出于关心碳氟类和氢碳氟类化合物对环境的影响，要求扩大使用诸如水或氨之类在环境方面安全的制冷剂。对于没有什么加热需要的容量范围为15-10000冷吨的商用冷却器的应用场合，由于水的不可燃性和有益健康的特性，水是常用的优选制冷剂。 利用水致冷剂优点的吸收水的流体循环已经公知，并已使用几十年。单一效应和各种两级装置在许多国家得到了商业性的应用。然而，由于越来越关心在将矿物燃料转变产生为空调或制冷所需用能量的过程中的总的CO2生成，要求实现比现行单级（成绩系数COP＝0.6～0.8）或两级（COP＝0.9～1.25）吸收设备具有更高的能量转换效率。
4732008号美国专利提出采用获得三重制冷效应的两个单级循环装置。各个独立的回路运载各种不同的吸收剂液体，较低级使用的液体例如溴化锂水溶液。然而，因较高级的抑制液体结晶和蒸汽压力特性的需要要求使用不同液体。假如采用适当的较高级液体，性能参数估计使COP值达到1.5～1.7。
本发明涉及一种具有三重制冷效应的装置，其中或者是单一地吸收剂水溶液、或者是两或三种不同的吸收剂、或者是不同的吸收剂浓度结合单一的制冷剂即水，使用在整个系统中。因此，因为在整个系统中，这种单一的制冷剂-水作为制冷剂或工作液体溶剂使用，而不考虑所在级，本发明对现有技术的三级效应的系统进行了重大的改进，而现有系统仅依靠与不具有共同的质量流动的三个热交换器相关联的热传输。本发明的装置和系统使其COP值近似于在上述两个单级循环三级效应的装置所具有的COP值。然而，由于最高工作温度比在这样一种双回路系统中的最高工作温度要低，在第三级发生器中对液体混合物的温度上升和液体结晶的要求会降低。该系统中该装置这些以及其它优点通过如下介绍将会很明显。
图1表示典型的LiBr吸收剂水溶液类型的常规双效应吸收循环的相图;
图2表示根据本发明的一个实施例的三重效应吸收循环的相图;
图3是包含有与三个吸收器协同工作的三个蒸发器的本发明系统的相图;
图4表示根据本发明一个实施例的另一个相图，该实施例中工作液体使用经过三个发生器的不同的输送路线;
图5示意介绍利用三个分离的吸收剂液体回路的本发明的三发生器、三吸收器系统组合;
图6示意介绍包含有三发生器和三吸收器具有单一吸收剂液体回路的本发明的另一个系统;
图7-10示意介绍本发明的具有三发生器一吸收器的系统组合的不同实施例;
图11-12示意介绍根据本发明实施例具有三发生器、双吸收器系统的实例。
如前所述，图1表示使用典型的LiBr水溶液工作的常规的双效应吸收循环。通过凝结来自高温发生器GH的水蒸汽而产生的凝结热用来驱动较低级的发生器GL，发生器GL又依次释放出水蒸汽，该水蒸汽被冷凝是使用常规的冷却装置，例如蒸发式冷凝器，冷却塔或空气冷却器。加热（firing）温度（FT）典型情况下大约介于300°F-380°F之间，吸收器温度A典型情况下大约介于80°-110°F之间，蒸发器温度大约介于40°F-45°F之间，而低温冷凝器GL大约介于80°F-110°F之间。
图2介绍本发明的三重效应吸收循环的相图。所示该循环介绍3个发生器，高温、中温和低温发生器分别示为G3、G2和G1，还有高温、中温和低温冷凝器分别示为C3、C2和C1。加热温度FT典型情况大约介于400°F-520°F之间，最低情况大约介于390°F-420°F之间。图8示意介绍具有这种吸收循环的本发明的一个装置。在这种装置中，高温即第三级发生器G3用来产生具有足够压力和温度的水蒸汽以凝结水制冷剂，使得凝结热能够用于驱动中间级发生器G2，发生器G2又依次产生在足够温度下凝结的蒸汽以驱动较低的第一级发生器G1，发生器G1又依次产生使用常规的冷却和热耗损装置冷凝的制冷剂蒸汽。介于冷凝器C3和发生器G2之间的热交换利用能够工作在温度范围大约为300°F～400°F的一种适当相态变化的热传输液体，借助于其相态变化的热传输加以实现。另一方面，对于显热（Sensible heat）传输可以利用热交换液体的带泵回路。与之相似，在冷凝器C2和发生器G1之间的热交换可以利用或者在大约150°F～275°F的温度范围内的相态变化热传输，或者利用对热交换液体的带泵回路来实现。上述温度范围是大约的，其取决于装置上的热负载以及环境排放温度，该温度在一日以及一季之中是变化的。典型的排放温度装置设计范围对水冷设备为80°F～95°F，对空气冷却系统大约高25°F。
