一种低能耗的制冷系统及其使用方法

摘要

一种制冷系统，包括蒸发器，冷凝器，压缩机以及U形管或者直管，所述冷凝器的安装位置高于所述蒸发器的安装位置；所述U形管的高度H或者所述直管插入蒸发器中制冷剂液面下的深度H满足ρgH>p2-p1，其中ρ为制冷剂的密度。对于室内温度T1低于室外温度T2的情况，本发明制冷系统采用卡诺逆循环；对于室内温度T1高于室外温度T2的情况，本发明制冷系统采用卡诺循环，p2

权利要求

1.一种制冷系统，包括

蒸发器（1），制冷剂在所述蒸发器（1）中的压力为p1，温度为t1；

冷凝器（2），制冷剂在所述冷凝器（2）中的压力为p2，温度为t2；

所述冷凝器（2）的设置位置高于所述蒸发器（1）的设置位置；

压缩机（3），所述压缩机（3）的进气端连接所述蒸发器（1），出气端连接所述冷凝器（2）；

其特征在于：

还包括用于连接所述蒸发器（1）和冷凝器（2）的U形管（5）或者直管（6），所述U形管（5）的高度H或者所述直管（6）插入蒸发器（1）中制冷剂液面下的深度H满足ρgH>p2-p1，其中ρ为制冷剂的密度。

2. 根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于：所述高度或者深度H为0.5－1m。

3. 根据权利要求1或2所述的制冷系统，其特征在于：所述冷凝器（2）与所述U形管（5）或直管（6）之间还设置有气液分离器（7）。

4. 根据权利要求3所述的制冷系统，其特征在于：所述气液分离器（7）顶端设有排气口（701），所述排气口（701）通过开关控制阀（8）与真空泵（9）相连接。

5. 根据权利要求4所述的制冷系统，其特征在于：所述开关控制阀为电磁阀（8）。

6. 根据权利要求1-5任一所述的制冷系统，其特征在于：所述蒸发器（1）包括蒸发器箱体（102），所述蒸发器箱体内存有制冷剂，所述蒸发器箱体（102）内底部布置有待冷却空气通过的第一换热器盘管（101），所述第一换热器盘管（101）置于所述制冷剂内。

7. 根据权利要求1-6任一所述的制冷系统，其特征在于：所述冷凝器（2）包括冷凝器箱体（202），所述冷凝器箱体（202）内存有冷却介质，所述冷凝器箱体（202）内底部布置有所述制冷剂通过的第二换热器盘管（201），所述第二换热器盘管（201）置于所述冷却介质中；在所述冷凝器箱体（202）上开设有空气进口（203）和空气出口（204），所述空气出口（204）同引风机（4）相连接。

8. 根据权利要求1－7所述的制冷系统，其特征在于：所述冷凝器（2）上设有介质进口（205）和介质出口（206），所述介质出口（206）通过泵（10）连接设置有冷却塔（11），所述冷却塔（11）同所述介质进口（205）相连，形成一个冷却介质循环。

9. 根据权利要求1-8任一所述的制冷系统，其特征在于：所述制冷剂为沸点为20－

100℃的液体。

10. 根据权利要求9所述的制冷系统，其特征在于：所述制冷剂为水或甲醇或乙醇。

说明书

一种低能耗的制冷系统及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于空调制冷技术领域，具体涉及一种制冷系统及其使用方法。

背景技术

[0002] 目前，制冷循环技术主要采用卡诺逆循环，由制冷剂等温蒸发、制冷剂蒸汽定熵压缩、制冷剂等温冷凝和制冷剂液体定熵膨胀四个循环过程构成。相应地，空调制冷设备主要由蒸发器、压缩机、冷凝器、毛细管膨胀阀四个部件组成。目前的制冷技术主要是将热量从温度为T1的低温热源输送到温度为T2的高温热源，即从冷源向热源搬运热量，俗称“热泵”。

