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CN112334720A - 增强的制冷净化系统 - Google Patents

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CN112334720A
CN112334720A CN201980041011.5A CN201980041011A CN112334720A CN 112334720 A CN112334720 A CN 112334720A CN 201980041011 A CN201980041011 A CN 201980041011A CN 112334720 A CN112334720 A CN 112334720A
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CN
China
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separator
refrigeration system
vapor compression
compression circuit
adsorbent material
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CN201980041011.5A
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R·兰詹
P·维尔玛
冯寅山
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Original Assignee
Carrier Corp
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Abstract

一种制冷系统，包括蒸汽压缩回路以及与所述蒸汽压缩回路连通的净化系统。所述净化系统包括至少一个分离器，所述分离器包括吸附剂材料，当所述吸附剂材料被加压时，所述吸附剂材料用于将污染物从被提供自所述蒸汽压缩回路的制冷剂净化气体中分离。

Description

增强的制冷净化系统
技术领域
本公开的实施例一般涉及在空调系统中使用的冷却器系统，并且更特定地涉及用于从制冷系统中去除污染物的净化系统。
背景技术
冷却器系统（诸如利用离心式压缩机的那些冷却器系统）可包括在大气压力以下运行的部分。结果，冷却器系统中的泄漏可能将空气吸入系统，从而污染制冷剂。这种污染降低了冷却器系统的性能。为了解决这个问题，现有的低压冷却器包括用于去除污染的净化单元。现有的净化单元通常使用蒸汽压缩循环来从制冷剂中分离污染物气体。现有的净化单元是复杂的并且在去除污染的过程中损失制冷剂。
发明内容
公开的是一种制冷系统，包括蒸汽压缩回路以及与所述蒸汽压缩回路连通的净化系统。所述净化系统包括至少一个分离器，所述分离器包括吸附剂材料，当驱动力被施加到所述吸附剂材料时，所述吸附剂材料用于将污染物从被提供自所述蒸汽压缩回路的制冷剂净化气体中分离。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，包括原动机，所述原动机选择性地耦合到所述至少一个分离器以将驱动力施加到所述吸附剂材料。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述原动机是真空泵。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述至少一个分离器被布置成与所述蒸汽压缩回路流体连通。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述蒸汽压缩回路包括通过导管连接的压缩机、排热热交换器、膨胀装置和吸热热交换器。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，通过所述吸附剂材料的制冷剂返回到所述排热热交换器和所述吸热热交换器中的至少一个。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述净化系统还包括净化气体收集器，所述净化气体收集器与所述排热热交换器和所述吸热热交换器中的至少一个以及所述至少一个分离器连通。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述净化气体收集器包括其中的净化气体，所述净化气体包括制冷剂气体和污染物。