專利名稱：用致冷劑加熱及冷卻的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用一致冷劑來加熱和冷卻的方法及其裝置。
已知用一致冷劑來加熱和冷卻的方法與裝置。用于調(diào)節(jié)空氣的一種常規(guī)方法及其裝置是熱泵(heat pump)。這種方法是通過循環(huán)致冷劑將熱量從壓縮機(jī)經(jīng)冷凝器、膨脹閥及蒸發(fā)器傳遞回壓縮機(jī)。在這種方法中，由于致冷劑在冷凝器中產(chǎn)生或發(fā)散熱量或是產(chǎn)生加熱效應(yīng)，并在蒸發(fā)器中吸收熱量或產(chǎn)生冷卻效應(yīng)，當(dāng)要加熱房間時，使用在冷凝器中產(chǎn)生的熱量，而要冷卻房間時，就使用蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)。為了完成這一目的，需要根據(jù)房間是要被加熱還是冷卻來轉(zhuǎn)換致冷劑的流動，已經(jīng)設(shè)置了四通閥來改變致冷劑的流動。在常規(guī)的空氣調(diào)節(jié)中，通過熱泵的方式，當(dāng)要冷卻房間時在冷凝器中產(chǎn)生的熱量就被廢棄在戶外空氣中，而當(dāng)要加熱房間時在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)也被廢棄在戶外的空氣中。因而不是熱量就是冷效應(yīng)總是被廢棄在空氣中了。
除了這種空氣調(diào)節(jié)裝置，在這類裝置中還有一種致冷器用于利用致冷劑來加熱或冷卻。這種致冷器是基于與上述所討論的當(dāng)房間要被冷卻時熱泵中所用的相同原理來工作的。更特別的是，這個原理是這樣的，致冷劑由壓縮機(jī)來壓縮，從冷凝器通過膨脹閥引導(dǎo)到蒸發(fā)器，然后回到壓縮器并被循環(huán)，當(dāng)致冷劑循環(huán)時，鹽(brine)和其它抗凝液由蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷效應(yīng)來冷卻，由此獲得了低溫。在該致冷器中，在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的熱量由已廢棄的水等來吸收。
如上面所討論的，在冷卻房間的場合產(chǎn)生的熱，及在加熱房間場合產(chǎn)生的冷在常規(guī)的空氣調(diào)節(jié)中都被廢棄了。在致冷器的場合，僅使用冷，而熱被廢棄。不是熱就是冷被廢棄的原因正如上面所述，是基于這些事實(shí)即被廢棄的熱或冷沒有達(dá)到可以有效使用的溫度而且被廢棄的熱或冷沒有達(dá)到足以值得有效利用的量。然而，要注意到從能的有效利用的觀點(diǎn)而考慮不論是廢棄熱還是冷都是不經(jīng)濟(jì)的。
因而，本發(fā)明的目的是有效利用在使用致冷劑的常規(guī)加熱和冷卻方法中所產(chǎn)生的不僅是熱還有冷。為了達(dá)到這個目標(biāo)，熱和冷應(yīng)分別傳送到各個流體中且由該熱量加熱的流體的溫度應(yīng)升高而由該冷效應(yīng)冷卻的另一個流體的溫度應(yīng)降低，因而在加熱的流體與冷卻的流體溫度間產(chǎn)生一顯著的差異。
前面提到的和本發(fā)明其它的目的完成是通過除常規(guī)通道外還提供至少一個輔助通道使得致冷劑在常規(guī)通道中流動，但是在下述的場合中流經(jīng)輔助通道而且致冷劑的溫度自身也得到調(diào)節(jié)。當(dāng)以上述討論的方式來操作時，在被加熱的流體與被冷卻的液體溫度間有一顯著差異，可有效利用不僅這個熱量還有冷效應(yīng)。本發(fā)明是基于上述的發(fā)現(xiàn)被提供的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，提供了一種裝置，它使用致冷劑來加熱及冷卻，在這個實(shí)施例里該裝置用一壓縮機(jī)來壓縮致冷劑且致冷劑通過冷凝器、膨脹閥及蒸發(fā)器以這一次序從壓縮機(jī)循環(huán)或循環(huán)到壓縮機(jī)。通過在冷凝器中產(chǎn)生的熱來加熱一流體而通過蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷來冷卻另一流體。
本發(fā)明的這個裝置包括一個輔助熱通道，它將壓縮器與膨脹閥連在一起且通過第一熱交換器，并與通過冷凝器的常規(guī)通道并行且可互相變換地相連。本發(fā)明的這個裝置也包括一輔助冷通道，它將膨脹閥與壓縮機(jī)相連且通過一第二熱交換器，并與通過蒸發(fā)器的常規(guī)通道平行且可互相變換地相連。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用致冷劑來加熱和冷卻的方法，在這個方法中，致冷劑由一壓縮機(jī)壓縮且通過冷凝器、膨脹閥及蒸發(fā)器以這一順序從壓縮機(jī)進(jìn)行循環(huán)或循環(huán)回壓縮機(jī)中，在這個方法中，由產(chǎn)生在冷凝器中的熱來加熱第一流體，用產(chǎn)生在蒸發(fā)器中的冷來冷卻第二流體。在本發(fā)明的這個方法中，當(dāng)缺少熱且第一流體的溫度降低時，進(jìn)入蒸發(fā)器的致冷劑的流動通道就作出一種變化以便使致冷劑進(jìn)入第二熱交換器，在這個交換器中致冷劑被加熱，被加熱的致冷劑進(jìn)入壓縮器并循環(huán)。同樣，當(dāng)缺少冷且第二流體溫度升高時，進(jìn)入冷凝器的致冷劑的流動通道做出一種變化以使致冷劑進(jìn)入第一熱交換器，在交換器中致冷劑被冷卻且被冷卻的致冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器并循環(huán)。
