用于吸收式供热与制冷系统的制冷剂存储装置 【技术领域】
本发明总的涉及吸收式供热与制冷系统，更具体地说，涉及用于该系统的制冷剂存储装置。背景技术
众所周知，在吸收式供热与制冷系统中，最初将制冷剂与能使制冷剂保持较高浓度的吸收剂结合在一起，以产生适合使用过程的溶液。运行条件改变，保持系统高效运行的制冷剂的必要数量也发生变化。在以制冷模式运行的期间，制冷剂的浓度最好较低，即溶液最好相对较浓。在该条件下，限制制冷剂浓度的因素是防止蒸发器的制冷剂泵中发生气穴现象或吸收器的贮液槽中形成吸收剂结晶现象的需要。因此，一般惯例是在系统中配备一制冷模式下的制冷剂调节系统，该系统包括一蓄液池，该蓄液池可以存储足够的制冷剂来防止溶液过浓，还可当制冷要求在系统设计的运行条件范围内波动时根据需要将制冷剂储入或排出该蓄液池，以使溶液浓度保持在可接受的范围中。蓄液池通常采用位于系统冷凝器中的贮液槽形式。由于适合该条件范围的制冷剂的浓度范围相对较小，因此为使该贮液槽的存储容积适合该条件范围，所述存储容积同样相对较小。
未经审查的日本专利No.62-178858中叙述了一种如上所述的制冷模式下的制冷剂调节系统的示例，该专利被转让于日本东京的Ebara有限公司。在后者地申请中，揭示了一种吸收式机器，其中系统冷凝器和系统蒸发器之间的液态制冷剂的重力流动可响应于某些检测到的系统的相关条件进行控制，例如溶液在离开吸收器时的温度。液态制冷剂的蓄液池设置在冷凝器的内部，在正常运行条件下通过一第一流径将制冷剂提供给蒸发器。当检测到需要增加制冷剂数量的运行条件时，打开一第二流径，所述第二流径从冷凝器的贮液槽向蒸发器提供附加的制冷剂。
在美国专利No.6,067,807中叙述了另一种制冷剂调节系统的示例，该专利被转让于本发明，这里将援引其作为参考。在后一专利中，揭示了一种吸收型机器，其中制冷剂存储在一存储槽中，该存储槽与冷凝器贮液槽分离，并借助一制冷剂排放管线将制冷剂注入该存储槽。响应于检测到需要附加制冷剂的要求，在微处理器的控制下将制冷剂排出存储槽以维持所需的制冷剂浓度。
在美国专利No.5,806,325(Furukawa等人)中叙述了一种制冷剂调节系统的示例，该系统特别适合在一吸收型制冷机中使用。在该专利中，叙述了一种吸收型制冷机，其中具有一系列孔的水闸在冷凝器中形成一蓄液池，所述诸孔可使制冷剂的排放速度发生变化，使之成为制冷剂的冷凝速度并从而成为制冷剂必须维持的制冷负荷的函数。
在上述制冷模式期间，除了需要一适合负荷波动的制冷剂存储装置，还需要一种在以制冷模式运行期间存储制冷剂，在以供热模式运行期间排放制冷剂给系统的装置。也就是说，在以供热运行模式期间，溶液最好按系统允许的容量稀释。因此，当吸收式供热与制冷系统从以制冷模式运行转变为以供热模式运行时，最好尽可能多地加入附加的制冷剂。根据已有技术，附加的制冷剂可使系统在供热模式下以三种方式中的任何一种方式高效地运行。
一种方法是提供一蒸发器贮液槽，该蒸发器贮液槽的大小足以存储以制冷模式运行时未使用的制冷剂。该方法的问题在于蒸发器会不必要地增大以容纳较大的贮液槽，因而使费用增加并显著地增加了系统的占地面积。
另一种方法是将存储槽置于冷凝器的容器中。尽管该方法可较好地将制冷剂存储在蒸发器中，但由于所需的冷凝器容器要大于通常情况所需的容器，因此仍然不尽如人意。在2000年1月27日提交的共同待批的美国专利申请No.09/491,667中示出了该方法的一种示例，该专利申请被转让于本发明，在此将援引其作为参考。在本申请中，揭示了一种吸收式机器，其中在以制冷模式运行期间，将制冷剂存储在冷凝器中的蓄液池中，当系统转变成以供热模式运行时，用一阀门来排空制冷剂，使制冷剂进入蒸发器的贮液槽中。还提到蓄液池可位于冷凝器的外部，但在任何情况下，其位置应可通过重力作用使制冷剂从冷凝器中注入该蓄液池。也就是说，为了避免使用水泵，该蓄液池应当垂直地位于冷凝器的下方。该要求将明显地约束设计的可能性并严格地限制设计者为使制冷剂的存储位置更为方便、实用和经济的努力。发明内容
