CN1092323C - 吸收式过浓度控制器 - Google Patents

Abstract

一种用于吸收式制冷机的过浓度控制系统，制冷机可以是单效、双效及三效冷却和加热循环型式的，它用溴化锂水溶液作为工作液体。工作液体的性质由表示溶解在水中的溴化锂数量的浓度和相图来表征。该系统设有浓度传感装置、温度传感器、计算吸收循环表示方式、产生差值信号、以及必要时改变机器的运行状态以防止所述液体达到结晶边界线上的浓度和温度组合的微处理器。

Description

吸收式过浓度控制器

本发明总地涉及一种吸收式液体制冷机控制系统，尤其涉及一种用于测量系统中溴化锂浓度的模拟传感器。

吸收式以各种配对的致冷剂/吸收剂来运行，其中一种配对是水/溴化锂。吸收剂的浓度总是由低浓度变为高浓度，此变化依赖于溶液所处的容器以及制冷装置被控制的运行状态。溴化锂溶液在一定的条件下可从液态变为固态。变成固态的过程称为结晶。当吸收式制冷装置中出现结晶时，制冷装置将不能正确地起制冷作用，而且常常需要采取昂贵的措施来解决这个问题。

随着从溶液中汽化出来的致冷剂数量的增加，吸收系统中的过浓度问题就变得更为严重。监控这一过程的典型方法是监控蒸发器液槽中致冷剂的液位。当致冷剂的液位达到某一点时，一个非连续的液位浮子开关将闭合，促使产生适当的纠正作用。这是一种反应式的控制算法，并且是由液位开关的高度来预先确定。在开关的动作点之前，浮子不可能预测何时致冷剂从溶液中逸出太多。

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的吸收式致冷系统。

这一目的是通过以下装置达到的：一种用于吸收式制冷机的过浓度控制系统，所述制冷机可以是具有单效、双效及三效冷却和加热循环之一的型式的；以及是用一种含有由溶在致冷剂中的离子性溶解物组成的溶液的工作液体的那种型式的，所述工作液体的特性以浓度和相图来表征，所述浓度以所述溶解物溶在所述溶剂中的量来表示，所述相图有一条结晶边界线，该边界线限定着对应于所述溶液的饱和状态的浓度和温度的组合，包括：一用于响应机器中预定位置的所述溶液的深度以产生表示所述液体的浓度的浓度信号的液位开关；用于产生表示所述液体温度的温度信号的温度传感器；一微处理器用于响应所述温度信号和所述浓度信号以计算所述机器的吸收循环的一种表示方式，所述循环可以标绘在所述相图上；所述表示方式包括多个由预先确定的各个浓度和温度组合所定义的临界点；该微处理器用于将所述液体的实际浓度和温度与所述机器的标在相图上的浓度和温度相比较，所述表示方式包括多个由预先确定的各个浓度和温度组合所定义的临界点；用于将所述液体的实际浓度和温度与结晶边界线上的浓度和温度相比较以产生差值信号；以及用于响应所述差值信号的大小以便必要时改变所述机器的运行状态以防止所述液体达到结晶边界线上的浓度和温度组合。

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明意在采用模拟式液位开关，它能响应蒸发器中变化着的致冷剂液位。该变化的液位是离开吸收液槽的稀溶液的浓度的直接标志。一旦这一浓度为已知，再加上所测得的其他温度，就可以精确地预测吸收循环。一旦循环为已知，而且联系到液体的性质，就可以监控结晶产生点，并将其与当时的运行状态进行对比。如果运行状态已接近结晶浓度，则产生纠正作用来降低溴化锂的浓度并保护制冷装置。通过使用微处理器，可以使制冷装置以先知先校正的方式运行，避免机器发生结晶现象，而不是像现有技术中那样，只是对高溴化锂浓度起反应。采用这种控制方式，理论上吸收式装置不会再产生结晶现象(动力长时间丧失和机器故障除外)。

为了对本发明的性质和目的有更充分的理解，下面结合各附图详细叙述本发明的一较佳实施例，各附图中：

图1a所示为适用于本发明的模拟液位开关机构的示意图。

图1b所示为位于图1a所示的开关支撑杆上的圆圈处的开关和电阻的移出放大示意图。

图2所示为一典型的有结晶边界线的制冷装置的溴化锂水溶液在循环中的变化图表。

图3所示为表示双效制冷装置系统流程的实施例的示意图。

图4所示为溴化锂水溶液的平衡图。

一种吸收式制冷装置用水作为置于维持高度真空状态的容器中的致冷剂。这种制冷装置的工作原理很简单，在低的绝对压力(真空状态)下，水吸收热量并在对应的低温下蒸发(沸腾)。例如，在0.25英寸(6.4毫米)汞柱的高度真空状态下，水在相对的低温40华氏度(4摄氏度)时沸腾。沸腾所需的能量从称为冷媒的另一种液体(通常为水)的热量中吸取。然后，该冷媒液体就可以用于冷却的目的了。

