專利名稱：帶有蒸汽-液體分離器的墜落液膜蒸發(fā)器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及一種用于一制冷系統(tǒng)之中的墜落液膜蒸發(fā)器。本發(fā)明尤其涉及一種用于一壓縮制冷系統(tǒng)的墜落液膜蒸發(fā)器，最好是包括一在蒸發(fā)器容器里面的蒸汽-液體分離器。
背景技術：
壓縮制冷、速凍、熱力泵機以及有關設備，一般應用含氯氟烴(CFC)、含氫氟烴(HFC)、各種代替或代換制冷劑，在本技術領域中是公知的。(所有這類設備在此將一般地簡稱作“制冷機”)。一壓縮制冷機的主要部件是一膨脹閥、一蒸發(fā)器、一壓縮機和一冷凝器，順序連接以構成一個封閉的制冷劑回路。
在壓縮制冷機中，制冷劑可以是一種共沸物。這意味著，制冷劑當它氣化或冷凝時可能被分餾成為具有不同組份的各單獨的成分。制冷劑在其液體或蒸汽形式中的組份是相同的。
壓縮制冷機的蒸發(fā)器是一專用的換熱器。在操作中，液體制冷劑經(jīng)由一膨脹閥分配進入蒸發(fā)器。一種有待冷卻的流體單獨地送入蒸發(fā)器。此有待冷卻的流體攜帶著制冷機預定要予以冷卻的熱負載。蒸發(fā)器把熱量從熱負載傳送給液體制冷劑。
例如，蒸發(fā)器中有待冷卻的流體可以在一束具有導熱管壁的管子路程之內(nèi)流過蒸發(fā)器，而進入蒸發(fā)器的流體制冷劑可以分配在管束的外部。管束的外部可以看作是一種換熱表面。蒸發(fā)器中的各種條件安排得致使熱量可以有待冷卻的流體通過此換熱表面被傳送到制冷劑。這種熱量沸騰和/或氣化制冷劑，形成一種制冷劑蒸汽。
制冷劑蒸汽依靠壓縮機的泵送動作從蒸發(fā)器被排放出去。壓縮機還可壓縮制冷劑，形成一種較為濃密的蒸汽。壓縮過程可加熱蒸汽，從而防止它在此時冷凝。經(jīng)過壓縮的蒸汽隨后被傳輸?shù)嚼淠鳎死淠魑挥谂蛎涢y的高壓側與壓縮機的高壓側之間。
冷凝器是另一專用換熱器。冷凝器可以把由于壓縮制冷劑而產(chǎn)生的熱量和從蒸發(fā)器所接收到的熱負載傳送到一熱槽，諸如環(huán)境大氣、地下水或類似場所。隨著經(jīng)過壓縮的蒸汽冷卻下來，它凝結成為液體形態(tài)。最后，冷卻過和冷凝后的制冷劑通過膨脹閥，因而制冷劑壓力和溫度得以降低和循環(huán)得以重復。
壓縮制冷機的一個特點是，一般，在蒸發(fā)器中，攜帶熱負載的一束管子浸沒在靜止的液體制冷劑之中。這一類型的蒸發(fā)器稱作“溢流式蒸發(fā)器”。Sand等人的美國專利4829786是這一類型蒸發(fā)器的范例，被委托給本發(fā)明的受托人，并且在此引入作為參考。
壓縮制冷機的另一特征是，用于潤滑壓縮機的油劑與制冷劑一起流通，并收集在蒸發(fā)器之中。這種情況的發(fā)生是由于油劑比起制冷劑來不易揮發(fā)。因而，當制冷劑作為一種蒸汽離開蒸發(fā)器時，不易揮發(fā)的油劑就隨后留了下來。在一種采用溢流式蒸發(fā)器的系統(tǒng)中，大多數(shù)潤滑油與蒸發(fā)器之中添加的液體制冷劑混合。這種油劑并非良好的制冷劑，會妨礙傳熱，并會妨礙它執(zhí)行主要任務潤滑壓縮機。
另一公知類型的制冷機是一吸收制冷機。吸收制冷機在好幾方面都不同于壓縮制冷機。一項差別是，吸收制冷機使用一種復合或非共沸制冷劑。另一差別是，吸收制冷機在制劑回路中包含一發(fā)生器和一吸收器。
許許多多的復合或非共沸制冷劑族系可以用在吸收制冷機之中。氨/水族系和溴化鋰/水族系是兩種范例。非共沸制冷劑趨向于在制冷機運作期間分餾成兩種成分—一種易于揮發(fā)的和一種不易揮發(fā)的成分。此兩種成分在發(fā)生器中分離開來，循著不同路徑經(jīng)過設備，而后在吸收器中重新結合。
在吸收制冷機的發(fā)生器與吸收器之間，分離出來的制冷劑易于揮發(fā)的成分解經(jīng)其功能比得上壓縮機的冷凝器和蒸發(fā)器的一冷凝器和一蒸發(fā)器。由于不向吸收制冷機中供給任何潤滑油，因而潤滑油不趨向于聚集在其蒸發(fā)器之中。
在吸收設備中，蒸發(fā)器是一種墜落液膜蒸發(fā)器，具有一些鉛直的或水平的管子，從一水平方向被噴淋。有待冷卻的流體一般被傳送通過一束管子的內(nèi)部。實際上，液體制冷劑，在一吸收系統(tǒng)中一般是水，由一噴淋器沿水平方向予以噴淋，致使它接觸管束的外部。此管束安排得可使制冷劑會從管束頂部到底部順著換熱表面向下流動。不是對于液體制冷劑數(shù)量從事優(yōu)化，而是大量的制冷劑過度噴淋到鉛直的各管上面。此管束可包括各鉛直管段、各水平管段、大體上沿圓周圍繞一鉛直軸線延伸的螺線管圈，其他各種結構，或者這一切的各種組合。
美國專利4918944(Takahashi等人)是一種墜落液膜蒸發(fā)器的范例。其他一些可能有關的專利是美國專利3213935(Reid)，美國專利3240265(We11er)，美國專利3267693(Richardson等人)，以及美國專利5036680(Fujiwara等人)。
壓縮制冷機也可以使用直接膨脹(DX)蒸發(fā)器，其中制冷劑在一管筒之內(nèi)，而被冷卻的流體在管筒外面。在一DX蒸發(fā)器之中的回油裝置不同于溢流式蒸發(fā)器，而DX蒸發(fā)器一般用于需要冷卻500頓或以下的場合，因為對于較高噸位需要雙重流程或降低額定值。
