公開了一種在制冷和空調(diào)系統(tǒng)中使用的改進(jìn)的蒸發(fā)冷凝器和蒸發(fā)冷凝工藝。所述冷凝器和工藝可采用化學(xué)制冷劑(例如氫氟烴)和天然制冷劑(例如烴類(例如丙烷和異丁烷)、CO₂、氨等)。

背景技術(shù)：

目前的蒸發(fā)冷凝器在各種制冷和空調(diào)系統(tǒng)中通過制冷劑的冷凝來排出熱量。更具體地，蒸發(fā)冷凝器包括一個或多個潤濕的(例如經(jīng)噴霧的)冷凝盤管，其通過在其之上的氣流通道對制冷劑進(jìn)行冷凝，并將一部分水蒸發(fā)到其中，從而在冷凝盤管中將熱量從制冷劑中除去，同時使得冷凝劑在其中冷凝。蒸發(fā)冷凝器還包括除水器(或者更簡單地，分離器，將水“漂流”走，否則這些水就將要傳輸?shù)酱髿庵?。在將氣流釋放到大氣中之前，隨著氣流流經(jīng)冷凝盤管和水噴霧器，除水器除去了隨氣流流動的游離水。

在目前的蒸發(fā)冷凝器中，冷凝盤管的預(yù)留面積(plan area)與除水器的預(yù)留面積相匹配，以確保通過蒸發(fā)冷凝器的氣流速率和氣流速度恒定。

在目前的蒸發(fā)冷凝器中，熱交換效率受流經(jīng)冷凝盤管的空氣速度所限制?？諝馑俣确催^來又受到除水器除去流經(jīng)其中的氣流中游離水的能力所限制。在目前的蒸發(fā)冷凝器中，這種除去的水再循環(huán)以再次用于潤濕冷凝盤管。然而，隨空氣流經(jīng)除水器到大氣里的任何水中都可能含有細(xì)菌，例如軍團(tuán)桿菌，因此需要盡可能多地從氣流中除去游離水。

例如，在許多目前的蒸發(fā)冷凝器中，已知的是，需設(shè)定通過除水器的最大空氣速度高達(dá)3.5至4m/s，以確保充分除去水，然而，據(jù)推測，在如此高的最大空氣速度下，仍然存在細(xì)菌(例如軍團(tuán)桿菌)與未除去的游離水一起通過除水器的顯著風(fēng)險。建議通過除水器的更安全的最大氣流速度為3.5m/s。然而，這又反過來對可流經(jīng)冷凝盤管的空氣速度設(shè)置限制。

上述對背景技術(shù)的引用不必然構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知常識的技術(shù)部分的認(rèn)可。上述參考文獻(xiàn)不旨在限制本文公開的冷凝器和工藝的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種用于制冷和空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)冷凝器。如本文公開的蒸發(fā)冷凝器可凝結(jié)化學(xué)制冷劑(例如氫氟烴、氫氯氟烴、全氟化碳、氫氟烯烴等等)和天然制冷劑(例如烴類(例如丙烷和異丁烷)、CO₂、氨等等)。

如本文公開的蒸發(fā)冷凝器包括用于冷凝系統(tǒng)之中制冷劑的一個或多個冷凝盤管。所述一個或多個冷凝盤管可設(shè)置在蒸發(fā)冷凝器的冷凝盤管區(qū)域中。所述冷凝盤管區(qū)域可包括具有恒定橫截面積的空氣室。

如本文公開的蒸發(fā)冷凝器還包括用于潤濕(例如，通過用水對它們進(jìn)行噴霧)一個或多個冷凝盤管的裝置。

如本文公開的蒸發(fā)冷凝器進(jìn)一步包括設(shè)置的除水器，以除去已流經(jīng)一個或多個冷凝盤管和潤濕裝置的氣流中的游離水。

按照本發(fā)明所公開的，本文所公開的蒸發(fā)冷凝器包括從冷凝盤管向除水器分流的分流區(qū)。所述分流區(qū)的構(gòu)造是這樣的，一旦氣流已經(jīng)流過一個或多個冷凝盤管，其流入并通過分流區(qū)進(jìn)入除水器。例如，所述分流區(qū)可包括具有橫截面積逐漸增大的空氣室。

所述分流區(qū)能夠使得離開冷凝盤管區(qū)域的氣流減速。這意味著流經(jīng)冷凝盤管的空氣速度相對于流經(jīng)除水器的空氣速度可有所提高。這種較高的速度可以幫助減少管內(nèi)的污垢。

此外，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，可以使用具有相對于除水器的預(yù)留面積縮小的冷凝盤管束。對此，進(jìn)一步的結(jié)果是需要較少的冷凝盤管即達(dá)到相同的冷凝性能。這意味著可以生產(chǎn)更低成本的蒸發(fā)冷凝器，因為冷凝盤管束相當(dāng)于這種冷凝器中唯一最昂貴的部件。

此外，增加的制冷劑流可通過冷凝盤管束，因為更高的空氣速度能夠引起相對更大多的冷凝劑冷凝。

此外，這意味著，作為使用的已知的熱浸電鍍碳鋼冷凝管的替代，可使用更昂貴和/或更堅固的材料(例如不銹鋼)來構(gòu)成一個或多個冷凝盤管，從而得到更長的壽命、更少的腐蝕以及，任選地，可使用更薄的用于盤管(管)的管壁材料。盡管如此，如果優(yōu)選的話，仍然可以使用DN 8、10、15和20(附表40)無縫的、熱浸無縫電鍍碳鋼管來形成一個或多個冷凝盤管。

在一個實施方式中，一個或多個冷凝盤管中的每一個都可采用不銹鋼管(例如，外徑為4.76-31.8mm、厚度為0.5-1.6mm的304或316不銹鋼)。使用304不銹鋼可提供更好的導(dǎo)電性，而316不銹鋼可以提供更好的耐腐蝕性。與已知的電鍍低碳鋼冷凝盤管相比，此類管材料能夠更好地運行。使用非常小直徑的管可以適用于某些小規(guī)模的應(yīng)用。

