具有改進的熱回收特徵的熱泵冷卻器的製作方法

2023-05-23 22:44:31 1

專利名稱：具有改進的熱回收特徵的熱泵冷卻器的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及暖通空調與製冷(HVAC&R)系統，具體涉及能夠諸如利用冷卻水來執行加熱和冷卻功能的系統。已知各種各樣的目前用於加熱和冷卻流體的系統，所述流體諸如水、鹽水、空氣等。在許多建築HVAC&R系統中，例如，水或鹽水被加熱或冷卻，然後循環通過建築物，其中所述水或鹽水被導向通過空氣處理機，所述空氣處理機吹動空氣經過熱交換器，以根據季節和建築物條件來加熱或冷卻空氣。一些這樣的系統被設計僅用於冷卻，而其他一些系統可用作熱泵。在熱泵系統中，製冷劑流過蒸發和冷凝製冷劑的熱交換器的方向被換向，以允許從受控空間吸取熱量(冷卻模式)，或者用於將熱量注入到空間中(熱泵模式)。用於冷卻水系統的熱泵和熱回收的現有技術包括許多種，每種技術都具有一些優點，但是也存在缺點。例如，水-水熱泵通常在熱泵模式下具有良好效率、以及對熱水溫度的良好控制。這樣的系統總體是可用的，但是通常需要同時加熱和冷卻負載以實現合適運行。在僅在冷卻運行下使用時，如果利用溼塔蒸發器，它們往往會沉積。帶有熱回收的空氣冷卻式冷卻器也是可用的，並且具有便宜、以及在高的周圍溫度下高效的益處。但是，這樣的系統對於水溫以及可用的加熱容量具有有限控制，尤其在較低的周圍溫度下。空氣-水的熱泵——一般在歐洲和亞洲更可輕易獲得，在北美較少——其提供高效的加熱並且對水溫有較好控制。但是，這樣的系統昂貴，並且不能在單個單元中提供加熱和冷卻。此外，經過用於在冷卻和熱泵模式之間切換的換向閥的壓降通常非常高。其他的熱泵技術可用於直接膨脹(「DX」)系統，其中製冷劑直接加熱或冷卻室內空氣，但是存在限制其應用的問題。空氣-空氣熱泵、地熱式的熱泵、以及可變的製冷劑流 (「VRF」)系統都是DX系統的例子。它們對於改進現有的具有冷卻水系統的建築物具有明顯的限制。它們通常用在較小的建築物或單層建築中。單個系統的尺寸較小，一般小於20 噸，因此大的建築物將需要許多系統以及非常長的製冷劑管道。這些系統的一個額外問題在於它們會允許製冷劑直接洩露到佔用的空間中，這會引起環境問題，尤其對於天然製冷劑。儘管對於目前的製冷劑存在這些問題，但當使用具有增強可燃性和/或毒性的製冷劑(諸如碳氫化合物、氨和HF0-1234yf)時，這些問題顯然會更加明顯。需要一種能夠既提供對諸如水或鹽水的二次流體的加熱、又提供對所述二次流體的冷卻的改進的HVAC&R系統。

發明內容
本發明涉及被設計用於響應這些需要的系統和方法。所述系統可被總體設計用於許多HVAC&R應用，尤其非常適合冷卻和/或加熱諸如水和鹽水的二次流體。根據本發明的一個典型系統可包括一個蒸發器，其被配置為使製冷劑蒸發以冷卻第一流體流；一個壓縮機，其聯接至所述蒸發器，被配置為壓縮已蒸發的製冷劑；以及一個冷凝器，其被配置為冷凝由所述壓縮機壓縮的製冷劑，以加熱第二流體流。另一個熱交換器——其可布置在受控空間(諸如建築物)以外——被配置為接收來自所述冷凝器的製冷劑，以選擇性地從所述製冷劑中提取熱量或者增加熱量至所述製冷劑，以及將所述製冷劑傳送至所述蒸發器。第一控制閥系(valving)聯接在所述冷凝器和所述熱交換器之間，被配置為在系統的第一工作模式中調整從所述冷凝器到所述熱交換器的製冷劑的流量。第二控制閥系聯接在所述冷凝器和所述熱交換器之間，被配置為在系統的第二工作模式中調整從所述熱交換器到所述蒸發器的製冷劑的流量。視應用和應用的需要而定，通過合適控制所述閥系可實現許多不同的工作模式。 例如，所述系統可工作在如下模式的兩個或更多個中僅冷卻模式、帶有部分熱回收的冷卻模式、帶有輔助排熱的熱泵模式、帶有完全熱回收的熱泵模式、帶有源自熱交換器的輔助熱的熱泵模式、僅加熱模式、以及除霜模式。


圖1是根據本發明的多個方面的一個示例的HVAC&R系統的圖解圖；圖2是一個表格，示出了圖1的系統的各種目前設想的工作模式，以及在各種模式下可如何控制某些部件；圖3是關於本發明系統的一個替代配置的圖解圖；圖4是關於本發明系統的另一個替代配置的圖解圖；圖5是關於本發明系統的又一個替代配置的圖解圖；以及圖6是關於系統的某些目前設想的工作模式的圖解示意圖。
