製冷系統及其淨化方法與流程

2023-09-21 10:50:50

本發明涉及一種製冷系統，更具體而言，本發明涉及一種具有淨化裝置的製冷系統及其淨化方法。

背景技術：

目前，採用低壓製冷劑的較大型的製冷設備的運輸過程維護及成本控制通常存在多類型的問題。例如，若在生產工廠中預先充注製冷劑或保持設備內空間為相對真空，那麼由於其管路內的低壓特性，在設備運輸至客戶所需的安置地點途中，容易發生大氣及包含其中的水汽滲入製冷設備內的情況，這將導致製冷設備內部的金屬材質發生腐蝕問題。另一種情形如專利申請WO2015/068455所示，其在生產工廠中先完全充注保壓氣體，這可以保證運輸過程的相對平穩。但其在客戶所需的安置地點需要抽出保壓氣體，並再重新充注製冷劑。在這種情形下，一方面無法保證操作人員及操作過程的規範性，難以確保充注質量；另一方面也會比在工廠集中充注製冷劑花費更多的物料採購成本。因此，如何既保證在製冷設備運輸過程的安全性，又保證成本及操作的可控性，成為本領域技術人員亟待解決的問題。

此外，若在製冷設備中已充注保壓氣體或其他氣體，那麼為免影響設備性能，則在設備正式運轉前，需將相應的氣體從製冷設備的管路內抽出。如何在將這些氣體與製冷劑分離開並排出也需要解決。例如，如中國專利CN104471331所示，其提供了一套連接於製冷系統的淨化設備，並公開了利用氣體分離來實現的製冷劑淨化。該套原理固然可行，但在實際操作過程中，如何將該套設備具體連接到製冷系統中的連接方式（例如氣體抽出位置及氣體返回位置等）的設計仍然在不斷優化中，以此來實現更好的淨化效果。這也是本領域的技術人員需要解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種製冷系統與淨化迴路具體的連接設計，以便實現製冷劑與保壓氣體的高效及可靠的分離。

本發明的目的還在於提供一種製冷系統的淨化方法，以免製冷設備運輸過程中發生製冷劑洩漏及設備腐蝕問題。

為實現以上目的或其他目的，本發明提供以下技術方案。

根據本發明的一個方面，提供一種製冷系統，其包括:製冷迴路,其包括通過管路依次連接的壓縮機、冷凝器、節流元件及蒸發器；以及淨化迴路，其連接至所述製冷迴路，且用於將所述製冷迴路內的保壓氣體分離；其中，所述製冷迴路在所述製冷系統的最高處或局部最高處接入至所述淨化迴路。

根據本發明的另一個方面，還提供一種用於製冷系統的淨化方法，其包括：在第一時間區段內，執行：S1：向所述製冷系統內充注滿足設計製冷量的製冷劑；S2：向所述製冷系統內充注保壓氣體，使所述製冷系統內的壓力高於大氣壓；以及，在第二時間區段內，執行：S3：將所述製冷系統內的所述保壓氣體分離並排出。

附圖說明

圖1是本發明的製冷系統的一個實施例的系統示意圖；以及

圖2是本發明的製冷系統的淨化迴路的一個實施例的示意圖。

具體實施方式

參照圖1及圖2，提供了一套製冷系統，其包括製冷迴路100及淨化迴路200。其中，鑑於本套製冷系統中製冷劑淨化的高適用範圍，此處描述的製冷迴路100可為任一常規大型製冷設備的製冷迴路，其通常包括通過管路依次連接的壓縮機130、冷凝器110、節流元件140及蒸發器120。在此不再贅述該製冷迴路中各部件結構。該製冷系統還包括淨化迴路200，其用於將製冷迴路100內的保壓氣體分離出來。在此需要說明的是，通常，對於已經投入使用的製冷系統而言，其製冷迴路可能僅存在製冷劑。然而，對於尚未投入使用的常規製冷系統而言，特別是對於本發明中的製冷系統尚未使用時的狀態而言，為避免製冷系統管路內處於負壓狀態而導致水汽或大氣滲入，進而帶來部件腐蝕問題，通常會在製冷系統管路內充注保壓氣體。在此種情況下，若要使製冷系統投入正常運轉，還需在運行前將系統內的保壓氣體分離並排出。

