包括用于同时用空气和水进行冷凝的器件的制冷设备和用于该设备的方法与流程

本发明涉及用于制冷(coldproduction)的设备和该设备的实施方法。

本发明更具体地但非排他地涉及用于工业或商业使用的制冷。本发明涉及负温度冷制产品，即在小于0℃的温度下。，而且还涉及正温度冷制产品，即在0℃以上且小于20℃的温度下。。

通常，冷是通过让制冷剂流体或制冷剂沿通常以闭环延伸的循环流动管线而循环流动产生的。压缩机首先将高压制冷剂引导到冷凝器，在该冷凝器中制冷剂从气态改变为液态且因此释放热量。因此主要在冷凝步骤中产生冷。

冷凝的制冷剂随后经过减压器，在该减压器中其经历压力降，同时主要保持液态。膨胀的制冷剂随后被朝向蒸发器引导，在该蒸发器处制冷剂的液体部分进入气态且吸收在该蒸发器附近存在的热量。蒸发的制冷剂最后被通过压缩机吸入，使得尽可能频繁地按需要让循环重新开始，以获得和维持期望的温度。

本发明更具体地涉及在通过使用冷凝器的设备制冷期间使用的冷凝器件

第一个已知的方案使用一个或多个空气冷却的冷凝器(一个或多个)，其配备有内部管线圈，制冷剂在其中流动，其被周围空气冷却。在通过冷凝器周围的自然对流而使得空气循环流动时，该循环流动可以是静态的。作为替换，该循环流动可以是通过使用一个或多个风扇而强制进行的，

然而，这种冷凝器具有一定的局限性，具体说是在冷却空气具有高温度时。这可以在夏季期间发生，或是在制冷设备处于产生许多热量的工业环境中时，例如在烹饪器具附近，和/或在设备处于狭窄空间且没有良好通风时。

第二已知方案是使用一个或多个水冷冷凝器(一个或多个)，其中制冷剂通过经过换热器的水而被冷却。通常，制冷剂在管周围循环流动，在所述管中有水运动，以用于热交换。

这种水冷却的冷凝器有助于克服空气冷却冷凝器的缺点，因为其在高环境温度下的效率是令人满意的，即在25℃以上。然而，该水冷却冷凝器昂贵，尤其是因为其会消耗大量的水。

us-a-6862894公开了一种制冷设备，并入了与水冷却冷凝器组合的空气冷却冷凝器。取决于制冷剂压力，水冷却冷凝器被启用，以提供对空气冷却冷凝器的支持。出于该目的，冷凝水可在冷凝器中流动。然而，该文献未提供有关该冷凝水控制的信息。

即，本发明的目的是改善根据us-a-6862894教导的现有技术，如上所述。具体说，其目的是提出一种制冷设备，包括被空气和水两者提供的冷凝措施，其中冷凝水被得当地控制。最后，本发明提供一种这样的设备，其可被方便地构造为一新的设备或通过现有设备构造。

为此，本发明的主题是一种制冷设备，包括至少一个制冷单元，其包括：主循环流动回路，其用于制冷剂流体或制冷剂且沿循环流动回路中的制冷剂的流动方向布置：

-包括用于制冷剂的器件，

-冷凝器件，用于压缩制冷剂，包括空气冷却冷凝器和主水冷却冷凝器，

-膨胀器件，用于压缩的制冷剂，

-蒸发器件，用于膨胀的制冷剂，包括主蒸发器，

其特征在于，其进一步包括辅助水循环流动系统，其包括至少一个第一水接收箱，至少一个第二水接收箱，该系统至少限定从第一箱到第二箱的第一路径，称为通过水提取热量的路径，每一个第一路径包括至少一个通过水提取热量的主部分，其能与主水冷却冷凝器中的制冷剂的热交换主部分协作，该系统进一步至少限定第二路径，称为冷却水路径，每一个第二路径包括用于冷却换热器中的水的至少一个部分(82、92)。

