CN110567178A - 一种带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组。包括蒸发器、压缩机、冷凝器和热力膨胀阀；在蒸发器的冷冻水入口上的管路上安装有冷冻水泵；在冷凝器的冷却水入口上的管路上安装有冷却水泵；蒸发器的制冷剂出口连接至压缩机的制冷剂入口，压缩机的制冷剂出口连接至冷凝器的制冷剂入口，冷凝器的制冷剂出口连接至蒸发器的制冷剂入口；在冷凝器的制冷剂出口上的管路上还设有密度测量组件；在压缩机的制冷剂出口上的管路上还安装有电动三通阀，在蒸发器的制冷剂入口上的管路上还设有电磁阀；还包括一个旁通管路，该旁通管路的一端连接至电动三通阀的第二出口、另一端与蒸发器的制冷剂入口上的管路对接连接。本发明结构简单、响应迅速。

Description

一种带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组

技术领域

本发明属于冷水机组技术领域，尤其涉及一种带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组。

背景技术

冷水机组又称冷冻机、制冷机、冷却机等，在各行各业的使用比较广泛。水冷式冷水机组是利用壳管式蒸发器使水与制冷剂进行热交换，制冷剂蒸发吸收水中的热量，使水降温产生用户所需的冷水，然后通过压缩机的作用将制冷剂带至壳管式冷凝器，由制冷剂与冷却水进行热交换，冷却水吸收热量后通过水管将热量带出至外部的冷却塔散失。工作过程为：开始时由压缩机吸入蒸发制冷后的低温低压制冷剂气体，然后压缩成高温高压气体送至冷凝器；高温高压气体经冷凝器冷却后冷凝变为常温高压液体；当常温高压液体流入热力膨胀阀，经节流成低温低压的湿蒸气，流入壳管式蒸发器，吸收蒸发器内的冷冻水的热量使冷冻水温度下降；蒸发后的制冷剂再吸回到压缩机中，又重复下一个制冷循环。

现有的水冷式冷水机组由于冷却水是敞开式系统(在冷却塔内，冷却水与空气流动接触散热，会有部分冷却水由于蒸发作用而散失到空气中)，耗水量大，需要不断往系统中补水。补充水源的水质会有所变化，再加上空气中的颗粒杂质等在冷却水与空气的流动接触散热过程中进入冷却水，因此冷却水的水质在机组的长期运转过程中会变差，加快了冷水机组冷凝器管壁的结垢和腐蚀。当冷凝器的管壁破损时，冷却水就会进入制冷剂管路系统，从而最终进入压缩机，与制冷剂能够在气态和液态之间转换的能力相比(即具有较强的可压缩性)，冷却水是不可压缩的，这样冷却水进入制冷剂系统，沿着制冷剂系统进入压缩机，击穿压缩机的电机线圈，对整个机组造成毁灭性的损坏。若发生上述事故，在短时间内发现并紧急处理，机组大修过后还能使用，但制冷效率会明显降低，若长时间不处理，机组只能作报废处理，造成严重经济损失。

因此，需要一种能够对上述冷凝器管壁破损的工况进行及时发现和及时处理的方案，来保证冷水机组在出现上述问题时不会受到进一步损坏甚至报废，现有技术中还不存在这种技术方案。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种结构简单、响应迅速的带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组，通过及时发现冷却水进入制冷剂管路并及时预警停机来避免进一步的机组损失。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组包括蒸发器、压缩机、冷凝器和热力膨胀阀；蒸发器的冷冻水入口和冷冻水出口分别通过管路连接至用户的回水口和供水口，在蒸发器的冷冻水入口的管路上安装有冷冻水泵；冷凝器的冷却水入口和冷却水出口分别通过管路连接至冷却塔的出水口和进水口，在冷凝器的冷却水入口上的管路上安装有冷却水泵；蒸发器的制冷剂出口通过管路连接至压缩机的制冷剂入口，压缩机的制冷剂出口通过管路连接至冷凝器的制冷剂入口，冷凝器的制冷剂出口通过管路连接至蒸发器的制冷剂入口且在该管路上还设有过滤器且热力膨胀阀安装在该管路上；在冷凝器的制冷剂出口上的管路上还设有密度测量组件，密度测量组件包括检测箱以及安装在检测箱上的密度分析仪；在压缩机的制冷剂出口上的管路上还安装有单输入、双输出的电动三通阀，在蒸发器的制冷剂入口上的管路上还设有电磁阀；还包括一个旁通管路，该旁通管路的一端连接至电动三通阀的第二出口、另一端与蒸发器的制冷剂入口上的管路对接连接；还包括控制器，冷冻水泵、冷却水泵、电动三通阀、电磁阀、压缩机和密度分析仪均与控制器电连接。