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述至少一个分离器包括并联布置的第一分离器和第二分离器。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，还包括流控制阀，所述流控制阀布置在所述第一分离器和所述第二分离器两者的入口端的上游，所述流控制阀选择性地可控制以将流引导向所述第一分离器和所述第二分离器中的一个。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，还包括第一阀，所述第一阀布置在所述第一分离器的出口端的下游，其中所述第一阀在第一位置和第二位置之间可移动。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，当所述第一阀处于所述第一位置时，所述原动机被连接至所述第一分离器，并且所述第一分离器的所述出口端与所述蒸汽压缩回路流体连通。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，当所述第一阀处于所述第二位置时，所述第一分离器处于环境压力，并且所述吸附剂材料被恢复。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，还包括控制器，所述控制器可操作地耦合到所述流控制阀和所述原动机。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述控制器可操作以响应于净化信号而使所述流控制阀在第一位置与第二位置之间转换。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述净化信号响应于预定时间量的流逝而被生成。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述净化信号响应于蒸汽压缩系统的测量参数而被产生。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述至少一个分离器的所述吸附剂材料被布置在床中。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述至少一个分离器的所述吸附剂材料被布置在多个床中。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，还包括与所述至少一个分离器的所述吸附剂材料热连通的热源。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，所述热源可操作以生成施加到所述吸附剂材料的所述驱动力。
根据另一实施例，一种操作制冷系统的方法包括使制冷剂循环通过蒸汽压缩回路，所述蒸汽压缩回路包括压缩机、排热热交换器、膨胀装置和吸热热交换器；从所述蒸汽压缩回路收集包含污染物的净化气体；以及将所述净化气体提供给由原动机加压的分离器，以允许制冷剂通过吸附剂材料并且允许在所述分离器内吸附污染物。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，包括在定位于所述蒸汽压缩回路和所述分离器之间的净化气体收集器中收集所述净化气体。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，包括使已经通过所述吸附剂材料的制冷剂返回所述蒸汽压缩回路。
除了上述特征中的一个或多个，或作为备选，在进一步实施例中，包括调节所述分离器的压力以恢复所述吸附剂材料。
附图说明
以下描述不应被认为以任何方式进行限制。参考附图，以同样的方式标记相同的元件；
图1是制冷系统的蒸汽压缩回路的示意图；
图2是根据实施例的净化系统的示意图；
图3是根据实施例的净化系统的一部分在第一阶段中的操作期间的示意图；以及
图4是根据实施例的净化系统的一部分在第二阶段中的操作期间的示意图。
具体实施例
参考附图，通过例示而非限制的方式，在本文呈现了所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述。
现在参考图1，示出了制冷系统的蒸汽压缩循环的示例。如图所示，蒸汽压缩回路10包括压缩机12、冷凝器14、膨胀阀16和蒸发器18。压缩机12对气态的传热流体加压，这既加热了流体又提供了压力以使其循环通过系统。在一些实施例中，传热流体或制冷剂包括有机化合物。例如，在一些实施例中，制冷剂包括以下项中的至少一项：烃、取代烃、卤素取代烃、氟取代烃、或氯氟取代烃。