如前所述，应当预见到的是：在本发明之前，需要一种简易、廉价和实用的方法，该方法使吸收式供热与制冷系统在以制冷模式运行期间，将制冷剂存储在方便的位置中，当系统转变成以供热模式运行时，将制冷剂排放至蒸发器的贮液槽。
本发明的一方面提供了一种具有制冷剂存储槽的吸收型供热和冷却系统，该存储槽的容量足以存储以制冷模式运行时系统排出的制冷剂，使制冷运行更为高效，该存储槽可位于冷凝器的垂直上方，从而使设计者在系统中多种构件的空间设置上具有更大的灵活性。
本发明的另一方面是本发明的吸收式系统是一具有高温和低温发生器的双效机器。高温发生器通过流体与存储槽相连，以使制冷剂蒸汽从高温发生器向低温发生器流动，制冷剂蒸汽在低温发生器中释放热量并转变成液态，液态制冷剂随后将向制冷剂存储槽流动。即使存储槽位于相对较高的位置，高温发生器和制冷剂存储槽之间的压力差也足以使液态制冷剂流入存储槽。
本发明的又一方面是存储槽具有一溢流结构，设置该溢流结构以存储预定容量的制冷剂，任何额外流入存储槽的制冷剂将溢入导管并通过重力作用向蒸发器的贮液槽流动。设置一阀门，使存储槽与导管流体相连，因而当阀门打开时，存储的制冷剂从槽中排出，并通过导管向蒸发器的贮液槽流动。
本发明的又一方面是冷凝器与通向蒸发器贮液槽的导管流体相连，因而在以制冷模式运行期间，冷凝器中形成的冷凝物通过重力作用向蒸发器的贮液槽流动。
在下文所述的附图中，描述了一较佳实施例；然而，在不背离本发明的实质精神和范围的情况下，可以对本发明进行种种其它的修改和结构替代。附图说明
图1是一种多级吸收式供热与制冷系统的简化立体图，该系统适于使用在本发明的实际应用中；
图2是图1所示系统的简图，该系统不包括本发明所考虑的这种制冷剂存储装置；
图3是图1所示系统的简图，已对该系统进行了修改，使其包括本发明所考虑的这种制冷剂存储装置；
图4是图3所示装置的制冷剂存储槽的简化剖视图；
图5是一种供热与制冷系统的示意图，该图示出了系统中制冷剂存储槽的特殊布置。具体实施方式
首先请参见图1，该图是一种吸收式供热与制冷机器10的简化立体图，该机器是多种已有技术中的一种。机器10包括一第一主要部分12和一第二较小部分13，所述第二较小部分位于主要部分的一侧。机器的主要部分包括一对垂直隔开的管板14和15，所述管板形成机器的支承结构的部件。第二机器部分13包括一高温发生器和用于加热溶液的一燃烧器，从系统吸收器向发生器传送所述溶液，该系统吸收器与一第二低温发生器、一冷凝器、一蒸发器和一对溶液换热器一同置于机器的主要部分中。将多种构件的热交换管轴向对中地安装在两管板中，并封装在焊接在管板上的、适合的真空密封外壳中。
请参见图2，该图是一种已有的吸收式系统的示意图，该系统是可在图1的机器10中使用的多种系统之一，它处于两级并联循环的溶液回路的情况下。其它种类的吸收式系统可使用更多的级数，可使用串联而不是并联循环，也可以是直接或间接起动的装置。因此，应予理解的是图2的吸收式系统包括多种吸收式系统之一的、具有代表性的系统，可对这些系统进行选择，以便为本发明的叙述提供叙述性的背景。本发明的制冷剂控制装置可应用于这些供热与制冷系统中的任何一种，这将在下面进行更充分的解释。