本發(fā)明的這些或其它特點(diǎn)，通過參看附圖閱讀下面的描述即可明白。


圖1是一個方框圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的加熱和冷卻裝置的原理。
圖2是用于本發(fā)明的冷凝器剖面圖。
圖3是用于本發(fā)明的蒸發(fā)器的剖面圖。
圖4是用于本發(fā)明的膨脹閥的剖面圖。
圖5是第一和/或第二熱交換器的透視圖(A);及其局部放大圖(B)。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一加熱和冷卻裝置的原理。
圖7和圖8是用于本發(fā)明的例子中的裝置的方框圖。
圖1中，參考數(shù)碼1代表壓縮器，2代表高溫閥，3代表一冷凝器，5代表-膨脹閥，6代表一低溫閥，7代表蒸發(fā)器，9代表一閥門，10代表一輔助熱通道，11代表第一熱交換器，12代表一閥門，13代表輔助冷通道，14代表第二熱交換器。
如圖1示出的裝置的一個部分是已知的，即已知一裝置，在其中致冷劑由壓縮器1來壓縮，然后被傳到冷凝器3，通過膨脹閥5及蒸發(fā)器7，而后返回壓縮器1。
根據(jù)本發(fā)明的這個裝置包括二套輔助的通道這二套通道是附加連到已知裝置上的以便使致冷劑在需要時通過這個輔助通道。在剛剛提到的二套輔助通道中，一個是輔助熱通道，而另一個是輔助冷通道。輔助熱通道是通道10，它是要將致冷劑引入第一熱交換器11中，然后引入膨脹閥而不使致冷劑進(jìn)入冷凝器3。為了使輔助熱通道10可以取代常規(guī)通道，在壓縮器1和冷凝器3間提供一高溫閥2，且閥2使得致冷劑交替流向冷凝器3和輔助熱通道10之一成為可能。此外，在輔助熱通道10的外輸出端提供閥9。
一個輔助冷通道13將致冷劑引入第二熱交換器14，然后引向壓縮器1而不使致冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器7。為了使得可以用輔助冷通道13取代常規(guī)通道，在膨脹閥5與蒸發(fā)器間提供一低溫閥6，且閥6使得致冷劑被交替?zhèn)魅胝舭l(fā)器7與輔助冷通道13之一成為可能。此外，在輔助冷通道13的外輸出端提供閥12。
第一熱交換器是用周圍溫度下的空氣或水來冷卻致冷劑的。而第二熱交換器是用周圍溫度下的空氣或水來加熱致冷劑的。由于致冷劑在第一熱交換器中具有大大高于周圍的溫度而在第二熱交換器具有大大低于周圍的溫度，所以致冷劑在一端可以通過周圍溫度下的空氣或水來冷卻而在另一端通過同樣的周圍溫度下的空氣或水來加熱。這些交換器是基于這樣的事實(shí)被加上的即熱交換器中的加熱與冷卻可以有效地獲取低溫和高溫。
根據(jù)本發(fā)明的這個裝置帶有二個輔助通道10，13。在本發(fā)明的這個裝置中，致冷劑的正常循環(huán)是這樣的即它從壓縮器1被引導(dǎo)，通過冷凝器3，膨脹閥5及蒸發(fā)器7以這樣的順序返回壓縮器1。然而，當(dāng)?shù)诙黧w缺冷時，致冷劑是這樣循環(huán)的即從壓縮器1中被引導(dǎo)，從高溫閥2進(jìn)入輔助熱通道10，通過第一熱交換器11，膨脹閥5及蒸發(fā)器7，然后返回壓縮器1。此外，當(dāng)?shù)谝涣黧w缺熱時，致冷劑是這樣循環(huán)的即它從壓縮器1被引導(dǎo)，通過冷凝器3和膨脹閥5，然后從低溫閥6進(jìn)入輔助冷通道13，經(jīng)過第二熱交換器14，返回壓縮器1。
然而在本發(fā)明中，致冷劑從壓縮器1流經(jīng)輔助熱通道10的流動是不可能的，同樣流經(jīng)輔助冷通道13也是可不能的。
根據(jù)本發(fā)明的用致冷劑加熱和冷卻的方法是一種用在圖1中示出的裝置來加熱和冷卻流體的方法。因而，本發(fā)明的方法通過參照附圖1更具體地說明如下。
在一開始，致冷劑通過壓縮器1被壓縮，被引入冷凝器3，然后通過膨脹閥5，被傳入蒸發(fā)器7，在這之后，返回壓縮器1，就這樣循環(huán)。在循環(huán)當(dāng)中，致冷劑在冷凝器3中產(chǎn)生了熱，這個熱用于加熱第一流體，同時，致冷劑在蒸發(fā)器中產(chǎn)生了冷，該冷用于冷卻第二流體，因而不僅熱而且冷都被利用了。
在第一流體對熱的需求與第二流體時冷的需求幾乎是相同和平衡的情況下，致冷劑以正常方式循環(huán)。實(shí)際的熱需求與冷的需求并不總是平衡的。更特別的是，有時熱需求增加，而冷需求下降或有時，冷需求增加，但熱需求降低。