本发明的优点和积极效果是：本发明提供了一种结构设计简单合理的带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组，与现有的冷水机组相比，本技术方案中通过在冷凝器的制冷剂出口的管路上设置密度测量组件，实现了对冷凝器的制冷剂出口处的制冷剂密度进行检测的技术效果。通过对制冷剂的密度值进行持续检测和监控来发现冷凝器管壁破损导致的冷却水进入制冷剂管路系统的工况，发现上述异常工况时控制整个冷水机组进行及时停机维护，有效避免了混入冷却水的制冷剂流经管路和蒸发器后进入压缩机，为压缩机提供了保护，避免压缩机损毁导致报废。通过设置旁通管路，实现了在检测到制冷剂管路进水的情况后将压缩机排出的制冷剂通过旁通管路导入蒸发器内的技术效果，形成一个停机瞬间的系统内部制冷剂的自循环，避免制冷剂继续向冷凝器内导入，避免制冷剂的浪费，也便于后续对冷凝器的维护处理，极大地避免了经济损失。

优选地：蒸发器选取为壳管式蒸发器，包括蒸发外壳以及位于蒸发外壳内部的制冷剂盘管，冷冻水入口和冷冻水出口设置在蒸发外壳上，制冷剂盘管的两端部从蒸发外壳的同一端穿出构成制冷剂入口和制冷剂出口。

优选地：冷凝器选取为壳管式冷凝器，包括冷凝外壳以及位于冷凝外壳内部的冷却水盘管，制冷剂入口和制冷剂出口设置在冷凝外壳上，冷却水盘管的两端部从冷凝外壳的同一端穿出构成冷却水入口和冷却水出口。

优选地：密度分析仪选取为超声波密度分析仪；检测箱包括箱体，密度分析仪安装在所述箱体的侧壁上，其探头部分位于所述箱体的内腔。

优选地：还包括声光报警器，该声光报警器连接至控制器。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中密度分析仪与检测箱的结构示意图；

图3是本发明的电控系统的框图。

图中：1、用户；2、冷冻水泵；3、蒸发器；4、电磁阀；5、热力膨胀阀；6、压缩机；7、过滤器；8、电动三通阀；9、冷凝器；10、密度分析仪；11、检测箱；12、冷却水泵；13、冷却塔。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹举以下实施例详细说明如下：

请参见图1，本发明的带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组包括蒸发器3、压缩机6、冷凝器9和热力膨胀阀5。

蒸发器3的冷冻水入口和冷冻水出口分别通过管路连接至用户1的回水口和供水口，在蒸发器3的冷冻水入口的管路上安装有冷冻水泵2。冷冻水泵2将冷冻水在蒸发器3与用户1之间形成循环，来自用户1的冷冻水在蒸发器3内与制冷剂换热而降温，相应地制冷剂吸收热量而升温气化。

冷凝器9的冷却水入口和冷却水出口分别通过管路连接至冷却塔13的出水口和进水口，在冷凝器9的冷却水入口的管路上安装有冷却水泵12。冷却水泵12将冷却水在冷凝器9与冷却塔13之间形成循环，来自冷却塔13的冷却水在冷凝器9内与制冷剂换热，制冷剂液化放热，冷却塔13将冷却水吸收的热量散失到周围环境中。

蒸发器3的制冷剂出口通过管路连接至压缩机6的制冷剂入口，压缩机6的制冷剂出口通过管路连接至冷凝器9的制冷剂入口，冷凝器9的制冷剂出口通过管路连接至蒸发器3的制冷剂入口且在该管路上还设有过滤器7，同时热力膨胀阀5也设置在该管路上。其中，过滤器7用于滤除制冷剂中可能含有的颗粒杂质，令制冷剂保持纯净状态。热力膨胀阀5作为控制制冷剂状态转换的部件存在，通过热力膨胀阀5后，前方的常温高压液体转变为后方的低温低压湿蒸气(即部分液态部分气态的混合状态)。