图2的吸收式系统包括一封闭的流体系统，该流体系统可根据制冷剂-吸收剂溶液中吸收剂的浓度和系统中的液体总量，在制冷模式或供热模式下运行。当图2的系统以制冷模式运行时，溶液最好具有浓度相对较高的第一吸收剂，即溶液相对较浓或缺乏制冷剂，系统中的液体总量相对较小。当图2的系统以供热模式运行时，溶液最好具有浓度相对较低的第二吸收剂，即溶液相对较稀或富含制冷剂，系统中的液体总量相对较大。在下面对系统以这些模式运行的简短叙述中，假设机器10用水作为制冷剂，用对水亲和力较高的溴化锂作为吸收剂。
图2所示的吸收式系统包括一蒸发器19和一吸收器20，它们并排地安装在公用外壳21中。当系统以制冷模式运行时，过程中使用的液态制冷剂在蒸发器中汽化，蒸发器中的液态制冷剂从流体(通常是水)中吸收热量，并使流体变冷。一冷冻水管线23将变冷的水带过蒸发器。蒸发器中形成的汽化制冷剂通过吸收器，并在吸收器中与吸收剂结合，以形成一稀溶液。借助一水管线24将吸收过程中形成的热量带出吸收器。
借助一溶液泵25将吸收器中形成的稀溶液吸出。一输送管线29使该溶液通过串联的一第一低温溶液换热器27和一第二高温溶液换热器28。系统中使用从系统的两发生器返回至吸收器的、相对较浓的溶液与该溶液进行热交换，藉此在溶液移入发生器时升高稀溶液的温度，这将在下面进行更为详细的解释。
一旦溶液离开低温溶液换热器，借助低温溶液管线31将一部分溶液送至低温发生器36。借助溶液管线29将其余溶液从高温溶液换热器28送至高温发生器16。尽管图2中并未示出，但可用燃烧器对高温发生器中的溶液进行加热，以使制冷剂汽化，因而使其离开溶液。高温发生器16产生的制冷剂蒸汽经由蒸汽管线35穿过低温发生器36通向冷凝器38。低温发生器36将附加的制冷剂蒸汽加入冷凝器38，该低温发生器与系统冷凝器38一同置于外壳37中。在低温发生器中，通过蒸汽管线35的汽化制冷剂对从管线31进入的稀溶液进行加热，并加入高温发生器产生的制冷剂蒸汽。在冷凝器中，两发生器产生的制冷剂蒸汽与通过管线24的冷却水进行热交换，并冷凝成液态制冷剂。
借助冷凝制冷剂出口管线50通过重力作用将正在冷凝器中冷凝的制冷剂提供给一喷淋头39，该喷淋头位于蒸发器19的顶部。一旦将制冷剂喷入蒸发器，一部分制冷剂将汽化以冷却流经冷冻水管线23的水，其余制冷剂将汇集在蒸发器的贮液槽44中。一吸入管线46将一冷却泵43与蒸发器19的贮液槽44相连，该冷却泵的设置可借助供应管线47使汇集在贮液槽中的液态制冷剂返回至喷淋头39。也可对蒸发器19进行设计，以使冷凝的制冷剂借助一适当的J型管52(图中以虚线示出)绕过喷淋头39，并直接到达贮液槽44。在使用后一种蒸发器的系统中，制冷泵43借助管线47提供所有喷淋在冷冻水管线23上的制冷剂。
从两发生器流回至吸收器的浓吸收剂溶液可以在吸收式循环中重新使用。在其流回途中，高温发生器产生的浓溶液借助溶液回流管线40穿过高温溶液换热器28和第二低温溶液换热器27。通过一补给管线42将离开低温发生器的浓溶液连入溶液回流管线，所述补给管线在第二溶液换热器的入口处进入回流管线。
在使用未经审查的日本专利No.62-178858和美国专利No.5,806,325(Furukawa等人)所述的制冷模式下的制冷剂调节系统的供热与制冷系统中，图2所示的冷凝器设有一冷凝器贮液槽(图中未示出)，该冷凝器贮液槽位于冷凝器38与冷凝的制冷剂出口管线50相连点的附近。对该冷凝器贮液槽进行设计，以存储大量液态制冷剂，所述液态制冷剂恰好足以对溶液的浓度进行必要的调节，以保证系统在冷却负荷随时间波动的条件下的最佳运行效率。响应于诸如吸收器出口处的溶液温度的系统变量，借助一可控制的阀门和特定设置的排水管线(图中未示出)，从冷凝器贮液槽向蒸发器贮液槽排放附加的制冷剂，来实现所述的调节。当冷凝器中的冷凝制冷剂的数量超过该冷凝器贮液槽的容量时，冷凝器贮液槽中的制冷剂将溢入制冷剂出口管线50(或52)，并以上述方式提供给蒸发器。由于上面所引用的参考中详细地叙述了这种调节系统，因此这里不再对它们进行进一步的讨论。
