CN1337000A - 水冷冷却器的凝固点保护 - Google Patents

Abstract

为水冷冷却器提供一种凝固点保护方法和系统。该方法防止冷却水结冰并危害冷却器。该方法在关闭冷却器(126)以前允许蒸发器温度降到结冰温度以下一段预定的时间。在水冷却器(126)中致冷剂的温度被定期地探测。定期地计量冷却器(126)低于预定结冰温度的时间量,并与冷却器(126)在低于预定结冰温度的探测温度上可以运行而不会损害冷却器(126)的最大确定时间相比较。如果计量的时间超过了最大确定时间,该方法将关闭水冷却器(126)。用于关闭水冷冷却器(126)以防止冷却水结冰的一个系统也被提供。

Description

水冷冷却器的凝固点保护

技术领域

本发明涉及在HVAC系统内用于防止水冷冷却器中冷却水结冰的方法。本发明也涉及防止水冷冷却器中冷却水结冰的一个系统。

背景技术

通常需要在水的凝固点的几度范围内的温度上运行水冷冷却器。众所周知，冷却器内的水在热交换器中被冷却，其中水由从蒸发器中的水吸收热量的致冷剂所冷却。在现有的水冷却器中，控制系统通常设置为一旦蒸发器温度降低到某一结冰以下的温度时关闭水冷冷却器。既使在这个温度下降只是暂时的并不会引起水冷冷却器中的水结冰时关闭也可以发生。这些瞬间的温度下降通常是由于变化的负载、起动或其它任何原因所导致的系统干扰产生的。这些关闭通常是不必要的，因为在管内的水不会立即结冰。

发明内容

最好有一个系统，在这个干扰的有限时间内，如果不必关闭HVAC系统，将使冷却器连续运转。这样的系统或方法将防止与频繁的关闭相关的高成本。

此外，本发明的一个目的是要提供防止HVAC系统中水冷冷却器结冰而不必关闭HVAC系统的一种改进的方法和系统。

本发明另外的目的和优点将部分地在下列说明中陈述，而部分将由说明变得清楚或可以由发明的实施所了解。本发明的目的和优点将借助于在从属权利要求中特别指出的元件和组件来实现和获得。

如本文概括地表述的，要实现目标和根据本发明的目的，本发明包括关闭水冷冷却器以防止冷却水过度结冰并危害冷却器的一种方法。该方法包括如下步骤：定期地探测水冷却器中致冷剂的温度；在预定的时间间隔定期地计量探测温度低于预定结冰温度的时间；在预定的时间间隔定期地比较计量的时间与蒸发器在低于预定结冰温度的探测温度上可以运行而不会损坏冷却器的一个最大确定时间；并且如果在所述的某一预定的时间间隔上计量的时间超过了最大确定时间时，关闭水冷却器。

在另一方面，该方法包括的步骤是：定期地比较探测温度与预定的最低关闭温度并且如果探测的温度降到预定的最低关闭温度以下时关闭水冷却器。

在另一方面，计量冷却器中致冷剂的温度低于预定结冰温度的时间量的步骤包括如下步骤：在每个预选的时间间隔中探测的温度降低到预定的结冰温度以下时使计数增加预选的增加值并在每个预选的时间间隔内探测的温度等于或大于预定的结冰温度时使计数减少预选的增加值。

还有在又一方面，该方法可以进一步包括如果探测的温度低于预定的最低关闭温度时关闭冷却器的步骤，既使计数值不比确定的最大时间大。该方法也可以包括在每个预选时间间隔中计算冷却器可以在低于预定结冰温度的探测温度上运行的最大确定时间的步骤。用于计算和比较步骤的预定时间间隔是相同的时间间隔。

