该系统可包括一个以上的制冷剂导流器136。膨胀的制冷剂传递系统135可与计量装置130相结合，例如当计量装置130靠近于蒸发器140或与其合成一体时。这样，计量装置130的膨胀部分可通过膨胀的制冷剂传递系统135连接至一个以上的蒸发器，该系统可以是单管或者包括多个部件。例如美国专利No.6,751,970和No.6,857,281中所述，计量装置130和膨胀的制冷剂传递系统135可具有更多的或附加的部件。 
一个以上的制冷剂导流器可与计量装置130、膨胀的制冷剂传递系统135和/或蒸发器140相结合。这样，计量装置130的功能可在一个以上的膨胀装置和一个以上的制冷剂导流器之间分离，并且可与膨胀的制冷剂传递系统135和/或蒸发器140相分离或一体化。可用的制冷剂导流器包括管、喷嘴、固定的和可调节的喷口、分配器、一系列分配管、阀等。 
蒸发器140接收膨胀的制冷剂并且将热量从存在于闭合回路传热系统100外部的第一外部介质150传递到膨胀的制冷剂。这样，蒸发器或热交换器140有助于热量从一个源如环境温度空气转移到另一个源如膨胀的制冷剂。适合的热交换器可采取多种形式，包括铜管、板框、管壳、冷壁等。常规系统至少在理论上设计成在蒸发器140中由于 热传递而将制冷剂的液体部分完全汽化的制冷剂。除了热传递使液体制冷剂转化为汽相之外，汽化的制冷剂还会变得过热，从而使温度超过沸点温度和/或增大了制冷剂的压力。制冷剂通过蒸发器排出管线145离开蒸发器140并返回到压缩机110。 
在常规的蒸汽压缩系统中，膨胀的制冷剂以显著低于蒸发器周围空气温度的温度进入蒸发器140中。随着热量从蒸发器140传递到制冷剂，在蒸发器140的后部或下游部分的制冷剂温度增加到高于蒸发器140周围的空气温度。蒸发器140的起始部分或入口部分和蒸发器140的后部或出口部分之间的这一相当显著的温度差会导致入口部分处涂有润滑油和霜冻问题。 
蒸发器140的入口部分和蒸发器140的出口部分之间的显著的温度梯度会导致期望通过制冷剂载送的润滑油与制冷剂分离并且在蒸发器的入口部分“混凝(puddling)”。蒸发器140涂有润滑油的部分极大地降低了传热能力并导致传热效率降低。 
如果进入蒸发器140的膨胀的制冷剂使蒸发器140的起始部分冷却到0℃以下，那么在周围的空气中存在湿气的情况下会形成霜冻。为了从这些系统中获得最好的蒸发器性能，蒸发器140的散热片之间的距离很窄。但是，形成于这些窄散热片上的霜冻很快地阻塞了气流通过蒸发器140，于是，减少了向第二外部介质160的热传递并迅速降低了运行效率。常规传热系统可设计成蒸发器的温度绝对不会降到0℃以下。在这种类型的系统中，在压缩机110的运行过程中蒸发器140的平均温度在大约4°至大约8℃的范围内，从而使蒸发器140的起始部分中的制冷剂保持在0℃以上。但是，如果条件改变，例如蒸发器140周围的空气温度降低，那么蒸发器140的起始部分会降到0℃以下并形成霜冻。 
为了防止这种霜冻，如果蒸发器140周围的空气降到特定温度以下，那么可使这些系统停止运行。于是，通过关闭压缩机110使得热量从第一外部介质150传递到蒸发器140中，可使系统被动地除霜。由于缺乏通过诸如利用电加热元件等外部热源的热传递的能力，或者通过在运行过程中使例如来自系统高压侧预先加热的制冷剂流过蒸发器140主动地去除蒸发器140的霜冻，所以通常关闭系统100以防故障。除 非压缩机110不运行时通过制冷剂、压缩机110或冷凝器120之外的源向蒸发器140供热，那么主动地除霜不包括压缩机110不运行的时间段。 
尽管空调系统蒸发器通常以高于0℃的温度运行，但如果流过蒸发器的空气温度降低，那么空调蒸发器的温度可降到0℃以下。而且，由于食物储藏所需的温度已从大约7.2℃降低到5℃，所以在0℃以及更低温度下运行蒸发器的需求也增加了。但是，当常规空调蒸发器温度突然降到0℃或0℃以下或者当常规传热系统配有期望在0℃或0℃以下运行而进行制冷的蒸发器时，常规系统在运行过程中，在蒸发器140的起始部分中通常具有低于周围空气露点温度的膨胀的制冷剂，这导致了湿气冷凝并冻结在蒸发器上。由于该霜冻覆盖一部分蒸发器的表面，于是隔离了该霜冻表面而不与周围空气直接接触。因此，在蒸发器140上和/或通过蒸发器140的气流减少并且冷却效率降低。由于在压缩机110的运行周期中所形成的霜冻在压缩机110的停机周期中基本上不会融化，所以当以0℃或0℃以下运行时，利用除霜周期去除霜冻并恢复系统100的效率。 
常规传热系统可通过关闭压缩机110被动地除霜或通过在除霜周期中对蒸发器140加热进行主动地除霜。由于压缩机110在被动除霜的过程中是关闭的，所以系统100的冷却速度降低。对于主动除霜，可通过与系统100的运行相适合的任何方式向蒸发器140提供所需的热量，这些方式包括电加热元件、加热的气体、加热的液体、红外线照射等。主动和被动除霜系统都比不必中止冷却来除霜的系统需要更大的蒸汽压缩系统。而且，主动方法需要能量来将热量导入蒸发器140中，并且在接下来的冷却周期中需要另外的能量通过压缩机110和冷凝器120来去除导入的热量。于是，因为主动除霜必须加热以进行除霜，然后重新冷却以运行，所以降低了系统100的整体效率。 