图2所示的供热与制冷系统也可以供热模式运行，如果系统中制冷剂的总体数量增加，将使蒸发器19中的制冷剂上升到足以溢出隔板P并流入吸收器20的必要数量。在后一种条件下，由于流入蒸发器19的冷凝制冷剂不会汽化，并因此不会从流经管线23的液体中吸收热量。作为代替，热的、刚冷凝的制冷剂以直接传导的方式与流经管线23的水进行热传递，藉此使该热量提供给要进行加热的空间。系统传送至流经管线24的水中的热量也可传送至将要进行加热的空间中。因此，可以预见到图2所示的系统可根据系统中使用的溶液是缺乏制冷剂(即吸收剂浓度相对较高的第一溶液)还是富含制冷剂(即吸收剂浓度相对较低的第二溶液)对将要加热的空间进行供热与制冷。于是，增加或减少系统中与浓度之间的差异所对应的制冷剂的数量，并适当变化管线23和24的连接，可使系统从以制冷模式运行转变为供热运行模式，然后再转变回来。
至今为止，为了使系统从以制冷模式运行转变为以供热模式运行，可以通过冷凝器中的蓄液池或冷凝器外部的垂直下方的蓄液池来存储制冷剂，从而不再需要水泵，而是通过重力作用从冷凝器向槽供应冷凝物。
现在将结合图3至5进行解释，本发明包括一制冷剂控制装置，该装置可提供一种新的、简易的、实用的和廉价的存储制冷剂的方法，可结合图2来叙述这种具有代表性的在供热与制冷系统中存储制冷剂的方法。
请参见图3，图中示出了一种结合图2来叙述的供热与制冷系统，图中已经对该系统进行了修改以便包括本发明的一实施例。图3所示的系统大体上类似于图2所示的系统，除了图3所示的部分系统之外，用相似的数字来标注相似的运行部件，所述部分系统包括一制冷剂存储装置60，可以看到该制冷剂存储装置垂直地位于冷凝器38的上方，下文中将完整地叙述其将被移动的位置。根据本发明，制冷剂存储装置60包括一具有足够的存储容量的槽62，在以制冷模式运行下，如果将足够数量的制冷剂排入供热与制冷系统10，会使从其第一或制冷模式的浓度至其第二或供热模式的浓度的溶液浓度的稳定状态降低。制冷存储装置60还包括一溢流结构64，该溢流结构包括一水闸、竖管或类似装置，当槽中制冷剂的数量超过其存储容量时，所述装置可使液态制冷剂从槽62中流出，并通过管线65、67和52流入蒸发器贮液槽44。最后，制冷剂存储装置60包括一阀门66，当供热与制冷系统从以制冷模式运行转变为供热运行模式时，槽62中的制冷剂将通过该阀门和管线67和52从槽62向蒸发器19传送。
因此，可以预见到高温发生器将直接向制冷剂存储槽62提供制冷剂，而不是象已有技术那样由冷凝器提供制冷剂。也就是说，高温发生器16中产生的制冷剂蒸汽沿着管线35首先通过低温发生器36，制冷剂蒸汽在低温发生器中冷凝成液态。液态的制冷剂随后沿管线68通过诸如一小孔、一扩张的阀门或类似装置的节流圈69以及管线70到达存储槽62。节流圈69的尺寸可使制冷剂以液态流入槽62。