在另一方面，关闭冷却器的步骤只能发生在探测的温度低于预定的结冰温度时。

在另一方面，定期地探测冷却器中致冷剂温度的步骤由一直接的温度探测装置执行。换言之，定期地探测冷却器中致冷剂温度的步骤由一个压力传感器执行。

本发明也包括用于关闭水冷冷却器以防止冷却水过度结冰并危害冷却器的一个系统。该系统包括：用于定期地检测冷却器中致冷剂温度的探测器；用于储存冷却器被允许在低于预定结冰温度的一个探测温度上运行而不会损坏冷却器的最大时间的装置；以及在预定的时间间隔上定期地计量探测温度低于预定结冰温度的时间，比较该时间与最大确定时间，并且如果计量的时间大于最大确定时间时关闭冷却器的一个控制器。

要明白，前述的一般说明和下列的详细说明都只是示范性和说明性的，并不像权利要求限制本发明。插在并构成这个说明书一部分的附图图示说明了本发明的实施例并与说明一起用于阐明本发明的原理。

附图说明

图1是用于计算完成管中液体凝固的无限小的时间的曲线。

图2是在各种致冷剂饱和温度上表示在蒸发器管中滞积水凝固的时间曲线。

图3A和3B是表示新的结冰保护程序的流程图。

图4是符合本发明的致冷系统和控制板的图面。

具体实施方式

现在将详细说明本发明的最佳实施例，其实例在附图中说明。只要可能，涉及相同或类似部分在图中将完全使用相同的参照数字。

本发明针对在冷却器内用于防止水冷却器由于水的过度结冰所导致的危害的方法和系统。借助于图4的例子说明应用本发明的一个常用的系统。如所表示的，水冷却器被插入包括一个离心式压缩机110、一个冷凝器112、一个水冷却器(蒸发器)126和一个系统的控制板140的一个HVAC致冷系统100中。离心式压缩机110压缩致冷剂蒸气并将它经由管线114提供到冷凝器112。冷凝器包括连接至冷却塔122的一个热交换螺旋管116。来自冷凝器112冷凝的液态致冷剂经由管线124流到蒸发器126。蒸发器126包括比如一个热交换螺旋管128，它具有连接至冷却负载130的供给管线128S和返回管线128R。水经由返回管线128R流入蒸发器并经由供给管线128S排出蒸发器。蒸发器冷却管中水的温度。热交换器螺旋管128可以包括一组管束。在蒸发器126中的蒸气致冷剂随后经由吸气管线132返回到压缩机110以完成循环。

该系统包括用于探测在水致冷器内的温度和压力的探测器160。该探测器最好在蒸发器壳内管束之间的位置。该探测器通常位于致冷剂流中。来自探测器的信号162被施加到包括模拟-数字(A/D)转换器148、微处理器150、非易失存储器144和接口模块146的控制板140。控制板的操作将在下文更详细地讨论。常用的液体冷却器系统包括很多图4中未表示的其它特点。这些特点已被适当省略以简化图面便于说明。

水冷却器通常被规定在水的华氏凝固点(32°F)几度范围内运行。由起动、变化负载等引起的在冷却器运行状态的暂态可能导致蒸发器致冷剂饱和温度暂时下降低于这个值。如果在这种状态保持足够长的一段时间，就可能在蒸发器冷却水管内侧形成冰。在极个别的情况下，管内的水能结冰爆裂水管并引起对单元的危害。

本发明的目的是要提供凝固点保护方法和系统，它能允许冷却器中致冷剂的温度降到水的凝固点以下有限的一段时间而不会立即关闭。本发明的方法和系统将在计算出的时间量之后关闭水冷却器，但要防止不必要的关闭。在另一方面，本方法将有效地防止水管结冰。要做到这点，方法演变成确定冷却器能在水的凝固点以下运行的安全时间极限。因为水结冰需要的时间取决于蒸发器温度在凝固点之下多久，这个时间极限必须针对不同的冷却器温度被调节。如下文所阐述的，最佳方法是利用一个数学算法针对在冷却器中探测的致冷剂温度确定合适的安全时段。根据本发明，可以用不同的算法确定这个时间，如可用给定系统的实验测试。例如，可以通过使特定的水冷却器承受不同的结冰温度和在每种温度下确定使水达到预定结冰状态的时间，来获得给定温度的安全时段。通过这个实验测试，一个数据点表格可以被确定并放在下文所述的那种类型电脑系统的存储器中。然而，最好是根据适当的能分析确定致冷剂给定探测温度的最大安全时间的假设使用一个算法。