當(dāng)大量需要熱，但小量需求冷時，就需要大量的熱在冷凝器3中附加產(chǎn)生。為此原因，需要流進(jìn)冷凝器3的致冷劑具有一較高溫度。因而對致冷劑劑的流動作變化以便將致冷劑引入輔助冷通道13而不將致冷劑引入蒸發(fā)器7。致冷劑通過以輔助冷通道13的方式提供的第二熱交換器14，在交換器中，致冷劑被加熱。為此原因，低溫閥6向蒸發(fā)器7關(guān)閉，但對輔助冷通道13是開放的且閥12也開放。
該致冷劑，當(dāng)使其進(jìn)入輔助冷通道13時，通常具有低于周圍的溫度。因而，在第二熱交換器14中的致冷劑可由周圍的空氣和水來加熱。在根據(jù)本發(fā)明的這個裝置中，致冷劑可以在第二熱交換器14中僅通過與周圍的空氣和水交換熱來升高致冷劑自己的溫度。且可增加冷凝器3中的熱量。結(jié)果，冷凝器3中的熱短缺可以避免。因而第一流體可以被保持在一高溫上。
反之，當(dāng)大量需要冷而只需少量熱時，在蒸發(fā)器7中應(yīng)附加產(chǎn)生大量熱。為此原因，需要在蒸發(fā)器7里流動的致冷劑具有一低溫度。為了滿足這個需求，對致冷劑的流動做一變化以便將致冷劑引入輔助熱通道10而不引導(dǎo)致冷劑進(jìn)入冷凝器3，且致冷劑在第一熱交換器11里被冷卻，該交換器11安在輔助熱通道的管徑上。為了保持通道10的開放，高溫閥2對冷凝器3關(guān)閉，但對輔助熱通道10開放，閥9是開放的。
當(dāng)使其進(jìn)入輔助熱通道10時，致冷劑通常具有高于周圍環(huán)境溫度的溫度。因而，第一熱交換器11中的致冷劑可通過與周圍空氣或水交換熱來被冷卻。在根據(jù)本發(fā)明的這個裝置中，致冷劑的溫度在第一熱交換器中僅通過周圍空氣或水的熱傳導(dǎo)就可降低，且蒸發(fā)器7里的冷可以被增加。結(jié)果，可避免蒸發(fā)器7中的冷缺乏。因而，第二液體可被保持在一低溫上。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，只有當(dāng)流出冷凝器3的第一流體在足夠溫度上，而流出蒸發(fā)器的第二流體缺冷，即具有高于所希望的低溫的溫度是，致冷劑才被傳送進(jìn)第一熱交換器11。同樣，只有在第二流體在足夠溫度，但第一流體缺乏熱，即具有低于所希望高溫的溫度時，致冷劑才被傳送入第二熱交換器14。反之，致冷劑將象常規(guī)方式那樣從壓縮機(jī)1通過冷凝器3、膨脹閥5，及蒸發(fā)器7，返回壓縮機(jī)1。
且在本發(fā)明中的冷凝器3與用在常規(guī)熱泵中的冷凝器相同。圖2示出了一具典型的冷凝器。這個冷凝器如圖2所示，被設(shè)計(jì)這樣的結(jié)構(gòu)，根據(jù)此結(jié)構(gòu)多個金屬管相互平行且相互連通地放進(jìn)一裝有外套的液缸。第一流體在金屬管道以箭頭所指方向來傳送，致冷劑在金屬管道的外邊被傳送，因而進(jìn)行了第一液體與致冷劑間的熱交換。為了有效地進(jìn)行熱交換，在金屬管的外表面提供一些葉片(fin)來增加熱傳導(dǎo)區(qū)域。
用在本發(fā)明里的蒸發(fā)器7與用在常規(guī)熱泵中的蒸發(fā)器相同。圖3示出了一典型蒸發(fā)器。這個蒸發(fā)器如圖3所示，被設(shè)計(jì)成這樣的結(jié)構(gòu)，根據(jù)此結(jié)構(gòu)，一些金屬管道相互平行且連通地放置地在裝有外套的液缸里。致冷劑在金屬管道中以箭頭所示方向被傳遞，第二流體在金屬管的外邊被傳遞以便在第二流體與致冷劑間進(jìn)行熱交換。為了有效地在致冷劑和第二流體間進(jìn)行熱交換。在金屬管道上面是多個擋板，它們以垂直于金屬管道主軸的方向延伸，且部分阻塞裝有外套的液缸的內(nèi)部以便第二流體可以在液缸內(nèi)圍繞著金屬管以折線方向流動來前進(jìn)。
本發(fā)明的膨脹閥5可以是已用于熱泵中的常規(guī)膨脹閥。圖4示出了一個用在本發(fā)明中膨脹閥的典型例子。在圖4中示出的膨脹閥的設(shè)計(jì)是為了能夠通過被密封承納在一隔膜之上的致冷劑的壓力及在隔膜下的彈簧裝置的壓力，來調(diào)節(jié)開啟膨脹閥所必需的壓力，并由此使得可以自動地和適當(dāng)?shù)貙⒅吕鋭┧腿胝舭l(fā)器7。
在本發(fā)明中，已用在熱泵中的常規(guī)壓縮機(jī)可以用作壓縮器1?？梢允褂脺u輪壓縮器(turbo-compressor)，螺旋(screw)壓縮器，往復(fù)(reciprocating)壓縮器、旋轉(zhuǎn)(rotary)壓縮器或渦旋(soroll)壓縮器，在這里螺旋壓縮機(jī)較好而多級螺旋壓縮器(multiple stage screw compvessor)最好。
在本發(fā)明中，單向閥分散地提供在用于致冷劑的通道上，以便防止致冷劑以相反方式在通道中流動且單向閥與常規(guī)單向閥沒有什么不同。
在本發(fā)明中，也使用高溫閥2，低溫閥6，和閥9，12，但這些閥在這里被提到是由于方便的緣故而且它們與用來開啟或關(guān)閉用于致冷劑的通道的常規(guī)閥沒有什么不同。