具體實施例方式參照附圖，圖1示出了根據本發明的多個方面的一個示例的HVAC&R系統10。示出的系統包括一個冷凝器12和一個蒸發器14，所述冷凝器將循環製冷劑(或更通常而言，第一過程流體)冷凝，所述蒸發器將製冷劑蒸發。壓縮機16將蒸發的製冷劑壓縮，以使其返回冷凝器。在所述冷凝器和所述蒸發器之間還聯接一個熱交換器18，該熱交換器接收循環的製冷劑，並且視工作模式而定，該熱交換器可以從流體中吸取熱量、將熱量注入流體，或者用作以少量熱傳遞來傳送製冷劑的導管。在某些應用中，熱交換器18將布置在溫度和/或溼度受控的體積之外，諸如在建築物外面。在這樣的情況下，熱交換器可被稱為外部熱交換器，但是所有三種熱交換器的物理布置都可視具體的應用和安裝情況而定。例如，一個優選的配置是將整個製冷劑迴路和控制裝置都放置在外部，具有類似於改型的空氣冷卻的渦旋或螺杆冷卻器的結構和總體布置，諸如Johnson Controls YCAL、YLAA、以及YCIV型號管線。這樣的配置的優點在於使現場的製冷劑管道最少化，以及使建築物內的空間需求最小化。或者，僅熱交換器18和風扇20可在外部，系統的其他部分可在建築物內，具有類似於水冷式的渦旋或螺杆冷卻器的總體結構，諸如Johnson Controls YCWL或YCWS型號管線。在示出的實施方案中，風扇20推動空氣經過熱交換器18的盤管。在實踐中，可使用各種類型的熱交換器用於冷凝器12、蒸發器14和熱交換器18。這些包括常規的翅片和管設計、微通道設計、降膜蒸發器，以及更通常的，製冷劑在熱交換器管(「管側」)內循環的設計以及製冷劑在管外循環、通常在殼內(「殼側」)循環的設計。
所述系統在控制電路的控制下工作，控制電路總體被標記為參考數字22。如下所述，該電路通常會包括一個或多個處理器，以及存儲有所述處理器執行的例行程序 (routine)的支承存儲器電路和/或固件。所述處理器可以是任意合適類型，包括微處理器、現場可編程門陣列、專用和通用計算機的處理器，等等。類似地，存儲器可包括隨機存儲器、快閃記憶體、只讀存儲器，或任何其他合適類型。儘管沒有單獨表示，但所述電路還將包括用於接收感測信號的輸入/輸出電路，以及用於為閥系、電機等等輸出控制信號的接口電路，或者所述電路與用於接收感測信號的輸入/輸出電路，以及用於為閥系、電機等等輸出控制信號的接口電路相關聯。圖1中示出的系統可被執行以實現各種各樣的目的，以及執行各種工作模式。如所示的，例如，蒸發器14接收二次流體流M，該二次流體流被泵沈泵送通過所述蒸發器。 類似地，另一流體流觀——其在一些情況下可能是相同的二次流體——藉助泵30循環通過所述冷凝器。如本領域技術人員將理解的，所述二次流體可進一步循環通過各種各樣的其他設備，用於實現加熱和冷卻目的。例如，在一般的建築HVAC&R應用中，所述二次流體可以是水或鹽水，所述水或鹽水循環通過建築物導管，從而通過空氣處理器，藉助該空氣處理器，建築物空氣吹動以升高和/或降低其溫度。許多其他和具體的應用可利用所述二次流體。如圖1中還示出的，流體控制閥系34被布置在冷凝器12和熱交換器18之間的製冷劑路徑中，同時流體控制閥系36被布置在熱交換器18和蒸發器14之間的路徑中。在一個實施方式中，所述閥系可包括致動器操作的二通閥，例如球閥，所述球閥可在控制電路22 的控制下打開和關閉，以在流體中提供相對高的壓降(用作膨脹裝置)、或者非常小的壓降 (基本是打開的導管)。如下所述，對該閥系的打開和關閉的調節可允許該系統在各種模式下工作，並視控制閥系的位置而定，迫使所述熱交換器18用作蒸發器或冷凝器。為了使熱交換器的盤管作為蒸發器工作，第一控制閥系34大部分關閉以作為膨脹裝置，而第二控制閥完全打開。為了將熱交換器18的盤管用作冷凝器，將控制閥系的工作倒轉。第二控制閥系36被調整以用作膨脹裝置，同時第一控制閥系34完全打開。這樣的工作模式有效地將熱交換器移動至製冷劑迴路的低側。應注意，在下述的實施方案和模式中，控制電路可以獲得指示所述系統的各種部件的工作狀態的信號，和/或可以直接控制這些部件。例如，除了控制閥系34和36，控制電路可控制與風扇20相關的電機，以及與壓縮機16和泵沈、30相關聯的電機。