因而壓縮制冷機區(qū)別于吸收制冷機的是所使用的制冷劑(共沸的對非共沸的)，用以使制冷劑返回其初始狀態(tài)的裝置(亦即機械壓縮機對發(fā)生器)；所采用的蒸發(fā)器類型(只是溢流式用于壓縮系統(tǒng)對二者中之任一類型用于吸收系統(tǒng))；只是壓縮制冷機在蒸發(fā)器中有以其他各種方式不適當?shù)厥占瘽櫥偷内厔荨?br> 溢流式蒸發(fā)器具有其設計上的一些明顯缺點。它們要比墜落液膜裝置使用較多的制冷劑和較多的潤滑油，從而增加了裝置的成本。再者，在蒸發(fā)器容器底部處的液體制冷劑，因為來自蒸發(fā)器容器中液體制冷劑的液體靜壓頭或壓力，將只在較高溫度下沸騰和氣化，因為蒸發(fā)器容器底部附近的液體制冷劑只在較高的溫度度下沸騰，因而發(fā)生較少氣化和由制冷機排除較少熱量。這就使制冷機效率較低。其次，捕集在一壓縮制冷機溢流式蒸發(fā)器之中的潤滑油難于分離，因為加注的制冷劑在蒸發(fā)器中是湍流的。湍流趨向于連續(xù)的混合潤滑油與制冷劑，妨礙它們的分離。
目前的墜落液膜蒸發(fā)器其本身具有一些缺點。許多墜落液膜蒸發(fā)器投放過多的制冷劑在管束上以確保換熱表面從頂部到底部的完全浸濕。多余的液體制冷劑，不可避免地抵達蒸發(fā)器容器的底部，聚集在一貯池之中，然后從貯池重新循環(huán)到管束的頂部。這種重新循環(huán)、墜落液膜系統(tǒng)歷來不適合與壓縮制冷機一起使用，因為制冷劑的重新循環(huán)會在管束下面部分和貯池之中留下較高比例夾帶潤滑油的混合物。這種混合物可能包含高濃度的潤滑油，因為，如果工作正常，蒸發(fā)器容器之中的大多數(shù)制冷劑在抵達蒸發(fā)器底部之前就已經(jīng)氣化了。遺憾的是，在這種系統(tǒng)中重新循環(huán)布滿該系統(tǒng)中換熱表面上的富含潤滑油的混合物會降低系統(tǒng)效率，因為厚厚地分布而布滿換熱表面的潤滑油會降低該系統(tǒng)氣化制冷劑的能力。因而，墜落液膜蒸發(fā)器，以及特別是重新循環(huán)墜落液膜蒸發(fā)器，歷來不被用于壓縮制冷系統(tǒng)之中。
墜落液膜蒸發(fā)器的另一共同問題是液體制冷劑分配的精確控制。大多數(shù)墜落液膜蒸發(fā)器把液體制冷劑噴淋到換熱表面上面(一般是一系列攜帶著有待冷卻的液體的管子)。受到噴淋的液體制冷劑趨向于濺離表面，從而減少了制冷劑與換熱表面之間接觸的密切程序。因為制冷劑與換熱表面的接觸不很密切，它將具有較少機會沸騰并從構成換熱表面的管子里面的液體中排除熱量。此外，如果換熱表面是一疊沿水平方向設置的管子，就難以控制液體制冷劑順著各管長度軸向分配。因而，換熱表面的某些部分得以冷卻，而另外一些則不能。最后，受到噴淋的制冷劑的許多液滴可在制冷劑之中形成一種輕霧或懸浮微粒，能夠被吸進并損害制冷系統(tǒng)的壓縮機。
在Fujiwara等人的美國專利第5036680號中，離開膨脹閥的加壓液體制冷劑在蒸發(fā)器容器外面的蒸汽一液體分離器中被分離成為液體和蒸汽兩相。液體制冷劑隨后經(jīng)由一條管道被傳送到蒸發(fā)容器并被分配在換熱表面上面，而制冷劑蒸發(fā)則單獨地被送往蒸發(fā)器的出口。
具有外部分離器的系統(tǒng)必須通過一條管道把液體制冷劑傳送過一段距離而將其帶入蒸發(fā)器容器。因為液體制冷劑接近其沸點，所以由于兩種原因而難以通過一條管道均勻地予以傳送。首先，管道具有較大的與環(huán)境大氣接觸的表面面積。此管道因而能夠接受環(huán)境熱量并氣化流體制冷劑，在液體制冷劑之中形成氣液或泡沫而妨礙液體制冷劑在管道內(nèi)均勻流動。其次，從分離器到蒸發(fā)器的管道一般總不是直線行程。各種彎頭、接頭和類似管件在管道中形成一些區(qū)域，可能在該處聚集氣泡和泡沫并因而更加妨礙制冷劑的有效分配。
另外，蒸汽一液體分離器據(jù)有蒸發(fā)容器外面的空間，從而增大了整個系統(tǒng)的尺寸。最后，采用一單獨的蒸汽一液體分離器的系統(tǒng)通常成本是高的，因為分離器容器，象蒸發(fā)器容器一樣，必須建造得并被證明可以承受高壓。
發(fā)明概述本發(fā)明的一項目的、特性和優(yōu)點是，實施一種帶有一墜落液膜蒸發(fā)器的壓縮制冷機，此蒸發(fā)器不在蒸發(fā)器之內(nèi)再循環(huán)潤滑油而布滿一換熱表面，而是代之以允許潤滑油直接從蒸發(fā)器中泄放出去。
本發(fā)明的一項目的、特性和優(yōu)點是，控制液體制冷劑在一墜落液膜蒸發(fā)器之中的噴灑，以便盡量減少制冷劑飛濺和盡量延長制冷劑接觸換熱表面的時間。
本發(fā)明的一項目的、特性和優(yōu)點是，有效地控制在墜落液膜蒸發(fā)器中液體制冷劑沿著換熱表面的軸向分配。
本發(fā)明的一項目的、特性和優(yōu)點是，盡量減少制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器中所噴淋的、能被吸進并損害該系統(tǒng)壓縮機的制冷劑數(shù)量。
