CN1111691C - 用于水冷却和热储存的复合致冷系统 - Google Patents

Abstract

一种复合致冷系统，与一种热储存系统一同使用。具有水冷却器和盐水冷却器，一主压缩机经水冷却器吸入致冷剂，和一增压压缩机经盐水冷却器吸入致冷剂，并将致冷剂送往主压缩机的入口。高压级压缩机和低压级增压压缩机在夜晚时间内同时运行，同时冷却用于空调的水和用于制冰的盐水。在白天时间内，只有高压级压缩机运行，冷却水通过与在夜晚制成的冰的热交换，进一步冷却。

Description

用于水冷却和热储存的复合致冷系统

发明领域

本发明涉及一种致冷系统。更准确地说，本发明涉及一种复合致冷系统，该系统用于建筑物或类似情况的空调。

背景技术

由于现有公用事业费用结构特点，在高峰需求期，例如白天，电是最昂贵的，而在需求的低谷期，例如夜晚，则最低廉。白天一般也正是空气温度最高和人们活动的时间。因此，空调负荷的高峰通常发生在午后，在这段时间，能源使用最多，电费最昂贵。空调负荷最小通常是在夜晚，这时的能源的需求最低，电费最低廉。

热储存系统已经建议用于空调种种空间。热储存的概念是，在夜晚，当能源费用最低廉时，生成一种潜热，储存潜热，而在白天能源最昂贵的时间，用这种潜热来冷却空气。

传统的热储存系统包括：一个单独的压缩机、一个单独的冷却器、和一个冷凝器。压缩机压缩一种致冷剂例如氟利昂，致冷剂在冷凝器中放出热量，然后循环至冷却器。白天，水流经冷却器被致冷剂冷却。根据传统冷却器技术，被冷却的水随后被用于冷却空气。而在夜晚，一种盐水溶液(Brine solution)，例如乙二醇(Ethylene glycol)或类似溶液，流经冷却器。被冷却的盐水随后被用于将水冷冻成冰。这种冰随后可以用来在第二天去冷却水。

传统的热储存系统有缺点。单一的压缩机和冷却器只能用于冷却水或者只能冷却盐水，而不能用于二者。于是，如果在夜晚为了空调的目的而需要冷却水，常常需要另外一套致冷/空调系统。这是低效率和昂贵的。

发明概述

本发明已经提供了排除传统致冷系统和热储存系统中上述一个或多个缺点的方法。

根据本发明，一个复合致冷系统包括：一个主压缩机、一个冷凝器、一个膨胀阀、一个水冷却器、一个增压压缩机(Booster compressor)、一个盐水冷却器和一套致冷剂循环回路，其中，主压缩机从水冷却器吸入致冷剂并将其输入冷凝器，而增压压缩机则从盐水冷却器吸入致冷剂。主压缩机和增压压缩机在致冷剂循环回路中是串联的，增压压缩机的输出与主压缩机的输入是流体连通的。主压缩机和增压压缩机在第一选择时间区间内同时工作，而在第二选择时间区间内，增压压缩机断电。最好，第一选择时间区间包括夜晚的时间，而第二选择时间区间包括白天的时间。

推荐至少盐水冷却器，最好是水冷却器和盐水冷却器二者均包括致冷剂水位控制器，用于辨别致冷剂的水位，并控制膨胀阀和其他服务于相应冷却器的阀的开与关。当增压压缩机关闭而盐水冷却器中的致冷剂达到了预定的水平，增压冷却器的水位控制器，可用来关闭膨胀阀。结果没有致冷剂流经盐水冷却器，直到增压压缩机重新启动。

本发明之复合致冷系统最好包括在一种热储存系统中，其中可生成冰，供以后对用于冷却某一空间的水的冷却。在第一选择时间区间内，致冷系统冷却两方面的水：用于冷却空气和盐水的水，用于在冰储存装置内制冰的水。在第二选择时间区间内，随着增压压缩机的断电，水是被一个或两个水冷却器以及在冰储存装置中的冰所冷却。