要改进这个算法，借助于例子，一个数学瞬间传导分析在表示的蒸发管上完成。为了减少采用这种方法的结冰危害，一个最佳算法根据冷却器结冰的最坏情况被改进。在最短的时间内发生水冷却器结冰的最坏情况是蒸发器管由通行导流垫或某些其它阻碍物部分或完全堵塞的不大可能的情况。在这种情况下，水不能进入或排出水管而是相反截留在管中，这时周围的致冷剂蒸气在凝固点以下。因为水不能对流地传递热(忽略次要性质的对流作用)，热传递的主要方式变成了在径向的传导。

铜管的传导率和给定管的长度与直径比是已知的，傅里叶径向传导方程式简化为可数学解决的形式。1943年由London和Seban解决了在浸入低于液体凝固点以下温度的介质中的长圆形管内液体结冰的数字表示热传递问题。对于无限小的时间参数的该等式在下列条件下被用于本申请：

1.冰的物理性质，密度，传导率和熔解潜热是不变的。

2.液体在初始的凝固温度(32°F)。

3.管外侧的热传递系数在过程中间是不变的。

4.在管外侧致冷剂蒸发的饱和温度是不变的。

图1表示在无限小的时间内完成液体凝固的方案。在这种情况下，无限小的时间θ^*在合适的系统参数h_or_o/k值下对应于横坐标截矩r⁺＝r/r_o＝0。这对应于管完全凝固的无限小的时间(其中r＝0)。

等式1：θ^*＝(T_fr-T_∞)kθ/L_fρr_o ²

其中L_f＝冰的熔解潜热

   ρ＝固态密度

   T_fr＝凝固点温度

   T_∞＝测量的蒸发器饱和温度

   k＝冰的热传导率

  θ＝管完全凝固的时间

   r_o＝管内圆半径

   h_o＝外表面热传递系数

管完全凝固的无限小的时间θ^*由图1可以找出。这个值随后被输入等式1，以便求出管完全凝固的时间θ。

在特殊情况下系统参数被用于上述方案时，如图2所示，在各种饱和温度下获得在标准蒸发器管内水完全凝固的下列时间曲线。这个表格依照在标准条件下对蒸发器的标准设计，并且只是示范性的。图2中的数据表格不限制本发明。图2对应于美国机械工程师协会ASME会刊1943年65卷London，A.L.和Seban，R.A.的“冰形成速度”。根据本发明的最佳实施例，确定的最大时间极限由一个合适的安全系数加权，并随后插入本发明方法和系统的控制逻辑。

下面将叙述新的凝固点保护控制算法。在连续的基础上，控制逻辑系统在预选的时间间隔上监视蒸发器饱和温度。在图4中表示了致冷系统控制板140的例子。探测器160被用于测量蒸发器温度或压力。一个直接的温度探测装置，如一个热敏电阻，可以被用于测量蒸发器温度。或者，一个压力探测装置，如一个压力传感器，可以被用于测量蒸发器压力。其它类型的温度和压力传感器也可以被利用。如果一个压力传感器被利用，则压力探测器/传感器160将产生与蒸发器压力成正比的一个直流电压信号162。通常这个信号162在0.5V和4.5V(DC)之间。如果利用热敏电阻，热敏电阻将提供一个与温度成正比的电阻。这个经由连通电压源的电阻分压器被转换成电压信号162。电压信号162是给控制板140的一个输入并由模拟/数字转换器148转换成数字信号。这个表示蒸发器压力/温度的数字信号现在可以由微处理器150转换成相应的蒸发器饱和温度。这个值现在被输入到在下列段落更详细叙述的凝固点保护软件程序。控制板也包括在凝固点保护程序发出适合关闭的信号时被用于关闭冷却器的一个接口模块146。冷却器可以通过任何常用的方法，比如通过向马达起动器/马达118发送信号关闭压缩机110，来关闭。然而，本发明不必局限于这种关闭方法。