除了因常规传热系统的除霜需求而增大尺寸并降低冷却速度或效率的缺点之外，常规系统也因在运行过程中所得到的相对湿度水平较低而损失效率。由于湿气形成在比周围空气露点温度低的表面上，所以如果空气的流速足够低，那么将会在温度一贯低于周围空气的露点并且在0℃以下的表面上形成霜冻。因而，常规传热系统消耗能量来去除周围空气的湿气并降低蒸发器周围空气的露点。由于冷凝空气的湿气所消耗的能量没有用在冷却空气上，所以冷却效率降低。如同用于主动除霜以及为了冷却运行而重新冷却蒸发器140所消耗的能量，也浪费了去除空气中的水所消耗的能量。此外，主动除霜周期使在蒸发器冷却的空气变热，并且随着变热，空气的相对湿度降低。 
除了消耗能量之外，除去湿气的缺点在于，存在于被除湿的空气中含有水分的产品，例如冰箱中的食物，也会随着系统100不断地去除食物周围空气的湿气而失去水分。失去水分会导致冷冻食物表面干燥变硬、导致重量减轻、减少营养，并且会导致诸如颜色和质地等外观上的不良变化，从而会随着时间降低食物的可销售性。而且，重量减轻会导致按重量销售的食物的价值损失。 
因此，持续需要一种传热系统，该系统增强了在压缩机运行周期中在蒸发器上形成霜冻的抵抗性。所公开的系统、方法和装置克服了与常规传热系统相关的至少一个缺点。 
发明内容
一种具有相分离器的传热系统，该相分离器可向蒸发器提供汽相制冷剂的一次或多次浪涌。汽相制冷剂的浪涌的温度比液相制冷剂高，从而加热蒸发器以去除霜冻。 
在冷却周期期间运行传热系统的方法中，压缩并膨胀制冷剂。至少部分地分离所述制冷剂的液相和汽相。将所述汽相制冷剂的一次或多次浪涌导入蒸发器的起始部分中。将所述液相制冷剂导入所述蒸发器的起始部分中。响应于所述汽相制冷剂的一次或多次浪涌加热所述蒸发器的起始部分。 
在冷却周期期间对传热系统中的蒸发器除霜的方法中，至少部分地分离制冷剂的液相和汽相。将所述汽相制冷剂的一次或多次浪涌导入蒸发器的起始部分中。将所述液相制冷剂导入所述蒸发器的起始部分中。响应于所述汽相制冷剂的至少一次浪涌加热所述蒸发器的起始部分。去除所述蒸发器上的霜冻。 
蒸汽浪涌的相分离器具有限定了分离器入口、分离器出口和分离器制冷剂存储室的主体部分。所述制冷剂存储室在所述分离器入口和所述分离器出口之间提供流体相通。所述分离器入口和所述分离器出口分开大约40度至大约110度。所述分离器制冷剂存储室具有纵向尺寸。所述分离器入口与所述分离器出口直径的比为约1∶1.4～4.3或约1∶1.4～2.1。所述分离器入口直径与所述纵向尺寸的比为约1∶7～13。 
一种传热系统包括具有入口和出口的压缩机、具有入口和出口的冷凝器以及具有入口、起始部分、最后部分和出口的蒸发器。所述压缩机的出口与所述冷凝器的入口流体相通，所述冷凝器的出口与所述蒸发器的入口流体相通，并且所述蒸发器的出口与所述压缩机的入口流体相通。与所述冷凝器和所述蒸发器流体相通的计量装置膨胀制冷剂，以具有蒸汽部分和液体部分。与所述计量装置和所述蒸发器流体相通的相分离器从膨胀的制冷剂中分离出一部分蒸汽，并在将包括相对于至少一次蒸汽浪涌而言基本增加的液体成分的所述膨胀的制冷剂导入所述蒸发器的起始部分的运行时间之间，将该蒸汽部分以至少一次蒸汽浪涌的形式提供给所述蒸发器的起始部分。 
根据对附图和详细说明的研究，本发明的其它系统、方法、特征和优点对本领域技术人员将会是或者将变得显而易见。应当指出，所有这些其它系统、方法、特征和优点都包括在本说明书中，都在本发明的范围内，并且受所附权利要求书保护。 
附图说明
参照以下附图和说明将会更好地理解本发明。附图中的部件并不是按比例绘制的，而重点在于说明本发明的原理。 
图1示出了现有技术的常规蒸汽压缩传热系统的示意图。 
图2示出了浪涌式蒸汽压缩系统的示意图。 
图3A示出了相分离器的侧视图。 
图3B1示出了另一个相分离器的侧视图。 
图3B2示出了另外的相分离器的侧视图。 
图4是显示常规蒸汽压缩传热系统的温度一时间的曲线图。 
图5是显示浪涌式蒸汽压缩传热系统的温度-时间的曲线图。 
图6示出了浪涌式蒸汽压缩传热系统中流经蒸发器的空气的温度与蒸发器的起始部分处的盘管温度的关系。 
图7对常规传热系统和浪涌式传热系统的温度和湿度特性进行比较。 
图8示出了用于控制传热系统的方法的流程图。 
图9示出了对传热系统中的蒸发器除霜的方法的流程图。 
具体实施方式
浪涌式蒸汽压缩传热系统包括制冷剂相分离器，用于产生进入蒸发器的入口的汽相制冷剂的至少一次浪涌。通过以制冷剂的质量流量运行相分离器产生浪涌，该质量流量是与相分离器的设计和尺寸以及制冷剂的传热量相对应的。可以在压缩机运行周期的初始冷却之后产生一次或多次浪涌。 
汽相制冷剂的浪涌比液相制冷剂的温度高。浪涌可增加蒸发器的起始部分或入口部分的温度，因而相对于缺少使汽相制冷剂浪涌进入蒸发器的常规制冷系统可减少霜冻形成。在浪涌的过程中，蒸发器的起始部分的温度至多可比环境温度增加约1℃。而且，在浪涌的过程中，蒸发器的起始部分的温度变得比蒸发器周围的环境空气的露点高。并且在浪涌的过程中，蒸发器的起始部分中的制冷剂的温度可以比蒸发器处的空气的露点高至少0.5℃或高至少2℃。 