本发明的其他目的与优点，将在下面的说明中显示出来，一部分从说明将会明显，或者从本发明的实践中理解。本发明的目的和优点可通过综合在权利要求中指出的特点来实现与获得。对附图的简要说明

体现并构成详细说明之一部分的附图，图解说明了本发明的推荐实施例，连同上述一般说明以及下面的详细说明，足以说明本发明的原理。

在附图中，

图1是根据本发明之一种复合致冷系统的原理图；

图2是根据本发明使用的复合致冷系统的原理图，该系统具有一种热储存系统，例如一种冰储存柜；

图3a是根据本发明的一个复合压缩机循环的压力-焓图；和

图3b是传统的热储存系统中的单压缩机循环的压力-焓图。

对推荐实施例的详细说明

现参考附图对本发明的优选实施例给予详细说明。

正如下面更为充分地说明的那样，本发明是针对一种复合致冷系统，该系统最好用于区域冷却的应用场合，在这种场合，一种大型设备使用冷却的水进行建筑物空间的空调，在能源费用最低廉的夜晚时间制冰。本发明的复合致冷系统，在夜晚时间同时制冰和冷却建筑物空间。本系统在夜晚时间制成的冰的冷却能力，随后被用于在白天时间内去冷却水，从而降低水冷却器在能源最昂贵的白天的负荷。本系统最好具有这样一种致冷剂循环回路，其中，正如下面将要说明的那样，两种压缩机按串联设置。

根据本发明，提供了一种复合致冷系统。如图1所示，复合致冷系统总体用数字10表示。本系统包括：一个高压级或主压缩机42，用于压缩致冷剂；一个冷凝器44，用于液化致冷剂；一个储液罐46，用于储存一定数量的液态致冷剂；一个膨胀阀48；一个水冷却器20；一个盐水冷却器30；和一个低压级增压压缩机50。

当低阶增压压缩机50断电时，致冷剂从主压缩机42流经冷凝器44，经过储液罐46，经过膨胀阀48，经过水冷却器20，然后返回高阶压缩机。对于这种应用，流经水冷却器的水被冷却，然后用于冷却建筑物内的一个或多个空间。当增压压缩机50启动时，在水冷却器中的部分液态致冷剂流经膨胀阀56，经过盐水冷却器30，经低阶增压压缩机50，经水冷却器20，然后进入高阶主压缩机42。从增压压缩机出口52出来的气态致冷剂，最好送到水冷却器的顶半部，在这里与冷却器内从液态致冷剂蒸发的气态致冷剂相混合。

水冷却器20属于现有技术中众所周知的类型。水冷却器20从进口22接受水，通过在流动的水和冷却器中致冷剂之间的热交换，将水冷却，冷却后的水从出口24输出。在系统运行过程中，本发明的水冷却器从膨胀阀48接受冷的致冷剂，从增压压缩机50接受热的气态致冷剂。最好将从膨胀阀48来的冷的致冷剂，送到水冷却器的底半部，而热的致冷剂则送到水冷却器的顶半部。由于水是冷却的，气态致冷剂气化至致冷剂的顶半部，并最终送入主压缩机42。仅通过一个例子可知，水冷却器20可以具有这样的冷却能力，输入大约12.2℃(54°F)的水，将其冷却至大约3.9℃(39°F)的水输出。

盐水冷却器30也是属于现有技术中众所周知的类型。盐水冷却器30从入口32接受盐水溶液，通过在盐水溶液与致冷剂之间的热交换将盐水溶液冷却，从出口34输出冷却的盐水溶液。盐水溶液可以是多种不同的液体，只要它能冷却到水的冰点温度以下。本发明的一个实施例中所用的盐水是乙二醇。仅通过一个例子可知，盐水冷却器30可以具有这样的冷却能力，输入大约-4.4℃(24°F)的盐水，将其冷却至大约-7.8℃(18°F)的盐水输出。

高阶压缩机42从水冷却器中吸入气态致冷剂，而低阶增压压缩机50从盐水冷却器中吸入气态致冷剂。主压缩机与增压压缩机串联，最好是经过水冷却器的上部。这种间接的连接较好，因为它允许从增压压缩机来的热气体，在送入主压缩机之前，被冷却至某种程度，并与水冷却器中的其他致冷剂气体相混合。不过，低阶增压压缩机可以直接连接到高压级压缩机，而仍能提供本发明的显著利益。