在正常操作中，空气冷却冷凝和水冷却冷凝都使用。在这种情况下，例如可以根据系统的总体需求通过调节水冷却冷凝而固定空气冷却冷凝的固定。这两个冷凝类型每一个的强度也可变化。

替换地，空气冷却冷凝器可使用，使得水冷却冷凝器仅用于支援的目的。在这种情况下，例如如果制冷剂参数的测量在预定范围值以外则也可以使用水冷却冷凝。通常，制冷剂的被测量参数代表其在循环流动管线中的温度。该参数例如可以是实际温度，但是也可以是压力。

水冷却冷凝器件随后被启用。该启用对应于设备在停用配置和启用配置之间的运行，在停用配置中水冷却冷凝器基本上不从制冷剂提取热量，且在启用配置中该水冷却冷凝器提取大比例的热量。

停用配置可以对应于制冷剂不在水冷却冷凝器中流动的情况。也可以考虑制冷剂流入冷凝器。在后一情况下，冷凝器可以不具有水，或其可以包含不提取热量的有水，具体是因为其不流动。

然而，在启用配置中，制冷剂在冷凝器中循环流动，且通过冷凝水提取热量。本领域技术人员可以考虑用于最适宜的提取目的的各种运行参数具体是流率和/或水温度。

本发明提供通过水进行的冷凝，其可以对通过空气通过的冷凝进行补充。以此方式，有效地确保总体冷凝，而无论运行状态如何。在这种情况下，该单元的各种机械元件可被构造为尽可能接近其额定尺寸。

结果是，制造这些部件的成本降低，其运行成本也降低，这在经济方面是有利的。这些装置的寿命也被改善，同时限制了泄漏的风险，因为超压的风险被控制。

根据本发明，冷水(称为“补充水”或“补足物”)在水冷却冷凝器中循环流动，以便从制冷剂提取热量。本发明提出了将冷水存储在第一箱中，且随后在其因经过制冷单元而被重新加热之后将其朝向第二箱引导。

为了限制补充水的总体消耗，本发明还提出将该补充水返回到第一存储箱。然而，制冷设备周期性地停止或处于受限运行，尤其是在家庭、办公室、工业厂房配备该设备时的夜间。本发明随后有利地提出在运行周期期间让补充水从第一箱流动到第二箱，且随后在暂停或受限运行期间让该水从第二箱返回到第一箱。

还可以想到，让从第二存储箱返回的热补充水在其被再次引入到第一存储箱之前冷却，使得其可再次用在制冷回路中。本发明提出尽可能得当地执行该冷却，具体取决于外部和内部温度。例如，可以使用新鲜的外部空气以冷却该水，和/或在制冷单元或任何其他换热器中蒸发期间使用制冷剂。

应注意，根据本发明，第一存储箱和第二存储箱可合并为单个箱。在这种情况下，一个箱和另一箱之间的路径可合并，以在围绕该单个存储箱成环路。

在本发明的说明书和权利要求中，术语“冷”和“热”不与预定的温度值关联。它们被针对两个存储箱之间的补充水的给定路径而定义。也可以说，水被描述为在换热器的出口处“冷”或“被冷却”，因为起初的“温”水在该换热器刚好已经产生了热量。类似地，水被描述为在换热器的出口是“温的”或“被加热”，因为最初的“冷”水在该换热器中刚好已经回收了热量。

根据本发明有利的但是非强制方面，这种设备可以包括以下的一个或多个特点：

-第一路径还包括用于通过水提取热量的次部分，水适用于与次部分协作，用于与次水冷却冷凝器中的制冷剂进行热交换，这两个水冷却冷凝器设置在空气冷却冷凝器的两者侧。

-第一路径还包括用于过热水的冷却部分，该过热水的温度大于预定临界值，所述部分在空气换热器中延伸。

-第二路径包括延伸到空气换热器中的空气冷却部分。

-制冷单元，包括在主回路上分出的次生蒸发管线，所述次生管线限定次循环流动回路且包括制冷剂的次蒸发部分，水冷却器路径包括通过制冷剂冷却的部分，所述制冷剂能与该次蒸发部分协作。