为了使冷却过程连续，致冷剂蒸汽必须一边产生就一边移走。为了完成这个工序，用溴化锂盐水溶液来吸收水蒸汽。溴化锂与水有很好的亲合力，正常的情况下它可以吸收大量的水蒸汽。通过吸收来移走致冷剂蒸汽可使机器维持低压，从而足以使冷却蒸发过程连续进行。然而，此过程稀释了溶液并降低其吸收能力。因而将稀释了的溴化锂溶液泵送到分离容器内，它在容器中被加热而释放出(蒸发掉)先前吸收的水。来自冷却塔或其他水源的相对冷的冷凝水从蒸汽中带走足够多的热量，而使蒸汽重新冷凝成的液体供制冷循环再利用。随后，经浓缩的溴化锂溶液回到最初的容器中继续其吸收过程。

图3所示为双效制冷装置系统30的流程。这种制冷机的主要部分包含在几个容器里。一个较低的大容器壳32分别包容着蒸发器部分34和吸收器部分36。蒸发器和吸收器在这一单元内并排安置着。在蒸发器部分，致冷剂水蒸发并冷却用于空调或冷却过程的冷却水。在吸收器中，从蒸发器中蒸发出来的水被溴化锂溶液吸收。

另一个安置于蒸发器及吸收器部件上方的容器是高级发生器38。在这里，大约一半来自吸收器的稀溶液被加热并被再浓缩以轻微恢复超过先前吸收的水的一半。

另一个容器同样安置于蒸发器/吸收器组件的上方，且包含着低级发生器40和冷凝器42。在低级发生器中，另一半稀溶液被来自高级发生器的高温水蒸汽加热并浓缩。在此过程中从溶液里释放出来的水蒸汽在冷凝器部分内被冷凝成液体。

该制冷装置实施例还包括：用来改善运行经济性的两个溶液热交换器44和46，以及一个蒸汽冷凝热交换器48；一个通过抽出不冷凝气体来维持机器真空状态的外部抽气系统；用于使溶液和致冷剂循环的气密泵50和52；以及用于提供自动、可靠的机器性能的各种操作、容量及安全装置。容量阀64控制着输入制冷装置的热量。通常随制冷装置系统提供的附加设备和部件包括排水器56、安全阀58、温度传感器62、温度控制器TC以及液位控制装置LCD。图3中的箭头指示液体流经系统的方向。

上述吸收式制冷装置是本发明可应用的一种典型的吸收式制冷装置。关于这种装置及其他典型制冷装置的更详尽的描述见运载器公司出版的、目录号为531-607的《双效气密吸收式液体制冷装置的启动、运行、及维持说明书》，这引以为参考。应该理解，本发明同样适用于单效和各种多效吸收循环。

在本发明的一个实施例中，模拟液位开关10安装在制冷装置蒸发器的溢流箱54中，如图3所示。图1是开关10的放大图。如图1所示，用“A”标识的距离是已知参数。在浮子12沿空心轴杆20走过距离“A”的过程中，即已测定了浮子的精确位置。安装于包含在轴杆20内的圆柱形核心部件22中的一组簧片开关14和电阻16被浮子内的一组磁铁18所致动，其作用就如同电位计，并由此改变经导线24输出给微处理器60的输出电压。所测量的电压通过适当的计算可直接转换为浓度。在装置安装时，液位开关必须初始校准。校准的重要原因有二：1)没有两个装置是完全相同的，致冷剂的量随着壳体尺度和装置大小的变化而变化，2)有两种吸收器/蒸发器位置关系(上/下排列和并排)，两者有不同的致冷剂液位关系。IMO实业公司以注册商标XT Series LevelTransmitter销售的一种元件可用作液位开关10。

当技师“微调”或调整注入装置内的致冷剂量时，应对装置进行校准。将装置开至50％额定负荷状态并稳定运行。技师从吸收器液槽中取出一点稀溶液试样，并用比重计测其浓度。然后，技师测量液位开关的电压，并将它输入存储在微处理器60内的控制算法中。而后，技师将装置开至100％额定负荷状态，并且重复此过程。这种校准在电压/浓度曲线上设确定了两点，这一曲线就充分定义了那一具体装置的特定工作参数。