因此，本发明使用高温发生器产生的制冷剂蒸汽的高压将制冷剂的冷凝物移向位于冷凝器的垂直上方的槽中，因而促使系统中各构件的相对定位设计具有更大的灵活性。通常来说，当系统处于满负荷时，高温发生器中的压力为740mmHg左右，但在低温发生器处于满负荷时的压力为50mmHg左右。可以预见到，由于通过管线71与管线67相连的冷凝器38可通过管线52将其冷凝物排向蒸发器贮液槽，因此槽62中的压力与低温发生器中的压力基本相同。因此，在满负荷时将产生690mmHg左右的压力差，以使液态制冷剂流入槽62。在部分负荷的条件下，高温发生器中的压力处于250-300mmHg的范围中，低压发生器中的压力则为50mmHg。因此，即使在部分负荷的条件下，也将产生200mgHg左右的压力差，即使在存储槽位于冷凝器上方时，该压力差也将足以使冷凝物向该存储槽流动。节流圈69的尺寸取决于放置在冷凝器上方的存储槽62的特定垂直高度，节流圈所选择的尺寸也将适合该垂直高度。在部分负荷的条件下，高温发生器和制冷剂存储槽之间的压力差最好保持在50mmHg之上。
当图3的系统处于以制冷模式运行时，阀门66被关闭。在该条件下，槽62保持装满状态，藉此使系统中的制冷剂不足以使系统在相对较高的吸收剂浓度中运行，从而确保在该模式下的高效运行。当系统处于供热运行模式时，阀门66被打开。在该条件下，槽62实际上是空的，藉此在系统循环中保留足够的制冷剂，以使系统在相对较低的吸收剂浓度中运行，从而确保该模式的高效运行。当阀门66被打开之后，一旦该阀门再次关闭，冷凝的制冷剂将汇集在槽62中，直至从系统中提取出足够的制冷剂，使适于冷却运行模式的、相对较高的吸收剂浓度得以恢复。因此可以预见到，无需使用已有技术所使用的水泵、水泵开关、浮阀等装置，只要通过阀门66的打开和关闭，就可以使图3中的系统从以制冷模式运行转变为供热运行模式，然后再转变回来。
如图4所示，阀门66位于槽62的下方，并借助制冷剂管线72和73以支路或并联的方式与水闸64相连。阀门66下方的槽62确保系统从以制冷模式运行转变为以供热模式运行时，槽62可以完全倒空。水闸64和阀门66之间的并联关系确保关闭或打开阀门时，制冷剂可借助管线52向蒸发器流动。
现在请参见图5，图中示出了一典型的吸收式供热与制冷系统，该系统已经被设计成适合于本发明的系统。与图1实施例相似，系统的区域13包括高温发生器，该高温发生器可直接或间接地进行起动，而区域12则包括一蒸发器18、一吸收器24、一低温发生器36和一冷凝器38，以及换热器27和28、水泵25和43。然而与图1实施例不同的是，内藏有存储槽62的容器包括低温发生器36和冷凝器38。可以看到存储槽62垂直地位于冷凝器38的上方，因而它不能象已有技术那样通过重力作用使制冷剂从冷凝器中流入。如上所述，存储槽62借助管线35与高压、高温发生器16直接互连，以实现将液态制冷剂注入所述存储槽。
在62A处示出了存储槽的另一替代位置，冷凝器38和存储槽62似乎处于相同的垂直高度上，然而存储槽62A的某些部分处于冷凝器38的垂直高度的上方，以使两者之间的互连不会导致液态制冷剂单独通过重力作用从冷凝器38向存储槽62A传送。然而，本发明将有利于这种存储槽62A的布置。当然，本技术领域中的熟练人士还会想到其它的位置。
在结合两级并联循环的吸收式供热与制冷系统对本发明的制冷剂存储装置进行叙述时，也可以结合各种其它类型的任何供热与制冷机器进行叙述，包括三级、串联系统及其它类型的系统。这是因为这些系统的发生器和换热器的数量以及换热器相互之间的连接和与吸收器的连接，使各类系统相互之间具有较大的差异，但不是因为这些系统的冷凝器与蒸发器的连接而造成的。对本发明而言，后者的连接更为重要，因此可以预见到本发明的制冷剂存储装置可应用在所有系统中，并且不必考虑系统的级数或其中使用的循环类型。因此，为了避免不必要的重复，这里将不再详细叙述本发明在其它类型的系统中的应用。尽管如此，应予理解的是这些系统都处于本发明的考虑之中。