从压缩机12离开的热的经加压气态传热流体通过管道20流到排热热交换器，例如冷凝器14。冷凝器可操作以将热量从传热流体传递到周围环境，导致热的气态传热流体冷凝成经加压的中等温度液体。从冷凝器14离开的液态传热流体通过管道22流到膨胀阀16，在那里压力被降低。离开膨胀阀16的减压的液态传热流体通过导管24流到吸热热交换器，例如蒸发器18。蒸发器18用于从周围环境中吸收热量并使传热流体沸腾。离开蒸发器18的气态传热流体通过管道26流到压缩机12，使得该循环可被重复。
蒸汽压缩回路10具有将热量从蒸发器18周围的环境传递到冷凝器14周围的环境的效果。传热流体的热力学性质必须允许传热流体在被压缩时达到足够高的温度，使得温度大于冷凝器14周围的环境，从而允许热量被传递到周围环境。传热流体的热力学性质还必须具有在其膨胀后压力（post-expansion pressure）下的沸点，该沸点允许蒸发器18周围的温度提供热量以蒸发液态传热流体。
各种类型的制冷系统包括如本文所示和所述的蒸汽压缩回路10。一种这样的制冷系统是冷却器系统。制冷系统的部分（诸如冷却器系统的冷却装置）可以在低压（例如小于大气压）下操作，这可能导致污染物（例如环境空气）被吸入制冷系统的蒸汽压缩回路10中。污染物降低了制冷系统的性能。为了改善操作，制冷系统的蒸汽压缩回路10可另外包括用于从蒸汽压缩回路10的传热流体中去除污染物的净化系统30。
现在参考图2，更详细地示出了净化系统30的示例。如图所示，净化系统30包括净化收集器32，净化收集器32经由净化连接34而被连接到蒸汽压缩回路10的冷凝器14。净化收集器32从净化连接34接收包括制冷剂气体和污染物（例如氮气和氧气）的净化气体。净化系统30另外包括布置在净化收集器32下游并与其流体连通的至少一个分离器36。在所示的非限制性实施例中，净化系统30包括并联布置的第一分离器36和第二分离器36。然而，应该理解，任何数量的分离器36（例如三个或更多个分离器）可以被布置在净化收集器32的下游。在一个实施例中，每个分离器36包括容器38，其包含吸附剂材料40的床，该床可操作以通过变压吸附（PSA）从净化气体中分离不可冷凝的气体。应该理解，每个分离器36可以包括吸附剂材料40的单个床，或者备选地，包括吸附剂材料的多个床。
吸附剂材料40可以是多孔无机材料。合适的吸附剂材料的示例包括但不限于例如沸石、活性炭、离子液体、金属有机框架、油、粘土材料和分子筛。当吸附剂材料40的床被加压到高吸附压力时，提供给分离器36的入口端42的净化气体中更易吸附的成分被吸附剂材料40选择性地吸附，并形成从入口端42通向出口端44的吸附前沿。净化气体中较不易吸附的成分通过吸附剂材料40的床，并从其出口端44回收，以用于进一步处理或下游使用。在所示的非限制性实施例中，净化气体内的污染物（诸如例如氧气）是更易吸附的成分，并且制冷剂是净化气体内较不易吸附的成分。因此，如果净化气体通过含有吸引氧气的吸附剂材料40的床的容器38，则净化气体中的部分或全部氧气将停留在吸附剂材料40的床内。因此，从容器38的出口端44排出的净化气体将比进入容器38的净化气体更富含制冷剂。
当吸附剂材料40的床达到其吸附氧气的能力的终点时，吸附剂材料40的床可以通过降低作用在其上的压力而恢复。通过降低压力，吸附的氧气将从吸附剂材料40的床释放，并且可以从分离器36排出（诸如到环境大气、制冷回路外部）中。然而，应当理解，在其它实施例中，吸附剂材料的床可以经由施加正压或负压来恢复。
在一些实施例中，孔隙尺寸的特征可在于具有从2.5Å至10.0Å的平均孔隙尺寸的孔隙尺寸分布，以及至少0.1Å的孔隙尺寸分布。在一些实施例中，多孔材料的平均孔隙尺寸可以在具有2.5Å至4.0Å的下端和2.6Å至10.0Å的上端的范围内。在一些实施例中，平均孔隙尺寸可以在具有2.5Å、3.0Å、3.5Å的下端和3.5Å、5.0Å或6.0Å的上端的范围内。这些范围端点可独立地组合以形成多个不同的范围，并且据此公开了范围端点的每种可能组合的所有范围。材料的孔隙率可以在具有5%、10%或15%的下端和85%、90%或95%（体积百分比）的上端的范围内。这些范围端点可独立地组合以形成多个不同的范围，并且据此公开了范围端点的每种可能组合的所有范围。