本發(fā)明的一個方面是一種包括一蒸發(fā)器和一壓縮機的制冷系統(tǒng)。蒸發(fā)器包括一壓力容器、一制冷劑液面調(diào)節(jié)器、一批蒸發(fā)管、一液體制冷劑分配器，以及一潤滑油回收裝置。該壓力容器具有一制冷劑輸入端和一輸出端。制冷劑液面調(diào)節(jié)器可以把在壓力容器之內(nèi)的液體制冷劑的頂部表面保持在一名義高度處。一批蒸發(fā)管設置在壓力容器之內(nèi)。這批管子包括一位于蒸發(fā)器中制冷劑名義高度以上的上部換熱表面和一位于蒸發(fā)器中制冷劑名義高度以下的下部換熱表面。該液體制冷劑分配器用于將取自制冷劑輸入端的制冷劑淋濕一批蒸發(fā)管的上部換熱表面，并把所述下部換熱表面浸沒在取自所述制冷劑輸入端的制冷劑之中。所述液體制冷劑分配器適于把所述壓力容器之內(nèi)的液體制冷劑在所述蒸發(fā)器以其額定容量動作期間保持在一基本上不變的液面上，而不需從所述下部換熱表面浸沒其中的液體制冷劑傳送制冷劑，使之接觸所述上部換熱表面。潤滑油回收裝置可把富含潤滑油相從壓力容器之內(nèi)的液體制冷劑中挪往壓力容器外面的某處。
這樣一種系統(tǒng)可通過在上部換熱表面處的氣化而從潤滑油中分離多數(shù)的制冷劑，從而濃縮蒸發(fā)器底部處的潤滑油，在那里它可容易地從蒸發(fā)器內(nèi)被清除掉。上述系統(tǒng)還不重復循環(huán)潤滑油而布滿蒸發(fā)器內(nèi)的換熱表面，這樣本來會降低該系統(tǒng)氣化“墜落液膜”制冷劑的能力。此外，上述系統(tǒng)可自上部換熱表面處的墜落液膜中和自下部換熱表面處的靜止液池中氣化冷劑。
在本發(fā)明的一個實施例中，液體制冷劑分配器把液體制冷劑噴淋到一個或多個網(wǎng)篩上。這些網(wǎng)篩可沿側向分配液體制冷劑，濃縮上部換熱表面頂部上方的液體制冷劑，因而把液體制冷劑直接滴落到制冷劑在那里發(fā)生氣化的上部換熱表面上。這樣一種系統(tǒng)可以盡量減少制冷劑濺潑和蒸發(fā)器中所噴淋的、能被吸進并損害壓縮機的制冷劑數(shù)量。此外，該系統(tǒng)可盡量加強制冷劑與換熱表面之間接觸的密切性。
本發(fā)明的另一方面是一臺冷卻設備，它包括一蒸發(fā)器容器、一膨脹閥、一液體制冷劑噴淋器和一制冷劑分離器。蒸發(fā)器容器具有一制冷劑輸入端、一制冷劑輸出端、一自由空間和一批整體地設置在自由空間以下的蒸發(fā)管。膨脹閥具有一輸入端，并還具有一連通于蒸發(fā)器容器制冷劑輸入端的輸出端。制冷劑分離器位于蒸發(fā)器自由空間之內(nèi)。它具有一連通于膨脹閥輸出端的制冷劑分離器輸入端，一單獨容積，一連通于分離容積與自由空間之間的蒸汽輸出端，以及一匯集液體制冷劑并連通于分離容積與液體制冷劑噴淋器之間的泄放口。這樣，該系統(tǒng)不需要一單獨的用于蒸汽一液體分離器的壓力容器。這樣一種系統(tǒng)比起采用單獨蒸汽一液體分離器的系統(tǒng)來要便宜一些。此外，這種系統(tǒng)不需要把一種易于經(jīng)受沸騰的液體制冷劑傳送到蒸發(fā)器。
本發(fā)明的另一方面是一臺裝置，用于沿著一大體上水平的表面均勻地分配一種受噴淋的液體。此裝置包括一大體上水平的外管和一噴淋內(nèi)管。該外管由一空間包圍并由一封圍外部環(huán)腔的管壁限定。此管壁具有一內(nèi)表面，被一沿軸向延伸的槽孔切斷，此槽孔穿通管壁而順著管子的下部延伸，并連通于外部環(huán)腔與空間之間。內(nèi)管位于外管之內(nèi)并具有一液體輸入孔口和至少一個連通于內(nèi)腔與外部環(huán)腔之間的孔眼。此孔眼設置成可把液體從內(nèi)腔噴灑到外管的內(nèi)表面上。
應用在采用于墜落液膜蒸發(fā)器的制冷機之中的這樣一種系統(tǒng)，可以控制液體制冷劑的噴淋以盡量減少制冷劑飛濺和盡量加強制冷劑與換熱表面之間接觸的密切性。應用在一墜落液膜蒸發(fā)器之中的這樣一種系統(tǒng)，還可以盡量減少在蒸發(fā)器之中所噴淋的、能被吸進和損害壓縮機的制冷劑數(shù)量。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明的壓縮制冷系統(tǒng)的簡略側視圖。
圖2是本發(fā)明的蒸發(fā)器和液-氣分離器總成的、沿圖1 2-2線所取的剖面圖。
圖3是類似于圖1的液-氣分離器的分離出來的切開視圖。
圖4是類似于圖2的液-氣分離器和枝狀噴淋分配裝置的破碎視圖。
圖5是類似于圖1的本發(fā)明蒸發(fā)器和液-氣分離器的分離出來的詳細示圖。
圖6是圖2的枝狀噴淋分配裝置的分離出來的簡略頂視圖。
圖7是一單獨的枝狀噴淋分配裝置和一單獨的蒸發(fā)管的、如圖2取向的分離出來的放大剖面圖。
圖8A是蒸發(fā)管第一選擇方案的如圖2取向的分離出來的剖面圖。
圖8B是蒸發(fā)管第二選擇方案的如圖2取向的分離出來的剖面圖。
圖9是圖2枝狀噴淋分配裝置的另一實施例的示意剖面圖。
圖10是圖4枝狀噴淋分配裝置的另一實施例的詳細透視示意圖。
圖11是圖10網(wǎng)篩裝置的另一實施例的分離出來的切開示意圖。
圖12是圖10網(wǎng)篩裝置的又一實施例的類似于圖11的視圖。