[0003] 对于夏季室内制冷，蒸发器设置在室内，冷凝器设置在室外；室内温度低于室外，室内空气为冷源，室外空气为热源；蒸发器内的制冷剂与室内空气换热后等温蒸发，压缩机压缩制冷剂蒸汽进入室外的冷凝器中等温冷凝，冷凝过程中制冷剂携带的热量传递给室外空气，制冷剂在毛细管膨胀阀中完成定熵膨胀后回到蒸发器中重复上述循环。

[0004] 对于冷暖两用空调，用于夏季制冷、冬季制热；从组成结构上来讲，其和只具有制冷作用的空调相比，还加设有一个四通阀。夏季制冷时，蒸发器设置在室内，冷凝器设置在室外，其作用原理同上。但是冬季制热时，由于室内温度高于室外，室内空气为热源，室外空气为冷源；这时需要在四通阀的转换作用下，实现蒸发器和冷凝器的设置位置的转换，设置在室外的是蒸发器，设置在室内的是冷凝器；蒸发器内的制冷剂与室外空气换热后等温蒸发，压缩机压缩制冷剂蒸汽进入室内的冷凝器中等温冷凝，冷凝过程中制冷剂携带的热量传递给室内空气，制冷剂在毛细管膨胀阀中完成定熵膨胀后回到蒸发器中重复上述循环。

[0005] 可见，目前的制冷循环技术无论是在制冷还是制热，蒸发器都是设置在需要吸收热量的环境中，即冷源环境中，这样就形成了蒸发器与冷源换热、冷凝器与热源换热的工作模式。在上述制冷和制热循环中，一般采用的制冷剂是氟利昂，据测算，以氟利昂作为制冷剂的空调中，由于氟利昂的汽化潜热小，使得制冷循环的制冷系数低，也就是说，当压缩机消耗一份特定能量时，能够通过制冷剂从冷源搬运的热量相对较少，所以在需要搬运一定量的热量的前提下，就需要压缩机相应消耗更多次的上述特定能量，即总体耗能增大。

[0006] 为了解决上述技术问题，中国专利文献CN201706615U公开了一种低能耗空调，其由蒸发器和活塞式压缩泵及冷凝器组成。该技术中所述的低能耗空调与传统的空调机相比，其原理和工作程序基本上是相同的，只是采用水作为制冷剂，由于水具有非常大的汽化潜热，是已知所有物质中最大的，每公斤约在2400千焦，而大多数制冷剂的汽化潜热每公斤只有数百千焦，意味着水蒸汽携带热量的能力数倍于其他的制冷剂，也就是说使用水作为制冷剂使得制冷循环的制冷系数高，那么相应地当压缩机消耗一份特定能量时，能够通过制冷剂从冷源搬运的热量相对较多，所以在需要搬运一定量的热量的前提下，就需要压缩机相应消耗较少次的上述特定能量，相对于前述使用氟利昂的制冷系统而言，其总体耗能较少。

[0007] 因此，采用水做为空调系统的制冷剂能耗最低。

[0008] 上述技术适用的是从低温热源向高温热源搬运热量的情况，而在实际生产过程中，如卷烟厂、纺织厂，其生产厂房内由于机器释放热量较大，往往室内温度远远高于室外温度，此时需要将室内的热量排放至室外，那么就需要将吸收热量的蒸发器设置在热源环境中，由于该热源环境的温度T1较室外环境温度T2高，所以其压力P1会相应大于室外冷源环境的压力P2，这样在采用现有技术中卡诺逆循环的循环装置时，蒸发器内的制冷剂吸收热源环境的热量后变为制冷剂蒸汽，但由于蒸汽压力P1大于进入冷凝器内的制冷剂的压力P2，所以此时无需压缩机对制冷剂蒸汽做功，只需要利用上述压差推动压缩机转动，流经冷凝器后获得的制冷剂其压力仍然保持为P2，但是流经冷凝器后的制冷剂要想循环回蒸发器内部时，需要经过设置在所述冷凝器和所述蒸发器之间的毛细管膨胀阀，但是也正是由于P2小于P1，所以毛细管膨胀阀无法将制冷剂循环回蒸发器内，使得基本的卡诺逆循环无法进行。