使用不銹鋼管材料(即，根據(jù)耐腐蝕/耐化學(xué)性，升高的制冷劑壓力容量等)還可允許使用天然制冷劑，例如丙烷和/或異丁烷碳?xì)浠衔?、CO₂、氨等。

在一個實施方式中，一個或多個冷凝盤管可在冷凝盤管區(qū)中排列成束(例如，兩個或多個嵌套線圈束)。例如，所述冷凝盤管區(qū)可含有一段橫截面積大致恒定的冷凝器(例如，圓形、正方形、矩形等中空截面的空氣室)。

在一個實施方式中，區(qū)域的分流部分可配置成使氣流以逐漸減小的方式減速。

在一個實施方式中，所述分流區(qū)可含有使空氣流在其中流通的中空平截頭體(中空空氣室)。此類中空平截頭體可以位于冷凝盤管風(fēng)室的空氣出口側(cè)。例如，當(dāng)冷凝盤管風(fēng)室是圓形截面時，分流平截頭體各自包含圓錐平截頭體、或方形近圓形(square-to-circular)的平截頭體狀棱柱；當(dāng)冷凝盤管風(fēng)室是方形截面時，分流平截頭體可以包括方形平截頭體，等等。

在一個實施方式中，所述除水器可緊靠于分流區(qū)的空氣離去側(cè)。

在一個實施方式中，所述冷凝器可包括位于冷凝盤管區(qū)的空氣入口側(cè)的空氣入口室。

在一個實施方式中，用于潤濕一個或多個冷凝盤管的部件可包括一個或多個噴嘴。所述噴嘴可相對于分流區(qū)設(shè)置，在與流經(jīng)一個或多個冷凝盤管的氣流的相反方向上將水噴射到一個或多個冷凝盤管上。例如，所述噴嘴可設(shè)置在分流區(qū)中，并且通?？梢詫⑺砸后w錐狀噴射到冷凝盤管區(qū)中。

或者，用于潤濕一個或多個冷凝盤管的部件可包括水分流通道，例如那些具有鋸齒狀邊緣的、具有內(nèi)槽的，等等。

所述冷凝器可包括一個水收集區(qū)(例如，位于空氣入口室的底部)。所述收集區(qū)可以收集已經(jīng)通過冷凝盤管區(qū)的水。

所述冷凝器可進(jìn)一步包括用于將收集的水再循環(huán)到潤濕部件的再循環(huán)系統(tǒng)，以使冷凝器效率最大化。在一個實施方式中，所述再循環(huán)系統(tǒng)可包括一個用于將收集的水經(jīng)由管道泵送到潤濕部件的泵。例如，排出管可從空氣入口室延伸到泵，并且輸送管可從泵出口延伸到潤濕部件(例如，到噴嘴、到分流管道等等)。

在一個實施方式中，再循環(huán)系統(tǒng)按照需要可進(jìn)一步包括用于維持預(yù)定量的水(例如，在水收集區(qū))的補(bǔ)水部件，用于蒸發(fā)冷凝器的有效運行。這種補(bǔ)水可包括除水器除去的(捕獲的)水。

在一個實施方式中，所述蒸發(fā)冷凝器可進(jìn)一步包括熱交換器(例如，單獨的、橫向定位的離散熱交換單元)。收集的水可于再循環(huán)到潤濕部件之前先通過熱交換器。此外，冷凝的制冷劑可流經(jīng)熱交換器以與所收集的再循環(huán)水進(jìn)行熱交換。這種熱交換器可用于對冷凝的制冷劑進(jìn)行低溫冷卻，以進(jìn)一步提高蒸發(fā)冷凝器的運行效率。

本文還公開了一種蒸發(fā)冷凝器，其包括收集區(qū)，所述收集區(qū)用于收集已流經(jīng)冷凝盤管區(qū)的水，且包括熱交換器，所收集的水可于再循環(huán)到潤濕部件之前先通過熱交換器，并且，冷凝的制冷劑流經(jīng)熱交換器與所收集的再循環(huán)水進(jìn)行熱交換。

本文還公開了一種形成制冷或空調(diào)循環(huán)的一部分的蒸發(fā)冷凝工藝。

所述工藝包括使制冷劑流經(jīng)一個或多個冷凝盤管。所述工藝還包括用水潤濕一個或多個冷凝盤管。所述工藝進(jìn)一步包括使氣流通過一個或多個潤濕的冷凝盤管，從而使得制冷劑在盤管內(nèi)冷凝，借此使得一部分水蒸發(fā)進(jìn)入氣流中。所述工藝另外包括將從一個或多個冷凝盤管中離開的、在氣流中所存在的水進(jìn)行去除。

根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，除去氣流中存在的水之前，采用該工藝使得從一個或多個冷凝盤管中離開的氣流速度得以降低。

正如上文所述，這可以使得一個或多個冷凝盤管的預(yù)留面積(并因此減少)相對于除水器(如上文所述的隨之而來的優(yōu)勢)有所減少。

本文還公開了一種蒸汽冷凝工藝，其中，流經(jīng)一個或多個冷凝盤管的水被收集并再循環(huán)以用水潤濕一個或多個冷凝盤管。此外，在該工藝中，在所收集的水再循環(huán)以潤濕一個或多個冷凝盤管之前，在冷凝的制冷劑和所收集的水之間熱量可以得到交換。

本文公開的工藝可以在如上所述的蒸發(fā)冷凝器中進(jìn)行。

在本文所公開的工藝中，在一個或多個冷凝盤管中冷凝的制冷劑可以包括天然制冷劑(例如，烴類，例如丙烷和/或異丁烷、CO₂、氨等)，或化學(xué)制冷劑(例如，氫氟烴、氫氯氟烴、全氟化碳、氫氟烯烴等)。