此類保壓氣體在充注進入系統管路中後，通常會積存在整個機組的最高點處或局部最高處。因此，為便於淨化系統的分離提純，可使製冷迴路100在所述製冷系統的最高處或局部最高處接入至所述淨化迴路200。其中，值得注意的是，由於保壓氣體或空氣的密度通常低於氣態製冷劑的密度，因此這些氣體在進入系統管路後理論上應積存在整個系統的最高點處。然而，在實際應用中，取決於保壓氣體的充注點的不同和/或空氣滲入系統管路的具體位置不同，這些氣體同樣有可能直接積存在其進入系統處的部件內最高點處（也即局部最高處），而不必然順著管路流至整個系統的最高處。

根據大型機組的常規部件布局，整個系統的最高處一般為壓縮機頂部，而常規的保壓氣體充注點一般會選擇冷凝器110底部的第一充注口和/或蒸發器120的頂部的第二充注口102。因此，這些氣體通常最集中於冷凝器的上部或壓縮機頂部。因此，本發明的一個實施例提出使製冷迴路100通過其冷凝器的頂部的第一分離口103或壓縮機頂部的第二分離口104接入至淨化迴路200。這更易於將製冷劑與保壓氣體的混合物引入淨化迴路200，從而更優地實現對保壓氣體及製冷劑的分離，進而保證後續機組開機操作時的高性能。

此外，淨化迴路200可在冷凝器的底部接回至製冷迴路100。如此設計使得淨化迴路200的氣體入口231及製冷劑出口232存在高度差，在已完成分離的製冷劑流回製冷迴路100時，由於重力驅動能夠順利流回冷凝器。

出於上文所述的同樣的目的，作為備選，淨化迴路200還可在蒸發器的底部接回至製冷迴路100。此時除了受重力驅動外，還能受到額外的壓差推動，改善了驅動效率。

應當知道的是，本發明中所述的淨化迴路具有分離製冷劑及保壓氣體，至於其具體結構及分離原理則可具有多種形式。本發明在此提供幾種可能的淨化迴路作為備選。然而，即使未在下文示出，根據本文作為示例所提供的這幾種方式的啟發，本領域技術人員也應該能夠想到其他相關的可能性。

在圖2中示出了淨化迴路200的一種實施方式，其包括通過管路依次連接的淨化壓縮機210、淨化冷凝器220、膨脹閥240及低溫分離器230。其中，淨化迴路200通過低溫分離器230雙向連接至製冷迴路100。更具體而言，低溫分離器230作為淨化迴路200與製冷迴路100的流體交換中介而存在。即，製冷劑與保壓氣體的混合物從製冷迴路100流入低溫分離器230，經過低溫分離器230的分離及提純後，已分離的製冷劑經由低溫分離器230流回至製冷迴路100，而分離出的保壓氣體則經由低溫分離器230排放至大氣中。

關於低溫分離器230中的各個開口，本實施例也提供了其具體的設計位置。例如，其具有位於低溫分離器230頂部的入口231、位於低溫分離器230底部的製冷劑出口232以及位於低溫分離器230頂部的保壓氣體出口233。由於此實施例採用的低溫分離原理，因此，在低溫下發生液化的製冷劑可以十分容易地從設於較低處的製冷劑出口232流回製冷迴路100；而在低溫下依然保持氣態的保壓氣體則可以十分容易地從設於較高處的保壓氣體出口233排放至大氣中。此外，將入口231設於低溫分離器230頂部也避免了製冷劑及保壓氣體的混合氣體對積存在低溫分離器230底部的液體製冷劑造成擾動，更有助於淨化迴路的淨化工作。

另外，淨化迴路200還包括一條排放支路，其連接在低溫分離器230的保壓氣體出口233上。排放支路上設有再生過濾器250及氣泵260。其中，氣泵260用於為待排放的保壓氣體提供抽吸動力，而再生過濾器250則用於將混合在保壓氣體中的微量製冷劑濾除，以免微量製冷劑逸散後對大氣造成汙染。所述再生過濾器250可以通過加熱或者抽真空等方法釋放出吸收的製冷劑，重新恢復其過濾能力，也即再生。具體而言，再生過濾器可包括但不限於活性碳過濾器，分子篩過濾器，半透膜過濾器等。