圖13是圖1另一實施例的簡略側視圖。
優(yōu)先實施例詳述雖然本發(fā)明將結合某些優(yōu)先實施例予以說明，但應當理解，本發(fā)明并不局限于這些實施例。本發(fā)明包含處在由所附權利要求書所限定的本發(fā)明的精神與范疇之內(nèi)的所有可供選擇的方案、變型和等同方案。
圖1表明一種壓縮制冷系統(tǒng)，總的以1標示。在該優(yōu)先實施例中，壓縮制冷系統(tǒng)1包括一螺旋壓縮機2、一對油分離器3和4、一冷凝器5、一副冷卻器6、一膨脹閥7、一墜落液膜蒸發(fā)器8，以及一潤滑油泵9。螺旋壓縮機2的輸出端10和11分別由蒸汽制冷劑管路12和13連接于油分離器3和4的輸入端14和15。油分離器3和4具有蒸汽輸出端16和17，經(jīng)由管路18和19連接于冷凝器輸入端20和21。
冷凝器5具有一輸出端22，把經(jīng)過冷凝的液體制冷劑經(jīng)由一冷凝器輸出管路23排送至副冷卻器6。副冷卻器6具有液體制冷劑輸入端24，由管線23連接于一冷凝器輸出端22，以及一液態(tài)制冷劑輸出端31，由制冷劑管路32連接于膨脹閥7。副冷卻器6還包括一整體式油冷卻器，具有一潤滑油輸入端25，由管線26連接于油分離器潤滑油輸出端27、28；以及一輸出端72，經(jīng)由管線29連接于壓縮機潤滑油輸入端30。冷卻器5和副冷卻器6二者都可把從制冷劑或是潤滑油之中排除的熱量傳送到一熱槽33。膨脹閥7連接在通向墜落液膜蒸發(fā)器8的管線32之中。
以下結合圖2較為詳細說明墜落液膜蒸發(fā)器8各主要部件是一自由空間34、一蒸汽一液體分離器35、一制冷劑蒸汽輸出端36、一枝狀噴淋分配裝置37，以及一批蒸發(fā)管38。膨脹閥7流體連通于蒸汽一液體分離器35，它本身又流體連通于枝狀噴淋分配裝置37。墜落液膜蒸發(fā)器具有一潤滑油回收輸出端39，由管線40連接于泵機9的輸入端41。一潤滑油回收管線42連接于泵機9的輸出端43并引向制冷劑/潤滑油壓縮機輸入管線(吸入管線)44。制冷劑/潤滑油壓縮機輸入管線44連接于壓縮機輸入端45。一熱負荷46，在墜落液膜蒸發(fā)器8之外，流體連通于一批蒸發(fā)管38。
轉向圖2，可以看到墜落液膜蒸發(fā)8內(nèi)部結構的較多細節(jié)。蒸發(fā)器8裝在壓力容器47之內(nèi)。壓力容器47設計得可以承受由于制冷劑在自由空間34之中的蒸發(fā)而生成的壓力，以及可能聚集在蒸發(fā)器底部的可能最深的液體制冷劑池潭的重量和液體靜壓力。
如圖2和3所示，設置在壓力容器47的一蒸發(fā)-液體分離器35具有一制冷劑分離器輸入端48、一分離容積49、一制冷劑蒸汽輸出端50，以及一液體制冷劑泄放口51。再轉向圖2，膨脹閥7連通于制冷劑分離器輸入端48，要使制冷劑進入分離容積49并分離成為蒸汽和液體。蒸汽-液體分離器35最好是具有一漸縮形狀(在此情況下是一“V”形，類似一經(jīng)過良好切割的鉆石的軸向截面)。這一形狀在它上部形成了一個較大的容積49，以盛放大量蒸汽制冷劑而沒有壓力積累。這一形狀還在其底部附近形成一相對較小的匯集容積52，其深度足以使一包含少量液體制冷劑的池潭會提供充分的液體靜壓頭以噴淋液體制冷劑。
在圖5中可以最清楚地看到，蒸汽輸出端50位于基本上沿水平方向遠離制冷劑分離器48的地方，以便允許蒸汽制冷劑在進入自由空間34之前具有適當?shù)目臻g和時間從液體制冷劑中分離出來。此外，蒸汽-液體分離器35的蒸汽輸出端50位于基本上沿水平方向遠離壓力容器47的制冷劑蒸汽輸出端36的地方并具有一夾置在分離容積49與自由空間34之間的濾網(wǎng)53。此濾網(wǎng)可捕集濺沫和夾帶在制冷劑蒸汽之中的液滴，并且還可以把尺寸定得能在匯集于蒸汽-液體分離器底部的液體制冷劑頂部上形成一微小的“背壓”。這一背壓，結合保持在匯集容積52之中的靜止池潭的液體靜壓力，將液體制冷劑推出蒸汽-液體分離器35的泄放口51。液體靜壓頭還可使得已飽和液體流出分離器并通過各分配管而不急驟蒸發(fā)，從而維持可促進和增強向墜落液膜管束的均勻分配的單相流動。
再轉向圖2，蒸汽-液體分離器35液體連通于一枝狀噴淋分配裝置37并設置在其上方，此裝置本身又位于包含著有待冷卻的流體的一批基本上水平的蒸發(fā)管38的上方。
枝狀噴淋分配裝置37，還分隔地示于圖6，包括一支管54和一系列諸如55的水平分配管。參看圖2、6和7，每一諸如55的分配管平行于、緊鄰于，并正好居于這批蒸發(fā)管38的諸如56的一根最上管子的上方。支管54，經(jīng)由一系列諸如示于圖6之中的57這樣的液體輸入孔口，液體連通于各水平分配管55。
圖7表明一根水平分配管55的更多細節(jié)。管子55由一封圍著一外部環(huán)腔59的外部管壁58構成。外部管壁58具有一沿軸向伸展的穿過外部管壁58的槽孔60，允許流體從外部環(huán)腔59滴到一蒸發(fā)管56上面。槽孔60基本上可伸展達到管子55的長度。以直角沿著槽孔60伸出兩個向下伸展的凸緣61，用于形成墜落液體制冷劑，致使它可以以基本上相等的數(shù)量流下管子56的兩側。在另外一項實施例中，槽孔60可以用許多沿著管子55底部排列的等距小孔(未畫出)來代替。在這種情況下，凸緣61可以做成為一些套管(未畫出)。