附圖簡要說明

盡管可能存在落入如綜述中所闡述的冷凝器和工藝的范圍內(nèi)的任何其他形式，現(xiàn)將僅通過示例的方式并參考附圖描述具體的實施方式：

圖1顯示了蒸發(fā)冷凝器的橫截面?zhèn)纫晥D，其具有設(shè)置有一個或多個冷凝盤管冷凝盤管區(qū)，以及從冷凝盤管區(qū)而延伸出去的分流區(qū)。

圖2顯示了圖1詳情，圖解了一種蒸發(fā)冷凝器的變化形式，其進(jìn)一步包括側(cè)熱交換器；和

圖3A和3B分別顯示了具有收縮-膨脹區(qū)(其中設(shè)有一個或多個冷凝盤管)的蒸發(fā)冷凝器的橫截面示意圖和側(cè)視圖；

圖4顯示了類似于圖1的蒸發(fā)冷凝器的橫截面?zhèn)仁疽鈭D，但根據(jù)實施例適用不同的工藝參數(shù)；

圖5顯示了根據(jù)實施例的CO₂和水溫度曲線圖；

圖6顯示了根據(jù)實施例的CO₂熱容曲線圖；

圖7顯示了根據(jù)實施例沿管束向下流動的水的曲線圖；

圖8顯示了根據(jù)實施例的總傳熱系數(shù)和壓力損失的曲線圖；

圖9顯示了根據(jù)實施例，基于市售可得的超臨界CO₂壓縮機(jī)在5℃飽和吸力下，5K有用的吸氣過熱度以及5℃的CO₂液體溫度下的排熱曲線圖；

圖10顯示了根據(jù)實施例，市售可得的超臨界CO₂壓縮機(jī)在50Hz.30kW/27.2m³/h下的性能圖；和

圖11顯示了根據(jù)實施例，NH₃、R22R507A、丙烷和R134a在飽和冷凝溫度下的性能系數(shù)(COP)變化圖。

具體實施方式詳細(xì)描述

接下來將描述蒸發(fā)冷凝器的具體形式，以及形成制冷或空調(diào)系統(tǒng)/循環(huán)的組成部分的蒸發(fā)冷凝工藝。

標(biāo)記為10和100的蒸發(fā)冷凝器實施方式分別示于圖1和圖2以及圖3A和3B。蒸發(fā)冷凝器實施方式10和100能夠使用化學(xué)制冷劑和自然制冷劑(如上所述)。圖4至11涉及實施例中描述的實施方案。

在圖1至圖3中，蒸發(fā)冷凝器10和100的類似組件被類似地編號，但是圖3的實施方式中添加了100。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解的是，為了簡潔起見，以下描述不重新描述那些重新出現(xiàn)在圖3實施方式中的相似或相同組件，因此應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是已經(jīng)描述過的。

圖1和圖2中優(yōu)選的蒸發(fā)冷凝器10包括兩個或多個嵌套的冷凝盤管束12，所述冷凝盤管束中具有流動的(用于冷凝)所選系統(tǒng)制冷劑。所述冷凝盤管束12以矩形氣流氣室13的形式設(shè)置在冷凝盤管區(qū)中。

蒸發(fā)冷凝器10還包括噴嘴14形式的裝置，所述噴嘴14在分流管15中形成，用于通過用椎體16的水噴射(例如，以所示的3kg/m²的速率)冷凝管束12以潤濕它們?；蛘撸梢允褂盟至魍ǖ?，例如那些具有鋸齒狀邊緣或內(nèi)部狹槽的。

噴嘴14設(shè)置成沿著與所示氣流流動相反的方向?qū)⑺畤娚涞嚼淠P管束12上。

蒸發(fā)冷凝器10還包括設(shè)置在冷凝器上端部的風(fēng)扇殼內(nèi)的風(fēng)扇。在圖3的實施方式中，這種設(shè)置實際顯示為位于冷凝器最上端的風(fēng)扇殼120內(nèi)的風(fēng)扇118(參見圖3A)。在圖1和圖2的實施方式中可以采用相同或類似的設(shè)置。在這方面，風(fēng)扇使空氣通過空氣入口21被吸入到空氣入口室22中，所述空氣入口室22朝向冷凝器10的下端。

在圖1和圖2的實施方式中，氣流A以例如8.1m³/s的體積流率進(jìn)入，首先通過篩網(wǎng)過濾器，然后進(jìn)入空氣入口室22，之后由風(fēng)扇導(dǎo)致氣流向上流動并通過冷凝盤管束12。由風(fēng)扇獲得的空氣壓差可維持在例如160Pa。

在圖3的實施方式中，氣流A以例如3m/s的速度和例如23℃的濕球溫度進(jìn)入，首先根據(jù)大氣污染通過任選的篩網(wǎng)過濾器124和進(jìn)氣槽126，然后進(jìn)入進(jìn)氣室122，之后由風(fēng)扇118導(dǎo)致氣流向上流動并通過冷凝盤管束112。

蒸發(fā)冷凝器10進(jìn)一步包括除水器30，所述除水器鄰近冷凝器上端，安置在冷凝器內(nèi)。一旦氣流流過冷凝盤管束12和噴嘴14，除水器30就除去了氣流中的游離水。

在圖1和圖2的實施方式中，所述蒸發(fā)冷凝器10包括矩形氣流氣室13，緊接著是以平截頭體氣室40形式的分流氣流室。矩形氣流氣室13可以是正方形的、矩形的等等空心截面(例如，彎曲的或焊接的塑料或金屬薄板/板材)。分流氣室40也可以是空心截面的(例如，彎曲的或焊接的塑料或金屬薄板/板材)，但形成了如定義的平截頭體。當(dāng)例如氣室13具有方形截面時，分流氣室40包括正方形或矩形平截頭體。