因为在本发明的吸收剂水溶液中使用单一的制冷剂-水，提供了许多数量的不同装置的组合，其使用的不同的吸收剂液体回路如在图5-11的装置实例中介绍。图5示意介绍了包含有三个吸收器一发生器对并在每一对之间采用三个分离的吸收剂水溶液回路的本发明的一种装置实施例。因此，液体回路11在第1级吸收器14（A1）和发生器12（G1）之间定向输送吸收剂水溶液，回路21介于第二级吸收器24（A2）和发生器22（G2）之间，回路31介于第三级吸收器34（A3）和发生器32（G3）之间。在其中每一个上述工作液体回路中的热交换器18、28和38对从各吸收器用泵打入各发生器的相对稀释的盐溶液进行加热，并对从发生器返回吸收器定向输送的相对加浓的溶液进行冷却。介于各吸收器和各发生器之间的特定液体回路联接器并不限于所示那些情况，任何吸收器可以和任何发生器相联接。还有，三个蒸发器E1、E2和E3中的任何一个能够独立地和冷凝器C1相连接，或能够一起与之相连接，如图所示。
在本发明的系统中，发生器/冷凝器的热耦合是十分重要的，因为循环的效率基本上决定于对较低的各级的有效热传输。使用热传输液体回路41可能是有利的，在其中热传输液体被定线输送，以便利用中级冷凝器C2跟着利用高温冷凝器C3来依次加热，并用发生器G2和发生器G1来依次冷却。从用于驱动发生器G3的加热装置所得到的多余热量还可以通过热交换管路43注入液体回路。
第三温度级发生器G3的工作温度高于现行使用的双效应装置中的温度。当直接加热式高温发生器的加热可能比较经济时，在与吸收剂液体相接触的发生器表面上应当避免出现热点，以防止腐蚀加剧和材料不可溶性的增加。自然，利用燃烧器的火焰的间接加热不与高温发生器相接触，例如利用相态变化或用泵输送液体回路都可能是优选的。况且，不管加热发生器G3使用什么方法，任何低于G3温度的不能用于加热发生器G3的剩余能量或显热要优先用于燃烧空气的予热或者被定向输送到一个或两个较低级的发生器。因此，假如一个用泵输送液体的回路被用来向发生器G3提供能量，那它可以如前所述和连接较低级各发生器和冷凝器的泵输送回路相合并，或者合并连接到其中一个联接冷凝器/发生器的部件上，剩下其它的发生器/冷凝器装设独立的热传输回路。况且，在热动力学方面使液体回路工作在比热传输液体再加热要求所必须的温度还低的温度下是不利的，而在利用较高的第二定律可用热量时，例如，气体燃料热量或高压蒸汽，上述定线输送回路可以简化构件和泵的需求，因而成本低廉。剩余热量还可用来提供热水加热，正如在现行的制冷器-加热器系统中普遍提供的那样。
本发明系统的吸收器和蒸发器部分，可以分别是单一或多单元的。假如液体结晶的极限值危及在溶液移动范围内循环的安全运行，在图5所示装置中和图3的相图中所介绍的采用多个蒸发器和多个吸收器的方案是特别有利的。在上述实施例中，盐的浓度随着温度增加而增加。因此，吸收器A3的盐浓度与吸收器A2比较是低的，而吸收器A2的盐浓度与吸收器A1比较也是相对较低的。同样，各自的吸收器的工作温度也是在较高浓度的吸收器中的工作温度较高。此外，各蒸发器工作在不同的温度，与吸收器A1联合工作的最高温度蒸发器E1装载最高吸收剂浓度的液体。可类比，较低温度的各蒸发器与较稀释液体的各吸收器相联系。采用不同的蒸发器温度典型情况下在大约37°F～60°F的范围内，要求适当地定线输送用于向负载提供冷量的热传输液体。例如，假定一个建筑物要用冷却水分配系统来冷却，经常涉及所谓的制冷的水回路，为建筑物负载所加热的返回流量首先进入最高温度蒸发器的热交换器，然后定线依次输送到较低温度的蒸发器。