[0009] 但是，如果要在上述特定环境下实现卡诺逆循环的正常进行，那么就需要重新启用压缩机做功，这样就使得原本压力较低的P2可以经压缩机做功后获得大于P1的压力数值；这样制冷剂就可以顺利地通过毛细管膨胀阀循环回蒸发器内。但是，在上述过程中，压缩机一旦做功将会耗费能量，那么就无法体现压力P1大于P2时可以自行推动压缩机转动而无需使用压缩机进行做功的优势。

发明内容

[0010] 为此，本发明所要解决的技术问题是现有技术中在室内环境温度高于室外环境温度、且需要从室内环境释放热量到室外时，如果采用卡诺逆循环的循环装置，且利用P1大于P2的优势无需压缩机做功，则卡诺逆循环无法实现；当采用压缩机进行做功实现卡诺逆循环顺利进行时，由于压缩机做功耗费能量，使得能耗增加，进而提供一种在上述在室内环境温度高于室外环境温度、且需要从室内环境温度释放热量到室外的工况下，即无需利用压缩机做功、且同样可以实现将室内环境热量释放到室外环境中的能量循环体系。

[0011] 本发明采用如下技术方案：一种制冷系统，包括蒸发器，制冷剂在所述蒸发器中的压力为p1，温度为t1；冷凝器，制冷剂在所述冷凝器中的压力为p2，温度为t2；所述冷凝器的设置位置高于所述蒸发器的设置位置；压缩机，所述压缩机的进气端连接所述蒸发器，出气端连接所述冷凝器；还包括用于连接所述蒸发器和冷凝器的U形管或者直管，所述U形管的高度H或者所述直管插入蒸发器中制冷剂液面下的深度H满足ρgH>p2-p1，其中ρ为制冷剂的密度。

[0012] 所述高度或者深度H为0.5－1m。

[0013] 所述冷凝器与所述U形管或直管之间还设置有气液分离器。

[0014] 所述气液分离器顶端设有排气口，所述排气口通过开关控制阀与真空泵相连接。

[0015] 所述开关控制阀为电磁阀。

[0016] 所述蒸发器包括蒸发器箱体，所述蒸发器箱体内存有制冷剂，所述蒸发器箱体内底部布置有待冷却空气通过的第一换热器盘管，所述第一换热器盘管置于所述制冷剂内。

[0017] 所述冷凝器包括冷凝器箱体，所述冷凝器箱体内存有冷却介质，所述冷凝器箱体内底部布置有所述制冷剂通过的第二换热器盘管，所述第二换热器盘管置于所述冷却介质中；在所述冷凝器箱体上开设有空气进口和空气出口，所述空气出口同引风机相连接。

[0018] 所述冷凝器上设有介质进口和介质出口，所述介质出口通过泵连接设置有冷却塔，所述冷却塔同所述介质进口相连，形成一个冷却介质循环。

[0019] 所述制冷剂为沸点为20－100℃的液体。

[0020] 所述制冷剂为水或甲醇或乙醇。

[0021] 上述技术方案相比现有技术具有如下优点：（1）本发明的制冷系统，包括蒸发器、冷凝器、压缩机、U形管或者直管，所述U形管的高度H或者所述直管插入蒸发器中制冷剂液面下的深度H满足ρgH>p2-p1，其中ρ为制冷剂的密度，由于上述U形管或者直管的设置，可以很好地来调节位于所述U形管或直管两端的压差，从而保证了对于室内温度T1低于室外温度T2的情况，本发明制冷系统同现有技术一样可采用卡诺逆循环，p2>p1，压缩机压缩制冷剂蒸汽做功，U形管或者直管起到膨胀阀的作用；对于室内温度T1高于室外温度T2的情况，本发明制冷系统则可采用卡诺循环，p2