为验证这一作法的正确性，可将一台制冷装置开至不同的负荷状态，同时记录稀溶液的实际浓度(这些测量是用比重计进行的)以及液位开关的电压信号。数学关系是从这些数据来确定的。

这一试验结果表明，对于一种给定的浓度，其电压总是同一数值，与制冷装置的运行状态无关。由此知道特定电压与浓度有着直接的关联，制冷装置的整个工作循环从有电压读数开始精确地标绘出来了。

还进行了进一步的测试并将其结合到新编制的控制算法中。这些新算法能高精度地计算出溴化锂在任一状态点的浓度。图2为一种典型制冷装置循环图。图上的数字点对应于溴化锂溶液走遍整个制冷装置。图4所示为溴化锂水溶液的平衡图。溶液的循环是通过将其描绘在溴化锂水溶液的基本平衡图上来表示的。曲线图(图2)也可用于性能分析和查找故障。

图上的左侧标度表示溶液和水蒸汽在平衡状态的压力。右侧标度表示致冷剂(水)和溶液的对应的饱和(沸腾或冷凝)温度。

图上的下方标度表示溶液浓度，其表示为水溶液中溴化锂所占的重量百分数。例如，浓度为60％的溴化锂水溶液意味着其中含有60％重量的溴化锂及40％重量的水。

图4中，从左至右倾斜的曲线是溶解温度线(不要与水平的饱和温度线混淆)。右下方开始的那一单根曲线表示结晶线。在此结晶线右方的任一温度与浓度的组合点，溶液都将出现结晶(固体析出)而限制流动。从曲线图下方延伸的略微倾斜的线是溶液比重线。通过用比重计测量溴化锂溶液试样的比重，并读取其溶液温度就可测出溴化锂溶液的浓度。然后，标出这两个数值的交叉点，并直接向下读出溴化锂的百分标度。对应的蒸汽压力也可通过从这一点直接向左读取标度来确定，并可通过读出右侧标度来确定其饱和温度。

溶液循环的标绘

在典型的全负荷状态下的一个吸收溶液循环如图2中的点1至点13所示。这些数值将随着负荷和运行状态的不同而变化。

点1表示吸收器中的浓溶液，随着其被从吸收器的喷嘴喷出，它开始吸收水蒸汽。这一状态是内在的，不能测量。

点2表示离开吸收器之后进入低温热交换器之前的稀溶液。这包括其流经溶液泵。用从泵的排出侧取出的溶液试样可以测量这一点。

点3表示离开低温热交换器的稀溶液。其浓度与点2相同，但其温度因从浓溶液获得了热量而变得较高。此温度可以测量。

点4表示离开排放热交换器的稀溶液。其浓度与点3相同，但其温度因从蒸汽冷凝获得了热量而变得较高。此温度可以测量。在该点，稀溶液首先流经液位控制装置(LCD)阀门，然后其分成两路，大约有一半流向低级发生器，而剩下的流向高温热交换器。

点5表示在低级发生器中的预热至沸腾温度之后的稀溶液。该溶液将在与冷凝器中的蒸汽冷凝温度所建立的饱和温度相对应的温度和浓度下沸腾。这一状态是内在的，不能测量。

点6表示离开高温热交换器并进入高级发生器的稀溶液。其浓度与点4相同，但其温度因从浓溶液获得了热量而变得较高。此温度可以测量。

点7表示在高级发生器中的预热至沸腾温度之后的稀溶液。该溶液将在与低级发生器管子中的蒸汽冷凝温度所建立的饱和温度相对应的温度和浓度下沸腾。这一状态是内在的，不能测量。

点8表示在被沸腾出致冷剂水而再次浓缩之后离开高级发生器进入高温热交换器的浓溶液。通过测量离开的浓溶液温度以及离开低级发生器管子的冷凝蒸汽温度(饱和温度)，可以近似地将它标绘出来。这一状态不能精确测量。

点9表示从高温热交换器来的正流在两个热交换器之间的浓溶液。其浓度与点8相同，但其温度因将热量传给了稀溶液而变得较低。此温度在具有分离的溶液热交换器的制冷装置中是可以测量的。

点10表示离开低级发生器并进入低温热交换器的浓溶液。其浓度比来自高级发生器的溶液的浓度要低，并且通过测量离开的浓溶液的温度及蒸汽冷凝温度(饱和温度)，可以近似地将它标绘出来。这一状态不能精确测量。