設置在外部環(huán)腔59之中的有一內(nèi)管62，具有一內(nèi)腔63；一液體輸入孔口57(示于圖6)，流體連通于支管54，以及一系列諸如64的沿軸向間隔開來的孔眼，在內(nèi)腔63與外部環(huán)腔59之間構成連通?？籽?4的尺寸定得可把經(jīng)由內(nèi)腔63供給的液體制冷劑噴向內(nèi)壁65。
多種實施方案，諸如各噴嘴、開孔或凸緣可以用來代替各孔眼64。同樣，單獨一條槽孔或者開孔可以用來代替多個孔眼64。另外，可以按照所需使用許多制冷劑噴灑孔眼64以便沿著分配管的內(nèi)表面65順軸向分配液體制冷劑。同樣，制冷劑噴霧無須針對在內(nèi)管62正上方的內(nèi)表面。制冷劑噴霧可以代之以針對一側壁或者沿軸向伸展的槽孔60處。此外，取決于內(nèi)管62里面的制冷劑流動特性，各噴灑孔眼64的間隔可以是等距的或是不等距間隔的。在某些情況下，隨著離開液體輸入孔口57的距離增大，可能需要各孔眼64的間隔越來越密。這一點在圖6中表明為各孔眼64A。在其他一些情況下，隨著離開液體輸入孔口57的距離減小，可能需要各孔眼64的間隔越來越密。這一點在圖中表明為各孔眼64B。
圖2表明一批蒸發(fā)管38排列成一系列鉛直疊置起來的、沿水平方向設置的諸如56、66、以及67的多根管道。每一鉛直疊層具有一最上部管件，諸如56，此管件居于一分配管55的下方。
一批蒸發(fā)管38最好是構造相同的，但可以劃分為一上部換熱表面68和一下部換熱表面69。上部換熱表面68以墜落液膜方式進行操作，此時每根管子56、66、67暴露于此特定管子可能蒸發(fā)的過量制冷劑中。因而，過量的制冷劑供給上部換熱表面68之中的每根管子，以及過量的制冷劑匯集在下部換熱表面69的周圍。在通常的各墜落液膜蒸發(fā)器中，過量的制冷劑匯集在墜落液膜蒸發(fā)器的底部處，在那里，匯集起來的制冷劑由一泵機重新流通而返回墜落液膜蒸發(fā)器的入口。重新流通的制冷劑隨后被包含在各管子上的液霧之中。在一具有制冷劑和潤滑油混合物的機械式壓縮機中，這種配置，由于潤滑油不以蒸汽形式逸出墜落液膜蒸發(fā)器，可增大潤滑油在墜落液膜蒸發(fā)器之中的百分比。這一問題在本發(fā)明中得以克服，其方式是，給居于池潭71之中的下部換熱表面69增添足夠的能力來蒸發(fā)供向低部一排管子的過量制冷劑，以便維持最佳功能并使得集中起來的潤滑油經(jīng)潤滑油回收出口39被清除出去。因而，本發(fā)明不需要一部再循環(huán)泵機。
上部換熱表面68是由諸如56、66和67各管的外部表面組成的，這些表面位于壓力容器47底部處的制冷劑和潤滑油池潭71的名義水平面70的上方，并構成總容積或傳熱表面積的至少25％。包括上部換熱表面68的各管最好是開出一些水平或是螺旋線槽。這些槽有助于沿著各管的水平軸線分配墜落的液體制冷劑，使制冷劑與換熱表面之間的接觸面最大。這樣就使制冷劑具有最多的時間進行蒸發(fā)并排除熱量。諸如以商品名稱WOLVERINE Turbo BII銷售的管件被制成帶有一些溝槽并可以用于構成上部換熱表面68的管子。不過，Turbo BII是一種用于溢流式蒸發(fā)器的最佳管子，尚未在一墜落液膜蒸發(fā)器使用中優(yōu)化。上部換熱表面68的各管外部表面最好相對于薄膜制冷劑換熱進行優(yōu)化。
下部換熱表面69，與上部換熱表面68相反，是由位于池潭71的名義水位70下方的各管的外部表面組成的，并構成傳熱表面總面積或容積的至多25％。在下部換熱表面69中應具有足夠多的管子以蒸發(fā)掉來自上部換熱表面68的過量制冷劑。最好是，在下部換熱表面69中應具有的管子數(shù)是在上部換熱表面68底部一排中所具有的二倍。再有，由于本系統(tǒng)在從潤滑油中分離制冷劑方面并非是百分之百地有效，所以池潭71是既由液體制冷劑也由潤滑油組成的。在最佳情況下，與池潭71之中的潤滑油量相比，液體制冷劑的比例應較小。構成下部換熱表面69的各管外部表面可以是粗糙的，以促進接觸于下部換熱表面69的液體制冷劑形成晶核并開始蒸發(fā)。這種蒸發(fā)會進一步濃縮池潭71之中的潤滑油，同時也對制冷劑產(chǎn)生影響。諸如以商業(yè)名稱Wolverine Turbo BII銷售的管件制造成帶有一些適當?shù)臏喜鄄⒖梢杂糜跇嫵上虏繐Q熱表面69的各管。這種管件對于在諸如出現(xiàn)在池潭71之中的厚膜制冷劑情況下的換熱是接近最佳的。
主要參照圖1，圖1～8的制冷機操作如下。進入壓縮制冷機1輸入端45的共沸制冷劑蒸汽由螺旋壓縮機2予以絕熱壓縮，使之處于較密的蒸汽形式并使之發(fā)熱。經(jīng)過壓縮的發(fā)熱蒸汽經(jīng)由制冷劑蒸汽管線12、13從壓縮機輸出端10、11傳送到油分離器3、4的輸入端14、15。