在一些实施例中，微孔材料可以被配置为纳米片，诸如例如沸石纳米片。沸石纳米片粒子可以具有以下厚度：从2至50nm、更特定地从2至20nm、并且甚至更特定地从2nm至10nm。沸石（诸如沸石纳米片）可以由各种沸石结构中的任一种形成，所述各种沸石结构包括但不限于框架类型MFI、MWW、FER、LTA、CHA、FAU，以及前述框架与彼此的混合物或与其它沸石结构的混合物。在一组更特定的示例性实施例中，沸石（诸如沸石纳米片）可以包括选自MFI、MWW、FER、LTA、CHA框架类型的沸石结构。沸石纳米片可以使用已知技术（诸如沸石晶体结构前体的剥离）来制备。例如，MFI和MWW沸石纳米片可以通过在溶剂中用声波处理层状前体（分别为多层硅沸石-1和ITQ-1）来制备。在声波处理之前，沸石层可以可选地例如用碱和表面活性剂的组合来溶胀，和/或与聚苯乙烯熔融共混。沸石层状前体通常使用用于制备微孔材料的常规技术（诸如溶胶-凝胶法）来制备。
原动机50（诸如例如真空泵或压缩机）可以选择性地耦合到多个分离器36中的每一个上。原动机50可以用于改变分离器36内的压力，并从而控制由吸附剂材料40的床所执行的吸附。备选地，或另外，可以使用诸如由热源51所产生的热量来控制由吸附剂材料40的床所执行的吸附（参见图3）。例如，热量可以用作吸附剂材料40的吸附或恢复的驱动力。在这样的实施例中，热源51可以位于分离器36内，或者备选地可以位于远离分离器36的吸附剂材料40但与其热连通。在所示的非限制性实施例中，第一阀52被布置在净化收集器32的出口54和净化系统30的多个分离器36中的每一个的入口端42之间。第一阀52可操作以控制净化气体到多个分离器36中的全部或仅一部分的流动。
阀56可类似地被布置在多个分离器36中的每一个的出口端44附近，阀56被布置在分离器36的出口端44和管道58之间的接口处，管道58用于使富制冷剂的净化气体返回到制冷剂流体循环回路且特定地返回到冷却器或蒸发器18。
控制器60可操作地耦合到原动机50和净化系统30的多个阀52、56。在实施例中，控制器60接收系统数据（例如，压力、温度、质量流率）并且响应于系统数据来操作净化系统30的一个或多个组件。
在实施例中，净化气体被同时提供给净化系统30的多个分离器36。备选地，在不同的操作阶段期间，净化气体可被提供给不同的分离器36，从而允许净化系统30的连续操作。例如，参考图3，示出了净化系统30的第一操作阶段。如图所示，在第一操作阶段，阀52被定位成将净化气体流从净化收集器仅引至第一分离器36。布置在第一分离器36A的出口端44处的阀56被构造成使得原动机与第一分离器36A连通。因此，原动机50的操作增加了作用在第一分离器36内的吸附剂材料40的床上的压力。当净化气体被提供给第一分离器36A时，净化气体内的污染物（诸如例如氧气或空气）被吸附剂材料40的床吸附，并且制冷剂通过吸附剂材料40的床。从第一分离器36A输出的富制冷剂的净化气体然后具经由管道58返回到制冷回路。在该第一操作阶段期间，第二分离器36B处于大气压力下。结果，先前由其中的吸附剂材料40的床所吸附的任何污染物或空气被释放。布置在第二分离器36B的出口端44的阀56被定位成将污染物流引向原动机50，以从净化系统30向外排出。
一旦第一分离器36A内的吸附剂材料40的变得饱和，控制器60就将通过调节上游阀52和下游阀56的位置而将净化系统30转换到第二操作阶段，在实施例中，控制器60被配置成响应于净化信号而在各个操作阶段之间转变。可以根据各种标准生成净化信号。在一些实施例中，净化信号可响应于由控制器电路所跟踪的预定时间量的流逝（例如，简单的时间推移、或跟踪的操作小时）。在一些实施例中，可以响应于人类操作员输入而生成净化信号。在一些实施例中，净化信号可以响应于制冷剂流体流动回路（诸如压力传感器）的测量参数。
在第二操作阶段中，如图4中最佳示出的，阀52被构造成将从净化收集器32输出的整个净化气体流引向第二分离器36B。在第二分离器36B内，净化气体内的污染物（诸如例如氧气或空气）被吸附剂材料40的床所吸附，并且制冷剂通过吸附剂材料40的床。从第二分离器36B输出的富制冷剂的净化气体然后经由管道58返回到制冷回路。在该第二操作阶段期间，第一分离器36A通过释放先前吸附在其中的污染物和/或空气而恢复。一旦第二分离器36B内的吸附剂材料40的床变得饱和，控制器60将使净化系统30转换回到第一操作阶段，在此期间第二分离器可恢复。
术语“约”旨在包括与基于提交本申请时可用的设备的特定量测量相关联的误差度。
本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，且不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一（a、an）”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解，术语“包括（comprise和/或comprising）”在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件组件和/或其群组的存在或添加。