点11表示来自高温热交换器的浓溶液和来自低级发生器的浓溶液一起进入低温热交换器时形成的混合物的温度。该温度在具有分离的溶液热交换器的模式中是可以测量的。

点12表示混合的浓溶液在将热量传给稀溶液之后离开低温热交换器之前的状态。这一状态是内在的，不能测量。

点13表示在热交换器中与一些稀溶液相混合之后离开低温热交换器并进入吸收器喷嘴的浓溶液。此温度可以测量，但其浓度无法取样。在离开喷嘴之后，随着其暴露于吸收器的较低压力，在点1，该溶液有些变冷并有些浓缩。

下面描述图2中的各状态点是如何获得的。点2由是来自液位传感器的浓度连同溶液温度的直接测量来确定的。

致冷剂液位传感器的电压在机器的首次起动时就校准，以精确地建立蒸发器中致冷剂的液位与吸收器中溴化锂溶液的浓度之间的关系。通过在低和高浓度液位测取溶液的读数，并测取相关的致冷剂液位传感器电压，将可做到这一点。然后，假设该两点之间的浓度为线性关系，就可用内推法和外推法确定一条浓度线。注意，致冷剂液位和电压的关系是成反比的，即液位上升则电压输入降低。

点2’的浓度与点2相同，但其处于由致冷剂温度确定的饱和温度。其余各点是通过运用状态点方程、结晶线方程、传感器的补充信息、浓度平衡、以及质量平衡计算出来的。点9X和点14X是分别点9和点14的溶液温度下的结晶线方程确定的。这些计算都是标准计算，那些精通本领域的人可以很容易地进行。

浓度控制超越和故障保护

从上述计算可知，假如溴化锂的浓度变得太高，CONC9和CONC14将用于超越容量控制程序或发生非再循环停机。对于每一个计算出来的浓度(CONC9和CONC14)，浓度保护将由一禁止临界值，一关闭临界值和一安全停机临界值组成(分别对应于图2中点IN，CD和SS)。当计算出来的浓度超过了禁止临界值时，容量阀64将被禁止开启，直到计算的浓度降低至禁止临界值以下-0.5％。如果计算出来的浓度超过了关闭临界值，则容量阀64将被关闭，直到计算出来的浓度降低至禁止临界值以下-0.5％。如果计算出来的浓度超过了它所关联的安全停机临界值，那么将开始一个伴有稀释循环的非再循环停机。

每一点的相关浓度临界值如下：点            禁止             关闭              故障/停机

         (％CONC.)        (％CONC.)            (％CONC.)CONC9        CONC9X-1.5％     CONC9X-1.0％         CONC9X-0.5％CONC14       CONC14X-1.5％    CONC14X-1.0％        CONC14X-0.5％

上述计算将保护运行中的机器并显示出了本发明的实效性。当出现动力丧失时，正常停机是不可能的。本发明能在动力丧失之前提供数据储存。这些数据可以用于与电力恢复时测取的数据进行比较，以及用于确定溶液是否已出现结晶和重新起动机器是否安全。

计算保护的结晶溶液温度

TSOL9X＝结晶线方程(CONC9X)

TSOL14X＝结晶线方程(CONC14X)

计算差值和溶液温度

DIFF9＝TSOL9X

DIFF13＝TSOL13-TSOL14X

如果(DIFF9＜DIFF13)则

TSOL9S＝TSOL9-DIFF9

TSOL13S＝TSOL13-DIFF9

否则

TSOL9S＝TSOL9-DIFF13

TSOL13S＝TSOL13-DIFF13

稀释循环的动力丧失确定

如果((TSOL9＜TSOL9S)或(TSOL13＜TSOL13S))那么

警报状态

否则

如果((TSOL9＜TSOL9S+25)或(TSOL13＜TSOL13S+25))那么

动力丧失稀释循环＝真

否则

动力丧失稀释循环＝假

以上描述的本发明的目的不仅可以防止吸收式制冷机中的溴化锂溶液浓度过高，而且，如果浓度超过“正常”工作状态，还可以采取预防性措施，并试图维持机器正常运行，这样可以避免不必要的停机。这依靠首先确定机器工作循环的各临界状态点来达到。两级工作循环的各典型状态点已表示在前面的曲线图上。两个状态点9和14是用安装在应用了模拟致冷剂液位传感器的制冷机上的温度和压力传感器确定的。液位传感器是在机器起动作为一个稀溶液浓度直接指示器的过程中校准的。此液位传感器的输出电压与致冷剂液位直接相关。致冷剂液位与稀溶液的浓度直接相关。