油分離器3、4可把潤滑油從經(jīng)過壓縮的制冷劑中(在很大的程度上)分離出來。分離出來的潤滑油經(jīng)由潤滑油輸出端27、28離開油分離器3、4并經(jīng)由副冷卻管線26，在此它受到冷卻，而傳送到副冷卻器6，隨后在潤滑油輸入端30處返回螺旋壓縮機2。相反，經(jīng)過加熱的比較濃密的制冷劑蒸汽經(jīng)由兩個輸出端17、16離開油分離器3、4并經(jīng)由管線18、19傳送到冷凝器5。在冷凝器5中，蒸汽經(jīng)過冷卻而冷凝為液體。由于冷凝而從制冷劑中排除的熱量53被傳遞到熱槽33。經(jīng)過冷卻的液體制冷劑就后經(jīng)由冷凝器輸出端22從冷凝器5出來并經(jīng)由輸出管線23傳送到副冷卻器6。
在副冷卻器6中，出自冷凝器5的液體制冷劑和出自油分離器3、4的潤滑油分別地承受額外的冷卻。潤滑油在副冷卻器輸出端72處出來并經(jīng)由副冷卻器管線29被攜帶至壓縮機潤滑油輸入端30。連接油分離器3、4的副冷卻器管線29和26、副冷卻器6和螺旋壓縮機2形成主要的潤滑油路。這一油路的功用是確保壓縮機當它壓縮蒸汽制冷劑時在嚴密密封情況下平穩(wěn)地工作。
因為油分離器3、4并非是百分之百地有效，所以，一種制冷劑和所攜帶的潤滑油(主要是制冷劑)的混合物陸續(xù)地進入冷凝器5、副冷卻器6、膨脹閥7和蒸發(fā)器8。
現(xiàn)在參看圖2，在墜落液膜蒸發(fā)器8里面，進入蒸發(fā)器8的蒸汽和液體制冷劑各組分在蒸汽-液體分離器35中予以分離。參照圖1，進入的制冷劑的蒸汽組分直接經(jīng)由制冷劑蒸汽輸出端36離開墜落液膜蒸發(fā)器8并經(jīng)由制冷劑/潤滑油壓縮機輸入管線44被送往壓縮機輸入端45。
參看圖2、6和7，進入的制冷劑的液體組分由枝狀噴灑分配裝置37分配到一批蒸發(fā)管38上面。
枝狀噴淋分配裝置37操作如下。來自匯集容積52的液體制冷劑從蒸汽液體分離器35的泄放口51并經(jīng)由支管54通過各水平分配管55被分配出去。如圖5和6可見，泄放口51和支管54設置在枝狀噴淋分配裝置37的中心處。這樣可確保液體制冷劑通過各水平分配管55的最為均勻的分配。
轉向圖6和7，處于來自蒸汽-液體分離器35的壓力之下的液體制冷劑流過支管54和液體輸入孔口57而進入內(nèi)腔63并噴灑到水平分配管55的內(nèi)部表面65上面。液體隨后以液膜73的形式沿著水平分配管55的內(nèi)部表面65兩側向下流動并流出如上所述的沿軸向伸展的槽孔60。這一實施例可防止液體制冷劑當它向下被分配到各蒸發(fā)管上時發(fā)生飛濺和方向指錯。
在本發(fā)明中，液體制冷劑將在沿軸向伸展的槽孔60里面形成一些液滴并緩慢地沿著向下伸展的各凸緣61滴下而沖撞在一根最上面的蒸發(fā)管56上面。使用兩個凸緣61可促進形成兩個制冷劑液滴，它們將沖撞各蒸發(fā)管并沿各管的對置兩側向下滑動，以一液膜74布滿盡可能多的管子表面。此實施例在墜落液膜蒸發(fā)器8內(nèi)形成液體制冷劑的有效和均勻分配。在本發(fā)明的第一替代實施例中(示于圖8A)，蒸發(fā)管75可以具有V形尖端76的凸脊或一系列V形尖端76的節(jié)點，以促進在管子中心底部處形成單獨液滴77。這種V形尖端76可以在管子56的制造期間予以滾壓，或者依靠焊接、釬焊或類似技術予以固定。第二替代實施例(示于圖8B)設想出一種管子，具有心狀的橫截面形狀，其中一V形尖端76象在第一替代實施例中那樣發(fā)揮作用，并且其中液體制冷劑匯集在心狀管子56兩凸起91之間的缺口90之中，缺口90可以依靠滾壓管子56而制作出來。
如圖2所示，從諸如55這樣的每一水平分配管滴下的液體制冷劑墜落在鉛直一列蒸發(fā)管56、66、67等等的最上面蒸發(fā)管上。液體制冷劑采取一種墜落液膜的形式。它首先墜落在最上面的蒸發(fā)管56上。部分制冷劑液膜會氣化，從有待于在蒸發(fā)管56內(nèi)部冷卻的液體上帶走熱量。未氣化的制冷劑墜落在下面的下一根管子上，在此情況下，是管子66。同樣，任何未氣化的制冷劑墜落在下一根最上面的管子67上，而這一過程隨著液體制冷劑不斷減弱的液流流向墜落液膜蒸發(fā)器8的底部而繼續(xù)下去。
一當接觸各蒸發(fā)管就會氣化的制冷劑形成蒸汽，經(jīng)由制冷劑蒸汽輸出端36離開墜落液膜蒸發(fā)器8，在輸出端處經(jīng)由制冷劑/潤滑油壓縮機輸入管線44被傳送到螺旋壓縮機2。
當接觸各蒸發(fā)管時并未氣化的制冷劑，以及攜帶在液體制冷劑之中的任何潤滑劑，在壓力容器97的底部處形成一池潭71。一種通常的工業(yè)用液位檢測器78可監(jiān)測池潭71的深度。一控制器79，諸如美國標準公司揣恩分部(Trane division of American Standard Inc.)以商標UCP和UCPII銷售的那種，可響應于液位檢測器78并經(jīng)膨脹閥7節(jié)流兩相制冷劑的流動。如果由位級檢測器78檢測出來的液位太高，控制器79則回關膨脹閥7，從而減小兩相制冷劑送入墜落液膜蒸發(fā)器8的速率。如果由液位檢測器78檢測出來的液位太低，控制器79則開啟膨脹閥7，從而增大兩相制冷劑送入墜落液膜蒸發(fā)器8的速率?？刂破?9可以用以不斷地調(diào)節(jié)進入墜落液膜蒸發(fā)器8的兩相制冷劑的數(shù)量而在大部分或全部時間內(nèi)把制冷劑和潤滑油的池潭71保持在名義液位70處。