制冷剂在上述结构中循环流动，循环过程为：开始时由压缩机6吸入蒸发器3蒸发制冷后得到的低温低压制冷剂气体，然后压缩成高温高压气体并送至冷凝器9；高温高压气体在冷凝器9内冷却后冷凝变为常温高压液体；常温高压液体流入热力膨胀阀5，经节流形成低温低压的湿蒸气，再流入蒸发器3，吸收蒸发器3内的冷冻水中的热量使水温度下降；蒸发后的制冷剂气体再吸回到压缩机6中。

本实施例中，蒸发器3选取为壳管式蒸发器，包括蒸发外壳以及位于蒸发外壳内部的制冷剂盘管，冷冻水入口和冷冻水出口设置在蒸发外壳上，制冷剂盘管的两端部从蒸发外壳的同一端穿出构成制冷剂入口和制冷剂出口。

本实施例中，冷凝器9选取为壳管式冷凝器，包括冷凝外壳以及位于冷凝外壳内部的冷却水盘管，制冷剂入口和制冷剂出口设置在冷凝外壳上，冷却水盘管的两端部从冷凝外壳的同一端穿出构成冷却水入口和冷却水出口。

在冷凝器9的制冷剂出口处的管路上还设有密度测量组件，密度测量组件包括检测箱11以及安装在检测箱11上的密度分析仪10。密度测量组件用于检测冷凝器9的制冷剂出口处排出的制冷剂的密度变化，根据该处密度变化的情况得出对冷凝器9的管壁是否破裂以及是否有冷却水进入制冷剂循环管路的判断。判断的原理是：当管壁未破裂，制冷剂循环正常时，由密度测量组件检测得到的密度值相对稳定，整个冷水机组处于稳定的运行工况；当管壁破裂并且冷却水进入了管路，则密度测量组件能够检测到冷凝器9的制冷剂出口处的制冷剂密度变化，上述密度的变化即对应着制冷剂成分的变化，可以判断得出管路进水的结论。

本实施例中，密度分析仪10选取为超声波密度分析仪。超声波密度分析仪的工作原理为：超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播的速度不同，在介质的界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的频率一般高于20kHz，超声波只可以以纵波的形式在液体介质中传播。它传播的相位、频率、速度还有衰减度都会受到介质性质的有关影响，在超声波的传播性质与液体密度之间建立相应的参数关系来测量液体的密度。主要的优点有：可以实现非接触的测量，测量精度比较高，响应比较快；而且没有运动的部件，所以测量的稳定性较好；没有放射性，对人体是无害的。

密度分析仪10为市售部件，不再赘述。型号可以选取为：美国FIL公司的F2000系列超声波密度分析仪，该系列的密度分析仪是一种采用超声波原理并综合多项检测技术的精密仪表。超声波检测不受介质的浊度、色度及电导率的影响，也不会受流态及杂质的干扰，内置高精度的热电阻测温元件和耐用的传感器设计保证仪表的实时精确测量。仪表调整简单、操作方便，是一款非常易用的仪表。具有16位精度4-20mA模拟量输出，SPST继电器输出，具有2线RS-485物理接口，可选ModBus-RTU或Profibus-DP通讯协议。

其工作原理是：

超声波探头发射一束超声波信号后，信号通过一定浓度的液体后到达对面的反射面，之后信号从反射面返回。此时探头转为信号接收状态，一次测定超声波信号传输的总时间，信号传输的距离为2倍间距，距离除以时间即为超声波声速。在一定的密度范围内，超声波信号在液体介质中的传播速度是密度和温度的函数。经过标定和温度补偿之后，超声波密度分析仪就能精确地测量液体介质的密度。

检测箱11包括箱体，密度分析仪10安装在箱体的侧壁上，其探头部分位于箱体的内腔。检测箱11作为一个缓冲的箱体，从管路中流出的制冷剂液体进入检测箱11内得到缓冲，通常情况下，管路中制冷剂的流速较高，这种情况下并不利于密度分析仪10工作，当制冷剂在检测箱11内得到缓冲、流速下降时，更有利于密度分析仪10的正常工作。检测箱11还作为密度分析仪10的安装平台/支架，在检测箱11的箱体顶部和底部设置入口和出口，与管路对接后即可接入到冷凝器9的制冷剂出口处的管路上，检测箱11优选为可拆卸的结构，可以将其从管路上拆卸下来，进行清理维护后再重新安装，保证密度测量的准确性和稳定性。