然而，在圖3的實施方式中，蒸發(fā)冷凝器100采用位于包括冷凝盤管束112的中間矩形氣流氣室113任一側(cè)上的氣流聚集區(qū)135和氣流分流區(qū)140。所述氣室113具有恒定的橫截面面積，并且將氣流聚集區(qū)135和氣流分流區(qū)140互連。所述中間氣流氣室113還是可以為正方形、矩形等等空心截面(例如薄板/板材)。氣流聚集區(qū)135和氣流分流區(qū)140還是可以為中空截面的(例如薄板/板材)，但是每個形成為如定義的平截頭體。例如，當(dāng)中間區(qū)113具有方形截面時，聚集氣室和分流氣室各自可包括正方形或矩形平截頭體。

在圖1和圖2的實施方式中，風(fēng)扇運行使得氣流A在冷凝盤管束12處相對于除水器30已經(jīng)處于較高的速度。氣流A流過凝膠盤管束12后，通過水椎體16流入分流氣流氣室40。由于分流氣流氣室40逐漸增大的橫截面，氣流能夠在其到達(dá)并通過除水器30之前減速至可接受的速度。蒸發(fā)冷凝器10，特別是和分流氣流氣室40建造成的速度處于可從氣流中除去符合環(huán)境要求、最小量的游離水的水平。在這點上，除水器30處的氣流速率可減速至大約3.5m/s。

可以看出，除水器30布置在緊靠分流氣流氣室40出口處，由此氣流不允許進(jìn)行不必要的減速。

因此，圖1和圖2的實施方式不采用氣流收集區(qū)。相反，來自空氣入口室22并通過冷凝盤管束12的氣流速度大約為5m/s，直至氣流到達(dá)分流氣流氣室40，因此氣流在除水器30處逐漸減速至大約3.5m/s。

然而，在圖3的實施方式中，冷凝盤管束112放置在中間氣流區(qū)113中。構(gòu)建這些區(qū)域使得氣流A流過，并且氣流在氣流收集區(qū)135加速(例如，大約5m/s)到達(dá)位于中間氣流氣室113中的冷凝盤管束112。在流經(jīng)冷凝盤管束112后，氣流A流入分流氣流區(qū)140，通過水椎體16，并在到達(dá)除水器130之前減速。再次，除水器130布置在緊靠分流氣流氣室140出口處。

氣流收集區(qū)135構(gòu)建成可引起氣流A例如以逐漸增加的方式加速。相反地，氣流分流區(qū)140構(gòu)建成可引起氣流A例如以逐漸降低的方式減速。這意味著，相對于進(jìn)入空氣進(jìn)口室122還有通過除水器130的空氣速度，通過中間氣流區(qū)113和通過冷凝盤管束112的空氣速度增加。例如，在所示的構(gòu)造中，中間氣流區(qū)113的空氣速率大約為通過除水器的3.5m/s空氣速度的兩倍，為～5m/s(即大約高45％)。

在任一實施方式中，并且作為通過冷凝盤管束12、112的增加的氣流速率的結(jié)果，已經(jīng)令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，可以采用相對于除水器30、130具有預(yù)留面積縮小的冷凝盤管束。作為這種增加的氣流速率的進(jìn)一步結(jié)果，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，需要更少的冷凝盤管即可達(dá)到相同的冷凝器散熱性能。

結(jié)果是，可以生產(chǎn)更低成本的蒸發(fā)冷凝器，因為冷凝盤管束相當(dāng)于這種冷凝器唯一最昂貴的部件?；蛘撸耸褂靡阎暮癖跓峤婂兲间摾淠苡糜诒P管束12、112，可以使用更昂貴和/或更堅固的材料(例如不銹鋼管)來形成盤管束12、112。在這種情況下，結(jié)果可得到更長的盤管壽命、更少的腐蝕，以及如果需要的話，得到用于盤管束中更薄的管壁材料。在這方面，盤管束12、112可包括不銹鋼管，例如外徑為4.76-31.8mm和厚度為0.5-1.6mm的304或316不銹鋼。觀察表明這類管與已知的電鍍低碳鋼冷凝盤管相比，性能良好。由這樣的不銹鋼管材料提供的耐腐蝕性和耐化學(xué)性以及增加的制冷劑壓力容量還允許將天然制冷劑如丙烷和/或異丁烷碳?xì)浠衔?、CO₂、氨等用于蒸發(fā)冷凝器10、100。

冷凝盤管上增加的氣流速率的另一個結(jié)果是增加的制冷劑可通過冷凝盤管束12、112，因為較大的空氣速度能夠?qū)е孪鄬^大量的制冷劑冷凝。

冷凝器10還包括位于空氣入口室22的基部(即，與其鄰近)的水池50形式的水收集區(qū)。所述水池50收集已經(jīng)通過或來自冷凝盤管的過量噴水。

為了最大化冷凝器效率，冷凝器10還額外包括一個再循環(huán)系統(tǒng)，所述再循環(huán)系統(tǒng)用于將收集的水再循環(huán)到分流管15以供給噴嘴14。在這方面，再循環(huán)系統(tǒng)包括泵52，用于將收集的水經(jīng)管道泵入分流管15。泵52經(jīng)由排出管54將水從水池50中抽出。然后輸送管段56從泵出口延伸以與分流管15連接。

所述再循環(huán)系統(tǒng)還包括水補(bǔ)充器58(例如，以383kg/h)，用于在水池50中保持預(yù)定量的水以便蒸發(fā)冷凝器的有效操作。這種補(bǔ)充水可包括已被除水器30除去(捕獲)的水的供應(yīng)。

在圖2的細(xì)節(jié)所示的蒸發(fā)冷凝器的變化形式中，冷凝器10還可進(jìn)一步包括側(cè)面換熱單元60。水池50中的水可經(jīng)由泵52泵送并進(jìn)入并通過熱交換單元60，然后在再循環(huán)之前通過輸送管部分56再循環(huán)到分流管15。這種單元也可以裝配到圖3的實施方式中。