图3说明本发明某一凝固点程序的实施例。程序的运行如下。如果该单元在开始以前刚好被打开，凝结计数值在初始化期间将被设置为零。凝结_计数是保持蒸发器温度处于凝固点之上或之下时的随时间变化的计数器的值。在开始程序后，程序进行到步骤1。如凝固点特性不是活跃的，程序进行到步骤16(由圆圈C表示)。在步骤16中间，清除关闭。在清除关闭中，控制逻辑表明没有关闭要根据这个控制特性发生。然后程序进行到步骤17，在这里记录关闭状态。在这种情况下，将记录没有关闭。步骤17将被称作记录关闭状态。在步骤17之后，程序将结束(程序可以在执行其它控制程序之后重新进入这一点)。如果在步骤1发现凝固点特性是活跃的，那么程序进行到步骤2。在程序的这点上凝结_计数值要么等于零(如果程序刚好开始)要么等于在前面的程序结束以前凝结_计数的最后保留值。在步骤2中，现有的蒸发器饱和温度被确定并且偏差补偿被插入系统。这个补偿值在改进时可以被放进软件，或者在个别应用中可以(通过键盘)手动输入。最好，偏差补偿代表探测器偏差的最坏情况。例如，对于热敏电阻它可以被编程为恒等于0.8°F而对于压力传感器则恒等于1.0°F。然后程序进行到步骤3。

由于冷却计数的计时可变，这里利用1秒的标准时间间隔(然而，可以利用其它的时间间隔)。凝结_计数每秒被增加或减少一次，由此获得相当于1秒分辩率的计时器。在步骤3中，检查在程序初始化时被设置为1秒的计时器。如果1秒已终了，则在步骤4重新设置计时器。如果1秒未终了，程序进行到连在图3A和图3B之间由圆B所表示的步骤9。然而，如果已在步骤4重置计时器，程序进行到步骤5。在步骤5，蒸发器温度与凝固点温度加偏差补偿值相比。该凝固点温度是在冷却器中水的凝固点。如果探测的蒸发器温度低于凝固点温度加偏差补偿值，则程序进行到步骤7，其中凝结_计数值被增加1。该凝结_计数值现在将等于前面的凝结_计数值加1，并且程序进行到步骤9。否则如果蒸发器温度不低于凝固点温度加偏差补偿值，程序进行到步骤6。如果在步骤6凝结_计数大于零，那么程序进行到步骤8，其中凝结_计数值被减去1。该凝结_计数值现在将等于前面的凝结_计数减1，并且程序进行到步骤9。在步骤6中，如果凝结_数值不大于零，凝结_计数值将不被减少，但将保持相等，并且程序将进行到步骤9。

本发明的一方面，及由此在本文阐述说明的子程序要防止计数器在每次温度升到凝固点以上时自动重置为零。在步骤8中，如蒸发器温度等于或大于凝固点加偏差补偿值(假设凝结_计数大于零)，(表示凝固点时间的)凝结_计数值减去1。每次温度升高到温度临界值仅1秒的时间间隔时，要进行计数器重置是危险的。每次温度暂时的升到临界值以上可能后面是大量的温度在临界值以下的时间。在温度升到临界值时不是完全重置，而是计数器将停止增加并相反向零方向减少一个计数。用这种方式，如果温度的变化相反并且温度要降在临界值之下，则凝结计数值将表示，温度在临界值以下的时间量减去温度大于或等于临界值的时间量(增加的数，如1秒)。未重置为零就是因为温度已预先升到临界值之上，在低于临界值的温度上冷却器被允许保持比计数器已重置为零更短的时间。对于冷却器可能在凝固点边缘运行的情况(即，在饱和温度围绕凝固点振荡时)这个逻辑尤其必要。