不象在一典型的浸沒式蒸發(fā)器之中的液體制冷劑，蒸發(fā)器8底部處的潤滑油池潭71一般不是湍流的。池潭71的湍流低于溢流式蒸發(fā)器的池潭的湍流，因為大多數(shù)制冷劑在到達池潭71之前蒸發(fā)了。相比之下，池潭71產(chǎn)生的蒸發(fā)少于溢流式蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸發(fā)。蒸發(fā)是以使很多液體制冷劑氣化以造成一富含潤滑油的混合物。
因而，泵機9(見圖1)能夠通過一潤滑劑回收輸出端39把富含潤滑油的混合物泵出壓力容器47，并通過制冷劑/潤滑油壓縮機輸入端44使?jié)櫥土魍ǘ祷芈菪龎嚎s機2。富含潤滑油的混合物經(jīng)由潤滑油回收輸出端39離開墜落液膜蒸發(fā)器8。潤滑油經(jīng)由管線40被傳送到泵機輸入端41。泵機9可通過潤滑油回收管線42把潤滑油泵出其輸出端43，并泵入制冷劑/潤滑油壓縮機輸入管線44，從而完成制冷流路。泄放掉的潤滑油在管線44處與制冷劑重新混合，然后進給壓縮機。另外，泄放掉的潤滑油可以直接進給壓縮機潤滑油輸入端30。
在本發(fā)明的一個替代實施例中，液體制冷機以不同方式分配在一批蒸發(fā)管38上面。與采用上述枝狀噴淋分配裝置不同，該替代實施例使用一傳統(tǒng)的噴淋裝置，但不是把液體制冷劑直接噴淋到各蒸發(fā)管上面，此噴啉裝置把液體制冷劑噴淋到一個或多個網(wǎng)篩上。該替代實施例的各主要部件示于圖9和10。
圖9中的許多部件相同于示于詳細表明優(yōu)先實施例的先前各圖中的那些部件。液體制冷劑從蒸汽-液體分離器(未畫出)的泄放口51流出，流過一支管54并自許多枝狀水平分配管55流出。各水平分配管55把液體制冷劑噴淋到一網(wǎng)篩80上，此網(wǎng)篩適于通過液體和蒸汽制冷劑。如圖10和9二者所示，網(wǎng)篩80是波紋或波浪狀的，形成大體上平行的波峰81和波谷82。
特別參看圖10，網(wǎng)篩80的設置可使每一波谷82大體上平行于并恰好位于上部換熱表面68(圖9)的一根最上面的蒸發(fā)管諸如56的上方。網(wǎng)篩80或是接觸或是緊鄰上部換熱表面68的最頂上的各蒸發(fā)管。在圖10的配置中，液體制冷劑噴霧沖擊網(wǎng)篩80，而聚集的液體制冷劑流向和附著于網(wǎng)篩80的各波谷82。液體制冷劑池潭沿著各波谷82順軸向擴展，直至重力克服了將液體制冷劑懸掛在網(wǎng)篩80表面上的表面張力為止。液體制冷劑隨后作為各液滴墜落在上部換熱表面68(見圖9)的最上面各蒸發(fā)管諸如56的上面。在網(wǎng)篩80實際上接觸各蒸發(fā)管的地方，匯集起來的液體制冷劑流到管子上。
夾帶在制冷劑蒸發(fā)之中的制冷劑液體液滴被捕集在網(wǎng)篩80上并添加在形成于網(wǎng)篩各波谷82上的液體制冷劑池潭之中。不過，制冷劑蒸汽則不受任何阻礙地經(jīng)過敞開的網(wǎng)眼向上流動而從一批蒸發(fā)管38通向蒸汽輸出端36。網(wǎng)篩的間距或“細度”范圍從每英寸6到16根網(wǎng)絲，采用0.010～0.040英寸直徑的網(wǎng)絲并由鋼、銅、鋁或類似金屬制成。
在其它屬于圖11和12的各實施例中，多個網(wǎng)篩83、84和85夾置在各水平分配管55與上部換熱表面68之間。這些網(wǎng)篩可以具有相同的或變動的間距，并可以安排得彼此支承。如果各網(wǎng)篩具有變動的間距，則希望最上面的一個或多個網(wǎng)篩較比最靠近一批蒸發(fā)管的各網(wǎng)篩具有較高或較密的間距。這種配置可促進形成液體制冷劑的較大液滴，并可增大一批蒸發(fā)管附近的液體制冷劑液流量。還有，參看圖11，在多個網(wǎng)篩83、84、85的情況下，一個網(wǎng)篩的各波谷86應當鄰近一相鄰但較低網(wǎng)篩的各波峰87，以便盡管減少制冷劑飛濺現(xiàn)象并易于使制冷劑經(jīng)各網(wǎng)篩平緩流動到一批蒸發(fā)器管子(以88表示的這種管子的最上面一排)。另外，一個或多個網(wǎng)篩的各波峰和各波谷相對于相鄰各網(wǎng)篩的波峰和波谷可以是不對稱的。圖12表明分別正交排列的三個這種網(wǎng)篩83、84、85的這樣一種對齊情況。在無論哪一實施例中，下面的各網(wǎng)篩8 5和8 4支承著它們上方的各網(wǎng)篩，減少或免除了外在支撐的需要。
圖13是本發(fā)明的一替代實施例，其中蒸發(fā)器8包括一外部蒸汽液體分離器92。在說明該替代另外實施例時，圖1的各參照編號用來說明同樣的各零部件。在該替代實施例中，膨脹閥7由管線92在蒸汽液體分離器92的一入口93處連接于蒸汽液體分離器92。蒸汽液體分離器92是一通常的分離器，其中一隔板94用以造成液體和蒸汽制冷劑的分離。各液體制冷劑池潭處在蒸汽液化分離器92的下部，在此它由一條管線95從蒸汽液體分離器的一液體出口96被送往蒸發(fā)器8的入口97并由此送往枝狀噴淋分配裝置37。制冷劑蒸汽借助于一蒸汽出口98從蒸汽液體分離器92出來并由一條管線99送往位于下部換熱表面69附近并在池潭71名義液面70以下的一蒸發(fā)器蒸汽入口100，致使蒸汽可攪動池潭71之中的制冷劑和潤滑油混合物。由于這種攪動可使更多的制冷劑接觸下部換熱表面69，這就通過加強液體制冷劑的氣化而進一步增加了經(jīng)過濃縮的潤滑油。與以前一樣，經(jīng)過濃縮的潤滑油通過潤滑油回收出口39予以清除，此出口39最好是位于沿縱向遠離入口100的地方。