本发明还涉及用于实施上述设备的方法，其中制冷剂沿主循环流动回路循环流动，以便作制冷；冷水从第一箱沿第一路径循环流动，且通过在主热量提取部分中流动的冷水，热量从在主热交换部分中循环流动的制冷剂去除；加热的水(从主热量提取部分出来)被沿第一路径送至第二箱；随后，加热的水被从第二箱沿第二路径送至第一箱，且重新加热的水通过让其至少经过至少一个水冷却器部分一次而被冷却。

根据本发明有利的但是非强制方面，这种方法可以包括以下的一个或多个特点：

-水从下游回收到主水冷却冷凝器的上游侧，直到代表主水冷却冷凝器下游的制冷剂压力的值低于临界值。

-水的临界温度被估计且通过让水在空气冷却部分中循环流动一次或多次而被冷却，直到水的温度低于该临界值。

-水的临界温度被估计，制冷剂在次回路中循环流动，且通过让水在制冷剂冷却部分中循环流动使得水的温度低于该临界值，从而使得水冷却。

-水在空气冷却部分中循环流动一次或多次，且在将该水引入第一箱中之前，该水随后在制冷剂冷却部分中循环流动。

在阅读以非限制方式给出的后文详细描述时可以理解本发明的其他细节、特征和有点，参见附图，其中：

图1是显示了根据本发明制冷设备的示意图。

图2到6是显示了图1的设备的不同运行阶段的示意性视图。

根据本发明的制冷设备首先包括之前的已知类型的制冷单元本身。图1所示的该单元被指定了附图标记u，其首先包括本身已知的所有机械元件且其结构将不在后文描述，且其包括：

-闭环循环流动管线bc，任何合适类型的制冷剂流体在其中流动，制冷剂流体也称为制冷剂。回路bc中制冷剂的行进(标记为箭头fc)在该例子中是沿逆时针方向。这种行进被简单地示出，但是可适用于更复杂的制冷系统；

-压缩机1，用于让制冷剂循环流动且对其加压；

-空气冷却冷凝器2，与风扇3相关，参照制冷剂的流动方向正好设置在压缩机的下游，

-膨胀阀4，其置于空气冷却冷凝器2以及下文详细描述的水冷却冷凝器的下游；

-主蒸发器5，置于膨胀阀4的下游，与其风扇6或任何其他蒸发系统相关。

根据本发明，循环流动回路bc配备有两个热交换部分，在该热交换部分中制冷剂与补充水(make-upwater)进行热量交换，其目的具体是用于该制冷剂的冷凝。第一交换部分7(其形成主水冷却冷凝器，如下所述)插置在空气冷却冷凝器和膨胀阀之间。参照制冷剂的流动，压力传感器9设置在该部分7的下游。第二交换部分8(其形成次水冷却冷凝器，如下所述)插置在压缩机和空气冷却冷凝器之间。

此外，循环流动回路bc限定旁通管线ld，其第一端引导到交换部分7和膨胀阀4，而其另一端引导到主蒸发器5和压缩机1。该旁通管线(装配有阀10和11)限定了热交换部分12，该热交换部分12的作用在下文详述。

根据本发明的设备进一步包括水循环流动系统，其首先包括两个存储箱20和30，所述存储箱配备有相应的温度传感器21和31。为了控制它们接收的水的温度，存储箱被有利地通过任何合适手段热绝缘。它们还可被完全或部分地掩埋。这些箱20和30例如用金属材料制造。例如，其容量是50到800000升。