如本領域技術人員將理解的，所述系統可包括大量可控制或可檢測的參數，包括與壓縮機16、以及與二次流體系統相關聯的閥系或控制裝置。另外，所述系統可包括用於提供信號的儀器，所述信號可被用作監控和/或控制的基礎。在示出的實施方案中，例如，溫度傳感器38可檢測流過蒸發器14的二次流體流 24的進入溫度，一個類似的傳感器40可檢測出來的流溫度。類似地，傳感器42和44可檢測在冷凝器12的兩側上的二次流體流觀的溫度。壓力換能器46可檢測離開壓縮機16的製冷劑的排出壓力，而另一換能器48可檢測入口壓力。為了特定目的，諸如為了計算所述壓縮機16上遊的製冷劑的過熱量，提供了一個溫度傳感器50。類似地，一個壓力換能器52 可檢測在所述熱交換器18中的製冷劑的壓力，同時溫度傳感器M可檢測其溫度。另一溫度傳感器56可檢測周圍溫度(例如，在熱交換器周圍並且循環通過所述熱交換器的空氣的溫度)。應注意，所有的儀器都可向所述控制電路22提供信號，所述控制電路可運算、按比例度量以及處理所述信號，並基於這些輸入進行計算以及做出控制決定。還應注意，在許多應用中，所述控制電路可接收大量的其他輸入，諸如來自所述二次流體循環系統的溫度、壓力、流率等等。圖2是一個表格，列出了通過合適控制所述系統的部件——尤其是使製冷劑循環進入和流出冷凝器和蒸發器之間的熱交換器的閥系——實現的本發明系統的一些目前設想的工作模式。列出了七個示例的工作模式，包括1.僅冷卻(戶外)熱交換器18作為冷凝器工作，沒有二次(例如，水或鹽水)流通過冷凝器。壓縮機容量可基於離開的冷卻流體流M (例如，鹽水)的溫度來控制。可控制風扇20的工作以使能量消耗最小化，同時保持足夠的壓力差以便流過控制閥系36。2.帶有部分熱回收的冷卻與僅冷卻模式相同，但是二次流體循環通過冷凝器。 這可包括不控制熱水溫度。3.帶有輔助熱注入的水-水熱泵與帶有部分熱回收模式的冷卻相同，除了調整風扇20的工作(容量)以保持從冷凝器離開的熱二次流體(例如，水)的溫度恆定。4.帶有完全熱回收的水-水熱泵與帶有部分熱回收模式的冷卻相同，但是控制 (「戶外」)熱交換器18中的製冷劑壓力。這可用於最小化傳遞到熱交換器18或從熱交換器18中傳遞出的熱量，同時保持兩相流(two-phase flow)通過熱交換器。所述控制閥系 34的位置可被控制為保持熱交換器的製冷劑溫度接近周圍空氣溫度。控制閥系36的位置保持來自蒸發器的恆定過熱量。(當對於管內蒸發過熱量控制是優選的時，則對於蒸發器 14中的殼側蒸發，基於蒸發器液體水平或者甚至是固定孔口設置的控制是優選的。)這種方法防止熱交換器18注滿製冷劑液體，而注滿可能會導致出現低抽吸壓力和其他運行問題。5.帶有輔助(「戶外」)熱源熱交換器的水-水熱泵與下面討論的僅加熱模式相同，除了二次流體(例如，鹽水)流過蒸發器。這種情況可伴隨控制閥系和/或二次流體流控制蒸發器的冷卻容量。6.僅加熱(空氣-水熱泵)熱交換器18作為蒸發器工作。風扇20正常情況下全速工作，沒有二次流體流過蒸發器。壓縮機容量基於二次流體流觀(例如，熱水)的溫度。 應注意，該模式可將蒸發器的液體側暴露於冰點以下的溫度，因此如果需要該工作模式，可優選使用乙二醇溶液或其他防凍溶液。如果不需要該工作模式，在具有合適控制來保護防止出現冰凍條件的情況下，可以使用水。7.除霜熱交換器18作為冷凝器工作，風扇20關掉。二次流體(例如，鹽水)循環通過蒸發器。該模式加熱所述熱交換器18的盤管，以融化任何積聚的冰和霜。 用作圖1中的控制閥系34和36的閥的一個可能類型是電機致動的球閥。所述閥系可足夠大，以在製冷劑流處於蒸汽相時，提供可接受的低壓降。同時，所述閥系能夠在低製冷劑流條件下作為膨脹閥保持良好的控制。 在圖3中示出了用於處理控制閥系的功能的另一替代方案。在示出的替代方案中，旁通閥58與膨脹閥60——諸如電膨脹閥——並聯聯接在製冷劑通路中。所述旁通閥58 可以是電機致動的球閥。另一選擇是電磁閥、或其他能夠以最小壓降處理大流量的製冷劑蒸汽的閥。類似的布置設置在離開所述熱交換器18的製冷劑路徑中，如關於旁通閥62和膨脹閥64示出的。在相應的旁通閥58或62關閉時，膨脹閥60和64將正常工作。一個可能的例外是兩相流進入膨脹閥60或64，但所述閥並不具有足夠容量來處理所述流。在這樣的情況下，所述旁通閥可部分打開以提供額外閥容量，但是所述膨脹閥仍用於對製冷劑流進行微控制。