[0022] （2）本发明的制冷系统，设置所述高度或者深度H为0.5－1m，这样对于一般的制冷剂而言，保证了上述高度或者深度H能够平衡所述蒸发器和所述冷凝器中制冷剂之间的压力差，使得制冷剂在所述U形管或者直管中顺利地完成节流膨胀或者等熵压缩的过程。

[0023] （3）本发明的制冷系统，所述冷凝器与所述U形管或直管之间还设置有气液分离器。设置所述气液分离器可以使制冷剂在所述冷凝器中冷凝后更好地实现制冷剂气体与液体的分离，当外界不凝性气体渗入系统当中时，气液分离器也可以将不凝性气体同制冷剂液体实现分离。

[0024] （4）本发明的制冷系统，所述气液分离器顶端设有排气口，所述排气口通过开关控制阀与真空泵相连接。所述气液分离器顶端设置排气口并与真空泵相连接，当工作时，一定量的外界不凝气体进入系统内部，造成制冷剂在冷凝器中的压力p2增大，这样当系统进行卡诺逆循环时，在压缩机将制冷剂蒸汽由蒸发器压缩到冷凝器的过程中压缩机需要做更多的功，系统的能耗便会增大；而当系统进行卡诺循环时，压力p2增大导致蒸发器与冷凝器中制冷剂压差的减小，不利于循环的正常进行，所以需要将不凝性气体排出系统。在制冷系统进行工作之前以及工作过程中不凝性气体聚积到一定量时，开启真空泵对系统各部件进行抽真空，保证了所述制冷系统可以方便地将系统内的不凝气体排出外界，使得所述制冷系统在工作时为真空环境，从而降低了系统的能耗。

[0025] （5）本发明的制冷系统，所述开关控制阀为电磁阀，开启所述电磁阀对系统进行抽真空处理，抽真空完毕后将其关闭，保证了制冷系统内保持负压环境。

[0026] （6）本发明的制冷系统，所述蒸发器包括蒸发器箱体，所述蒸发器箱体内存有制冷剂，所述蒸发器箱体内底部布置有待冷却空气通过的第一换热器盘管，所述第一换热器盘管置于所述制冷剂内。制冷剂处于所述蒸发器中，当室内空气流过所述第一换热器盘管时，室内空气与制冷剂之间实现热传递。

[0027] （7）本发明的制冷系统，所述冷凝器包括冷凝器箱体，所述冷凝器箱体内存有冷却介质，所述冷凝器箱体内底部布置有所述制冷剂通过的第二换热器盘管，所述第二换热器盘管置于所述冷却介质中；在所述冷凝器箱体上开设有空气进口和空气出口，所述空气出口同引风机相连接。从蒸发器出来的制冷剂经过压缩机后进入所述第二热源换热器盘管，与冷凝器箱体中的冷却介质换热，冷却介质又与室外空气换热，从而将热量排出室外。

[0028] （8）本发明的制冷系统，所述冷凝器上设有介质进口和介质出口，所述介质出口通过泵连接设置有冷却塔，所述冷却塔同所述介质进口相连，形成一个冷却介质循环。随着热量交换的不断进行，冷凝器箱体中冷却介质的温度会不断升高，这种设置使得冷凝器箱体中冷却介质可以进入冷却塔中进行冷却，保证了冷凝器箱体中冷却介质始终具有很低的温度。

[0029] （9）本发明的制冷系统，所述制冷剂为水或者甲醇、乙醇等沸点在20－100℃的液体，由于上述制冷剂具有较大的汽化潜热，使得制冷循环的制冷系数高，使得制冷系统的总体耗能减小，且这些制冷剂对环境友好，不会对环境造成不良影响。