图2中展示了密度分析仪10与检测箱11之间的安装关系，美国FIL公司的F2000系列超声波密度分析仪在结构上包括仪表表头、中心杆以及探头，在中心杆的中部设有带有多个连接孔的安装基板，探头安装在中心杆的前端，中心杆的后端与仪表表头连接。在仪表表头内设有电路板，在仪表表头上设有显示屏，中心杆作为支撑杆以及容纳导联线，探头包括超声波发射及接收端头和与之相对的反射端头。安装时，安装基板与检测箱11的箱体侧壁固定连接，仪表表头位于外部、探头位于箱体的内腔，当箱体内充满制冷剂时，探头浸没在制冷剂内。

在压缩机6的制冷剂出口上的管路上还安装有单输入、双输出的电动三通阀8，压缩机6的制冷剂出口上的管路与电动三通阀8的入口连接、冷凝器9的制冷剂入口上的管路与电动三通阀8的第一出口连接，在蒸发器3的制冷剂入口上的管路上还设有电磁阀4。

还包括一个旁通管路，该旁通管路的一端连接至电动三通阀8的第二出口、另一端与蒸发器3的制冷剂入口上的管路对接连接。电磁阀4控制所在管路的通断，电动三通阀8控制正常管路与旁通管路之间的切换。正常情况下，电动三通阀8将压缩机6的制冷剂出口与冷凝器9的制冷剂入口连通，则旁通管路闲置；当出现制冷剂管路进水的异常情况而系统停机，则电动三通阀8与电磁阀4同步动作响应，将管路切换到旁通管路上同时电磁阀4所在的管路被截断，在停机瞬间从压缩机6排出的高压制冷剂经旁通管路进入蒸发器3内，避免制冷剂继续向冷凝器9内送入，减轻了突然停机时对整个管路系统的冲击，同时节省了制冷剂，并有利于后续对冷凝器9的维护处理。

请参见图3，本水冷式冷水机组还包括控制器，冷冻水泵2、冷却水泵12、电动三通阀8、电磁阀4、压缩机6和密度分析仪10均与控制器电连接。控制器从密度分析仪10接收信号，经处理得到密度值，与历史数据相比较得到密度变化的情况，进而得出冷凝器9的管壁是否破损以及制冷剂管路是否进水的判断，当判断处于上述异常工况时，控制器控制冷却水泵12和压缩机6同步停止运转，冷冻水泵2继续运转一定时间后(大约3分钟)停止运转(防止蒸发器3内的冷冻水结冰)，同时控制器控制电动三通阀8的阀芯偏转而将旁通管路接通、控制电磁阀4关闭而将冷凝器9的制冷剂出口与蒸发器3的制冷剂入口之间的管路关断。

控制器包括电路板，在电路板上设置控制器芯片(如PLC芯片)作为处理器；还包括对密度分析仪10传送的模拟信号进行模数转换的转换模块，转换模块与控制器芯片通信连接，处理得到的密度数字信号由控制器芯片接收；还包括用于存储历史数据/标准密度数据的存储模块，存储模块与控制器芯片通信连接，密度分析仪10得到的密度值与历史数据或标准密度数据进行差值比较，得出密度变化的结论；控制器还应包括冷冻水泵2、冷却水泵12和压缩机6三者的电机驱动模块，各电机驱动模块与控制器芯片通信连接，控制冷冻水泵2、冷却水泵12和压缩机6三者通断电；控制器还应包括电动三通阀8与电磁阀4两者的驱动模块，各驱动模块与控制器芯片通信连接，分别控制电动三通阀8、电磁阀4两者的切换动作和通断动作。密度分析仪10的密度测量时间间隔可以在密度分析仪10上进行选择设定，前述F2000系列超声波密度分析仪具有采样频率设定的功能，可以根据现场需要进行采样时间间隔的设定。

本实施例中，还包括声光报警器，该声光报警器连接至控制器，在控制器检测得出异常的结论时，声光报警器发出声光报警信号，提示人员进行及时处理。

本实施例的工作过程：

正常情况下，压缩机6通过管路吸入蒸发器3蒸发制冷后得到的低温低压制冷剂气体，然后压缩成高温高压气体并通过管路输送至冷凝器9；高温高压气体在冷凝器9内冷却后冷凝变为常温高压液体；之后常温高压液体经管路流入过滤器7，过滤后流入热力膨胀阀5，经节流形成低温低压的湿蒸气，之后制冷剂沿管路流入蒸发器3，吸收蒸发器3内的冷冻水中的热量使水温度下降；蒸发后的制冷剂气体再被吸回到压缩机6中，形成循环；此过程中来自用户1的冷冻水中的热量不断被制冷剂吸收，保持低温的状态，上述热量最终由冷却塔13散失到周围环境中，整个过程中密度分析仪10测量到的密度信号都是正常的。