如果需要這一工作模式，優選電機致動的球閥或具有調節流量的能力的其他閥。使用多級電磁閥是獲得容量控制的步驟的另一替代方案。圖4示出了使製冷劑流體轉向通過所述(「戶外」)熱交換器18的另一替代實施方案。應注意，附圖中的實心箭頭指的是處於「冷凝器模式」的流(即，當熱交換器18作為冷凝器工作時)，而虛線箭頭指的是處於「蒸發器模式」的流(即，當熱交換器18作為蒸發器工作時)。當熱交換器18作為蒸發器工作時，製冷劑流過膨脹閥60、流過製冷劑分配器 66、流過熱交換器中的並聯的製冷劑管或管組68，然後流過旁通閥62到達蒸發器14。所述分配器用作流量限制裝置，以保證盤管中良好的製冷劑分配。當熱交換器18作為冷凝器工作時，閥60和旁通閥62關閉。製冷劑流過旁通閥58、流過熱交換器管68和分配器66，到達膨脹閥64，所述膨脹閥將液體製冷劑供入蒸發器14中。這樣的配置確保液體製冷劑一直流過流量分配器66，這允許在蒸發器模式下性能提高，以及在冷凝器模式下不會有壓降損失。圖5示出了另一個替代實施方案，其中在冷凝器模式中，製冷劑以串流流過熱交換器18，但是在蒸發器模式中，製冷劑以並流流過熱交換器18。在冷凝器模式中，製冷劑流過旁通閥58、冷凝器管68、然後流過膨脹閥64。在蒸發器模式中，製冷劑流過膨脹閥60以及相關聯的分配器66，到達一個通過熱交換器的大約中間的位置。大約一半(或一個適當部分)的製冷劑流過所述管68，並流過旁通閥62。另一半在一個與冷凝器流相反的方向上通過所述管68，並通過另一個旁通閥70離開。圖5中的配置具有多個優點1.冷凝器模式中的高速度在冷凝器模式中，製冷劑能夠以相對高的速度流動， 這可提供良好的熱傳遞。2.蒸發器模式中的低壓降並流使可用的流動面積加倍，以及使流動路徑的有效長度減半，這使得蒸發器模式中的壓降最小化。3.共同的旁通閥在蒸發器模式中，兩個旁通閥處理所述流動，而在冷凝器模式中，僅需要一個閥。由於一般的冷凝器製冷劑密度是蒸發器條件下的密度的大致兩倍，因此這一設置利用一個共同的閥尺寸保持壓降處於合理值。當然，其他設置可使用兩個並聯的旁通閥來限制壓降，但是它們缺乏其他優點。4.蒸發器模式中的分配器所述分配器確保在蒸發器模式中良好的製冷劑分配。5.冷凝器模式中旁通的分配器在冷凝器模式中，製冷劑流可繞過所述分配器， 這消除了任何壓降問題。對於該配置的部件和細節存在許多不同的替代方案。例如，所述冷凝器可以是一個銅焊板熱交換器、具有殼側冷凝的殼-和-管熱交換器、或者具有管側冷凝的殼-和-管熱交換器。另一替代方案是空氣冷卻的冷凝器盤管，其可布置在向建築物供應加熱空氣的管道系統中。在任何情況下，當戶外盤管在冷凝器模式中工作時，合意的是選擇具有相對的低製冷劑側壓降的冷凝器，以改善系統的性能。為此，優選的液體冷卻冷凝器是具有殼側冷CN 102549356 A凝的殼-和-管設計。如果使用水冷式過冷器，則其優選與處於所述閥的上遊側的膨脹閥60位於相同的管線中。該位置有效地消除了流過旁通閥58的製冷劑的壓降，同時允許在膨脹閥60的工作時製冷劑高速通過所述過冷器。過冷器的優選類型是銅焊板熱交換器，其接收進入冷凝器的一部分水。在具有多個水通路的冷凝器的情況下，來自過冷器的加熱水優選被返回流過冷凝器的第二或隨後的通路。或者，加熱的水可與離開冷凝器的水結合，但是優選在溫度傳感器42的足夠遠的上遊，以允許準確測量混合水的溫度。儘管過冷器增加了成本和複雜性，但是它們能夠提高系統效率和容量，因此視具體應用可包括過冷器。此外，儘管圖1中出現的是單個冷凝器，但多個冷凝器也是一種選擇。如果使用多個冷凝器，優選的流配置是串流，以防止在具有低製冷劑流量的冷凝器中出現製冷劑液體或油的不希望的積聚。對於多個冷凝器，控制空氣或水的流量可以是限制熱量排出的優選方式。另一種替代方案是包括一個減溫器。所述減溫器優選位於壓縮機和冷凝器之間的排放管線中。減溫器通常利用從過熱的製冷劑蒸汽中提取的熱能將相對少量的水加熱至高溫，諸如用於提供家庭用熱水。減溫器的優選設計類似於在現有技術的空氣冷卻式冷卻器應用中使用的減溫器。類似地，對於蒸發器具有許多不同的選擇。為了簡單處理回油，可以優選DX蒸發器。其他替代方案包括降膜蒸發器或滿液式蒸發器。對於冷凝器，重要的是限制通過蒸發器的壓降，以防止過度性能損失，尤其在空氣-水熱泵模式下。