如图1所示，提供了一种致冷剂循环回路40，其中包括几种众所周知的致冷剂之一，例如氟利昂或类似的致冷剂。主压缩机42最好设置在邻近水冷却器20处，用来使致冷剂从水冷却器20至冷凝器44循环。根据传统技术，从压缩机来的被压缩致冷剂在冷凝器44中放出压缩热。致冷剂随后被送入储液罐46，该储液罐是一种传统的封闭容器，用以保持致冷剂的供应，并允许工作循环回路中的致冷剂根据工作状况增减，正如在现有技术中所知道的那样。

致冷剂随后被送到膨胀阀48，该阀在推荐实施例中是一种多位阀，可用控制器有选择地开与关。在此推荐实施例中，控制器是一种，或包括一种在水冷却器上的液面控制器100。在水冷却器中的液面控制器，辨别致冷剂液体在水冷却器中的液面，并用来保持液面在预定的水平，以保证热交换管浸泡在致冷剂中。随着施加给水冷却器的负荷增加和致冷剂的蒸发，控制器启动，打开膨胀阀，增加至冷却器的流量，从而满足系统的冷却需求。多种传感器、控制系统、和多位阀可用于获得这种结果。

本发明的致冷系统还包括一个低阶增压压缩机50，该压缩机最好在邻近盐水冷却器30处。如图1所示，增压压缩机的出口52与高压级压缩机42的入口54串联，最好经过水冷却器20。被低阶压缩机50压缩的致冷剂在该过程中被加热，最好将其冷却，并与在水冷却器中较冷的致冷剂气体相混合。在水冷却器中合成的混合致冷剂气体，随后被送到高阶压缩机。

在推荐实施例中用于盐水冷却器的阀56，由一个液面控制器102开与关，其工作方式与水冷却器的控制器100相同。当增压压缩机52被关闭，在盐水冷却器中的致冷剂将达到预定水平，控制器将关闭阀56，有效地截断致冷剂流入盐水冷却器和增压压缩机，或从中流出。当增压压缩机启动时，液面控制器在负荷状态表明是必要时开关此阀。

本发明的压缩机最好包括一种导流片104，用以控制相应压缩机在其运行时的能力。这种导流片的应用和操作，在现有技术中是众所周知的。水冷却器和盐水冷却器所分别设置的膨胀阀48和56最好是多位阀，该阀可以可选择地开与关，以控制经过冷却器的致冷剂流。

本发明最好包括一种控制器，用以至少控制高压级压缩机和低压阶增压压缩机的运行。如图1所示，控制器60与主压缩机42和增压压缩机50两者电气连接。在正常运行状态，控制器60使高阶压缩机连续运行，使主压缩机与增压压缩机在某预定时间同时运行。此种控制是HVAC系统总体控制的一部分，其中本发明之复合致冷系统是与之合为一体的。此种控制系统可包括各种传感器，例如温度传感器和流量传感器，可以控制压缩机的运行；和其他控制系统元件，以保证优化和有效地运行。系统所用具体控制器将取决于系统的总体情况和现有技术领域技术人员的水平。就本发明而言，最好在需要供冷的全部时间运行高阶压缩机，当制冰时，同时运行初级和增压压缩机，这最好是在电费较低的时候。

在本发明中，主压缩机和增压压缩机两者，至少在第一选择时间区间内将同时运行。最好，第一选择时间区间包括夜晚时间，这时致冷剂的需求量较少且电能的成本最低。在一个简化的系统中，控制器60可以按程序工作，使高压级压缩机42和低阶增压压缩机50两者，在所选择的夜晚时间内自动启动，例如从晚8:00至早8:00。在一个更复杂的系统中，增压压缩机可以在能源成本最低时之更多选择的时间内运行，或者可以基于附加参数运行，例如根据检测到的温度。