在該變化形式中，冷凝器管中冷凝的制冷劑也可以經(jīng)由制冷劑輸送管62傳遞并且通過熱交換單元60，以與來自水池50中的再循環(huán)水進(jìn)行熱交換。在熱交換單元60中，相對冷卻的水池中的水可低溫冷卻冷凝的制冷劑，例如，從30℃冷卻至約26.5℃。這可以進(jìn)一步提高制冷系統(tǒng)的操作效率。隨水流64離開熱交換單元60的制冷劑(例如，CO₂)可處于一個過冷的溫度(例如，26.5℃左右)。

實施例

現(xiàn)在將提供所述冷凝器和工藝的非限制性實施例，以描述冷凝器和工藝的理論基礎(chǔ)，以及更好地理解工作中的冷凝器和工藝。

實施例1-工藝設(shè)計模型

開發(fā)了亞臨界CO₂冷凝蒸發(fā)冷凝器的應(yīng)用設(shè)計模型，如圖1至3中所示。更具體地，對將蒸發(fā)冷凝技術(shù)在亞臨界CO₂冷凝應(yīng)用中的益處進(jìn)行了檢驗。這種益處包括：與跨臨界操作相比降低的設(shè)計壓力、降低的能耗以及降低的運行和運營成本。顯而易見，熱氣除霜也可以成為亞臨界CO₂制冷設(shè)備操作的標(biāo)準(zhǔn)特征。

然而，首先指出的是，在24℃的進(jìn)氣濕球溫度下，氨可以在蒸發(fā)冷凝器中、30℃下冷凝。在開發(fā)的設(shè)計模型中，結(jié)果表明，用于30℃(即低于臨界點1.1K)下亞臨界CO₂冷凝的蒸發(fā)冷凝器能夠設(shè)計用于24℃的濕球。

其次指出的是，歐洲大部分地區(qū)的平均氣候條件，包括西班牙、意大利、希臘和土耳其的溫暖氣候條件，都適合蒸發(fā)冷凝器在30℃下凝結(jié)超臨界CO₂。我們也注意到，加拿大、美國和中國的大部分地區(qū)、以及位于南回歸線以下的大部分澳大利亞地區(qū)也具有適合超臨界CO₂冷凝蒸發(fā)冷凝器應(yīng)用的氣候。超臨界CO₂在30℃下的熱力學(xué)和輸運性質(zhì)隨溫度顯著變化。因此，也顯示了這些變化在特定設(shè)計上對CO₂溫度曲線、熱傳遞和壓力損失的影響。

例如，對平均氣候條件的考察表明，歐洲大部分地區(qū)，包括西班牙、意大利、希臘和土耳其，在許多地點，在30℃或更低的冷凝溫度下，100％的時間內(nèi)具有在臨界條件下蒸發(fā)冷凝器可用于冷凝CO₂的氣候。例如，歐洲唯一的5％設(shè)計濕球溫度發(fā)生率超過24℃的位置為土耳其的亞達(dá)那(其中，1和2.5％濕球發(fā)生率設(shè)計水平為26℃)。在希臘的塞薩洛尼基，1％的濕球設(shè)計發(fā)生率在25℃，但是2.5％和5％的濕球設(shè)計發(fā)生率在24℃。接下來最高的1％濕球設(shè)計發(fā)生率水平為發(fā)生在直布羅陀、巴塞羅那、巴倫西亞、米蘭、伊斯坦布爾和伊茲密爾的24℃。

最終，得出的結(jié)論是，在溫帶和許多亞熱帶氣候中，使用CO₂的蒸發(fā)冷凝器可以使得CO₂制冷劑與化學(xué)制冷劑一樣普遍存在，并且當(dāng)需要在間接應(yīng)用中使用時，可以成功地與氨競爭(例如辦公樓和醫(yī)院的供暖和制冷)。

約20年前當(dāng)CO₂制冷恢復(fù)時，幾乎普遍使用空氣冷卻性氣體冷卻(通過將水噴灑到翅片盤管氣體冷卻的空氣進(jìn)口表面上的隔熱輔助)。應(yīng)注意的是，這導(dǎo)致實際上所有CO₂制冷系統(tǒng)需要以跨臨界模式運行，因為空氣冷卻溫度接近或超過了31.1℃的CO₂臨界溫度。

通常，來自空氣冷卻性氣體冷卻器的夏季設(shè)計CO₂排出溫度高于臨界溫度，這導(dǎo)致壓縮機(jī)需要在90bar或更高的壓力下運行，以確保合理的COP?？缗R界CO₂壓縮機(jī)的夏季設(shè)計COP通常低于空氣冷卻HFC或蒸發(fā)冷卻氨系統(tǒng)的COP。

因此，建議將冷凝器冷卻介質(zhì)的溫度降低到允許完全亞臨界CO₂制冷循環(huán)的水平。這通過蒸發(fā)冷凝器實現(xiàn)，其中在空氣冷卻性冷凝器或氣體冷卻器的情況下，環(huán)境空氣濕球溫度(WB)是有效冷卻介質(zhì)溫度，而不是環(huán)境空氣干球(DB)溫度。

出現(xiàn)的問題包括供水、用水和水處理的需要，以及按照由一些壓縮機(jī)供應(yīng)商目前的規(guī)定對最低冷凝溫度進(jìn)行的控制。另一個問題是對偶然的跨臨界條件的控制策略。為解決這些問題提出了建議。

CO₂蒸發(fā)冷凝器的評價模型

評價實施例

圖4顯示了現(xiàn)在將進(jìn)一步描述的蒸發(fā)冷凝器的示意流程圖。在圖4的流程圖中，水在管束上再循環(huán)，使得噴霧水溫度與水池水溫度相同。