本發(fā)明包括第一熱交換器11與第二熱交換器14。第一熱交換器11是為了用周圍空氣或水來冷卻致冷劑的，而第二熱交換器14是為了用周圍空氣或水來加熱致冷劑的。這二個熱交換器單獨(dú)用于在致冷劑與空氣或水之間進(jìn)行熱交換，而且可以具有同樣結(jié)構(gòu)。此外，這二個熱交換器并不同時用在本發(fā)明里，當(dāng)提供一個閥且操作該閥使致冷劑流入該熱交換器時，一個熱交換器可以用作第一熱交換器，也可以用作第二熱交換器，結(jié)果該熱交換器可作為第一熱交換器和第二熱交換器之一。
圖5示出了可用作第一熱交換器11和第二熱交換器14的熱交換器的一個例子。該熱交換器如圖5所示，具有一些長方形葉片(fin)22，這些葉片相互平行地固定到一個曲折的金屬管21上，且由于每一個葉片從管上大大地伸出，乍一看(at first glanse)該熱交換器呈現(xiàn)為一個包括互相平行放置的葉片22的長方形平行管道狀。在熱交換器中，致冷劑以箭頭23所示方向流進(jìn)管21的內(nèi)部。另一方面，空氣被以箭頭24所示方向所引導(dǎo)并進(jìn)入葉片22的間隔，在這里進(jìn)行了熱交換，致冷劑被空氣所加熱或冷卻。
第一熱交換器11和第二熱交換器14與冷凝器3和蒸發(fā)器7的相同之處在于它們都是熱交換器。第一熱交換器11和第二熱交換器14不同于冷凝器3和蒸發(fā)器7的地方在于前者具有比后者大出20%的熱傳導(dǎo)區(qū)域。該熱傳導(dǎo)區(qū)域增加到大于50%較好，最好是增加到大于100%。
在本發(fā)明中，致冷劑通常如上述的循環(huán)從壓縮器1經(jīng)冷凝器3，膨脹閥5及蒸發(fā)器7，返回壓縮器1。在這個循環(huán)中，致冷劑在冷凝器3中產(chǎn)生熱，這個熱用于加熱第一流體，致冷劑在蒸發(fā)器7中產(chǎn)生冷，這個冷用于冷卻第二流體。
在實(shí)際操作中，測量第一流體的溫度，操作的進(jìn)行使得被測量溫度落在所希望的高溫范圍。同樣，測量第二流體的溫度，且操作的進(jìn)行使得被測的這個溫度落在所希望的低溫范圍，由此控制壓縮機(jī)1。
當(dāng)不僅第一流體而且第二流體的溫度在各個所希望溫度之外時，如圖1所示的裝置就通過開啟高溫閥2及低溫閥6開始運(yùn)行，結(jié)果致冷劑如上述不僅可通過冷凝器3而且可通過蒸發(fā)器7。換句話，該裝置在運(yùn)行開始時以常規(guī)方式運(yùn)行。
當(dāng)?shù)谝涣黧w的溫度降至所希望的高溫范圍之外的溫度時，即使第二流體的溫度在所希望的低溫范圍內(nèi)，致冷劑并不進(jìn)入蒸發(fā)器7，而是取而代之進(jìn)入第二熱交換器14。在這一階段通過將低溫閥6開通到輔助冷通道13，關(guān)閥通向蒸發(fā)器7的通道，且開通閥12來改變致冷劑通道。閥6，12的開啟與關(guān)閥或控制典型地是由一計(jì)算機(jī)來控制。
當(dāng)致冷劑沒有進(jìn)入蒸發(fā)器7而是進(jìn)入第二熱交換器14時，由于致冷劑沒有被蒸發(fā)且沒有丟失熱量，所以致冷劑不僅帶有比以前高的溫度被推進(jìn)到壓縮器1中而且也被第二熱交換器里的周圍空氣或水所加熱結(jié)果帶著較高的溫度前進(jìn)。因此，致冷劑當(dāng)進(jìn)入冷凝器3時是在一高溫上，而且由冷凝器3中熱交換而傳遞到第一流體中的熱量被增加，隨之第一流體的溫度被增加。
反之，當(dāng)?shù)谝涣黧w的溫度在所希望的溫度范圍內(nèi)，取而代之第二流體由于缺冷升到在所希望的低溫范圍之外的一個溫度時，致冷劑不進(jìn)入冷凝器3，而是進(jìn)入第一熱交換器11。在這一階段，通過將高溫閥2開通到輔助熱通道10，關(guān)閉通向冷凝器3的通道并開啟閥9來改變致冷劑的通道。這些閥的開啟和關(guān)閉或控制典型地由一計(jì)算機(jī)控制。
當(dāng)致冷劑不進(jìn)入冷凝器3而是取而代之進(jìn)入第一熱交換器11中時，致冷劑在冷凝器3中不損失冷凝熱，但卻被第一熱交換器中的周圍空氣或水所冷卻，結(jié)果致冷劑帶著低于以前的溫度進(jìn)入蒸發(fā)器。因而，致冷劑當(dāng)進(jìn)入蒸發(fā)器7時具有較低溫度，且由蒸發(fā)器7中熱交換而傳遞到第二流體上的冷的量被增加，因而隨之降低了第二流體的溫度。
在本發(fā)明的實(shí)施中，測量流出冷凝器3的第一流體的溫度t及流出蒸發(fā)器7的第二流體溫度T，并將這些值t、T輸入計(jì)算機(jī)。根據(jù)這些輸入數(shù)據(jù)，壓縮器1、高溫閥2、低溫閥6、膨脹閥5及閥9、12被適當(dāng)操作，結(jié)果裝置自動工作。
根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法，用具有與常規(guī)裝置相比較小體積的裝置及方法，可加熱第一流體，也可冷卻第二流體;可增加第一流體與第二流體之間的溫差，因而不僅可有效地利用熱而且可有效地利用冷。