虽然，本发明的系统包含有可达三个蒸发器，可以采用使用不同吸收器/蒸发器对的其它装置组合，通过使用一个以上蒸发器经过一个或多个吸收器与一个发生器相连接，并没有增加发生器的数量。然而，过多的设备成本可能要求确定使用两到三个蒸发器温度等级所要达到的实际限制。所示系统还可改变，在C1与蒸发器E2和E3其中之一之间或在C1与E2、E3两者之间实现直接流动，而不是仅和E1实现直接流动。假如在设备中部件位置是一个重要因素，则使多个蒸发器基本上工作在同样的温度下，可能也是有利的，在具有基本上相同的工作温度要求的多层的建筑群中，这一点可能特别有利。况且，多种吸收剂的使用并不受利用不同吸收剂浓度、或不同压力或不同工作温度的吸收剂工作限制。
由于在本发明的系统中使用单一的制冷剂，可以实现在各发生器与一个或多个吸收器之间的液体流量基本上按比例变化，根据运行条件、负载和遇到的特定温度得到不同的流量选择方案。例如，高温发生器G3可以产生足够的在C3要冷凝的制冷剂，使得后者能够供给G2以及G1的一部分的需要。然而，假如C3能量不足以单独驱动发生器G2，来自燃烧加热系统的管道气体或通过发生器G3排气口的热传输介质可以被采用。上述组合方案仅做为各种设计选择方案的不同类型的实例来理解，并不打算限制本发明的范围。
图6介绍一种使用单一吸收剂液体回路具有三个串联连接的吸收器的系统。这种装置组合超过图5所示组合的优点是仅需要一个吸收剂液体回路泵。使用沿单个吸收剂液体回路串联连接的三个吸收器，如图所示，盐的浓度在A1、A2和A3之间逐级降低。另外一种有用的替换方案是并联连接三个吸收器，利用一个导管从每一个吸收器抽出吸收剂液体，从所有三个吸收器同时抽出送到一个单泵供给装置，使该液体送到G3。再者，虽然表示了三个蒸发器，如前所述，仅一个或两个蒸发器以及它们的连接选择方案需要使用。对于一个必须直接在一个或多个吸收器与第三级发生器之间工作的回路而言，一个两级泵或两个单级泵串联工作，可能是所希望的，因为其压力高于在这些部件之间的通常的压力差。
图7介绍本发明的系统的一个实施例，在其中，吸收剂液体流量定线输送依次经过发生器G1、G2和G3，从最低吸收剂浓度级开始利用溶液回路44导向最高浓度级，并且在单个吸收器和所有三个发生器之间需要3个泵45、46和47。另一方面，对于向发生器G1供给的并联运行的具有相近制冷剂浓度的单一溶液回路，可以使用两个吸收器。在这样的系统中，对两个或多个吸收器使用一个蒸发器，或对两个或三个吸收器使用两个蒸发器，或对每一个吸收器使用一个蒸发器都是可行的。因此，不考虑吸收器的数量，可以采用具有两个或三个泵的两个或三个回路，使得每一个发生器由其独立的溶液流动回路供给，或者可以对三个发生器使用两个回路，或者返回流动回路合并。
图8还介绍了另外一种有用的设备组合，其使用一单个吸收器和用于吸收剂液体回路44的单个泵45。图9-11简化介绍了其它液体回路的替换方案。在图9和图10中，设置了单个吸收器和单一液体回路，而在图11中，两个吸收器配合两个液体回路使用。为了简化，没有表示液体回路的溶液热交换器，也没有表示和每一个发生器配合工作的各冷凝器，也没有表示各蒸发器。分离水溶液回路所具有的优点在于，在每一个发生器中产生的制冷剂浓度变化能够预定，以便对每一级都达到最优，并且无须考虑其它设计指标。图9-11介绍分离溶液回路的不同实施例。在图9中，流体被定线输送，即其由吸收器出发定向输送，先于G3而达到发生器G2，这样做的优点在于，存在于溶液中的热量和质量传输添加剂能够易于清洗除去或在发生器G2中分离，因为该添加剂在发生器G3的温度下可能是不稳定的。然而，这样的选择方案，对工作在较高压力之下的发生器G3需要一个附加的溶液泵。在图10中还介绍了另外一种替换方案，在其中溶液由吸收器出发用泵首先打入发生器G2，然后依次进入G1，最后进入G3在图11中还介绍了另一种替换方案，在其中使用两个吸收器A1和A2，每一个都分别具有分离的回路33和35，用以定向输送工作液体进出三个发生器G1、G2和G3。再者，在各发生器之间的流量可以进行选择，使得溶液可以定线传输通过三个发生器，并可在两个吸收器之间分开。