規(guī)定的參數(shù)是：(a)空氣速度和濕球及干球溫度；(b)噴霧水流率；(c)束管尺寸，和(d)在30℃和7.2MPa下包含飽和液體的離去CO₂。

蒸發(fā)冷卻器中的質(zhì)量和能量平衡

Qureshi(2006)和Heyns(2009)公開了五個聯(lián)立的非線性微分方程組，描述了蒸發(fā)冷卻器中的空氣-水-過程液體相互作用。

通過使用在Microsoft的Excel電子表格的VBA中使用四階Runge-Kutta程序編寫的程序求解這些方程式，該電子表格具有分成四十個間隔的傳送長度。這種求解方法是試驗性的和誤差的，因為空氣入口處的池水溫度是猜測的并且被迭代地調(diào)整，直至其與空氣出口處的計算水溫相同。

溶液沿著管道從CO₂出口到進(jìn)口“向后”進(jìn)行，以空氣入口處用30℃下的飽和液體制冷劑開始，繼續(xù)進(jìn)行，如同被加熱一樣，在計算的排出溫度下以過熱蒸汽結(jié)束。該程序允許兩相冷凝和單相蒸汽脫過熱。

驗證模型

沒有可以驗證數(shù)值解的五個方程解析解。然而，我們注意到兩個發(fā)現(xiàn)：當(dāng)離去和進(jìn)入的水溫相等時；(a)CO₂焓改變等于濕空氣焓變，(b)在30℃下氨冷凝所計算的熱負(fù)荷在使用簡化的Merkel模型(Merkel，1926)，基于恒定的冷凝溫度計算的負(fù)荷的9％以內(nèi)。

模型預(yù)測

圖5和圖6顯示了CO₂和水溫度曲線圖。CO₂溫度曲線(圖5)的形狀是出人意料的——它比預(yù)期更平坦。在約37％以上的交換器表面，CO₂蒸汽溫度僅在間隔數(shù)29時從32降低至30℃。這是恰好高于30℃(圖6)的非常高的熱容量的結(jié)果(圖6)。

該模型預(yù)測67％的交換器表面將需要顯性冷卻。30℃時接近臨界點的CO₂焓數(shù)據(jù)顯示68％的排熱是顯性冷卻，不像氨只有10％。

與顯熱冷卻相對較小的曲線相比，水溫曲線向左偏移，反映了在臨界點附近的CO₂顯性冷卻的較大比例。

水分蒸發(fā)

圖7顯示了沿管束向下的水流。另一個出人意料的是，水沒有蒸發(fā)到管束頂部的空氣中。這里，盡管在上升，水溫還是低的，并且水以高于在空氣-水界面濕度比的濕度比接觸空氣，因此發(fā)生一些冷凝，水流增加。

性能改變的影響

圖8闡明了在各溶液間隔上熱容量、密度、粘度和熱導(dǎo)率隨溫度的變化對總傳熱系數(shù)和壓力損失的影響。第零間隔是熱放電氣體進(jìn)入的地方。隨著CO₂溫度接近32℃，總傳熱系數(shù)有相當(dāng)大的上升，當(dāng)氣相轉(zhuǎn)變?yōu)閮上鄷r，每米的壓力損失相應(yīng)減少。

在模型中，0.845用于方程式(3)中的路易斯數(shù)。當(dāng)路易斯數(shù)為1.00時，相同熱負(fù)荷所需的表面積僅降低1.4％。

評論

模擬的情況是極端的，在30℃下CO₂冷凝非常接近其臨界點。注意到的是，在較低的冷凝溫度下，顯熱冷卻的比例將降低，并且性能隨溫度的變化將大大降低。參見圖9。

進(jìn)一步注意到，Merkel簡化模型預(yù)測的排熱量比在30℃下冷凝的CO₂差異模型低大約22％，考慮到顯熱冷卻的顯著比例，這并非出乎意料的。

CO₂壓縮機(jī)次臨界能量性能

冷凝溫度對循環(huán)性能的影響

在圖10中，產(chǎn)生了五條商業(yè)可用的、半封閉跨臨界CO₂壓縮機(jī)的COP曲線，其具有在50Hz和30kW四極電動機(jī)下27.2m3/h的波及體積。

參考圖10中的曲線1，COP在+10℃的飽和吸氣溫度(SST)下，從+30℃飽和冷凝溫度(SCT)下的6.27至+16℃飽和冷凝溫度下的18.0。+10℃的SST將允許+11℃的蒸發(fā)溫度(ET)，具有對應(yīng)于1K沸點抑制的吸入壓降。11℃被認(rèn)為是用于直接冷卻空調(diào)(AC)空氣的合理有效的蒸發(fā)溫度，允許在冷卻盤管上的空氣溫度中相對較大的擴(kuò)散，從而抑制需要循環(huán)的空氣體積，并且由此降低風(fēng)扇能量消耗和由此產(chǎn)生的寄生熱負(fù)荷。這反過來導(dǎo)致輸入到壓縮機(jī)中的所需能量減少，從而提高整個系統(tǒng)的總體能量效率。

曲線2顯示在+5℃的SST下，在30℃至16℃SCT下，COP從4.45到11.67。這將允許空調(diào)的制冷水用于改造現(xiàn)有建筑物和應(yīng)用于新建筑物。

在上述兩種情況下，空調(diào)壓縮機(jī)還可以用作在-5℃SST下的制冷負(fù)荷的并聯(lián)壓縮機(jī)，例如保持冷凍儲存溫度大約在0℃，以及應(yīng)用于冷藏和吹風(fēng)式冷凍的兩階段CO₂系統(tǒng)的高階段負(fù)荷。

在這種情況下，高壓壓縮機(jī)將以+5℃和+10℃的虛擬CO₂氣體冷卻器出口溫度運行，這分別導(dǎo)致COP曲線3和4。在從+30至+16℃范圍內(nèi)的SCT和+5℃的虛擬氣體冷卻器出口溫度下，COP曲線3在-5℃的SST下在從4.7至7.88的范圍內(nèi)變化。COP曲線4顯示了在+10℃的虛擬氣體冷卻器出口，-5℃的SST下，以及從+30至+16℃范圍內(nèi)的SCT下，COP范圍從4.45至7.04。需注意的是，這可以通過在吸入熱交換器(SHEX)中改善壓縮機(jī)吸入壓力，以使性能更接近曲線3。