例如，在常規(guī)裝置和方法中，第一流體在大約45℃而第二流體在大約7℃。然而，根據(jù)本發(fā)明，第一流體可升至58℃而第二流體可降至-20℃。裝置的體積在具有同樣熱能的條件下降低至小于常規(guī)裝置的三分之一。
此外，根據(jù)本發(fā)明的方法，第一流體與第二流體間的溫差可以通過使用具有不同沸點(diǎn)的致冷劑的混合體來增加。在這種場合，將致冷劑容器(reservoir)設(shè)在致冷劑的通道上?；旌下视裳h(huán)致冷劑來控制，提供多個膨脹閥，每一閥適合于每一種致冷劑且根據(jù)循環(huán)致冷劑來選擇和使用膨脹閥。
圖6示出了一個例子的示意圖，在圖中使用致冷劑的混合體。如圖6中示出的裝置與如圖1中示出的裝置不同，不同在于平行提供三個膨脹閥51、52、53取代單個膨脹閥5，且在每個膨脹閥的入口端也提供閥15。此外，用于致冷劑的二個容器16、17平行提供于蒸發(fā)器7及壓縮器1之間，且用于熱水和冷水之一的通道18連到每全個容器上且于控制每一個容器16或17內(nèi)部的溫度。當(dāng)使用一電子膨脹閥時，不需要提供三個膨脹閥，而只用一個電子膨脹閥就足夠了。
如圖6示出的裝置與圖1示出的裝置不同之處在于提供熱箱以使在其中可以儲存大量的第一流體。因而可連續(xù)供應(yīng)更大量的熱。還有，提供一冷箱以便在其中可以儲存大量的第二流體，因而連續(xù)供應(yīng)大量的冷。
在圖6所示出裝置中，安置一個致冷劑容器16，用于調(diào)節(jié)致冷劑溫度，用于從致冷劑的非共沸點(diǎn)混合體中蒸發(fā)具有低沸點(diǎn)的致冷劑以此來分離混合體，也用于通過閥19將該低沸點(diǎn)致冷劑流向致冷劑容器127，以及用于在容器16中保存具有高沸點(diǎn)的致冷劑。致冷劑容器17不能分離致冷劑的非共沸點(diǎn)混合體，但卻能調(diào)節(jié)致冷劑的溫度，也能作為用于具有低沸點(diǎn)的致冷劑的空器。因而，具有高沸點(diǎn)的致冷劑和具有低沸點(diǎn)的致冷劑總是分別被儲存在致冷劑的容器16和17中，且被儲存在容器里的每一個致冷劑的量是總的循環(huán)致冷劑的三分之一。
在圖6中示出的裝置里，當(dāng)?shù)诙黧w的溫度要被進(jìn)一步降低時，三種致冷劑的非共沸點(diǎn)混合體中選擇具有較低沸點(diǎn)的致冷劑且使該致冷劑從壓縮器1流向第一熱交換器11，然后通過蒸發(fā)器，因而循環(huán)該致冷劑。
為此目的，將溫度閥6開向輔助冷通道13，且將致冷劑通過第二熱交換器14，進(jìn)入致冷劑容器16，在該容器中致冷劑由在水通道18中流動的水來加熱，且具有低沸點(diǎn)的致冷劑被蒸發(fā)，因而被蒸發(fā)的致冷劑通過閥19進(jìn)入致冷劑容器17，由此具有高沸點(diǎn)的致冷劑被保留且被儲存在致冷劑容器16中。當(dāng)?shù)蜏亻y6被開向蒸發(fā)器7時，進(jìn)入致冷劑容器17的低沸點(diǎn)致冷劑流進(jìn)壓縮器1且高溫閥2開向輔助熱通道10。因而，從壓縮機(jī)1流出的致冷劑進(jìn)入高溫閥2、輔助熱通道10及第一熱交換器11，在熱交換器中致冷劑被冷卻，由此被冷卻的致冷劑通過閥9，膨脹閥51-53，接著進(jìn)入蒸發(fā)器7，在蒸發(fā)器7中致冷劑進(jìn)一步降低第二流體的溫度，在這之后致冷劑返回壓縮機(jī)，因而被循環(huán)。
在圖6中的裝置中，當(dāng)?shù)谝涣黧w的溫度要被進(jìn)一步升高時，在三種致冷劑的混合體中選擇具有高沸點(diǎn)的致冷劑且使其從壓縮器1流向冷凝器3，然后進(jìn)入第二熱交換器14，接著返回壓縮機(jī)1，因而被循環(huán)。
為此目的，低溫閥6向蒸發(fā)器7關(guān)閉卻向輔助冷通道13開啟以便使致冷劑流向第二熱交換器14，然后進(jìn)入致冷劑容器16，在該致冷劑容器中致冷劑的非共沸點(diǎn)混合體被流出水通道18的水所加熱，且具有低沸點(diǎn)的致冷劑被蒸發(fā)，因而被蒸發(fā)的致冷劑通過閥19，進(jìn)入且保留在冷劑容器17中，而具有高沸點(diǎn)的致冷劑通過中閥12被返回壓縮器1，因此被循環(huán)。
因此，從壓縮機(jī)1中流出的高沸點(diǎn)致冷劑進(jìn)入冷凝器3，將第一流體加熱到一更高溫度，然后通過膨脹閥51-53、低溫閥6、輔助冷通道13，然后是第二熱交換器14，在這里被加熱，然后通過致冷劑容器16、閥12，返回壓縮器1，因而被循環(huán)。在這種場合，在膨脹閥51、52、53中選擇一適用于使具有高沸點(diǎn)的致冷劑通過的特殊膨脹閥且使具有高沸點(diǎn)的致冷劑通過該特殊膨脹閥。
當(dāng)圖6中的裝置以如上討論的方式運(yùn)行時，在第一流體各第二流體間的溫差可大大增加。例如，當(dāng)使用一單個致冷劑時，第一流體可升至58℃，第二流體可降至-20℃而溫差可增加到78℃，同時，當(dāng)使用由三種致冷劑組成的混體時〔如由“(氟利昂R11)FREONR11”40%(沸點(diǎn)23.82℃，分子式CCl3F)、“FREON R12 40%(沸點(diǎn)-29.79℃，分子式CCl2F2)?！癋REON13B1”20%(沸點(diǎn)-57.75℃，分子式CBrF3)〕，裝置以上述方式運(yùn)行，第一流體可升至150℃，第二流體可降低-50℃，且溫差可增加到200℃。