图12介绍了另一种设备替换方案，其利用两个吸收剂液体回路和两个吸收器，A1沿着第一回路供给中间级和低级发生器G2和G1，A2沿着第二回路供给高温发生器G3。各吸收器的温度范围可以重叠如在各吸收器之间用虚线所示。在这样的组合中可以使用一个或两个蒸发器。通过恰当地利用蒸发器/吸收器对，△P值即蒸发器压力减去吸收器压力之值将足以在低的盐的浓度下使之相对快地进行吸收，其优点在于对热量和质量传输添加剂的要求在高温回路中可能并不需要。也可以使用第二个蒸发器，如图所示，用高压蒸发器EH供给A2而低压蒸发器EL供给A1。还应当理解，所示吸收器一发生器吸收剂液体特定回路仅介绍了这种回路的一个实施例，很明显对本领域的熟练人员而言也可采用一些其它的吸收器-发生器双回路组合的综合方案。图5-12表示使用分离的溶液回路的各实施例。通过在不同的溶液循环中利用不同的吸收剂或不同吸收剂浓度，这种组合能够择取普通的制冷剂-水和分离的溶液循环的优点。图12所示循环，假如用两个蒸发器和两个吸收器工作，则能够择取利用高温发生器连同连接到高温发生器G3上的吸收器所具有的优点，使得在溶液中的吸收剂浓度相对低，在该蒸发器与吸收器间的运行的差压力相对高，导致在吸收器中的热量和质量传输得以改进，并可限制在高温溶液循环中对热量和质量传输添加剂的需求。众所周知，这些条件产生较高的吸收剂热量和质量传输速率。一般而言，分离的溶液回路只要使用相同的制冷剂，就允许使用不同的吸收剂或不同的吸收剂浓度。
溶液的热交换可以使用常规的管式或面式热交换器，通过优选介于入口和出口溶液之间温度的方法可以达到最大效率。应当理解，在本发明的任何系统组合之中，在各发生器和一台或多台吸收器之间要采用这样一种溶液热交换。假如采用多个吸收剂液体回路，溶液热交换可以并不限于在每一个回路中的热交换，而且可以在不同液体回路之间进行能量交换。例如，在高温液体完成它的主要功能以后，高温液体加热较低级回路的液体，以预热中间温度的液体。剩余热量可以从溶液热交换器的权衡设计所产生的价值中得到，也可以从分别进或出各发生器的浓和稀制冷剂溶液之间的比热容量和质量流量的差值得到，也可以从各发生器出端的温度得到。
如前所述，单一的制冷剂-水使用在遍及本发明的设备的吸收剂水溶液中，而不管是吸收器-发生器组还是一个或多个吸收器液体回路，它被用在本系统中进行的三级效应循环的所有各级之中。然而，可以在不同的液体回路中使用不同的盐类或盐类的组合或者同种盐类的不同浓度。可以用在本发明的吸收剂水溶液包括溴化锂（LiBr）、氯化锂（LiCl）、碘化锂（LiI）、偏硝酸锂（LiNO2）、硫氰酸锂（LiCNS）和氯酸锂（LiClO3）及其混合物的水溶液。在高级发生器中工作的优选液体包括LiBr-LiCNS、LiBr-LiI、LiBr-LiClO3、LiBr-LiNO2、LiCl-LiI、LiCl-LiNO2和LiCl-LiCO3。其它使用的液体是LiBr、LiCl和LiI组合中的一种与硝酸镍（Ni（NO3）2）、溴化钙（CaBr2）、氯化亚铁（FeCl2）和碘化锰（MrI2）组合中的第二种盐组成的混合物的水溶液。另外使用的盐类组合是溴化锌（ZnBr2）与CaBr2组合。适合的LiBr、LiCl或它们的混合物的浓度大约介于在58%～68%±2%（按照重量计），与此同时，在第三级中，使用大约55%及以下的较低浓度的LiBr。在任一级中可以使用的其余盐类其浓度大约在40%～75%之间。然而高的浓度将被盐的结晶极限所限制。还有其它使用的盐类组合包括氢氧化钠（NaOH）、氢氧化钾（KOH）或其混合物。适当的大约40%的浓度直到结晶极限值的浓度都可采用，所用混合物相对比例分别为40%-60% NaOH和60%-40%KOH的是优选的。使用LiBr、LiCl或其混合物的场合，在第一级或在第一和二级中，在第三级中，较低浓度的LiBr或任何上述的其它盐类及其综合都是优选的。