環(huán)境濕球溫度對冷凝器性能的影響

圖4顯示了CO₂、空氣和水的一般細(xì)節(jié)。環(huán)境濕球溫度對冷凝器性能的影響示于下表所列結(jié)果中：

NB.制冷管束：84回路、8通路、146.2m²

氨、R22、R507A、丙烷和R134a的相對能量效率

這些制冷劑在相同操作條件下的COP顯示在圖11中。結(jié)果證實，氨是其中最好的制冷劑。出乎意料的是R134a的低COP。在16和35℃的SCT下，R134a的COP分別比氨的低42和31％。此外，在+16℃SCT下的R134a壓縮機(jī)的COP在3.84，在相同的吸入條件下與+35℃SCT下的氨壓縮機(jī)的COP大致相同。這證實了R134a具有高的直接和間接的全球變暖潛能值(Global Warming Potential，GWP)。在25至35℃SCT下，R507A的性能比R22效率低11至16％。HFC R507A沒有像HCFC R22那樣的臭氧消耗潛能，但R507A的100年GWP為3,895，是R22的100年GWP值1810的兩倍。

總傳熱系數(shù)，Uo

再次參考圖8，Uo明顯高于氨冷凝情況下的常見Uo，其中在2.6至3.05m/s的表觀空氣速度下，Uo范圍約為450至550w/m².K。在模型中選擇3m/s的表觀空氣速度作為最大值，以確保除水器能夠捕獲懸浮在上升氣流中的大部分游離水。

圖4中的CO₂蒸發(fā)冷凝器在圖8中的平均Uo值為約1050w/m².K。這被認(rèn)為是進(jìn)入冷凝管束幾乎相同的表觀空氣速度下，氨的平均值的兩倍以上。顯而易見的是，當(dāng)考慮到30℃下冷凝68％的待除去的熱量是顯著過熱，只有32％實際上是圖9所示的30℃下的冷凝潛熱。高的總傳熱因子歸因于76個55米長的等效長度回路中的高CO₂質(zhì)量通量即338.7kg/m².s，這造成了15kPa的計算壓降。這是可接受的最大值，以促進(jìn)并聯(lián)操作的CO₂冷凝器，而不需要太大的下降管，以避免在一個冷凝器不工作時，在運行的冷凝器中液體滯留。

與蒸發(fā)器一樣，CO₂的高ΔP/ΔT比值允許冷凝器回路中的高質(zhì)量通量，以提供高的熱傳遞速率，允許更少的較長回路，這也使得管束的制造更加經(jīng)濟(jì)。

應(yīng)該注意到的是，蒸發(fā)冷凝器中的氨質(zhì)量通量在約25至40kg/m²范圍內(nèi)，并且經(jīng)常低于25。該壓降是氨冷凝器的問題，因為氨蒸發(fā)冷凝器中的過度壓降提高了排出壓力，從而提高了飽和冷凝溫度(SCT)，導(dǎo)致能耗增加。

最小氣流影響

再次參考圖4，計算的離去空氣干球溫度在100％RH下為29.3℃，因此離開濕球溫度也為29.3℃。這僅僅比30℃的SCT低0.7°K。這是有可能的，因為頂部管溫度為77℃，并且高比例的顯性過熱確保了高的47.7°K離去途徑。需注意到的是，在氨蒸發(fā)冷凝器中這是不可能的，其中在設(shè)計條件下，氨蒸發(fā)冷凝器的位于氨SCT和離去濕球之間的最小離去溫度很少低于3K且不小于2.5K。小氣流也導(dǎo)致了最小風(fēng)扇能量消耗。

結(jié)論

在滿足全尺寸原型CO₂蒸發(fā)冷凝器的性能測試的前提下，得出結(jié)論，在最大設(shè)計濕球(WB)溫度為24至25℃的較高緯度亞熱帶中使用蒸發(fā)冷凝器顯示出巨大的前景。在環(huán)境WB溫度更低的更加溫和以及涼爽至寒冷氣候的地區(qū)，CO₂蒸發(fā)冷凝器顯示出了更巨大的前景。

根據(jù)上述結(jié)論，在幾乎所有的歐洲地區(qū)(包括地中海國家)、除了與墨西哥灣和大西洋相接的美國南部洲、以及許多中西部州如遠(yuǎn)至北部的明尼蘇達(dá)州，都適合將蒸發(fā)冷凝器應(yīng)用于亞臨界CO₂壓縮排氣。

實驗還表明，環(huán)境濕球溫度為28至29℃的蒸發(fā)氣體冷卻和環(huán)境空氣WB至CO₂的出口溫度接近3K是完全可行的。這歸因于以下事實，在跨臨界模式下，沒有冷凝階段(圖9)的較大LMTD下只有顯性熱傳遞，而相對較高的跨臨界流體密度伴隨著高熱容量，類似于圖6。

蒸發(fā)冷卻對亞臨界CO₂冷凝和跨臨界CO₂氣體冷卻的應(yīng)用造成了高COP下的高效制冷，其與常規(guī)制冷劑在低于臨界溫度下操作所實現(xiàn)的COP相當(dāng)并且在很多情況下更高。這為全球應(yīng)用CO₂制冷開辟了道路。分別用冷凍水、DX或泵送CO₂空調(diào)的應(yīng)用中，在將CO₂用于+5和+10℃的壓縮機(jī)飽和吸入溫度的應(yīng)用中尤其如此。

進(jìn)一步注意到，空調(diào)壓縮機(jī)還可以用作在諸如超市等設(shè)施中的任何剩余制冷負(fù)荷的并聯(lián)壓縮機(jī)，其中如圖10所示，在高到非常高的COP下需要冷卻和冷凍負(fù)荷。