在图2中，相分离器231被并入到图1的常规蒸汽压缩传热系统，从而提供一种浪涌式蒸汽压缩传热系统200。系统200包括压缩机210、冷凝器220、计量装置230和蒸发器240。压缩机排出管线215将压缩机210与冷凝器220相连。冷凝器220的出口可连接到冷凝器排出管线225，也可连接到诸如用于存储液体的波动水平的接收器、用于去除污染物的过滤器和/或干燥器等其它部件(图未示)。冷凝器排出管线225可使制冷剂循环至一个以上计量装置230。然后制冷剂流到相分离器231， 之后流到蒸发器240，在那里蒸发器排出管线245将制冷剂返回给压缩机210。浪涌式蒸汽压缩系统200可具有更多的或附加的部件。 
相分离器231可与计量装置230集成为一体或与其分离。可将相分离器231集成在计量装置230的膨胀部分的后面和蒸发器240的上游。相分离器231可以以符合系统所期望的运行参数的任何方式与计量装置230集成为一体。相分离器231可位于固定的或可调节的喷嘴、制冷剂分配器、一条或多条制冷剂分配供给管线、一个以上阀以及蒸发器240的入口的上游。计量装置230和相分离器231可具有更多的或附加的部件。 
相分离器231在来自于计量装置230的膨胀的制冷剂进入蒸发器240之前至少部分地分离制冷剂的液相和汽相。除了相分离器231的设计和尺寸，液相和汽相的分离还受其它因素的影响，这些因素包括压缩机210、计量装置230、膨胀的制冷剂传递系统235、附加的泵、增流器、限流器等的运行参数。 
在膨胀的制冷剂的分离过程中，会出现液相的净降温和汽相的净加热。于是，相对于提供给相分离器231的膨胀制冷剂的初始温度，由相分离器231产生的液体的温度将比膨胀制冷剂的初始温度低，而由相分离器产生的蒸汽的温度将比膨胀制冷剂的初始温度高。因而，蒸汽的温度升高是通过相分离来自于液体的热量，而不是通过从另一热源引入的能量。 
通过在将包括相对于蒸汽浪涌而言基本增加的液体成分的制冷剂导入蒸发器240的运行时间之间，运行相分离器231以将基本汽相的制冷剂的浪涌导入蒸发器240中，提供了浪涌式蒸汽压缩传热系统200。浪涌系统200在压缩机210的运行期间获得蒸汽浪涌频率，针对具体传热应用，基于相分离器231的设计和尺寸以及提供给相分离器231的制冷剂的流量来优选该浪涌频率。提供给蒸发器的起始部分的制冷剂的基本蒸汽浪涌可至少有50％的蒸汽(汽相制冷剂质量/液相制冷剂质量)。也可运行浪涌系统200以将至少75％或至少90％蒸汽的制冷剂的蒸汽浪涌提供给蒸发器的起始部分。 
从相分离器231传送到蒸发器240的起始部分中的蒸汽浪涌可减少在蒸发器240的起始部分中润滑油混凝(puddle)的趋势。尽管不希望被任何具体理论所限制，但认为由蒸汽浪涌产生的涡流会迫使润滑油回到在系统中流动的制冷剂中，从而可从蒸发器240的起始部分去除润滑油。 
通过在膨胀的制冷剂导入蒸发器240的入口之前至少部分地分离制冷剂的液相和汽相以及使基本汽相的制冷剂浪涌进入蒸发器240中，浪涌系统200在蒸发器240的起始部分会产生温度波动。蒸发器240的起始部分或入口部分可以是离入口最近的蒸发器容积的起始部分的30％。蒸发器240的起始部分或入口部分可以是离入口最近的蒸发器容积的起始部分的20％。也可使用蒸发器240的其余入口部分。经受温度波动的蒸发器240的起始部分或入口部分至多约为蒸发器容积的10％。可运行浪涌系统200以防止或基本消除蒸发器240中响应于蒸汽浪涌进入蒸发器240的起始部分或入口部分的温度波动。在没有液体的冷却能力的情况下，蒸汽浪涌导致蒸发器240的起始部分的温度正向波动。 
也可运行浪涌系统200以提供从蒸发器240的起始部分至出口部分大约1.9Kcalth h-1m-2℃-1至大约4.4Kcalth h-1m-2℃-1的平均传热系数。通过在从蒸发器盘管的起点至末端最少5点处测量传热系数并计算所得系数的平均值来确定平均传热系数。在常规的非浪涌系统中，蒸发器的起始部分在蒸发器盘管的起始部分处的传热系数大约在1.9Kcalthh-1m-2℃-1以下，并且在蒸发器出口前的部分的传热系数大约在0.5Kcalthh-1m-2℃-1以下，与此相比，浪涌系统200的传热性能得到显著提高。 
相对于常规系统，当压缩机210运行时，除了提高蒸发器240的起始部分的平均温度之外，浪涌系统200的蒸发器240的起始部分还经历了响应于蒸汽浪涌的间歇峰值温度，该峰值温度几乎等于或高于蒸发器240周围的诸如环境空气等外部介质的温度。蒸发器240的起始部分所达到的间歇峰值温度至多可比外部介质的温度高约5℃。蒸发器240的起始部分所达到的间歇峰值温度至多可比外部介质的温度高约2.5℃。也可达到其它的间歇峰值温度。当蒸发器240周围的外部介质为空气时，这些间歇峰值温度可高于空气的露点。 
蒸发器240的起始部分所经历的间歇峰值温度可减少蒸发器240的该部分结霜。间歇峰值温度也可使在压缩机210的运行过程中形成于蒸发器240的起始部分上的霜冻的至少一部分融化或升华，从而从蒸发器240上去除。 
由于因蒸汽浪涌的温度的间歇增加大大影响了最可能霜冻的蒸发器240的起始部分，所以相对于常规系统，可降低整个蒸发器240的平均运行温度，而不会增大蒸发器240的起始部分的霜冻趋势。因而，相对于常规系统，不论是通过长期不运行压缩机210进行除霜或是通过向蒸发器240导热的主动方法进行除霜，浪涌系统200均可减少除霜需求，同时因整个蒸发器240的较低的平均温度也可提高冷却效率。 