本发明中，只有高阶压缩机将在第二选择时间区间内运行，在此时间区间内，低压级增压压缩机断电。最好第二选择时间区间包括白天，这时致冷剂的需求量和电能成本均最大。控制器60因此可以按程序将低压级增压压缩机50，在选择的时间例如早8:00断电。此外，低压级增压压缩机50也可以用手操作，在选定时间断电和通电。

本发明的复合致冷系统，可以组合进各种各样不同的地区供冷应用系统中，其中冷却的水被用于冷却一个或多个建筑物的空调空间。在一个简化的变型系统中，本发明的一种单独的复合装置可以用作冷却水的单一能源。在此系统中从盐水冷却器出来的盐水溶液被通往一种冰储存装置，例如一个冰柜，在此生成的冰，用于进一步冷却水。因此，水至少被本发明的水冷却器冷却，且常常当其流经冰储存装置时，在与冰的热交换关系中，进一步被冷却。

在更复杂的系统中，可以使用两个或多个本发明的复合致冷系统。与此类似，本发明的复合致冷系统，可以单独与一个或多个单压缩机的传统致冷系统一同使用，该传统致冷系统只有一个水冷却器或一个盐水冷却器。

图2图解说明一个实施例如何将本发明的两套复合装置组合成一个系统，其中也包括传统的冷却器系统。如图所示，一个HVAC，热储存系统70包括两套复合致冷系统10，该复合致冷系统所包括的组成元件如图1所示，包括一个水冷却器20，和一个盐水冷却器30。复合致冷系统10可以进一步与一个单独的水冷却器20’和一个单独的盐水冷却器30’连接，此两种冷却器均使用设置单一压缩机的传统致冷系统。

在本发明中，每个盐水冷却器30接受盐水溶液，输出冷却的盐水溶液。冷却的盐水溶液按规定路线通往一冰储存装置72，用以制冷却用的冰，随后通过一个泵装置74，使其返回盐水冷却器30。在本发明的一个实施例中，系统一旦运行，盐水在大约-4.4℃(24°F)进入盐水冷却器，并在其中保持大约-7.8℃(18°F)。在该实施例中，冰柜72中的热传递，将盐水溶液的温度升高到大约-4.4℃(24°F)。

在一个示范实施例中，每个水冷却器10接受大约12.2℃(54°F)的水，输出冷却至大约3.9℃(39°F)的水。至少当冰已经在冰储存柜72中生成，冷却的水流经冰储存柜72，在此冷却的水进一步冷却到1.1℃(34°F)。1.1℃(34°F)的冷却水，经过一个泵装置76，按规定路线去冷却建筑物，在图2中，该建筑物用建筑物负荷78表示。由于水冷却建筑物空间，水温升至大约12.2℃(54°F)，并随后经过阀79返回水冷却器10。在某些情况下，一个或多个阀79，该阀是服务于复合装置的冷却器10和单独装置的冷却器20，可控制成使水绕过相应的冷却器。这些阀和装置可以根据系统的供冷需求控制。类似的阀和旁路回路，可用以控制盐水流经过一个或多个冷却盐水溶液的冷却器。

虽然图2描述了两个复合致冷系统10，加上附加的水冷却器10’和在热储存系统70中的盐水冷却器20’，但这种布局仅仅是一种HVAC系统的一个例子，而不是必须的。在本发明范围内，仅仅提供一个单独的复合致冷系统10，连同热储存系统70，或提供任何数量的组合。

本发明之复合致冷系统10的规模和能力，可以从满足建筑物的空调要求来选择。在所有这些系统中，高压级压缩机42将能在白天和夜晚连续运行。在一个例子中，白天运行时，将低阶增压压缩机50关闭，高阶压缩机42具有冷却大约2000吨水的致冷能力。当夜晚运行时，主压缩机和增压压缩机两者同时运行，盐水冷却器生成冷却大约1300吨乙二醇的能力，而水冷却器生成冷却大约658吨水的能力。

图3A和图3B描述了本发明复合致冷系统10的压力-焓图，与一个传统单压缩机系统，在夜晚运行时的比较。借助于使用一高压级压缩机和一低压阶增压压缩机，复合成一串联循环，两个压缩机均运行于低压缩比，从而效率更好。此外，在低压阶增压压缩机和循环回路的其他部分中，物质流减小。正如在图3A和图3B中所能看见的，本发明之复合致冷系统的能效比(COP)是5.46，而传统的单压缩机系统，该系统只能或者使用冷却水或者使用冷却乙二醇溶液，这种系统的理想能效比是4.54。这表明，本发明之复合致冷系统的能效比增加20％。