當優選配置冷卻水或其他液體時，還可使用合適的蒸發器直接冷卻空氣或氣體。此外，對於冷凝器，可使用多個蒸發器。 目前設想的配置是串聯製冷劑流，其中帶有對各個熱交換器中的空氣或水的控制。「戶外」熱交換器18的設計應同時考慮蒸發器和冷凝器的工作。與換向的熱泵相比，製冷劑流總是以相同方向通過冷凝器12和蒸發器14，這允許對於盤管的兩種工作模式都能夠進行逆流或反向交叉流設計。目前設想的熱交換器18優選是常規的圓管的板-翅片設計。盤管中的翅片應被選擇以實現可接受的冷凝水的排放。所述翅片還應能夠處理霜凍積聚，而不會有過多問題。另一考慮是製冷劑管理。控制閥、風扇、泵等的理想工作應足以確保在每一個工作的熱交換器中具有足夠的製冷劑，但不會在任何位置過度積聚製冷劑。然而，在某些系統中，可能有必要增加液體接收器或收集器，以在不同工作條件下保持最佳量的製冷劑處於循環中。例如，如果在戶外盤管作為冷凝器工作時系統中存在過量製冷劑，期望的是在戶外盤管的出口附近放置一個接收器。另一方面，如果在加熱模式中存在過量製冷劑，期望的是在冷凝器或可選的過冷器的出口上放置一個接收器。位於吸入管線上的收集器還可用於保護壓縮機，以免在一些情況下出現過量的製冷劑液體。接收器和/或收集器的選擇對於系統的最佳性能和可靠性會是重要的，但是不改變系統的基本功能。熱交換器18的製冷劑盤管的壓降可以是一個重要的考慮因素。設計目標可以是保持低壓降以實現蒸發器模式中的良好性能，同時保持在冷凝器模式中的可接受的性能。此外，可使用液體-製冷劑的熱交換器或直接接觸的接地環路，來代替對於周圍空氣開放的戶外熱交換器。在液體-製冷劑的熱交換器的情況下，液體流(諸如水或鹽水) 可按照與上文所述的戶外盤管的空氣流類似的方式被調節。所述液體然後可流過接地環路、乾燥塔、或溼冷卻塔。在溼冷卻塔或乾冷卻塔的情況下，合意的是控制塔風扇速度或空氣流，以降低能量消耗以及在不同工作模式下提供更好控制。在直接接觸的接地環路的情況下，工作模式稍微受限，因為無法控制在熱交換器的地側的熱傳遞。存在許多使用與此處所述和本發明設想的發明構思相同的其他配置。例如，合意的是包括一個電或燃氣的鍋爐，作為具有熱泵的封裝件的一部分。還可包括冷水泵和熱水泵以簡化安裝。儘管上述分析針對單製冷劑環路，但其中許多適用於具有多製冷劑環路的熱泵。 通常，每個製冷劑環路的工作模式都仍是可用的，但是在相同單元中以不同模式運行製冷劑環路也會是有利的。例如，在其中建築物同時需要少量加熱和大量冷卻容量的情況下，如果僅有一個製冷劑環路，熱泵應運行在模式3 (帶有輔助排熱至熱交換器18的水-水熱泵)。如果存在兩個製冷劑環路，合意的是使一個製冷劑環路運行在模式4 (帶有完全熱回收的水-水熱泵)，以處理完全加熱要求。同時，另一個製冷劑環路運行在模式1 (僅冷卻)，以供應其餘的冷卻需求。這種方法的優點在於，用於模式1的冷凝溫度可遠小於模式3或4要求的溫度，這有利於整體提高系統的能量效率。類似地，合意的是使一個環路運行在模式6 (僅加熱)，另一個運行在模式4 (帶有完全熱回收的水-水熱泵)，以代替使兩個環路都運行在模式5 (帶有來自戶外盤管的輔助熱源的水-水熱泵)。另一問題是在部分負荷條件下對於多個製冷劑迴路的壓縮機負荷。對於分級渦旋式壓縮機、可變速的螺杆式壓縮機，或者具有高效的部分負荷工作的其他壓縮機，合意的是使每一個迴路在部分負荷下運行，而不是使一個迴路在較高負荷下運行。需要進行測試和分析以形成最佳控制，從而使能量效率最大化。圖6示出對於本發明的不同工作模式的示意圖72，並且示出了相對於常規系統的優點。水平軸線74是冷卻容量，豎直軸線76是加熱容量。模式1 (僅冷卻)是水平軸線上的線82，因為在該模式中沒有可用的加熱。常規的空氣冷卻的冷卻器可僅沿著這條線工作。 相比較，本發明可在該矩形所示的整個條件範圍下工作。模式6(僅加熱)是豎直軸線上的線84。換向的空氣-水熱泵除了可沿著模式1的線運行，還可沿著線84運行，但是它不能同時提供加熱和冷卻，因此它不能在示意圖的其他條件下運行。模式4 (帶有完全熱回收的水-水熱泵)是對角線86。常規的專用水-水熱泵沿著這條線工作。模式2 (帶有部分熱回收的冷卻)對於具有熱回收熱交換器的常規空氣冷卻的冷卻器是可用的。