在步骤3中，如果一秒的时间间隙还未终了，计时器不被重置并且程序进行到步骤9(由圆B表示的图3A和3B之间的连接)。凝结_计数值仅在一秒的时间间隔被增加或减少，然而，程序在一秒的许多倍的时间内完成。

如图3A和3B所示，程序从如圆A和B所表示的部分进行到步骤9。在步骤9，蒸发器温度与凝固点温度加偏差补偿值相比较。如果蒸发器温度不低于凝固点温度加偏差补偿值，则程序进行到步骤11。如果程序进行到步骤11，将没有关闭产生。在步骤11，关闭将被清除并且程序进行到关闭状态被记录的步骤17。在这种情况下，将记录没有关闭并将退出程序。

然而，如果在步骤9蒸发器温度低于凝固点温度加偏差补偿值，则程序进行到步骤10。在步骤10，水能保持在各个蒸发器温度而不结冰的最大时间以最接近的探测温度被计算。这对应于在蒸发管中使水完全凝固，引起对冷却器的危害的时间。如前面所讨论的，这是以在管中的水流完全被堵塞的最坏情况为基础。该最大时间可以用下列公式与其计算所需要的必要参数一起来计算，该公式是上述等式1的重申。对于下面所列的变量值取决于具体的热交换器特性和出现的条件。下面的值只是示范性的。最终，(对于最大时间的)秒数根据饱和温度低于凝固点多少来计算。等式如下：

最大时间(秒)＝[θ^*×L_Fxρ_f×[(r_o/12)²/(((T_fr+T_offset)-T_shell)×K_ice)]]×3600

其中：

T_fr＝32.0°F

T_offset＝0.8～1.0°F

T_shell＝测量的蒸发器饱和温度

L_f＝143.6

k_ice＝1.34

ρ_f＝57.3

h_o＝3000

r_o＝0.325

R＝h_o×(r_o/(12×k_ice))

如果R大于10，则θ^*＝0.25

一旦计算了蒸发器管结冰的最大时间，凝结_计数值在步骤12与最大时间值相比较。因为凝结_计数值每秒增加(或减少)一次，凝结_计数值以秒表示饱和温度低于结冰临界值的时间(减去饱和温度高于结冰临界值的时间)。如果凝结_计数值大于最大时间值，则程序进行到设置关闭的步骤13。在设置关闭之后，程序进行到步骤14。在步骤12，凝结_计数值可以小于或等于最大时间值。这将产生于当温度已低于临界值的时间量(减去高于临界值的时间量)还未达到计算的要发生结冰的时间量时。程序将进行到步骤14。

如果蒸发器温度已降到预定的最低温度以下时，还可以关闭该单元。这个最低温度表示在其上结冰将如此迅速使得既使很短的时间也将危及冷却器运行的一个温度。在上述的例子中，该最低温度被设置在25°F。在步骤14中，如果蒸发器温度低于最低温度，则在步骤15设置关闭。如果蒸发器温度不低于最低温度，将设置不关闭。然而，关闭可以作为步骤13的结果被设置。关闭或没有关闭的状态由此将在步骤17被记录。如果在步骤13和15两个步骤设置关闭，则系统可以被编程以便两个关闭都在步骤17被记录。换言之，如果对于步骤12和14答案是不，则将设置不关闭，并且步骤17将记录没有关闭。步骤17之后，将总是退出程序。此后程序可以立即重新开始。

在上述的方法和系统中，控制装置可以指示关闭产生的原因。除了上文讨论的那些凝固点保护的原因之外，关闭可以由其它原因产生。对于关闭原因的这个指示被称作记录关闭。

很明显，对于那些熟练的技术人员，各种修改和变型可以在本发明的设计中和这个凝固点保护方法及系统的构架中被完成而不脱离本发明的范围或精神。本发明的其它实施例对于那些熟练的技术人员将从本文公开的说明书的设想和发明的实施中变得很清楚。说明书和举例被认为只是权利要求的示范。

Claims (20)