可選地，各條迴路或支路上均可設置開關閥或開度閥來控制流路的通斷或開度。

如下將參照圖2中所示的製冷系統來描述該設備的製冷劑及保壓氣體混合物的分離工作過程。

當設備尚未運作時，充注其中的保壓氣體通常位於設備內部的最高處或局部最高處，也即冷凝器頂部或壓縮機頂部。此時，開始設備的淨化工作。一方面，製冷劑及保壓氣體的混合物從冷凝器頂部或壓縮機頂部被抽吸至淨化迴路200中的低溫分離器230中。另一方面，淨化迴路200中的淨化壓縮機210開始工作，使淨化迴路200中的工作冷媒經其壓縮後，再流過淨化冷凝器220冷凝，隨後經過膨脹閥240節流，並與最終進入低溫分離器230中與製冷劑及保壓氣體的混合物進行熱交換，隨後流回淨化壓縮機210，開始新一輪的循環。製冷劑及保壓氣體的混合物在由淨化迴路200的工作冷媒吸熱降溫後，液化溫度較高的製冷劑氣體被冷凝成製冷劑液體並積存在低溫分離器230的下部，而液化溫度較低的保壓氣體則依然保持氣體狀態並積存在低溫分離器230的上部。此後，製冷劑液體經由低溫分離器230底部的製冷劑出口232循環回製冷迴路100中，而保壓氣體則經由低溫分離器230頂部的保壓氣體出口233並通過排放支路排放至大氣中。

如上所述，本發明在此雖然結合圖2詳述了具有採用低溫分離原理的淨化迴路100的製冷系統的工作過程，利用其他分離原理的淨化迴路同樣可應用於本發明中。

作為備選，淨化迴路（未示出）可包括加壓泵及加壓分離器。其中，淨化迴路通過加壓分離器雙向連接至製冷迴路。更具體而言，加壓分離器作為淨化迴路與製冷迴路的流體交換中介而存在。即，製冷劑與保壓氣體的混合物從製冷迴路流入加壓分離器，經過加壓分離器的分離及提純後，已分離的製冷劑經由加壓分離器流回至製冷迴路，而分離出的保壓氣體則經由加壓分離器排放至大氣中。

關於加壓分離器中的各個開口的具體設計位置，可參照上文所述的關於低溫分離器230中的各開口的位置設計。

可選地，各條迴路或支路上均可設置開關閥或開度閥來控制流路的通斷或開度。

如下將描述該設備的製冷劑及保壓氣體混合物的分離工作過程。

當設備尚未運作時，充注其中的保壓氣體通常位於設備內部的最高處或局部最高處，也即壓縮機頂部或冷凝器頂部。此時，開始設備的淨化工作。製冷劑及保壓氣體的混合物從壓縮機頂部或冷凝器頂部被抽吸至淨化迴路中的加壓分離器內，並經由加壓處理使製冷劑及保壓氣體的壓力升高。此後，液化溫度較高的製冷劑氣體被較低的環境溫度冷凝成製冷劑液體並積存在加壓分離器的下部，而液化溫度較低的保壓氣體則依然保持氣體狀態並積存在加壓分離器的上部。此後，製冷劑液體經由加壓分離器的製冷劑出口循環回製冷迴路中，而保壓氣體則經由加壓分離器的保壓氣體出口並通過排放支路排放至大氣中。

更優選地，由於低溫分離及加壓分離均基於使製冷劑液化而與保壓氣體分離開來。因此，可結合該兩種方式來實現更優秀的分離效果。例如，可在具有加壓分離器的淨化迴路中額外設計用於輔助分離的降溫部件。或者，可在具有低溫分離器的淨化迴路中額外設計用於輔助分離的加壓部件。

此外，作為備選，淨化迴路（未示出）還可包括半透膜分離器，其中，淨化迴路通過所述半透膜分離器雙向連接至所述製冷迴路。更具體而言，半透膜分離器作為淨化迴路與製冷迴路的流體交換中介而存在。即，製冷劑與保壓氣體的混合物從製冷迴路流入半透膜分離器，經過半透膜分離器的分離及提純後，已分離的製冷劑經由半透膜分離器流回至製冷迴路，而分離出的保壓氣體則經由半透膜分離器排放至大氣中。此處的半透膜可以選擇性通過製冷劑或者保壓氣體，目的都在於分離兩種氣體。

可選地，各條迴路或支路上均可設置開關閥或開度閥來控制流路的通斷或開度。

如下將描述該設備的製冷劑及保壓氣體混合物的分離工作過程。

當設備尚未運作時，充注其中的保壓氣體通常位於設備內部的最高處或局部最高處，也即壓縮機頂部或冷凝器頂部。此時，開始設備的淨化工作。製冷劑及保壓氣體的混合物從壓縮機頂部或冷凝器頂部被抽吸至淨化迴路中的半透膜分離器內，並經由半透膜的選擇性過濾使製冷劑及保壓氣體中的一者被濾除，而另一者得以通過。此後，製冷劑經由半透膜分離器上的製冷劑出口循環回製冷迴路中，而保壓氣體則經由半透膜分離器的上保壓氣體出口並通過排放支路排放至大氣中。