尽管已经参考一个或多个示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适于本发明的教导。因此，旨在本公开不限于作为被设想用于实施本公开的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求范围内的所有实施例。

Claims (25)

1.一种制冷系统，包括；
蒸汽压缩回路；
与所述蒸汽压缩回路连通的净化系统，所述净化系统包括至少一个分离器，所述分离器包括吸附剂材料，当驱动力被施加到所述吸附剂材料时，所述吸附剂材料用于将污染物从被提供自所述蒸汽压缩回路的制冷剂净化气体中分离。
2.根据权利要求1所述的制冷系统，还包括原动机，所述原动机选择性地耦合到所述至少一个分离器以将所述驱动力施加到所述吸附剂材料。
3.根据权利要求2所述的制冷系统，其中，所述原动机是真空泵。
4.根据权利要求1所述的制冷系统，其中，所述至少一个分离器被布置成与所述蒸汽压缩回路流体连通。
5.根据权利要求4所述的制冷系统，其中，所述蒸汽压缩回路包括通过导管连接的压缩机、排热热交换器、膨胀装置和吸热热交换器。
6.根据权利要求5所述的制冷系统，其中，通过所述吸附剂材料的制冷剂返回到所述排热热交换器和所述吸热热交换器中的至少一个。
7.根据权利要求5所述的制冷系统，其中，所述净化系统还包括净化气体收集器，所述净化气体收集器与所述排热热交换器和所述吸热热交换器中的至少一个以及所述至少一个分离器连通。
8.根据权利要求7所述的制冷系统，其中，所述净化气体收集器包括其中的净化气体，所述净化气体包括制冷剂气体和污染物。
9.根据权利要求2所述的制冷系统，其中，所述至少一个分离器包括并联布置的第一分离器和第二分离器。
10.根据权利要求9所述的制冷系统，还包括流控制阀，所述流控制阀布置在所述第一分离器和所述第二分离器两者的入口端的上游，所述流控制阀选择性地可控制以将流引导向所述第一分离器和所述第二分离器中的一个。
11.根据权利要求9所述的制冷系统，还包括第一阀，所述第一阀布置在所述第一分离器的出口端的下游，其中所述第一阀在第一位置和第二位置之间可移动。
12.根据权利要求11所述的制冷系统，其中，当所述第一阀处于所述第一位置时，所述原动机被连接至所述第一分离器，并且所述第一分离器的所述出口端与所述蒸汽压缩回路流体连通。
13.根据权利要求12所述的制冷系统，其中，当所述第一阀处于所述第二位置时，所述第一分离器处于环境压力，并且所述吸附剂材料被恢复。
14.根据权利要求10所述的制冷系统，还包括控制器，所述控制器可操作地耦合到所述流控制阀和所述原动机。
15.根据权利要求14所述的制冷系统，其中，所述控制器可操作以响应于净化信号而使所述流控制阀在第一位置与第二位置之间转换。
16.根据权利要求15所述的制冷系统，其中，所述净化信号响应于预定时间量的流逝而被生成。
17.根据权利要求15所述的制冷系统，其中，所述净化信号响应于蒸汽压缩系统的测量参数而被产生。
18.根据权利要求1所述的制冷系统，其中，所述至少一个分离器的所述吸附剂材料被布置在床中。
19.根据权利要求1所述的制冷系统，其中，所述至少一个分离器的所述吸附剂材料被布置在多个床中。
20.根据权利要求1所述的制冷系统，还包括与所述至少一个分离器的所述吸附剂材料热连通的热源。
21.根据权利要求20所述的制冷系统，其中，所述热源可操作以生成施加到所述吸附剂材料的所述驱动力。
22.一种操作制冷系统的方法，包括；
使制冷剂循环通过蒸汽压缩回路，所述蒸汽压缩回路包括压缩机、排热热交换器、膨胀装置和吸热热交换器；
从所述蒸汽压缩回路收集包含污染物的净化气体；以及
将所述净化气体提供给由原动机加压的分离器，以允许制冷剂通过吸附剂材料并且允许在所述分离器内吸附污染物。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括在定位于所述蒸汽压缩回路和所述分离器之间的净化气体收集器中收集所述净化气体。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括使已经通过所述吸附剂材料的制冷剂返回所述蒸汽压缩回路。
25.根据权利要求23所述的方法，还包括调节所述分离器的压力以恢复所述吸附剂材料。
CN201980041011.5A 2018-12-03 2019-11-27 增强的制冷净化系统 Pending CN112334720A (zh)

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