与阀41相关的主吸入管40连接到水源(未示出)。该管40被分为引导到箱20和30的两个分支管42和43，其配备有相应阀44和45。

与阀51相关的主排放管50连接到排水部。该管50被分为引导到箱20和30的两个分支管52和53，其配备有相应阀54和55。

水循环流动系统还包括被称为水入口的管60，其被插入到管43中。该管顺序配备有流动传感器61、泵62、压力调节器63和循环器64。其随后引导到与循环流动回路的部分7协作的热交换部分65，以便形成cep主水冷却冷凝器。

通过非限制性的例子，该冷凝器的内部空间配备有构成交换部分7的多个管，水在该管中循环流动。制冷剂可在交换部分65中的这些不同管周围循环流动，以便吸取该制冷剂压缩期间产生的热量。

参照水的通常正常流动，在交换部分65的下游，设置沿管53的方向延伸的返回管70。该返回管70设置有阀71且随后限定所谓的下游热交换部分72，其与交换部分8协作，以便形成次水冷却冷凝器ces。管70进一步配备有额外的阀73和温度传感器74。

回收部分75在上游交换部分65和阀71之间将返回管线70与泵64上游的入口管60连接。该部分由此限定水回收回路bre，允许水在cep冷凝器形成一些过渡(transit)，如下所述。

“被空气冷却”的管道80在阀73的两侧被插入管线70中。其设置有阀81且限定热交换部分82，所述热交换部分延伸到之前已知类型的eca空气换热器中。有利地，该换热器被适当设置，以便保证与环境空气的最适宜交换。该换热器配备有其风扇83，以及空气温度传感器84。

但是，连接部分85连接空气冷却管道80和入口管道60。该连接部分在泵62和压力调节器63之间的一个端部处和在阀81附近的另一端部处被设置凹痕(pitted)。该部分85配备有压力开关86以及阀87。

“被制冷剂冷却”的管90在阀81附近的管80和与该管80接点处的管70之间延伸。该管90配备有阀91，且随后限定热交换部分92，其适用于与通过旁通管线ld限定的部分12协作。这些部分12和92限定用于制冷剂的evs次换热器。参照正常操作，在该部分92的下游，该管还设置有温度传感器93和流动传感器94。

最后，该设备包括之前已知类型的超压气球(overpressureballoon)100，其作用是在没有返回到操作的泵的情况下维持恒定压力。该气球与连接管线101相关，所述连接管线被插入泵62和压力调节器63之间的管60中。

在下文详细描述如上所述的设备的几个实施方式。首先假定水已经被引入箱20。该所谓的冷水通常是在5到25℃的温度下。在图2中和在后文中，在水沿机械元件流动时，主流动显示为实线且可选流动显示为虚线，箭头代表这些流动的方向。然而，水未流过的其他机械元件显示为虚线。

图2示出了设备在白天空气调节或制冷模式下必须运行的状态，外部温度为通常范围。生产单元u运行，制冷剂按照箭头fc沿循环流动管线bc循环流动。该循环流动以通常的方式执行且将在下文详细描述。

为了执行制冷剂的冷凝，选择使用空气冷却冷凝器2以及水冷却冷凝器cep和ces。例如，在这种情况下，恒定的减小功率被设置到该空气冷却冷凝器。以此方式，该空气冷却冷凝器的尺寸可以减小，而其消耗和噪声也受到限制。除了空气冷却冷凝器，可以方便地经由在这些冷凝器cep和ces中流动的补充水从制冷剂提取热量。

出于该目的，水沿管线42和60流出箱20，直到交换部分65。水随后从在其他交换部分中流动的制冷剂中提取热量。并行地，代表循环流动管线内部温度的制冷剂参数在冷凝级下游被立即测量。该参数例如是实际温度，还可以是经由传感器9测量的压力。

只要通过传感器9测量的值在预定设定点以外，则水被沿回收回路bre送回冷凝器，以便继续提取热量。随后，在该测量的值在该范围中时，水的回收停止，且水在主冷凝器cep的下游被沿管70引导。