除了在蒸发器240的起始部分处的间歇温度增加的优点之外，能够在制冷剂导入蒸发器240之前至少部分地分离制冷剂的汽相和液相的相分离器231也提供了另外的优点。例如，当压缩机210运行时，相对于在制冷剂导入蒸发器240之前没有至少部分地分离制冷剂的汽相部分和液相部分的常规蒸汽压缩系统，该浪涌系统200可经受蒸发器240中的较高压力。由于蒸发器240中的制冷剂的体积比常规系统中所存在的大，所以蒸发器240中的较高的压力为浪涌系统200提高了传热效率。该蒸发器运行压力的提高也允许冷凝器220处头压较低，从而使系统各部件能耗较低且寿命较长。 
相对于在制冷剂导入蒸发器240之前没有至少部分地分离制冷剂的汽相部分和液相部分的常规蒸汽压缩系统，除了较高的蒸发器压力之外，通过在制冷剂导入蒸发器240之前至少部分地分离制冷剂的汽相和液相可增大经过蒸发器240的制冷剂的质量速度。由于在给定的时间内比常规系统有更多的制冷剂经过蒸发器240，所以该蒸发器240中的制冷剂较高的质量速度使浪涌系统200提高了传热效率。 
在制冷剂导入蒸发器240之前制冷剂的汽相部分和液相部分至少部分地分离也可使制冷剂液相部分的温度降低。该温度降低可为制冷剂的液相部分提供相对于汽相部分更好的冷却能力，从而增加经过蒸发器240的制冷剂所传递的总热量。这样，相同质量的制冷剂经过蒸发器240可吸收比常规系统更多的热量。 
能够在制冷剂导入蒸发器240之前至少部分地分离制冷剂的汽相和液相部分也可使在蒸发器240的出口处的制冷剂部分干燥，而非完全干燥。因而，通过调整导入蒸发器240的制冷剂的汽相部分和液相部分的参数，少量的液相部分可保留在离开蒸发器240的制冷剂中。通过在整个蒸发器240中保留制冷剂的液相部分，可提高系统的传热效率。因而，相对于常规系统而言，相同尺寸的蒸发器能够传递更多的热量。 
在制冷剂导入蒸发器240之前至少部分地分离制冷剂的汽相和液相部分也可产生足以利用液体制冷剂涂覆构成计量装置、膨胀装置之后的制冷剂导流器、制冷剂传递系统和/或蒸发器240的起始部分的管子的内周面的制冷剂质量速度。同时，在蒸发器240的起始部分中的制冷剂总质量含有为约30％至约95％的蒸汽(质量/质量)。如果周面失去了液体涂层，那么当恢复大约30％至大约95％的蒸汽/液体比时涂层就会恢复。这样，相对于在膨胀装置之后缺少液体涂层的常规系统，在蒸发器240的起始部分处可提高传热效率。 
图3A示出了相分离器300的侧视图。分离器300包括限定分离器入口310、分离器出口330和制冷剂存储腔室340的主体部分301。可以以大约40°至大约110°的角度320布置入口和出口。腔室340的纵向尺寸可平行于分离器出口330；但也可使用其它结构。在图3B1中，腔室入口342基本上平行于分离器出口330，而腔室340的纵向尺寸343与腔室入口342成角度350。对于图3B1的相分离器300，角度350确定了可容纳在腔室340中的液相制冷剂的体积。图3B2是图3B1的分离器300的更详细的图示，其中分离器300已被铸入金属390中。相分离器300也可具有用来间歇保持液相制冷剂的其它装置。也可使用其它装置从膨胀制冷剂的液体中分离出至少一部分蒸汽以向蒸发器的起始部分提供蒸汽浪涌。 
腔室340具有腔室直径345。分离器入口310具有分离器入口直径336。分离器出口330具有分离器出口直径335。纵向尺寸343为分离器出口直径335的约4～5.5倍并且为分离器入口直径336的约6～8.5倍。存储腔室340的容积由纵向尺寸343和腔室直径345限定。常规系 统利用R-22制冷剂能够提供高达每小时14,700千焦(kJ)的热传递，而当设有具有上述尺寸和大约49cm3至大约58cm3的存储腔室容积的相分离器时，可提供高达每小时37,800kJ的热传递。存储腔室340的容积可以由腔室直径345和纵向尺寸343确定。根据不同的制冷剂和制冷剂质量流速，也可使用其它的尺寸和容积实现浪涌系统。 
通过给系统安装这样的相分离器，即分离器入口直径与分离器出口直径的比为约1∶1.4～4.3或为约1∶1.4～2.1；分离器入口直径与分离器纵向尺寸的比为约1∶7～13；并且分离器入口直径与制冷剂质量流速的比为约1∶1～12，可向蒸发器的起始部分提供汽相制冷剂浪涌。尽管对长度以厘米为单位并且对质量流量以kg/hr为单位表示这些比值，但也可采用包括其它的长度和质量流量单位的其它比值。 
可以根据这些比值增大或减小分离器入口直径与分离器纵向尺寸的比，直到该系统不再提供期望的浪涌速度为止。因而，通过改变分离器入口直径与纵向尺寸的比，可改变系统的浪涌频率，直到该系统不再提供期望的除霜效果为止。根据其它的变量，可增大或减小分离器入口直径与制冷剂质量流速的比，直到浪涌停止为止。可增大或减小分离器入口直径与制冷剂质量流速的比，直到浪涌停止或不再提供期望的冷却为止。本领域技术人员可确定其它比值以提供期望的一次浪涌或多次浪涌、期望的浪涌频率、冷却及其组合等。 