附图说明

[0030] 为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施方式并结合附图，对本发明内容作进一步详细的说明，其中，图1 是本发明所述设置有U形管的制冷系统的结构示意图；
图2 是本发明所述制冷系统中U形管内制冷剂压差的示意图；
图3 是本发明所述采用直管的制冷系统的结构示意图；
图4 是本发明具有冷凝器冷却介质循环回路的制冷系统的结构示意图；
图中附图标记表示为：1－蒸发器，101－第一换热器盘管，102－蒸发器箱体，2－冷凝器，201－第二换热器盘管，202－冷凝器箱体，203－空气进口，204－空气出口，205－介质进口，206－介质出口，3－压缩机，4－引风机，5－U形管，6－直管，7－气液分离器，
701－排气口，8－电磁阀，9－真空泵，10－泵，11－冷却塔。

具体实施方式

[0031] 如图1所示，本发明所述的制冷系统，包括蒸发器1，制冷剂在所述蒸发器1中的压力为p1，温度为t1；冷凝器2，制冷剂在所述冷凝器2中的压力为p2，温度为t2；所述冷凝器2的设置位置高于所述蒸发器1的设置位置；压缩机3，所述压缩机3的进气端连接所述蒸发器1，出气端连接所述冷凝器2；还包括用于连接所述蒸发器1和冷凝器2的U形管5，所述U形管5的高度H满足ρgH>p2-p1，其中ρ为制冷剂的密度。本实施例中，所述蒸发器1包括蒸发器箱体102，所述蒸发器箱体102内存有制冷剂，所述蒸发器箱体102内底部布置有待冷却空气通过的第一换热器盘管101，所述第一换热器盘管101置于所述制冷剂内。所述冷凝器2包括冷凝器箱体202，所述冷凝器箱体202内存有冷却介质，所述冷凝器箱体202内底部布置有所述制冷剂通过的第二换热器盘管201，所述第二换热器盘管201置于所述冷却介质中；在所述冷凝器箱体202上开设有空气进口203和空气出口204，所述空气出口204同引风机4相连接。本实施例中选择水作为制冷剂和冷却介质。

[0032] 工作时，如图1所示，当流量为Q1、温度为T1的气流经过第一换热器盘管101时，由于气流温度高于水制冷剂，气流携带的热量经过第一换热器盘管101加热水制冷剂，气流降温，而水制冷剂的饱和状态被打破，开始蒸发，同时，压缩机3不断地将水制冷剂蒸发产生的水蒸汽抽走。当水制冷剂从冷源换热器盘管101获得的热量与水蒸汽带走的热量相同时，达到平衡，这时，蒸发器箱体102内的饱和压强为p1，饱和温度为t1，该饱和温度就是蒸发器的蒸发温度t1。当气流维持流量为Q1、温度为T1，且压缩机3的排气量保持不变时，系统维持蒸发温度为t1的等温蒸发。改变压缩机3的排气量，可以在新的状态下达到平衡。

[0033] 然后，水蒸汽进入第二换热器盘管201，水蒸汽通过第二换热器盘管201将热量传递给冷却水，使冷却水升温，水蒸汽降温，当水蒸汽温度在p2压力条件下降到或低于饱和温度t2时，水蒸汽冷凝成液态，该饱和温度t2即为冷凝温度t2。同时，引风机4驱动流量为Q2、温度为T2的气流从空气进口203进入冷凝器箱体202，与冷却水换热，气流温度升高，冷却水温度降低，而后气流携带热量经由空气出口204由引风机4排放大气。