通过示例性且非限制性例子，冷凝水的流率为20l/h到50000l/h。在交换部分65的上游，管线60中其温度是5到40℃。而在该同一交换部分下游，在管线70中其温度是30到80℃。进而，在交换部分7上游，制冷剂的温度为25到60℃。而在该同一交换部分下游，其温度为25到35℃。具体根据使用的制冷剂的特点这些温度是可变的。

补充水随后流动到第二热交换部分72中，在该处其从冷凝器ces中的制冷剂(其流动进入的交换部分8)提取热量。在该部分72下游，水具有大致40到70℃的温度。其随后沿管70返回到第二箱，如图2的实线所示。

然而，现在假定在部分72的下游，该水具有预定临界值以上的温度，例如接近43℃。这可以是由于外部温度高或因为cep和ces冷凝器中的高热交换造成的。

在这种情况下，这种过热的水被有利地送至空气冷却管道80，如图2中的相连虚线所示。水具体是在换热器eca中的交换部分82循环流动，使得其温度下降。具体说，这避免了构成第二箱30的材料的任何恶化。

随单元u运行，水逐渐从箱20传输到箱30。低液面传感器(未示出)可以(如果必要)命令经由阀41引入额外的水。在白天结束时，箱20实际上是空的，而箱30实际上是满的。如果高液面传感器(未示出)检测到过高的高液面，则避免箱30的可能溢出，使得其随后命令停止水流动。

如前所述，图2显示了作为本发明一部分的水的第一路径，其中存在通过水实现的热量的回收、存储和提取。为了简洁，在所附权利要求中，该路径被称为通过水实现的热量提取。该路径包括以实线所示的实施方式连续设置的管70和80以及热交换部分65。以混合线的实施方式，该第一路径进一步包括空气冷却管80。

现在假定，参考图3，设备处于夜晚停止模式，或减少运行。根据本发明，包含在箱30中的热水随后沿箱20的方向返回。在箱之间进行这种传输时，水被进一步冷却以便具有低于目标临界值的温度。

实际上，存在于箱20中的冷却水可被转化成为以千卡计(frigories)的潜在热量存储(其可在制冷单元必须具有额外的冷凝时使用，通常是在第二天期间)。存储的千卡计的热量(主要取决于水的温度和体积)因此必须足以满足制冷单元的需要。

根据本发明，对这种千卡计的热量的需要有利地在让水从箱30返回到箱20之前确定。该预定量的冷具体是针对第二天预测的温度的函数。为此，根据本发明的设备有利地包括控制系统，用于查询气象数据且计算该期望量。

该预定量的以千卡计的热量还可以是其他参数的函数，具体是独立于外部温度或不使用或很少使用空气冷却冷凝器的期望的以千卡计热量的具体需要。在寒冷季节，其还有必要回收热量以生产热水和/或加热。该预定量的以千卡计热量对应于在水沿冷却路径返回到箱20之后的水的目标温度，称为临界温度。在从箱30到箱20的该路径期间，通过行进经过空气换热器eca或换热器evs，可以以两种方式冷却所述水。

如果传感器84检测外部空气的温度比存在于箱30中的水的温度(通过传感器31测量)低许多，则水从箱30提取且随后被引导到连续的管道43、60、85和80(见图3)。其随后在换热器eca中被冷却且随后在连续的管道80、70和52中流动，以便引入到箱20。根据本发明，水的这种循环流动对应于所谓的用于该水的冷却器路径。

水的温度随后被传感器21测量且与目标临界值比较，如上所述。如果该测量的温度低于该临界值，则在箱之间不存在额外的水循环流动。然而，如果测量的温度在临界值以上，通过流过空气换热器，水被进一步冷却。

为此，在图4中以实线显示了第一种可能性。经由换热器eca，沿与图3中所述的相反的路径水从箱20流动到箱30。根据图3示出的水冷却路径，其随后返回到箱20。水的温度随后再次被测量且随后与临界值比较。