相对于传热系统的其它部件，腔室340被设定尺寸以从进入分离器入口310的膨胀制冷剂中分离至少一部分蒸汽，间歇地将一部分液体存储在腔室340中，同时使制冷剂蒸汽基本上以至少一次蒸汽浪涌的形式流过分离器出口330，然后使流体从腔室340流过分离器出口330。通过改变相分离器300的结构，可选择经过分离器出口330到蒸发器的蒸汽浪涌的次数、周期和持续时间。如前文所述，在压缩机的运行过程中蒸发器的起始部分的温度波动对应于这些浪涌。 
参照图2和图3B，为了使浪涌系统200适合于空调，相分离器231、300的尺寸可与制冷剂和制冷剂流量配对以在期望的蒸发器温度下提供期望的冷却能力。例如，入口直径约1.3cm、出口直径约1.9cm、纵向尺寸约10.2cm且存储腔室体积约29cm3的相分离器300可与质量 流量约3.1kg/hr的R-22制冷剂配对以在约7℃的蒸发器温度下提供每小时约30,450kJ的热传递，这适合于空调。通过利用相同的相分离器将制冷剂质量流量增加至约3.8kg/hr，浪涌系统200可以提供每小时约37,800kJ的热传递，同时保持约7℃的蒸发器温度。 
由于不同制冷剂具有不同的传热能力，因此相同的相分离器可以与R-410a制冷剂一起使用，在质量流量约3.0kg/hr时提供每小时约30,450kJ的热传递，或在质量流量约3.7kg/hr时提供每小时约37,800kJ的热传递，同时保持约7℃的蒸发器温度。因而，通过改变经过相分离器231、300的制冷剂的质量流量和传热能力，浪涌系统200可在期望的蒸发器温度下提供期望的热传递。 
可使用相同的相分离器来提供约-6℃的蒸发器温度，这适合于冷藏。将相分离器与约3.7kg/hr的R-404a制冷剂、约3.7kg/hr的R-507制冷剂或约4.0kg/hr的R-502制冷剂配对将在大约-6℃的蒸发器温度下提供每小时约25,200kJ的热传递。类似地，将相分离器与约4.6kg/hr的R-404a制冷剂、约4.6kg/hr的R-507制冷剂或约5.0kg/hr的R-502制冷剂配对将在大约-6℃的蒸发器温度下提供每小时约31,500kJ的热传递。因而，在选定冷却类型和期望的热传递之后，本领域技术人员可以选择压缩机210、冷凝器220、蒸发器240、制冷剂、运行压力等以提供使用期望的相分离器的传热系统，该系统使制冷剂汽相的浪涌进入到蒸发器240的起始部分中。 
如果期望较大的传热，那么可通过增大相分离器231、300和相关系统部件的尺寸提高浪涌系统200的能力。例如，为了使浪涌系统200适合提供90,300～97,650kJ的空调，可选择入口直径约1.6cm、出口直径约3.2cm、纵向尺寸约20.3cm且存储腔室容积约161cm3的相分离器300。该较大的相分离器可以与质量流量约9.1kg/hr的R-22制冷剂配对以在大约7℃的蒸发器温度下提供每小时约90,300kJ的热传递，这适合于空调。利用相同的相分离器，通过将制冷剂质量流量增加至约9.8kg/hr，浪涌系统200可以提供每小时约97,650kJ的热传递，同时保持7℃的蒸发器温度。 
因为不同制冷剂具有不同的传热能力，因此相同的相分离器与R-410a制冷剂可一起使用，利用质量流量约8.8kg/hr提供每小时约90,300kJ的热传递，或质量流量约9.5kg/hr提供每小时约97,650kJ的热传递，同时保持7℃的蒸发器温度。因而，通过改变经过相分离器231、300的制冷剂的质量流速和传热能力，浪涌系统200可在期望的蒸发器温度下提供期望的热传递。 
相同的较大的相分离器可用于提供约-6℃的蒸发器温度，提供76,650～84,000kJ用于冷藏。将相分离器与约11.2kg/hr的R-404a制冷剂、约11.2kg/hr的R-507制冷剂或约12.2kg/hr的R-502制冷剂配对在大约-6℃的蒸发器温度下提供每小时约76,650kJ的热传递。类似地，将相分离器与约12.3kg/hr的R-404a制冷剂、约12.3kg/hr的R-507制冷剂或约13.4kg/hr的R-502制冷剂配对在大约-6℃的蒸发器温度下提供每小时约84,000kJ的热传递。因而，在选定冷却类型和用于传递所需的焦耳热之后，本领域技术人员可以选择相分离器231、压缩机210、冷凝器220、蒸发器240、制冷剂、运行压力等以提供使制冷剂汽相的浪涌进入到蒸发器240的起始部分的传热系统。 
图4是显示常规传热系统的摄氏温度-时间的曲线图。除了蒸发器的起始部分的散热片和管子的表面温度之外，还监控蒸发器周围空气的温度和露点。大约在11时06分、吸入压力线A中的最高点开启压缩机。当压缩机起动并且蒸发器冷却时，温度下降相对较快并在大约11时10分开始稳定。压缩机一旦起动，散热片和管子的温度线(分别为C线和D线)的斜率就一直为负。因而，直到压缩机在大约11时17分关掉为止，后续的温度都不高于先前的温度。而且，从大约11时08分至大约11时09分，蒸发器管子的起始部分的温度下降到环境空气的露点以下，于是可用于冷凝。因而，蒸发器的起始部分的温度总是显著地低于流经蒸发器的空气的温度。在从大约10时53至10时59分的前压缩机周期过程中，也可看见蒸发器温度的负斜率以及在露点以下的时间段运行的相同的表现。大约运行五分钟之后，因在蒸发器的起始部分霜冻形成和/或润滑油混凝而使该系统损失一部分系统效率。 