[0034] 之后液态水经由U形管5，回流入蒸发器箱体102中，再次蒸发，形成循环，不断地从室内温度为T1的环境下获得热量，然后送入室外温度为T2的环境中。

[0035] 当室内温度T1小于室外温度T2时，本实施例所述制冷系统同现有技术完全相同，进行卡诺逆循环。此时，p2＞p1，压缩机3对水蒸汽做功，使水蒸汽的压力由p1升高到p2，完成定熵压缩过程。如图2所示，当系统进行卡诺逆循环时，由于p2＞p1，U形管5中水位p2侧低，p1侧高，当水位高度差h满足ρgh＝p2－p1（ρ为水制冷剂的密度）时达到平衡，这时，水制冷剂可以畅通地回流蒸发器箱体102中，完成定熵膨胀。

[0036] 当室内温度T1大于室外温度T2时，本实施例所述制冷系统进行的是卡诺循环。此时， p1＞p2，压缩机3的进气侧压力高，出气侧压力低。在这种情况下，压缩机3在水蒸汽压差p1-p2的推动作用下空转，水蒸汽定熵膨胀。如图2所示，当系统进行卡诺循环时，由于p1＞p2，U形管5中水位p1侧低， p2侧高，当水位高度差h满足ρgh＝p1－p2（ρ为水制冷剂的密度）时达到平衡，这时，水制冷剂可以畅通地回流至蒸发器箱体102中，完成定熵压缩。同现有技术相比，压缩机3在压差的推动作用下空转，这个过程不耗能，并且水制冷剂依靠自重完成定熵压缩，也不耗能，循环过程的能耗使系统维持负压状态的能耗，从而大大降低了系统的能耗。

[0037] 作为可以变换的实施方式，上述实施例中所述U形管可以由直管6替代，所述直管6插入蒸发器1中制冷剂液面下的深度H满足ρgH>p2-p1，其中ρ为制冷剂的密度。

[0038] 其中，对于H的数值选择，一般选择所述高度或者深度H为0.5－1m，该设置对于一般的制冷剂而言，保证了在高度或者深度H能够平衡所述蒸发器和所述冷凝器中制冷剂之间的压力差。

[0039] 作为优选地实施方式，为了避免外界不凝性气体进入制冷系统内，影响系统内部压力，必须要实现不凝性气体同制冷剂液体的分离，在上述实施例基础上，进一步在所述冷凝器2与所述U形管5或直管6之间还设置有气液分离器7，见如图1和图3所示。使用上述气液分离器7对所述不凝性气体进行分离后，不凝性气体经设置在所述气液分离器7顶端的排气口701排放；为了更好地实现对不凝性气体的排放，优选所述排气口701与真空泵9相连接设置，这样通过真空泵的负压作用更有利于不凝性气体的排放。

[0040] 在上述对不凝性气体进行排放的过程中，为了更好地控制气体的排放，适时关闭排气口，避免制冷系统内部负压的泄露，所述排气口701通过开关控制阀与真空泵9相连接。本实施例中优选在所述开关控制阀为电磁阀8（如图1和图3所示）。当真空泵9对系统抽真空时，电磁阀8打开，对蒸发器箱体102、压缩机3、第二换热器盘管201、气液分离器7、U形管5或直管6等抽真空，当真空度达到预定状态时，电磁阀8关闭，系统将维持真空状态。

[0041] 在上述实施例中，可以选择在所述冷凝器2上设有介质进口205和介质出口206，通过介质进口205向所述冷凝器2中添加冷却介质，作为优选的实施方式，如图4所示，所述介质出口206通过泵10连接设置有冷却塔11，所述冷却塔11同所述介质进口205相连，形成一个冷却介质循环。该设置使得冷凝器箱体202中冷却介质可以进入冷却塔11中进行冷却，保证了冷凝器箱体202中冷却介质始终具有很低的温度。

[0042] 上述实施例中采用的制冷剂均为水，作为可以变换的实施方式，所述制冷剂还可以选择为沸点为20－100℃的其它液体，诸如甲醇或乙醇。所述冷凝器箱体202中的冷却介质可以选择为乙醇等其他的冷却效果较好的其他液体。

[0043] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明权利要求的保护范围之中。