這個類型的設備可同時提供加熱和冷卻，如該圖的右下角的三角形78所示，但存在一些限制。完全熱回收不是在所有環境條件下都可用。另外，可用的加熱的水溫度受到冷卻器中可用的冷凝條件的限制。本發明結合了常規熱泵和熱回收設備中可用的所有工作模式，以及額外的兩個附加工作模式，從而極大提高工作範圍。模式3允許本發明以受控的加熱的水溫度同時提供加熱的水和冷卻。模式5允許本發明在使用熱交換器18作為輔助熱源時，提供同時的加熱和冷卻，如該圖的區域80所示。這樣的分析清楚示出了本發明的改進的多功能性，這實現了節能。本發明的一個額外有益之處在於相對低的成本。其基於常規的空氣冷卻的冷卻器。附加的水冷式冷凝器和控制閥僅是總裝置成本的一小部分。與專用的水-水熱泵不同，本發明可將熱量排放到周圍空氣中，而不需要任何附加設備，這降低了安裝成本。一個附加的有益之處在於，在溫暖的氣候下，可降低或省去用於加熱鍋爐的成本，因為該功能包括在本系統中。另一個優勢在於安裝簡單。本發明有效地提供了一個加熱和冷卻設施，而不需要大的設備室、冷卻塔等。對於加熱和冷卻功能的控制集成在封裝件中，這進一步降低了對顧客而言的複雜度。與常規的換向熱泵相比，本發明具有許多涉及控制閥的優點。所述換向熱泵需要換向閥，其通常是四通閥。或者，可使用兩個三通閥、或四個二通閥來實現換向閥功能。無論如何，這樣的換向閥必須能夠處理在加熱和冷卻模式中的全部吸入流體積，這會形成大的性能損失或成本損失。相比較，本發明使用兩個或三個二通閥，其中一個能夠只監視排出的氣體體積。在所有正常的工作模式中，所述閥中的至少一個關閉或用作膨脹閥，這有效地消除了由於通過閥的製冷劑壓降形成的任何性能損失。例如，在冷卻模式中，僅通過圖4或5中的旁通閥 58的高側壓降影響了性能。相比較，換向熱泵具有與通過壓縮機的吸入側的四通閥的大的壓降相關聯的附加損失。本發明的一個額外優點在於消除了吸入氣流和排放氣流之間的熱傳遞，這在常規的換向閥中有時是個問題。因此，本發明降低了流動要求，減小了控制閥系的性能損失，這使閥成本降低和/或改進了系統性能。簡而言之，優點包括非常多功能的工作；高能效；低安裝成本；對於顧客而言的簡便性；降低的閥成本和壓降。儘管僅示出和描述了本發明的某些特徵和實施方案，但本領域技術人員將想到許多改型和變化(例如，尺寸變化、維度、結構、形狀、各種元件的比例、參數值(例如，溫度、壓力等)、安裝布置、使用的材料、取向等)，而不實質偏離權利要求中所述的主題的新穎教導和優點。根據替代實施方案，可改變或重新排列任意過程或方法步驟的次序或順序。因此， 應理解，所附的權利要求意在覆蓋落入本發明的真實精神內的所有這樣的改型和變化。此夕卜，為了提供對示例實施方案的準確描述，可能未說明實際應用的所有特徵(即，那些與實踐本發明的目前設想的最佳方式無關的、或者與使所要求的本發明能夠實現無關的)。應理解，在任何這樣的實際應用的研發中，如在任何工程或設計項目中，可作出許多具體的實施決定。這樣的研發努力會是複雜且耗時的，但本領域技術人員在本公開文本的教導下，不需要過度實驗，這將變成不過是設計、製造和生產的例行任務。
權利要求
1.一種加熱和冷卻系統，包括一個蒸發器，其被配置為使製冷劑蒸發以冷卻第一流體流；一個壓縮機，其聯接至所述蒸發器，被配置為壓縮已蒸發的製冷劑；一個冷凝器，其被配置為冷凝由所述壓縮機壓縮的製冷劑，以加熱第二流體流；一個熱交換器，其被配置為接收來自所述冷凝器的製冷劑，以選擇性地從所述製冷劑中提取熱量或者增加熱量至所述製冷劑，以及將所述製冷劑傳送至所述蒸發器；在所述冷凝器和所述熱交換器之間的第一控制閥系，其被配置為在系統的第一工作模式中調整從所述冷凝器到所述熱交換器的製冷劑的流量；以及在所述冷凝器和所述熱交換器之間的第二控制閥系，其被配置為在系統的第二工作模式中調整從所述熱交換器到所述蒸發器的製冷劑的流量。
2.根據權利要求1所述的系統，其中視工作模式而定，所述熱交換器被配置為用作蒸發器或者用作冷凝器。
3.根據權利要求1所述的系統，其中在所述第一工作模式和所述第二工作模式中，所述製冷劑沿著相同方向流過所述蒸發器、所述壓縮機以及所述冷凝器。
4.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一控制閥系被配置為在所述第一工作模式中用作膨脹閥，以及所述第二控制閥系被配置為在所述第二工作模式中用作膨脹閥。