图5是显示浪涌式传热系统的摄氏温度-时间的曲线图。除了加入合适的相分离器之外，浪涌系统类似于图4的常规系统。除了蒸发器的起始部分的散热片和管子的表面温度之外，还监控蒸发器周围空气的温度和露点。大约在t0时、吸入压力线A中的最高点开启压缩机。当压缩机起动并且蒸发器冷却时，在t0～t1的初始冷却阶段温度下降相对较快，然后在大约t1时开始稳定。在图4的常规系统中，散热片和管子的温度线(分别为C线和D线)的斜率一直为负，与此不同，在图5的t3处，蒸发器的起始部分的温度迅速上升，管子的温度上升约3℃，形成稳定平台，然后在t4处迅速下降。尽管表示管子温度的D线的负斜率在温度上升之前和之后大致相同，但间歇温度增加510显著向上偏离。因而，浪涌式传热系统在压缩机运行过程中的蒸发器的起始部分的温度曲线包括具有正斜率和负斜率的部分。尽管该系统被设计为每个压缩机运行周期提供单一的温度增加(如在前的间歇温度增加505所示)，但也可以使用其它的具有不同频率和持续时间的间歇增加。 
如同图4的常规系统，在压缩机的运行过程中，图5的浪涌系统示出了在t1和t2之间蒸发器管子的起始部分的温度降到空气的露点以下，于是可用于冷凝。根据管子在露点以下度过的时间段和温度(曲线面积)，本领域技术人员可确定可获得的形成冷凝和霜冻的冷却能量的近似的kJ。相对于图4的常规系统中所看到的持续负斜率D线，根据间歇温度增加510的面积，本领域技术人员也可确定可获得的用于去除冷凝导致的霜冻的热能的近似的kJ。这样，蒸发器的起始部分间歇地变热，而不需要关闭压缩机或主动将热量导入蒸发器中。在大约运行24小时之后，由于在蒸发器的起始部分没有形成霜冻，所以该浪涌系统基本上没有损失系统效率。尽管不希望被任何具体理论所限制，但认为蒸汽浪涌热能抵偿了可能产生霜冻的露点以下的至少一部分冷却能量，从而减少霜冻形成。 
图5还示出了浪涌式传热系统以与图4的常规系统相同的吸入压力在蒸发器处获得了较低(降低约3℃)的空气温度。因而，利用相同的制冷剂压力产生了更大的冷却作用，这提供了更有效的系统。间歇温度增加510并不导致流过蒸发器的供给空气(C线)的相应的温度增加。因 而，尽管在蒸发器入口处温度增加，但流过蒸发器的空气温度继续降低，这是未预料的且异于直觉的结果。 
图6也示出了浪涌系统相对于在蒸发器的起始部分的盘管温度对流过蒸发器的空气的温度的影响。如图所示，流过蒸发器的空气温度达到大约-21℃，蒸发器的起始部分已降到大约-31℃。在蒸发器的起始部分温度开始增加的点610处，流过蒸发器的空气的温度在620处开始降低。随着在蒸发器的起始部分的温度增加并且流过蒸发器的空气的温度降低，蒸发器的起始部分达到了接近或超过流过蒸发器的空气温度的温度点630。 
如果在蒸发器的起始部分形成霜冻，那么可以认为浪涌式传热系统通过升华将至少一部分水返回至流过蒸发器的空气。尽管不希望被任何具体理论所限制，由于蒸发器的起始部分的温度在浪涌的过程中保持在冻结以下，所以认为由汽相制冷剂的浪涌所引起的蒸发器的起始部分的相对变热会导致蒸发器的起始部分的霜冻的升华。因而，如果浪涌系统在蒸发器的起始部分在-31℃形成霜冻，汽相制冷剂的浪涌在蒸发器的起始部分使间歇温度增加达到-25℃，并且该温度增加随着流过蒸发器的空气的温度接近或变得低于蒸发器的起始部分的温度而发生，那么霜冻将升华成流过蒸发器的空气。 
由于作用于潮湿空气的一部分冷却能量被消耗用于将汽相的水转化成液体而不是用于冷却空气，所以冷却潮湿的空气比冷却干燥的空气需要更多的能量。因而，使空气干燥所消耗的能量可以看作未提供冷却的潜在的功。但是，如果蒸发器的起始部分的霜冻升华，那么随着霜冻蒸发，存储在霜冻中的至少一部分潜在的功用于冷却蒸发器的起始部分。尽管类似于常规闭合回路传热系统，消耗能量以使水蒸汽转化成液态水，当压缩机运行时该液态水在一部分冷却周期过程中在蒸发器的起始部分形成霜冻，但在汽相制冷剂浪涌导入蒸发器的过程中，认为浪涌系统在冷却时还原一部分霜冻而不浪费能量。应当认为，利用较少的能量提供较冷的蒸发器的效果将会提高冷却效率。 
在每次浪涌过程中通过将水蒸汽返回至流过蒸发器的空气，浪涌系统在具有一定条件的空间中可保持比常规系统高的相对湿度 (RH)，并且由于相对于缺少相分离器以及没有将浪涌的汽相制冷剂导入蒸发器中的相似的常规冷却系统，减少了在浪涌系统的运行过程中使空气干燥所消耗的能量，所以利用较少能耗提供更好冷却。因而，除了减少与蒸发器霜冻相关的多个问题之外，该浪涌系统相对于常规系统还可提供这样的优点，即在具有一定条件的空间中增大RH以及对同样的冷却可降低能耗。 
图7对常规传热系统和浪涌式传热系统的温度和湿度特性进行比较。常规系统包括CF04K6E型谷轮(Copeland)压缩机、LET 035型蒸发器和BHT011L6型冷凝器。曲线的左边示出了常规系统所保持的在步入式冷藏腔室中的温度和RH。常规系统使平均温度保持在大约6℃并且使平均RH保持在大约60％(水的重量/干燥空气的重量)。 