如果该测量值低于临界值，则水的循环流动停止。然而，如果该测量温度仍然在该临界值以上，水沿至少一个额外圆形路径在箱20和30之间流动，直到其温度落到该临界值以下。在该循环流动结束时，水因此按照奇数个路径(即如图3所示地那样行进)以及图4和3所示的至少一个圆形路径从箱30传输到箱20。

作为变化例，如图4中的实线和虚线，水首先从箱20提取且随后在换热器eca中被冷却。然而，其不被朝向箱30引导，而是替代地直接朝向箱20返回。水沿该闭环冷却路径一次或多次地流过换热器，直到其温度足够低。水因此从箱30传输到箱20，形成图3所示的流动，且随后按必要以尽可能多的循环绕箱20流动，如图4中的实现和虚线所示。

图5示出了本发明的进一步变化例，其中水不是在空气换热器中而是在次换热器evs的交换部分92中被冷却。水随后与制冷剂热交换，所述制冷剂通常为-5℃到+5℃的温度。制冷剂在单元中根据箭头fc'沿包括次生管线(derivedline)ld的次回路流动。

对水进行冷却的这种模式(其比通过行进通过空气换热器所实现的更高效)具体在以下情况下实施：

-在夜晚空气的温度对于能有效进行空气冷却来说太高时；

-在对补充水的以千卡计的热量需要非常高时。例如这在第二天白天非常热是或在负载会很重时发生；

-在空气换热器不可用时，例如在瞬时故障的情况下。

这种冷却比通过空气换热器执行的更昂贵，因为必要的是运行制冷单元。在这些情况下，优选的是在次换热器形成水的单次通过。

通常，根据如上所述的过程，水冷却的第一阶段通过空气换热器eca执行。随后，在该换热器中数次通过结束时，由于次换热器evs，实施该冷却的最终阶段。作为变化例，尤其是如果空气换热器不可用时，直接在次换热器中形成多次通过。

在示出的例子中，该次换热器evs直接接合到制冷单元u。然而，作为未示出的变化例，可以制造专门用于该功能的用于将该次换热器接合到分离的制冷系统上的结构。

更具体地，如果根据图4实线示出的变化例通过空气冷却水，则在从箱30最后行进到箱20期间执行通过与制冷剂交换而实现的最终冷却。水沿管道43、60、85和90流动，经过换热器evs，随后沿管道90、70和53流动，直到箱20。必须强调的是，在空气换热器中没有冷却而仅在次蒸发器中有冷却的情况下水，沿相同路径行进。根据本发明的，该路径构成用于如上所述地冷却水的路径的变化例，其延伸穿过空气换热器eca。

然而，如果根据图4的实-虚线示出的变化例通过空气冷却水，则在围绕箱1的最后回路期间执行通过气体/水交换实现的最终冷却。水实现沿管道42提取，如实-虚线所示。随后，如在该主要变化例中，水沿管道60、85和90流动，经过蒸发器evs，随后沿管道90、70、53和54流动，直到箱20。

在如上所述的两个可能情况下，选择制冷剂的流率和温度，使得水在该最终冷却阶段结束时显示出比目标更低的温度。

如图所示，通过本发明实施的设备可包括几个制冷单元，即类似于如所述的u的额外单元u'。补充水可在该单元u'附近循环流动，以便执行额外的制冷剂冷凝。出于该目的，水经由插入到管60中的管60'被送至该单元u'，且随后从该单元u'经由插入管70中的管70'返回。还可以提供其他额外单元，其布置为与u和u'并行。

作为可选变化例，可以通过部分75'连接管道70和80。后者(以虚线表示)类似于部分75，但是可以不具有阀。以此方式，可以在次冷凝器ces让水循环流动几次。

通过变化例(未示出)，可以制造用于让第一和第二箱合并为单个存储箱的结构。在这种情况下，管42和43合并为单个管，管52和53也是如此。水路径(其随后围绕该单个箱成环路)类似于如上所述的那些路径。