5.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一控制閥系和所述第二控制閥系中的每一個都包括一個二通閥，所述二通閥被配置為可受控地打開，以在所述製冷劑中形成期望的壓降。
6.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一控制閥系包括一個旁通閥以及一個與所述旁通閥並聯的電可控的膨脹閥。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述第二控制閥系包括一個旁通閥以及一個與所述旁通閥並聯的電可控的膨脹閥。
8.根據權利要求7所述的系統，其中所述第二控制閥系的所述旁通閥流體聯接至所述熱交換器與所述第一控制閥系的電可控的膨脹閥相對的流體流側。
9.根據權利要求7所述的系統，其中所述第一控制閥系和所述第二控制閥系的所述旁通閥和所述電可控的膨脹閥是可控的，以在所述第一工作模式和所述第二工作模式中改變所述製冷劑流過所述熱交換器的方向。
10.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一流體流和第二流體流包括水和/或鹽水。
11.根據權利要求1所述的系統，包括控制電路，所述控制電路聯接至所述第一控制閥系和所述第二控制閥系，並被配置為調整所述第一控制閥系和所述第二控制閥系的打開和關閉，以使系統工作在所述第一模式和所述第二模式中。
12.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一控制模式包括打開所述第一控制閥系以使製冷劑壓降最小化，同時使第二控制閥系用作膨脹閥以提供大的壓降，所述第二控制模式包括使第一控制閥系用作膨脹閥以提供大的壓降，同時打開所述第二控制閥系以使壓降最小化，由此所述熱交換器在所述第一工作模式中用作冷凝器，並在所述第二工作模式中用作蒸發器。
13.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一工作模式和所述第二工作模式選自如下組的模式僅冷卻模式、帶有部分熱回收的冷卻模式、帶有輔助排熱的熱泵模式、帶有完全熱回收的熱泵模式、帶有源自熱交換器的輔助熱的熱泵模式、僅加熱模式、以及除霜模式。
14.根據權利要求13所述的系統，其中所述系統被配置為在所述組中的兩個以上的模式下工作。
15.根據權利要求1所述的系統，其中所述模式中的一個是僅冷卻模式，在該僅冷卻模式中，所述熱交換器作為冷凝器工作，沒有第二流體流通過所述冷凝器。
16.根據權利要求15所述的系統，其中在所述僅冷卻模式中，壓縮機容量基於所述第一流體流的溫度來控制。
17.根據權利要求16所述的系統，其中所述系統包括一個風扇，用於推動空氣經過所述熱交換器，所述風扇被控制以最小化能量消耗，同時保持通過所述第二控制閥系的足夠壓差。
18.根據權利要求1所述的系統，其中所述模式中的一個是帶有部分熱回收的冷卻模式，在該帶有部分熱回收的冷卻模式中，所述熱交換器作為冷凝器工作，第二流體流通過所述冷凝器。
19.根據權利要求1所述的系統，其中所述系統包括一個風扇，用於推動空氣經過所述熱交換器，並且所述模式中的一個是帶有輔助排熱的水-水熱泵模式，以及調整所述風扇的工作以保持來自冷凝器中的第二流體流的溫度處於期望的水平。
20.根據權利要求19所述的系統，其中所述模式包括完全熱回收，其中控制所述熱交換器中的製冷劑的壓力。
21.根據權利要求20所述的系統，其中控制所述第一控制閥系，以保持所述熱交換器中的製冷劑的溫度接近周圍空氣溫度。
22.根據權利要求21所述的系統，其中控制所述第二控制閥系，以保持來自所述蒸發器的總體恆定的過熱量。
23.根據權利要求1所述的系統，其中所述模式中的一個包括僅加熱模式，沒有第二流體流通過所述冷凝器。
24.根據權利要求23所述的系統，其中所述系統包括一個風扇，用於推動空氣經過所述熱交換器，且所述風扇基本以全容量工作。
25.根據權利要求M所述的系統，其中基於所述第二流體流的溫度來控制所述壓縮機的容量。
26.根據權利要求25所述的系統，其中所述模式包括所述第一流體流通過所述蒸發ο