此外，根據本發明的研發初衷，可知其主要應用於管路內尚存在製冷劑及保壓氣體的混合物的製冷系統在正式應用前的系統處理階段。此類情形的出現主要是因為製冷設備在常規運輸過程中容易存在下述問題：

（1）空氣滲透進系統，隨後在系統正式運行時會大大影響系統性能。若在到達運輸地點後另行抽真空及重新充注製冷劑，則一方面增加了操作難度及對操作人員的額外工作量，另一方面，也增加了物料成本（集中採購的成本要遠低於零星採購）。

（2）水汽/空氣滲入設備內部而導致的設備腐蝕問題。

因此，為更好地配合上述製冷系統的使用，本發明還提供了一種

用於製冷系統的淨化方法，其包括如下步驟：

在第一時間區段內，執行：

S1：向所述製冷系統內充注滿足設計製冷量的製冷劑；

S2：向所述製冷系統內充注保壓氣體，使所述製冷系統內的壓力高於大氣壓；

在第二時間區段內，執行：

S3：將所述製冷系統內的所述保壓氣體分離並排出。

具體而言，當上述方法應用於製冷設備的生產完成及運輸至客戶指定位置過程中的防腐蝕目的時，上述的第一時間區段可包括：在所述製冷系統被製造完成至所述製冷系統待裝載運輸之間的時間區段。而上述第二時間區段可包括：在所述製冷系統被裝載運輸抵達目標位置至所述製冷系統正式運行前的時間區段。根據本發明的教示，可知只要在上述時間區段內執行本發明的各步驟，即可實現良好的設備防腐蝕效果，並且還可以有效避免製冷劑的過量洩漏。在此前提下，為更優地實現本發明的效果，在距製冷系統製造完成越近的時刻實施製冷劑及保壓氣體的充注，則可以越好地實現其保壓、防洩漏及防腐蝕的效果；而在距製冷系統正式運行前越近的時刻實施壓氣體的分離及排出，則同樣可以越好地實現其保壓、防洩漏及防腐蝕的效果。

根據本文所教示的淨化方法，在製冷系統生產完成後至裝運前，先根據設計的製冷量，將在生產基地處統一採購及運輸的製冷劑充注到製冷系統中；隨後將保壓氣體充注到製冷系統內，使系統內部保持高於大氣壓。在完成上述步驟後將製冷設備裝運至客戶指定地點。當在指定地點完成製冷系統的安置且在製冷系統正式運行前,連接製冷系統中的製冷迴路與淨化迴路，並開始淨化運行，從而實現製冷劑與保壓氣體的分離，並將已分離出的製冷劑送回製冷迴路，且將保壓氣體排放至大氣中。在完成該分離操作後，製冷系統可正式運行。

上述方法實現了多種技術效果：首先，其減少了製冷劑的物料成本及充注製冷劑所需的專業操作人員的人力成本；其次，其有效避免了裝運過程中的製冷劑洩漏及設備腐蝕等問題。

此外，具體到將保壓氣體從製冷劑中分離出來的步驟，則可以結合上文所述的不同淨化迴路，並採用如下所述的多種方法來實現。

可選地，S3包括：在製冷系統正式運行前，將製冷系統內的保壓氣體通過低溫分離並排出。具體過程可參見上文結合具有低溫分離器的淨化迴路所述的內容。

可選地，S3包括：在製冷系統正式運行前，將製冷系統內的保壓氣體通過加壓分離並排出。具體過程可參見上文結合具有加壓分離器的淨化迴路所述的內容。

可選地，S3包括：在製冷系統正式運行前，將製冷系統內的保壓氣體通過選擇性半透膜分離並排出。具體過程可參見上文結合具有半透膜分離器的淨化迴路所述的內容。

其中，當選用的是與製冷劑及保壓氣體的液化溫度有關的分離方式時（例如低溫分離和/或加壓分離），為了更好地實現兩者的分離，選定的保壓氣體應當具備如下性質：其應當具有低於選定製冷劑的液化溫度，且無法與選定製冷劑和製冷系統自身發生化學反應。更具體而言，在此提供幾種保壓氣體的具體實施例以備選擇。例如，所述保壓氣體為惰性氣體、氮氣或二氧化碳。

以上例子主要說明了本發明的製冷系統及其淨化方法。儘管只對其中一些本發明的實施方式進行了描述，但是本領域普通技術人員應當了解，本發明可以在不偏離其主旨與範圍內以許多其他的形式實施。因此，所展示的例子與實施方式被視為示意性的而非限制性的，在不脫離如所附各權利要求所定義的本發明精神及範圍的情況下，本發明可能涵蓋各種的修改與替換。