實際上，當(dāng)比較圖10和11時，顯然在亞臨界冷凝階段，CO₂的性能優(yōu)于常規(guī)化學(xué)制冷劑，例如R22、R507A和R134a，還有如Pearson(2010)所發(fā)現(xiàn)的。此外，在大多數(shù)操作條件下，特別是在涉及平行壓縮的情況下，CO₂可與氨和丙烷競爭或者勝出。

在高濕球溫度下，例如28℃，常規(guī)的蒸發(fā)冷凝器將能夠在40℃SCT下操作，如圖9所示，對于NH₃、R22、R507A、丙烷和R134a分別產(chǎn)生了3.37、3.34、2.71、2.96和2.38的COP值。因此，為了開發(fā)高效率的CO₂制冷劑，需要更大的壓縮機(jī)，例如，CNG染料壓縮機(jī)的改進(jìn)版本。

術(shù)語

實施例中：

a 外表面面積 m²

m_a 空氣流率 kg干空氣s^-1

m_w 水流率 kg s^-1

m_r CO₂流率 kg s^-1

i_masw 空氣-水界面的飽和空氣焓值 J kg^-1干空氣

h_a 空氣焓值 J kg^-1干空氣

h_d 傳質(zhì)系數(shù) kg

i_v 水蒸氣焓值 J kg^-1

T_w 水溫 ℃

Le 路易斯數(shù) -

T_r CO₂溫度 ℃

C_pw 液態(tài)水的熱容 J kg^-1K^-1

C_pa 濕空氣的熱容 J kg^-1K^-1

U_o 總傳熱系數(shù) W m^-2K^-1

W 空氣濕度比 kg水kg^-1干空氣

W_int 空氣-水界面的空氣濕度比 kg水kg^-1干空氣

h_w 水管傳熱系數(shù) W m^-2K^-1

h_i CO₂傳熱系數(shù) W m^-2K^-1

d_i 管內(nèi)徑 m

d_o 管外徑 m

ff 污垢系數(shù) K m²W^-1

模型參數(shù)

1.使用NIST(2011)數(shù)據(jù)用于飽和以及過熱的CO₂熱力學(xué)性質(zhì)和傳輸性質(zhì)；

2.等式(6)中的h_w由Mizushima和Miyasita(1967)、Qureshi and Zubair(2006)的等式(A.8)計算得出；

3.等式(3)中的h_d由Mizushima和Miyasita(1967)、Qureshi和Zubair(2006)的等式(A.13)計算得出；

4.對于兩相CO₂流，等式(6)中的h_i由Shah’s(2009)、Qureshi和Zubair(2006)等式(A.6)和(A.7)計算得出；壓力損耗由Müller-Steinhagen和Heck correlation(ASHRAE,2005)計算得出；

5.對于單相CO₂蒸汽流，等式(6)中的h_i由Dittus-Boelter相關(guān)性Nu＝0.023Re^0.8Pr^0.3計算得出；壓力損耗由摩擦因子＝0.079Re^-0.25計算得出；

6.管束內(nèi)的空氣壓降由Mills(1999)、4.5.1節(jié)、316頁計算得出。

以下參考文獻(xiàn)用于制定模型：

1.ASHRAE,2005,2005Fundamentals,4.12-13頁

2.Heyns J, D,2009,氣冷式蒸汽冷凝器合并混合(干/濕)精餾器的性能特點(Performance characteristics of an air-cooled steam condenser incorporating a hybrid(dry/wet)dephlegmator),附錄A,PIER Report,CEC-500-2013-065-APA

3.Merkel,F.,1926,Verdunstungskuling,VDI‐Zeitschrift,卷70,123–128頁

4.Mills A.F.,1999,基礎(chǔ)傳熱和傳質(zhì)(Basic Heat&Mass Transfer),第2版,A.F.,Prentice Hall.

5.Mizushima,T.,R.Ito和H.Miyasita,1967,蒸發(fā)冷卻器的實驗研究(Experimental study of an evaporative cooler),International Chemical Engineering,卷7,727‐732頁

6.NIST 2011,http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/Thermophysical Properties of Fluid Systems

7.Qureshi B,Zubair S,2006,蒸發(fā)冷卻器和冷凝器的綜合設(shè)計和評級研究(A comprehensive design and rating study of evaporative coolers and condensers.Part I Performance evaluation),Int.J.Refrigeration,29:645-658.

8.Shah M,2009,光滑管中冷凝過程用于傳熱的改善和擴(kuò)展的一般修正(An improved and extended general correlation for heat transfer during condensation in plain tubes),HVAC&R Research,15(5)

9.Pearson,S.Forbes,2010,使用二氧化碳用于空調(diào)和一般制冷(Use of carbon dioxide for air conditioning and general refrigeration),IIR-IOR 1st Cold Chain Conference,Cambridge,UK.

實施例2–設(shè)計模型輸出

由模型設(shè)計產(chǎn)生以下數(shù)據(jù)點，以說明具有表面空氣速度隨冷凝器容量的變化：

盡管已經(jīng)描述了多個冷凝器和工藝的實施方式和模型，但應(yīng)當(dāng)理解的是，冷凝器和工藝可以許多其他形式實現(xiàn)。

例如，增壓室13可以具有圓形截面，由此分流增壓室40包括圓錐截頭體、或正方形近圓形椎體狀的棱柱。然而，這種構(gòu)造不太受歡迎，因為其不能增進(jìn)冷凝器內(nèi)水的自由排出。

在隨后的權(quán)利要求以及前面的描述中，除非上下文由于表達(dá)語言或必要的隱含，否則詞語“包括”及其變體例如“包含”或“包含的”以包含的含義使用，即，以指定所述特征的存在，但不排除如本文所述的冷凝器和工藝的各種實施方案中存在或添加其他特征。