其他优点和修改对于本领域的技术人员而言是容易理解的。因此，发明的范围并不限于上述具体细节和典型系统。不离开本发明的精神和范围，可对细节进行修改。本发明的范围由下列权利要求及其等效替代进行限定。

Claims (19)

1.一种复合致冷系统，包括：

一主压缩机；

一冷凝器；

一膨胀阀；

一水冷却器；

一增压压缩机；

一盐水冷却器；和

一个致冷剂循环回路，其中，主压缩机从所述水冷却器中吸入致冷剂，并将其输入冷凝器；增压压缩机从所述盐水冷却器中有选择地吸入致冷剂；所述主压缩机和所述增压压缩机串联连接，所述增压压缩机的输出口与所述主压缩机的输入口是流体连通的。

2.如权利要求1所述的复合致冷系统，还包括一种冰储存装置，其中，送到所述盐水冷却器的致冷剂冷却一种流体，该流体是送到冰储存装置用于制冰的。

3.如权利要求1所述的复合致冷系统，其中，送到所述水冷却器的致冷剂冷却用于冷却空气的水。

4.如权利要求1所述的复合致冷系统，还包括一控制器，该控制器在第一选择时间区间，同时操作所述增压压缩机和所述主压缩机。

5.如权利要求4所述的复合致冷系统，其中，第一选择时间区间包括夜晚时间。

6.如权利要求4所述的复合致冷系统，其中，所述控制器，在第二选择时间区间，切断所述增压压缩机的电源。

7.如权利要求6所述的复合致冷系统，其中，第二选择时间区间包括白天时间。

8.如权利要求1所述的复合致冷系统，还包括一液面高度控制器，其设置在所述盐水冷却器上，用以辨别盐水冷却器中致冷剂的液面高度，并在致冷剂液面到达预定高度时，截断流向盐水冷却器的致冷剂流。

9.根据权利要求1所述的复合致冷系统，还包括一种控制器，该控制器在第一选择时间区间同时操纵初级和次阶压缩机，而在第二选择时间区间切断所述增压压缩机的电源。

10.如权利要求9所述的复合致冷系统，还包括一冰储存装置，其中，送入所述盐水冷却器的致冷剂冷却一种流体，该流体是送入冰储存装置用以制冰的。

11.如权利要求9所述的复合致冷系统，其中，送入所述水冷却器的致冷剂冷却用于冷却空气的水。

12.如权利要求9所述的复合致冷系统，其中，第一选择时间区间包括夜晚时间。

13.如权利要求9所述的复合致冷系统，其中，第二选择时间区间包括白天时间。

14.如权利要求9所述的复合致冷系统，还包括一切断装置，该装置用于在增压压缩机未启动时，切断至盐水冷却器的致冷剂流。

15.根据权利要求1所述的复合致冷系统，还包括一个冰柜，该冰柜是为制冰而设置，从盐水冷却器接受已冷却的流体。

16.如权利要求15所述的复合制冷系统，其中，致冷剂从所述冷凝器流经所述膨胀阀，进入水冷却器；被增压压缩机压缩的致冷剂首先送往水冷却器，随后送往主压缩机的输入口。

17.如权利要求16所述的复合制冷系统，还包括一截断装置，该装置用于当增压压缩机关闭时，截断流入盐水冷却器的致冷剂。

18.如权利要求17所述的复合制冷系统，还包括一控制器，该控制器同时用于在第一选择时间区间同时操纵初级和增压压缩机，和在第二选择时间区间只操纵主压缩机。

19.如权利要求18所述的复合制冷系统，其中，所述截流装置包括一设置在所述盐水冷却器的液面高度控制器，以辨别在盐水冷却器内的致冷剂液面高度，当致冷剂液面高度到达预定水平时，截断流向盐水冷却器的致冷剂流。