然后将相分离器加入该常规系统并调节制冷剂的质量流量以实现浪涌运行。在710之后，当运行系统使汽相制冷剂的浪涌进入蒸发器的入口部分时，监控在步入式冷藏腔室中的温度和RH。在浪涌运行的过程中，系统使平均温度保持在大约2℃并且使平均RH保持在大约80％。因而，在改进设有相分离器以及运行系统使汽相制冷剂的浪涌进入蒸发器的入口部分后，常规系统的其它部件使步入式冷藏腔室的内部保持在相当低的温度以及约30％的较高RH。可在不利用主动除霜的情况下获得这些结果。 
图8示出了用于控制前述的传热系统的方法的流程图。在802中，压缩制冷剂。在804中，膨胀制冷剂。在806中，至少部分地分离制冷剂的液相和汽相。在808中，将汽相制冷剂的一次或多次浪涌导入蒸发器的起始部分中。汽相制冷剂的浪涌包括至少75％的蒸汽。蒸发器的起始部分可以占蒸发器容积的小于大约10％或大约30％。起始部分也可以占蒸发器的其它比例的容积。在810中，将液相制冷剂导入蒸发器中。 
在812中，蒸发器的起始部分响应于汽相制冷剂的一次或多次浪涌而变热。蒸发器的起始部分可被加热到低于第一外部介质的温度大约5℃。蒸发器的起始部分也可被加热到高于第一外部介质的温度。蒸发器的起始部分可被加热到高于第一外部介质的露点的温度。蒸发器的 入口部分和出口部分之间的温度差为大约0℃至大约3℃。可运行在蒸发器的起始部分的温度的斜率包括负值和正值的传热系统。蒸发器的起始部分可使霜冻升华或融化。当蒸发器的起始部分的温度等于或低于大约0℃时，霜冻可升华。 
图9示出了用于对前述的传热系统中的蒸发器进行除霜的方法的流程图。在902中，至少部分地分离制冷剂的液相和汽相。在904中，将汽相制冷剂的一次或多次浪涌导入蒸发器的起始部分中。汽相制冷剂的浪涌包括至少75％的蒸汽。蒸发器的起始部分可以占蒸发器容积的小于大约10％或大约30％。起始部分也可以占蒸发器的其它比例的容积。在906中，将液相制冷剂导入蒸发器中。 
在908中，蒸发器的起始部分响应于汽相制冷剂的一次或多次浪涌而变热。蒸发器的起始部分可被加热到低于第一外部介质的温度大约5℃。蒸发器的起始部分也可被加热到高于第一外部介质的温度。蒸发器的起始部分可被加热到高于第一外部介质的露点温度。蒸发器的入口部分和出口部分之间的温度差为大约0℃至大约3℃。可运行在蒸发器的起始部分的温度的斜率包括负值和正值的传热系统。 
在910中，去除蒸发器的霜冻。去除包括基本上防止霜冻形成。去除包括基本上去除蒸发器上存在的霜冻。去除包括部分地或完全地消除蒸发器的霜冻。蒸发器的起始部分可使霜冻升华或融化。当蒸发器的起始部分的温度等于或低于大约0℃时，霜冻可升华。 
示例1：气流冷冻腔室 
使用具有两个三十马力的Bitzer半密封的活塞压缩机(2L-40.2Y)的增量热传递冷凝单元将膨胀的制冷剂提供给标准的高速Heathcraft商用蒸发器(型号为BHE 2120)，并利用R404a制冷剂来冷却气流冷冻腔室。通过在需要稳固地冷冻热的焙烤食品时使气流冷冻腔室从0℃冷却到-12℃以下并且使冷冻腔室保持在-12℃以下来运行系统。当压缩机运行时，由蒸发器提供给气流冷冻腔室的空气在-34℃至-29℃之间。具有电加热元件的蒸发器每天需要六个主动除霜周期。在加入相分离器并且运行系统以使汽相制冷剂的浪涌进入蒸发器的入口部分之 后，就不需要主动除霜周期了。因此，相对于以每天六个主动除霜周期的方式运行的常规系统，以保持产品重量1％(重量/重量)的形式提高了产品质量。 
示例2：商用的食品服务零售 
使用具有接近四分之三马力的Copeland密封式压缩机的ICS冷凝单元(型号为PWH007H22DX)将膨胀的制冷剂提供给标准的ICS商用蒸发器(型号为AA18-66BD)，并利用R22a制冷剂来冷却商用的食品服务零售设备的冷藏腔室。运行系统使冷藏腔室的温度保持在2℃以下七天。当压缩机运行时，通过蒸发器提供给冷藏腔室的空气在-7℃至0℃之间。具有电加热元件的蒸发器每天需要四个主动除霜周期。在加入相分离器并且运行系统以使汽相制冷剂的浪涌进入蒸发器的入口部分之后，就不需要主动除霜周期了。因此，以改善了鲜肉表面的颜色和质地的形式提高了产品质量。 
示例3：用于肉类储存的冷冻腔室 
使用具有2.5马力的Bitzer半密封的活塞压缩机(型号为2FC22YIS14P)的Russell冷凝单元(型号为DC8L44)将膨胀的制冷剂提供给标准的Russell商用蒸发器(型号为ULL2-361)，并利用R404a制冷剂冷却冷藏腔室。允许系统使冷藏腔室的温度保持在-12℃以下十天。当压缩机运行时，通过蒸发器提供给冷藏腔室的空气在-18℃至-20℃之间。具有电加热元件的蒸发器每天需要以6小时为间隔的四个主动除霜周期。在加入相分离器并且运行系统以使汽相制冷剂的浪涌进入蒸发器的入口部分之后，就不需要主动除霜周期了。 
尽管说明了本发明的各实施例，但本领域技术人员应当理解，在本发明的范围内可以有其它实施例和实施方式。因此，除了所附的权利要求书及其等同物之外，本发明不应受到限制。 

Claims (34)

1.一种在冷却周期期间运行传热系统的方法，所述方法包括：
压缩制冷剂；
膨胀所述制冷剂；
至少部分地分离所述制冷剂的液相和汽相；
将所述汽相制冷剂的至少一次浪涌导入蒸发器的起始部分中；
将所述液相制冷剂导入所述蒸发器的起始部分中；并且
响应于所述汽相制冷剂的至少一次浪涌加热所述蒸发器的起始部分。