随着运行时间的递增，由于冷却塔13内补水的因素以及外部杂质进入等因素，本冷水机组的冷凝器9内冷却水盘管的管壁上会有结垢和腐蚀现象，腐蚀到一定程度后即产生管壁破损问题，冷却水就会进入制冷剂管路系统，冷却水和制冷剂的混合液体经由冷凝器9的制冷剂出口沿管路排出并进入检测箱11内，密度分析仪10测量得到的密度信号被控制器所采集，控制器得出密度变化-冷却水混入-管壁破损的结论。之后控制器控制冷却水泵12和压缩机6两者停机，冷冻水泵2继续运转一定时间(大约3分钟)后停止运转(防止蒸发器3内的冷冻水结冰)，同一时间控制电动三通阀8的阀芯偏转、电磁阀4关断，则停机瞬间接通的旁通管路有效避免了关阀瞬间对管路的冲击，而且可以防止制冷剂再进入冷凝器9内。

声光报警器产生提示进行报警，维修维护人员对停机后的冷水机组进行检修并排除故障(如更换冷凝器9、维修冷凝器9并重新安装等)，之后通过控制器恢复电动三通阀8的阀芯位置、恢复电磁阀4的打开状态，启动冷冻水泵2、冷却水泵12和压缩机6令三者恢复运行，则本冷水机组继续投入运转。

Claims (5)

1.一种带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组，其特征是：包括蒸发器(3)、压缩机(6)、冷凝器(9)和热力膨胀阀(5)；蒸发器(3)的冷冻水入口和冷冻水出口分别通过管路连接至用户(1)的回水口和供水口，在蒸发器(3)的冷冻水入口的管路上安装有冷冻水泵(2)；冷凝器(9)的冷却水入口和冷却水出口分别通过管路连接至冷却塔(13)的出水口和进水口，在冷凝器(9)的冷却水入口上的管路上安装有冷却水泵(12)；蒸发器(3)的制冷剂出口通过管路连接至压缩机(6)的制冷剂入口，压缩机(6)的制冷剂出口通过管路连接至冷凝器(9)的制冷剂入口，冷凝器(9)的制冷剂出口通过管路连接至蒸发器(3)的制冷剂入口且在该管路上还设有过滤器(7)且热力膨胀阀(5)安装在该管路上；

在冷凝器(9)的制冷剂出口上的管路上还设有密度测量组件，密度测量组件包括检测箱(11)以及安装在检测箱(11)上的密度分析仪(10)；

在压缩机(6)的制冷剂出口上的管路上还安装有单输入、双输出的电动三通阀(8)，在蒸发器(3)的制冷剂入口上的管路上还设有电磁阀(4)；还包括一个旁通管路，该旁通管路的一端连接至电动三通阀(8)的第二出口、另一端与蒸发器(3)的制冷剂入口上的管路对接连接；

还包括控制器，冷冻水泵(2)、冷却水泵(12)、电动三通阀(8)、电磁阀(4)、压缩机(6)和密度分析仪(10)均与控制器电连接。

2.如权利要求1所述的带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组，其特征是：蒸发器(3)选取为壳管式蒸发器，包括蒸发外壳以及位于蒸发外壳内部的制冷剂盘管，冷却水入口和冷却水出口设置在蒸发外壳上，制冷剂盘管的两端部从蒸发外壳的同一端穿出构成制冷剂入口和制冷剂出口。

3.如权利要求2所述的带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组，其特征是：冷凝器(9)选取为壳管式冷凝器，包括冷凝外壳以及位于冷凝外壳内部的冷却水盘管，制冷剂入口和制冷剂出口设置在冷凝外壳上，冷却水盘管的两端部从冷凝外壳的同一端穿出构成冷却水入口和冷却水出口。

4.如权利要求3所述的带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组，其特征是：密度分析仪(10)选取为超声波密度分析仪；检测箱(11)包括箱体，密度分析仪(10)安装在所述箱体的侧壁上，其探头部分位于所述箱体的内腔。

5.如权利要求4所述的带有进水预警停机功能的水冷式冷水机组，其特征是：还包括声光报警器，该声光报警器连接至控制器。