锂腐蚀抑制剂和上述锂盐化合物都是十分有用的。适合的腐蚀抑制剂例如包括钼酸锂、硝酸锂或铬酸锂。可以调节ph值，例如利用氢氧化锂。由于在第三级发生器中的高温和吸收剂溶液的盐的浓度的影响，希望采用耐腐蚀元件或材料。因此，例如镍-铬合金或镍-铜或其它非铁合金对于高级发生器的结构都是优选的。
还希望使用热量和质量传输添加剂在吸收剂水溶液中。特别有用的添加剂包括具有大约6-10个碳原子的醇类，例如2-乙基己醇和辛醇。还可使用脂肪族的和芳香族的胺类，例如壬胺或苄胺或它们的衍生物。有效的浓度范围是大约从百万分之十到百万分之二千。希望在进入第三级发生器之前，从吸收剂水溶液中分离出热量和质量传输添加剂。该热量和质量传输添加剂仅微溶于或不溶于盐类的水溶液，因此形成第二相，一般希望其浮在各吸收器中的较重的水溶液之上。然而，由于这些添加剂在高温发生器温度之下一般是不稳定的，希望在进入高温发生器之前，利用机械式分离器或撇碴器或其它装置分离这些热量和质量传输添加剂。例如在图7中示有一种机械式撇碴器40，它能在水溶液从低温发生器定向输向高温发生器G3处进行这样的分离。另外，通过提供一个积蓄室进行这样的分离，它省去了溶液泵，分离是从热量和质量传输添加剂积聚的表面进行的。另外一种分离添加剂的装置是利用在低温发生器G2中的闪蒸室，或在进入高温发生器之前沿着液体回路布置的这样一个闪蒸室。例如参阅图9-11，通过定线输送吸收剂液体，使得它先于G3通过发生器G2、所具有的优点在于，热量和质量传输添加剂能够易于从发生器G2冲洗排出。然而，这样的选择方案需要一个附助泵，以便用泵将溶液打入工作在高压状态的发生器G3。不管所使用的分离器的型式，应当优先考虑减少存在于吸收剂水溶液中的添加剂的数量，使之减少，大约或基本上达到添加剂的溶解度极限值。还应当装设将已分离的添加剂返回到该液体中的装置，这种返回要在进入吸收器之时或正好在此之前。因此;如图12所示，分离器50可以装设返回导管51，用于供给从液体中分离的添加剂，分离进行先于液体进入高级发生器G3之时，而在液体离开G3之后添加剂返回到回路中。
还希望在本发明的系统中装设常规的净化器，用以除去吸收剂水溶液回路中的空气或其它不凝性气体。这样的设备及其应用在吸收系统中对本领域的熟练技术人员而言是熟知的。该系统还可设计采用一个热量和质量传输添加剂容器和将该添加剂引入吸收器的装置。由于经过一段时间，该添加剂逐渐分解，用于周期性地注入一定剂量的添加剂替换量的装置将也是优选的，以便在液体在维持适当的浓度，注入是在液体进入吸收器之时或之前。这就要求，热量和质量传输添加剂分解的产物是可净化的，在本案中例如使用2-乙基己醇。
用于在设备各元件之间热传输所使用的适当热传输液体包括水、热传输油、道式热载体液体、水/乙二醇混合物等。假如高温发生器是用蒸汽加热的，可以在本系统在较低温度下利用凝结于加热场合。
本发明的循环和系统的重大优点是仅需要单一的制冷剂、该制冷剂提供用作热传输和质量交换的耦合物。其结果是无需工作液体即使蒸发器/吸收器温度从大约50°F上升到130°F，蒸发器温度上升到大约180°F的溶液平衡温度。还有，最低需用工作温度将低于在双回路循环所要求的温度，因为在冷凝器和发生器之间所要求的温度分布范围与蒸发器和吸收器之间的分布范围成比例。还有，本发明的最高温度级部分利用常规的蒸发器/吸收器工作，温度上升到大约在45°F～90°F之间，最高级冷凝温度仅需要足以驱动第二级发生器即可，其能够工作在低至300°F的情况。这样的条件导至对第三级极低的发生器所需温度大约介于390°F-420°F之间，它决定于工作条件和所用的热交换表面，低于对双回路三级效应系统的期望值，该系统现行评估最低在大约440°F～460°F之间。本系统这些以及其它优点对本领域的熟练技术人员来说将是十分显著的。