當(dāng)使用致冷劑的混合體時，在閥12與在本發(fā)明提供的輔助冷通道上的第二熱交換器之間需要安置用于致冷劑的容器16。而且在蒸發(fā)器7與常規(guī)通道上的壓縮器1之間提供用于致冷劑的容器17。在容器16，17間提供用于致冷劑的通道，且在該用于致冷劑有通道上提供閥19。
當(dāng)裝置以常規(guī)方式運(yùn)行時，在這里致冷劑不僅通過冷凝器3也通過蒸發(fā)器7，既不使用容器15也不使用容器17，取而代之僅在致冷劑通過第一熱交換器或第二熱交換器時使用所有二個容器。
下面的例子用于說明本發(fā)明且用于理解本發(fā)明裝置及方法的優(yōu)點(diǎn)。
例1在這個例子中，提供基于如圖1所示的原理和在實(shí)際當(dāng)中如圖7民示的原理的裝置。使用由“FREON R22”(氟利昂R22)(即CHClF2)組成的致冷劑。
使用一3千瓦/小時的螺旋壓縮器(screw compressor)作為壓縮器1。裝置最初以常規(guī)方式來運(yùn)行，將致冷劑從壓縮器1經(jīng)高溫閥2、冷凝器3、低溫閥6、膨脹閥5和蒸發(fā)器7循環(huán)回到壓縮器1。在這一階段，致冷劑最小具有4.5千克/厘米2(-3℃)壓力及最大25千克/厘米2(62℃)的壓力，且從冷凝器3流出的第一流體具有最大58℃的溫度而第二流體具有最小7℃的溫度。
在這種場合，調(diào)整裝置當(dāng)?shù)谝涣黧w已達(dá)到大于58℃的溫度時，使得停止壓縮器1的旋轉(zhuǎn)，并在第一流體已達(dá)到低于55℃時，使壓縮器1開始工作。而且，調(diào)整裝置當(dāng)?shù)诙黧w已達(dá)到大于6℃的溫度時，使壓縮器1開始工作，但在第二流體已達(dá)到小于3℃的溫度時，停止壓縮器1的工作。
當(dāng)致冷劑已通過第二熱交換器14，取代使致冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器7并在第二熱交換器中被在周圍溫度20℃的水所加熱時，致冷劑可以具有5kg/cm2的最小壓力及26kg/cm2的最大壓力，且第一流體可被升至63℃。而當(dāng)使致冷劑通過第一熱交換器11而不是使致冷劑進(jìn)入冷凝器，且由水來冷卻時，致冷劑可具有3.6kg/cm2的最小壓力和17kg/cm2的最大壓力，且第二流體可降至-10℃。
因而，當(dāng)調(diào)整裝置使得第一流體的溫度在55℃-58℃溫度范圍，第二流體的溫度也在3-6℃的范圍時，僅通過自動操作高溫閥2、低溫閥6、閥12、19及壓縮器1，裝置即可運(yùn)行，可連續(xù)獲得恰在各自溫度范圍的熱水和冷水。
使用用于冷凝器3的19.05ψ×1.2tmm管道，它具有阻抗壓力45kg/cm2G(公斤/厘米2克)及使用0.95m2的熱傳導(dǎo)區(qū)域，也使用具有阻止抗壓力42kg/cm2G用于蒸發(fā)器7的9.53ψ×0.41tmm的管道及2.35m2的熱傳導(dǎo)區(qū)域。使用用于第一熱交換器且具有45kg/cm2G阻抗壓力的19.05ψ×1.2tmm管道及1.14m2的熱傳導(dǎo)區(qū)域，也使用具有45kg/cm2G的阻抗壓力用于第二熱交換器的9.53ψ×0.41tmm的管道及2.8m2的熱傳導(dǎo)區(qū)域。
例2在這個例子中，根據(jù)圖6所示原則提供裝置而實(shí)際以圖8所示方式來準(zhǔn)備，在這里使用三種致冷劑的混合體。在這個例子中，單個熱交換器在某一時間用作第一熱交換器，在另一時間用作第二熱交換器，這種變化由高溫閥2和低溫閥6來完成。使用下列三種致冷劑用作該致冷劑
致冷劑商業(yè)名稱 分子式 沸點(diǎn) 混合率(%重量)FREON R11 CCl3F 23.82 40FREON R12 CCl2F2-29.79 40FREON 13B1 CBrF3-57.75 20使用-3kw/hr的螺旋壓縮器用作壓縮器1。最初，三種致冷劑從壓縮器經(jīng)高溫2、冷凝器3、低溫閥6、膨脹閥5及蒸發(fā)器7循回壓縮器1，以使用常規(guī)方式的裝置來運(yùn)行。在這種場合，致冷劑具有4.5kg/cm2(-5℃)的最小壓力及25kg/cm2(85℃)的最大壓力，在這里從冷凝器3流出的第一流體具有85℃的最大溫度，從蒸發(fā)器7流出的第二流體具有-5℃的最小溫度。
調(diào)整裝置在第一流體升至85℃以上時使得停止壓縮器1，而在第一流體降至82℃以下時使壓縮器1運(yùn)行。也可調(diào)整裝置，以便在第二流體降至-5℃以下時可停止壓縮器1，而在第二流體升至-2℃以上時可使壓縮器運(yùn)行。
當(dāng)致冷劑流動在第二熱交換器14而不是蒸發(fā)器7中，在第二熱交換器14中通過在周圍溫度器的空氣來加熱致冷劑，且“FREON R11”在致冷劑的混合體中主要被循環(huán)時，致冷劑具有5kg/cm2的最小壓力及23kg/cm2最大壓力，且第一流體升至150℃的最大溫度及70℃的最小溫度。