2.如权利要求1所述的方法，还包括将所述蒸发器的起始部分加热到从低于第一外部介质温度至多5℃到高于第一外部介质温度至多5℃的范围内。
3.如权利要求1所述的方法，还包括将所述蒸发器的起始部分加热到高于第一外部介质的温度。
4.如权利要求1所述的方法，还包括将所述蒸发器的起始部分加热到高于第一外部介质的露点温度。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述蒸发器的入口部分和所述蒸发器的出口部分之间的温度差为0℃至3℃。
6.如权利要求1所述的方法，还包括运行在所述蒸发器的起始部分的温度的斜率包括负值和正值的所述系统。
7.如权利要求1所述的方法，还包括去除所述蒸发器的起始部分的霜冻。
8.如权利要求1所述的方法，还包括使所述蒸发器的起始部分的霜冻升华，其中所述蒸发器的起始部分的温度至多为0℃。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述蒸发器的起始部分占所述蒸发器容积的比例小于30％。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述蒸发器的起始部分占所述蒸发器容积的比例小于10％。
11.如权利要求1所述的方法，
其中所述蒸发器的起始部分具有至少一个间歇温度最大值，并且
其中所述至少一个间歇温度最大值对应于所述汽相制冷剂的至少一次浪涌，并且
其中所述间歇温度最大值在从第一外部介质温度到高于第一外部介质温度至多5℃的范围内。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述至少一个间歇温度最大值高于所述第一外部介质的温度。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述至少一个间歇温度最大值高于所述第一外部介质的露点温度。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述蒸发器容积的起始10％和所述蒸发器容积的最后10％之间的温度差为0℃至3℃。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述第一外部介质的相对湿度大于没有将所述汽相制冷剂的浪涌导入所述蒸发器的起始部分时的所述第一外部介质的相对湿度。
16.如权利要求11所述的方法，其中所述第一外部介质的温度低于没有将所述汽相制冷剂的浪涌导入所述蒸发器的起始部分并且没有使用主动除霜周期时的所述第一外部介质的温度。
17.如权利要求11所述的方法，还包括运行在所述蒸发器的起始部分的温度的斜率包括负值和正值的所述系统。
18.如权利要求11所述的方法，还包括响应于所述间歇温度最大值去除所述蒸发器的起始部分的霜冻。
19.如权利要求11所述的方法，还包括响应于所述间歇温度最大值使所述蒸发器的起始部分的霜冻升华，其中所述蒸发器的起始部分的温度至多为0℃。
20.如权利要求11所述的方法，其中所述蒸发器的起始部分占所述蒸发器容积的比例小于30％。
21.如权利要求11所述的方法，其中所述蒸发器的起始部分占所述蒸发器容积的比例小于10％。
22.如权利要求1所述的方法，其中所述汽相制冷剂的至少一次浪涌包括至少75％的蒸汽。
23.如权利要求1所述的方法，其中从所述蒸发器的起始部分至出口部分的平均传热系数为1.9Kcalthh-1m-2℃-1至4.4Kcalthh-1m-2℃-1，并且其中
所述蒸发器的起始部分占所述蒸发器容积的比例小于10％，并且其中
所述蒸发器的出口部分占所述蒸发器容积的比例小于10％。
24.一种在冷却周期期间对传热系统中的蒸发器除霜的方法，所述方法包括：
至少部分地分离所述制冷剂的液相和汽相；
将所述汽相制冷剂的至少一次浪涌导入蒸发器的起始部分中；
将所述液相制冷剂导入所述蒸发器的起始部分中；
响应于所述汽相制冷剂的至少一次浪涌加热所述蒸发器的起始部分；并且
去除所述蒸发器上的霜冻。
25.如权利要求24所述的方法，还包括将所述蒸发器的起始部分加热到从低于第一外部介质温度至多5℃到高于第一外部介质温度至多5℃的范围内。
26.如权利要求24所述的方法，还包括将所述蒸发器的起始部分加热到高于第一外部介质的温度。
27.如权利要求24所述的方法，还包括将所述蒸发器的起始部分加热到高于第一外部介质的露点温度。
28.如权利要求24所述的方法，其中所述蒸发器的入口部分和所述蒸发器的出口部分之间的温度差为0℃至3℃。
29.如权利要求24所述的方法，所述蒸发器的起始部分的温度的斜率包括负值和正值。
30.如权利要求24所述的方法，还包括使所述蒸发器的起始部分的霜冻升华。
31.如权利要求24所述的方法，还包括使所述蒸发器的起始部分的霜冻升华，其中所述蒸发器的起始部分的温度至多为0℃。
32.如权利要求24所述的方法，其中所述蒸发器的起始部分小于30％的所述蒸发器容积。
33.如权利要求24所述的方法，其中所述蒸发器的起始部分占所述蒸发器容积的比例小于10％。
34.如权利要求24所述的方法，其中所述至少一次浪涌包括至少75％的蒸汽。
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