1.一种关闭水冷冷却器防止冷却水过度结冰并损害冷却器的方法，包括下列步骤：

定期地探测冷却器中致冷剂的温度；

以预定的时间间隔定期地计数致冷剂低于预定凝结温度的时间量；

以预定的时间间隔定期地比较计数时间与冷却器可在低于预定凝结温度的探测温度运行而不会危及冷却器的一个确定的最大时间相比较；及

在所述预定时间间隔中的某一个间隔上，如果计数时间超过了确定的最大时间，关闭冷却器。

2.如权利要求1所述的方法还包括以下步骤：

定期地比较探测温度与预定的最低关闭温度；及

如果探测温度降到预定的最低关闭温度之下时，关闭冷却器。

3.如权利要求1所述的方法，其中计量冷却器中致冷剂低于预定凝结温度的时间量的步骤包括如下步骤：在探测的温度降到预定凝结温度以下的每个预选时间间隔内使计数增加预选的增加值而在探测的温度等于或大于预定凝结温度的每个预选时间间隔内使计数减少预选的值。

4.如权利要求3所述的方法，还包括以下步骤：如果探测的温度低于预定最低关闭温度，既使计数值不大于确定的最大时间，也关闭冷却器。

5.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：在每个预选的时间间隔内计算冷却器在低于预定凝结温度的一个探测温度上可以运行的最大确定时间。

6.如权利要求5所述的方法，其中冷却器在低于预定凝结温度的探测温度上可以运行而不会危害冷却器的最大确定时间，根据冷却器内的水被堵塞而没有流过冷却器的假设被确定。

7.如权利要求3所述的方法，其中冷却器在低于预定凝结温度的探测温度下可以运行而不会损害冷却器的最大确定时间，根据冷却器的实验测试被确定。

8.如权利要求5所述的方法，其中冷却器在低于预定凝结温度的探测温度下可以运行而不会损坏冷却器的最大确定时间是对应于最接近探测温度的时间。

9.如权利要求3所述的方法，其中每次探测温度等于或大于预定凝结温度时使计数减少预选的增加值的步骤只发生在计数值大于零时。

10.如权利要求1所述的方法，其中用于计数和比较步骤的预定时间间隔是同样的时间间隔。

11.如权利要求1所述的方法，其中关闭冷却器的步骤只能发生在探测温度低于预定凝结温度时。

12.如权利要求1所述的方法，其中预定的凝结温度是冷却器中水的凝固点与温度补偿值之和。

13.如权利要求6所述的方法，其中最大确定时间根据冷却器的热交换特性由一种分析算法的应用所确定。

14.如权利要求1所述的方法，其中定期地探测冷却器中致冷剂温度的步骤由一个直接温度探测装置所完成。

15.如权利要求1所述的方法，其中定期地探测冷却器中致冷剂温度的步骤由一个压力传感器所完成。

16.一种关闭水冷冷却器防止冷却水过度结冰并危害冷却器的系统，包括：

一个定期检测冷却器中致冷剂温度的探测器；

用于存储允许冷却器在低于预定凝结温度的探测温度上工作而不会损坏冷却器的最大时间的装置；及

以预定的时间间隔定期地计量探测温度低于预定凝结温度的时间量，比较该时间量与最大确定时间，并且如果计数时间大于最大确定时间时关闭冷却器的一个控制器。

17.如权利要求16所述的系统，还包括在每个时间间隔中，用于确定允许冷却器在该时间间隔内探测的温度上运行而不会危害冷却器的最大时间的一个确定装置。

18.如权利要求16所述的系统，其中存储装置存储多个与冷却器不同温度有关的最大时间。

19.如权利要求16所述的系统，其中存储装置是一个计算机存储器。

20.如权利要求17所述的系统，其中所述的控制器包括软件，它在探测温度降到预定的凝结温度以下的每个预选时间间隔内使计数增加预定的增加值并在探测温度等于或大于预定的凝结温度的每个预选时间间隔内使计数减少预选的增加值。

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