两个电压读数是对应于两个或多个稀溶液的浓度读取的。这些数据被输入了微处理器控制系统。由此建立了一种可用来确定任何运行状态下稀溶液的浓度的关系。

现在其他的各状态点都可以计算出来，它们将被用于计算两个指定的临界点9和14。可将这两个临界点与溴化锂将出现结晶的点9X和14X相比较，在临界点(9和14)和溴化锂将出现结晶的点(溴化锂恒定温度下的9X和14X)之间建立三个预定点。如果状态点9和14达到第一预定点，那么机器的容量控制阀被禁止开启，在图2中用点“IN”表示。如果达到第二点“CD”，容量控制阀就关闭，直到临界点从结晶线上移开。如果达到第三点“SS”，机器将经历“安全”停机而进入稀释循环。

用传感器收集的信息以及用计算状态点所用的方程也可以计算和显示“吸收器损耗”。吸收器损耗是吸收器中致冷剂温度与溴化锂饱和温度间的差值。以华氏温度定义的这一差值是机器性能的一种标志。本发明的更可取之处是能在万一动力丧失时储存数据，以便确定当动力恢复时机器是否已准备就绪。

Claims (6)

1.一种用于吸收式制冷机的过浓度控制系统，所述制冷机可以是具有单效、双效及三效冷却和加热循环之一的型式的，以及是用一种含有由溶在致冷剂中的离子性溶解物组成的溶液的工作液体的那种型式的，所述工作液体的特性以浓度和相图来表征，所述浓度以所述溶解物溶在所述溶剂中的量来表示，所述相图有一条结晶边界线，该边界线限定着对应于所述溶液的饱和状态的浓度和温度的组合，其特征在于，包括：

用于响应机器中预定位置的所述溶液的深度以产生表示所述液体的浓度的浓度信号的液位开关；

用于产生表示所述液体温度的温度信号的温度传感器；

用于响应所述温度信号和所述浓度信号以计算所述机器的吸收循环的一表示方式微处理器，所述循环可以标绘在所述相图上，所述表示方式包括多个由预先确定的各个浓度和温度组合所定义的临界点，所述微处理器

用于将所述液体的实际浓度和温度与所述机器的标在相图上的浓度和温度相比较，所述表示方式包括多个由预先确定的各个浓度和温度组合所定义的临界点；

用于将所述液体的实际浓度和温度与结晶边界线上的浓度和温度相比较以产生差值信号；以及

用于响应所述差值信号的大小，以便必要时改变所述机器的运行状态以防止所述液体达到结晶边界线上的浓度和温度组合。

2.如权利要求1所述的过浓度控制系统，其特征在于：所述工作液体包括溴化锂水溶液。

3.如权利要求2所述的过浓度控制系统，其特征在于：所述用来响应溶液深度的装置包括一个装在一浮子装置内的模拟开关。

4.一种用于吸收式制冷机的过浓度控制系统，所述制冷机可以是具有单效、双效及三效冷却和加热循环之一的型式的，以及是使用溴化锂水溶液作为工作液的那种型式的，所述工作液的特性由溴化锂在水中的浓度和相图来表征，所述相图有一条结晶边界线，该边界线限定着对应于所述溶液的饱和状态的溴化锂浓度和温度组合，其特征在于，包括：

用于响应机器中预定位置的所述溶液的深度以产生表示所述液体中的溴化锂浓度的浓度信号的液位开关；

用于产生表示所述液体的温度的温度信号的温度传感器；

用于响应所述温度信号和所述浓度信号，以计算所述机器的吸收循环的一表示方式的微处理器，所述循环可以标绘在所述相图上，所述表示方式包括多个由预先确定的各个浓度和温度组合所定义的临界点，所述微处理器；

用于将所述液体的实际浓度和温度与所述机器的标在相图上的浓度和温度相比较，所述表示方式包括多个预先确定的各个浓度和温度组合所定义的临界点；

用于将所述液体的实际浓度和温度与结晶边界线上的浓度和温度相比较以产生差值信号；以及

用于响应差值信号的大小，以便必要时改变所述机器的运行状态以防止所述液体达到结晶边界线上的浓度和温度组合。

5.如权利要求4所述的过浓度控制系统，其特征在于：所述预先确定的位置包含在吸收式制冷机的蒸发器部分内。

6.如权利要求5所述的过浓度控制系统，其特征在于：所述用于响应溶液深度的装置包括一个用来产生可转换成溴化锂在溶液内的浓度信号的电压的模拟液位开关。

Images