在這個時候，為了主要循環(huán)作為致冷劑的“FREON R11”，從第二熱交換器14中流出的致冷劑被引進(jìn)容器16，在這里維持2℃的溫度。然后，混合體中的“FREON R12”及“FREON 13B1”，當(dāng)打開閥19時流進(jìn)容器17，而致冷劑“FREON R11”主要被循環(huán)。
當(dāng)致冷劑流進(jìn)第一熱交換器11，而不是進(jìn)入冷凝器3，在第一熱交換器11中由在周圍溫度上的空氣來冷卻致冷劑混合體中主要循環(huán)“FREON R12”及“FREON 13B1”時，致冷劑具有0.4kg/cm2的最小壓力及9kg/cm2最大壓力，且第二流體降至35℃的最大溫度及-50℃的最小溫度。
在這個時候，為了主要循環(huán)“FREON R12”及“FREON 13B1”，從第一熱交換器11流出的致冷劑被引入容器17，在這里溫度為2℃且在這里“FREON R12”及“FREON 13B1”被液化并保留在容器17里，唯一沒液化的“FREON R11”通過開啟閥19被傳遞到容器16中，由此，進(jìn)一步冷卻在容器16中的“FREON R11”，使之液化，保留在容器17中的“FREON R12”及“FREON 13B1”因而被循環(huán)。
當(dāng)調(diào)整裝置使得第一流體可在142℃到150℃的溫度范圍，第二流體可在-42℃到-50℃溫度范圍，在各自范圍內(nèi)的冷和熱只通過自動控制高溫閥2、低溫閥6、閥9、12及19，和壓縮器1就可以連續(xù)獲得。
使用19.05ψ×1.2tmm的管子來提供具有45kg/cm2的阻抗壓力及0.95m2的熱傳導(dǎo)區(qū)域的冷凝器3。同樣也使用9.53ψ×0.41tmm的管子來提供具有45kg/cm2的阻抗壓力和2.35m2的熱傳導(dǎo)區(qū)域的蒸發(fā)器7。此外，9.53ψ×0.41tmm的管子被且于提供具有45kg/cm2G阻抗壓力及5.5m2熱傳導(dǎo)區(qū)域的及第二熱交換器。
這個裝置具有少于113OH(高)×890W(寬)×600L(長)mm的尺寸，裝置的整個重量約為95kg(公斤)。裝置耗費(fèi)約3kw/hr(千瓦/小時)的電能，每小時產(chǎn)生16500Kcal(千卡)的熱量及10850Kcal/hr(千卡/小時)的冷卻效應(yīng)。因而，可以利用5500Kcal的熱量及3620Kcal/1kw/hr的冷效應(yīng)。
相反，含有380升熱水的常規(guī)電熱水蒸發(fā)器(boiler)消耗4kw/hr的電能，占有2000H×900W×900Lmm的體積，常規(guī)蒸發(fā)器需要根據(jù)本發(fā)明的裝置體積的2.7倍，常規(guī)蒸發(fā)器只可提供每1kw/hr864Kcal的熱量。因而，根據(jù)本發(fā)明的裝置，當(dāng)與常規(guī)蒸發(fā)器比較時，盡管本發(fā)明裝置占有小的體積，卻可提供6.4倍的熱和4.1倍的冷，因此，總的可利用的能量總計(jì)為約多于10倍;產(chǎn)生了顯著的優(yōu)點(diǎn)和益處。
雖然本發(fā)明參照其最佳實(shí)施例已被特殊的示出及描述，但對那些熟知本領(lǐng)域的人們來說它將理解為在不偏離本發(fā)明的精神及范圍的條件下可在其中做形式及細(xì)節(jié)上的改動。
權(quán)利要求
1.用致冷劑加熱和冷卻的裝置，其組成為用于壓縮致冷劑并產(chǎn)生熱的壓縮機(jī)裝置，在這里由壓縮機(jī)裝置產(chǎn)生的熱用于加熱一流體；用于將致冷劑從壓縮器裝置通過冷凝器、膨脹閥、及蒸發(fā)器以此順序循環(huán)回壓縮器裝置的循環(huán)裝置，在這里由蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷效應(yīng)或冷用于冷卻另一流體；用于連結(jié)壓縮器裝置與膨脹閥的輔助熱通道裝置，在這里輔助熱通道通過第一熱交換器并與另一通過冷凝器裝置的通道平行可互相交換地相聯(lián)；及用于連結(jié)膨脹閥及壓縮器裝置的輔助冷通道裝置，在這里輔助冷通道通過第二熱交換器并與通過蒸發(fā)器的另一通道平行且可互相變換地相連。
2.用致冷劑加熱和冷卻的方法，其組成步驟是用壓縮機(jī)壓縮致冷劑;將致冷劑從壓縮機(jī)通過冷凝器、膨脹閥及蒸發(fā)器回到壓縮器;用冷凝器中產(chǎn)生的熱加熱第一流體;用蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)或冷來冷卻第二流體;當(dāng)熱不足，第一流體溫下降時，將致冷劑的流動通道從進(jìn)入蒸發(fā)器改變成進(jìn)入第二熱交換器，在交換器中加熱致冷劑，且被加熱的致冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)并被循環(huán);及當(dāng)冷不足，第二流體溫度上升時，將致冷劑的流動通道從進(jìn)入冷凝器改變成進(jìn)入第一熱交換器，在交在中致冷劑被冷卻，且被冷卻的致冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器并被循環(huán)。