27.根據權利要求1所述的系統，其中所述系統包括一個風扇，用於推動空氣流經過所述熱交換器，以及所述模式包括除霜模式，在該除霜模式中，所述風扇被關掉，第一流體流通過所述蒸發器以融化所述熱交換器中積聚的冰和霜。
28.一種加熱和冷卻系統，包括一個蒸發器，其被配置為使製冷劑蒸發以將水或鹽水流冷卻；一個壓縮機，其聯接至所述蒸發器，被配置為壓縮已蒸發的製冷劑；一個冷凝器，其被配置為冷凝由所述壓縮機壓縮的製冷劑，以加熱水或鹽水；一個外部的熱交換器，其被配置為接收來自所述冷凝器的製冷劑，以選擇性地從所述製冷劑中提取熱量或者增加熱量至所述製冷劑，以及將所述製冷劑傳送至所述蒸發器；在所述冷凝器和所述熱交換器之間的第一控制閥系，其被配置為在系統的第一工作模式中調整從所述冷凝器到所述熱交換器的製冷劑的流量；在所述冷凝器和所述熱交換器之間的第二控制閥系，其被配置為在系統的第二工作模式中調整從所述熱交換器到所述蒸發器的製冷劑的流量；以及控制電路，其聯接至所述第一控制閥系和所述第二控制閥系，被配置為調整所述第一控制閥系和第二控制閥系的打開和關閉，以使系統工作在至少所述第一模式和所述第二模式中。
29.根據權利要求觀所述的系統，其中所述控制電路被配置為調整所述第一控制閥系和所述第二控制閥系，以使系統工作在如下模式的至少兩個模式中僅冷卻模式、帶有部分熱回收的冷卻模式、帶有輔助排熱的熱泵模式、帶有完全熱回收的熱泵模式、帶有源自熱交換器的輔助熱的熱泵模式、僅加熱模式、以及除霜模式。
30.根據權利要求四所述的系統，其中在所述第一工作模式和所述第二工作模式中， 所述製冷劑沿著相同方向流過所述蒸發器、所述壓縮機以及所述冷凝器。
31.根據權利要求四所述的系統，其中所述第一控制閥系被配置為在所述第一工作模式中用作膨脹閥，以及所述第二控制閥系被配置為在所述第二工作模式中用作膨脹閥。
32.一種加熱和冷卻系統，包括一個蒸發器，其被配置為使製冷劑蒸發以將水或鹽水流冷卻； 一個壓縮機，其聯接至所述蒸發器，被配置為壓縮已蒸發的製冷劑； 一個冷凝器，其被配置為冷凝由所述壓縮機壓縮的製冷劑，以加熱水或鹽水； 一個外部的熱交換器，其被配置為接收來自所述冷凝器的製冷劑，以選擇性地從所述製冷劑中提取熱量或者增加熱量至所述製冷劑，以及將所述製冷劑傳送至所述蒸發器；在所述冷凝器和所述熱交換器之間的第一控制閥系，其被配置為在系統的第一工作模式中調整從所述冷凝器到所述熱交換器的製冷劑的流量；在所述冷凝器和所述熱交換器之間的第二控制閥系，其被配置為在系統的第二工作模式中調整從所述熱交換器到所述蒸發器的製冷劑的流量；以及控制電路，其聯接至所述第一控制閥系和所述第二控制閥系，被配置為調整所述第一控制閥系和第二控制閥系的打開和關閉，以使系統工作在至少所述第一模式和所述第二模式中；其中在所述第一工作模式和所述第二工作模式中，所述製冷劑沿著相同方向流過所述蒸發器、所述壓縮機以及所述冷凝器。
33.根據權利要求32所述的系統，其中所述控制電路被配置為調整所述第一控制閥系和所述第二控制閥系，以使所述系統運行在如下模式的至少兩個模式中僅冷卻模式、帶有部分熱回收的冷卻模式、帶有輔助排熱的熱泵模式、帶有完全熱回收的熱泵模式、帶有源自熱交換器的輔助熱的熱泵模式、僅加熱模式、以及除霜模式。
全文摘要
一種加熱和冷卻系統，包括一個蒸發器(14)、一個壓縮機(16)、以及一個冷凝器(12)。一個熱交換器(18)——其可以是戶外的熱交換器——被配置為接收來自所述冷凝器的製冷劑，以選擇性地從所述製冷劑中提取熱量或者增加熱量至所述製冷劑，以及將所述製冷劑傳送至所述蒸發器。布置在所述冷凝器和所述熱交換器之間的第一控制閥系(34)被配置為在第一工作模式中調整從所述冷凝器到所述熱交換器的製冷劑的流量。布置在熱交換器和所述蒸發器之間的第二控制閥系(36)被配置為在第二工作模式中調整從所述熱交換器到所述蒸發器的製冷劑的流量。通過適當控制所述閥系和其他系統部件，可使所述系統在多種模式中工作。
文檔編號F25B41/04GK102549356SQ201080035443
公開日2012年7月4日 申請日期2010年8月12日 優先權日2009年8月17日
發明者D·A·克斯特, I·M·卡斯普, S·庫蘭卡拉, W·L·卡普卡 申請人:江森自控科技公司