[发明专利]阶式制冷系统

说明书

技术领域

本发明涉及设计用于最优化操作的阶式(级联式，复叠，cascade)制冷系统以及在该系统中实施的制冷方法。

背景技术

制冷系统通常基于包括以下的热力学循环：在低压下蒸发流体(其中所述流体吸收热量)；压缩所述蒸发的流体直至高压；在高压下使所述蒸发的流体凝结以得到液体(其中所述流体放出热量)；以及降低所述流体的压力以完成所述循环。

传热流体(其可以是纯的化合物或化合物的混合物)的选择一方面由流体的热力学性质控制且另一方面由另外的约束条件控制。因此，重要的标准是所考虑的流体对环境的影响。具体地说，氯化化合物(氯氟烃和氢氯氟烃)表现出破坏臭氧层的缺点。因此，相对于它们，今后通常优选非氯化化合物，例如氢氟烃、氟代醚和氟烯烃。

另一环境约束条件是全球增温潜势(GWP)。因此，开发表现出尽可能地低的GWP以及良好的能量性能的传热组合物是必要的。

一些特定的制冷系统基于若干制冷回路的使用且特别是基于两个连接在一起的回路(即高温回路和低温回路)的使用：这些系统称为“阶式”系统。所述两个回路通常包含不同的传热流体。

阶式系统在安全性方面表现出许多优点。具体地说，由于成本或性能的原因，可在高温回路中使用某一传热流体且在低温回路中使用较不易燃或较不有毒的另一传热流体。因此，最可燃或最有毒的传热流体的总进料得以最小化，而且，该最可燃或最有毒的传热流体被限制于未封闭区域和/或被限制于在发生泄漏的情况下不具有与公众或人员接触的风险的区域。

举例来说，由于二氧化碳的不可燃性以及从环境的观点来看，二氧化碳是高度有利的传热流体。但是，由于其低的临界点，其与常规传热流体(烃、氢氟烃及其类似物)相比通常是较不有效的。最佳的解决方案可在于使用包括在低温回路中的二氧化碳和在高温回路中的常规传热流体的阶式系统。

文献WO 2008/150289和WO 2011/056824提供了阶式制冷系统的实例。

论文Theoretical analysis of a CO₂-NH₃ cascade refrigeration system for cooling applications at low temperatures(Dopazo等，Applied Thermal Engineering，29，1577-1583(2009))以及论文Experimental investigation on the performances of NH₃/CO₂ cascade refrigeration system with twin-screw compressor(Bingming等，International Journal of Refrigeration，32，1358-1365(2009))描述了在低温回路中使用二氧化碳和在高温回路中使用氨的阶式系统的性能。

但是，仍然存在改善阶式制冷系统的效率和性能的需要且特别是仍然存在使这些系统的总能耗以及相关的环境影响最小化的需要。

发明内容

本发明首先涉及借助于至少一个包含第一传热流体的第一蒸气压缩回路和至少一个包含第二传热流体的第二蒸气压缩回路来冷却流体或物体(形体，body)的方法，所述方法包括：

-在所述第一蒸气压缩回路中：

■通过与所述流体或物体交换热量来使所述第一传热流体至少部分地蒸发；

■压缩所述第一传热流体；

■通过与所述第二传热流体交换热量来使所述第一传热流体至少部分地凝结；

■降低所述第一传热流体的压力；

-在所述第二蒸气压缩回路中：

■通过与所述第一传热流体交换热量来使所述第二传热流体至少部分地蒸发；

■压缩所述第二传热流体；

■通过与外部介质交换热量来使所述第二传热流体至少部分地凝结；

■降低所述第二传热流体的压力；

所述方法额外包括：

-测量所述外部介质的温度；和

-随着所述外部介质温度的变化，调节在蒸发下所述第二传热流体的温度(调节所述第二传热流体的蒸发温度)。

根据实施方案，在蒸发下所述第二传热流体的温度调节是连续进行的或者每小时进行至少一次。