3.用致冷劑加熱和冷卻的方法，其組成步驟是用壓縮機(jī)壓縮致冷劑;將致冷劑從壓縮器通過冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器回到壓縮器以這樣的順序循環(huán);用在冷凝器中產(chǎn)生的熱來加熱第一流體;用在蒸發(fā)器7中產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)或冷來冷卻第二流體;當(dāng)?shù)谝涣黧w的溫度下降到所希望的溫度以下而第二流體的溫度在所期望的范圍內(nèi)時，將致冷劑流動通道以進(jìn)入蒸發(fā)器改為進(jìn)入第二熱交換器，在交換器中致冷劑被加熱，且被加熱的致冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)并被循環(huán);當(dāng)?shù)诙黧w的溫度升高到所希望溫度之上但第一流體的溫度在所期望的范圍，將致冷劑的流動通道從進(jìn)入冷凝器改變至進(jìn)入第一熱交換器，在交換器中冷卻致冷劑，且被冷卻的致冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器并被循環(huán)。
4.用致冷劑加熱和冷卻的方法，其組成步驟是用壓縮機(jī)壓縮致冷劑;將致冷劑從壓縮機(jī)通過冷凝器、膨脹閥及蒸發(fā)器返回壓縮機(jī)，以此順序循環(huán);用在冷凝器中產(chǎn)生的熱加熱第一流體;用在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)或冷來冷卻第二流體，在這里致冷劑是由具有不同沸點(diǎn)的致冷劑的混合體組成的，在這里用致冷劑通道的方式提供用于致冷劑的容器;當(dāng)?shù)谝涣黧w的溫度下降到所希望溫度之下但第二流體溫度在所期望溫度范圍時，將致冷劑流動通道從進(jìn)入蒸發(fā)器改為進(jìn)入第二熱交換器，在這里致冷劑被加熱，具有相對高沸點(diǎn)的被加熱致冷劑通過將容器保持在一高溫上而被循環(huán);當(dāng)?shù)诙黧w的溫度升至一所期望的溫度之上，而第一流體基所期望溫度范圍時，將致冷劑流動通道從進(jìn)入冷凝器改為進(jìn)入第一熱交換器，在這里致冷劑被冷卻，具有相對低沸點(diǎn)的被冷卻致冷劑通過將容器保持在一低溫上而被循環(huán)。
5.用致冷劑來加熱和冷卻的方法，其組成步驟是用壓縮機(jī)壓縮致冷劑;將致冷劑從壓縮機(jī)通過冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器返回壓縮機(jī)，以此順序循環(huán);用在冷凝器產(chǎn)生的熱來加熱第一流體;用在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)或冷來冷卻第二流體，在這里致冷劑由具有不同沸點(diǎn)的致冷劑的混合體組成;提供多個具有適用于各個致冷劑的結(jié)構(gòu)的膨脹閥;通過致冷劑通道的方式，平行共同可變地提供用于致冷劑的容器;當(dāng)?shù)谝涣黧w的溫度下降至所希望溫度之下而第二流體的溫度在所希望溫度范圍之內(nèi)時，將致冷劑的流動通道從進(jìn)入蒸發(fā)器改為進(jìn)入第二熱交換器，在這里致冷劑被加熱，且被加熱的致冷劑通過將容器維持在一高溫上而通過適于具有高沸點(diǎn)的致冷劑的膨脹閥，以便循環(huán)具有高沸點(diǎn)的致冷劑;而且當(dāng)?shù)诙黧w的溫度升至所希望溫度之上，但第一流體溫度在所希望溫度范圍之內(nèi)時，將致冷劑的流動方向從進(jìn)入冷凝器改為進(jìn)入第一熱交換器，在這里致冷劑被冷卻，且通過將容器維持在一低溫上使被冷劑通過適于具有2低沸點(diǎn)的致冷劑的膨脹閥，以便循環(huán)具有低沸點(diǎn)的致冷劑。
全文摘要
用致冷劑來加熱及冷卻的裝置和方法，致冷劑被壓縮機(jī)來壓縮，并從壓縮機(jī)通過冷凝器，膨脹閥和蒸發(fā)器返回壓縮機(jī)，以此順序被循環(huán)。用冷凝器中產(chǎn)生的熱來加熱第一流體且在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)或冷來冷卻第二流體。當(dāng)熱不足且第一流體溫度下降時，致冷劑的流動通道從進(jìn)入蒸發(fā)器被改為進(jìn)入第二熱交換器，在此致冷劑被加熱，且被加熱的致冷劑進(jìn)入壓縮器并被循環(huán)。
文檔編號F25B41/04GK1059399SQ9110861
公開日1992年3月11日 申請日期1991年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1990年8月30日
發(fā)明者松浦高明 申請人:尤尼奧工業(yè)株式會社