圖13表明又一替代實施例，其中出自蒸汽分離器92的蒸汽只是當系統(tǒng)1處于部分負載情況下時才被送往蒸發(fā)器蒸汽入口100。在氣負載情況下，一閥門105使蒸汽通過蒸發(fā)器旁路管線106把蒸汽轉向壓縮機輸入管線44。這樣就可有效地使系統(tǒng)1在完全和部分負載情況下都能把同樣數(shù)量的制冷劑帶到蒸發(fā)器8，并可在一較小的蒸發(fā)器中以較小的分配管獲得改進的分配狀況。
本發(fā)明和替代的實施例披露了一種壓縮制冷機，采用一種帶有設置在蒸發(fā)器里面的蒸汽一液體分離器的墜落液膜蒸發(fā)器。這一系統(tǒng)通過把一種制冷機噴淋到一表面或一網(wǎng)篩上面并使制冷劑滴落到一換熱表面上面而發(fā)揮作用。
本發(fā)明盡量使液體制冷劑與換熱表面之間的接觸總量增至最大，同時又盡量使制冷劑的飛濺和被吸進壓縮機的制冷劑數(shù)量減至最小。本發(fā)明還可有效地氣化作為一液膜而墜落在換熱表面的制冷劑，以及匯集在蒸發(fā)器底部處的制冷劑。此外，本發(fā)明便于有效地回收沉積在蒸發(fā)器之中的潤滑油而不需重新分配蒸發(fā)器里面的潤滑油。最后，本發(fā)明不要求獨立的壓力容器用于蒸汽-液體分離器，而相反卻把液體制冷劑從蒸汽-液體分離器直接傳送到蒸發(fā)器。
盡管優(yōu)先實施例所說明的是一種螺旋轉動式(或“螺旋”)壓縮機，諸如在商標“SeriesR”名下或者公開于Roberts等人美國專利4622048之中的、由American Standard Inc.的Trane Devision出售的那種，但本發(fā)明可以用于各種具有制冷劑和潤滑油混合物的機械式壓縮機。例如，包括某些機械式壓縮機諸如在商標“3-0”名下由American Standard Inc.的Trane Division出售的或者公開在Butteruorth等人美國專利4 488 855或Riffe等人美國專利4927339之中的各種蝸殼式壓縮機；諸如在商標“Cen TraVac”名下由AmericanStandard Inc.的Trane Division出售的或者公開在Sanbarn等人美國專利4223537或Bergman等人美國專利4220011之中的各種離心式壓縮機；以及諸如在商標“Climatuff”由American Standard Inc.的Trane Division出售的或者公開于Ma的美國專利4730988號或Linnert的美國專利4200426之中的各種往復式壓縮機，等等。這些專利都委托給本發(fā)明的委托人，在此引入作為參考。同樣考慮到諸如公開Crum等人美國專利5129798之中的各種正轉蝸殼式壓縮機，這一專利也被引入作為參考。
作為美國專利而請求的權利要求如下
權利要求
1.一種枝狀分配裝置，包括一流體入口；一支管，在操作上連接于流體入口并適于從中接收流體；許多基本上水平的流體分配裝置，在操作上連接于支管并適于從中接收流體；其中每一流體分配裝置包括一限定內(nèi)腔的外管，以及一位于外管內(nèi)腔之內(nèi)的內(nèi)管。
2.按照權利要求1所述的枝狀分配裝置，其特征在于，內(nèi)管具有至少一個流體出口，通向外管的內(nèi)腔并適于把流體送進該內(nèi)腔。
3.按照權利要求2所述的枝狀分配裝置，其特征在于，至少一個流體出口包括許多在內(nèi)管上部開口的孔眼。
4.按照權利要求3所述的枝狀分配裝置，其特征在于，許多孔眼具有不規(guī)則間隔的直線分布。
5.按照權利要求4所述的枝狀分配裝置，其特征在于，許多孔眼具有規(guī)則間隔的直線分布。
6.按照權利要求5所述的枝狀分配裝置，其特征在于，外管具有至少一個出口孔眼，使流體能自內(nèi)腔排出。
7.按照權利要求6所述的枝狀分配裝置，其特征在于，出口孔眼是一基本上延至外管長度的縱向槽孔。
8.按照權利要求6所述的枝狀分配裝置，其特征在于，至少一個出口孔眼包括許多基本上延至外管長度的沿外管底部成直線和規(guī)則分布的出口孔眼。
全文摘要
利用墜落液膜蒸發(fā)器從一熱負載中排除熱量的壓縮致冷設備，以一種共沸制冷劑進行作業(yè)，并采用一種通過把制冷劑噴灑在一表面上且能使該制冷劑滴落在主換熱表面上而把制冷劑液膜分配在換熱表面上的枝狀噴淋分配裝置。此設備便于回收沉積在蒸發(fā)器內(nèi)的潤滑油而不需在蒸發(fā)器之內(nèi)重新分配潤滑油。在另一實施例中，液體制冷劑被噴淋到一網(wǎng)篩上，在該處它滴落在主要換熱表面上。
文檔編號F25B39/02GK1492206SQ0212620
公開日2004年4月28日 申請日期1996年4月22日 優(yōu)先權日1995年5月25日
發(fā)明者J·哈特菲爾德, J 哈特菲爾德, D·F·桑伯恩, 桑伯恩 申請人:美國標準公司