在吸收式空气调节装置中计算和调节流体吸收剂浓度的方法以及用于实现此方法的吸收式空气调节装置

摘要

本方法应用在吸收式空气调节装置，所述装置包括一个解吸器(100)、一个冷凝器、一个蒸发器和一个吸收器，流体吸收剂可为溴化锂。包括以下几步：计算解吸器(100)出口处流体吸收剂溶液的浓度，以及将计算的浓度和一个事先确定的临界值作比较，如果计算的浓度接近事先确定的临界值，就增加连接解吸器(100)和冷凝器的导管(20)中的阻尼，这使得冷凝器内停止凝结并使解吸器中的压强增加，压强的增加阻止解吸作用并阻止溶液浓度增加，当计算的浓度远离事先确定的临界值时，就减少阻尼以便再开始解吸作用。本发明适用于机动车辆和吸收式空气调节器。

说明书

技术领域

本发明涉及在吸收式空气调节装置中计算和调节流体吸收剂(如溴化锂)浓度的方法——在本文中也称“控制方法”。

本发明也涉及用于实现此方法的吸收式空气调节装置。

最终，本发明涉及一种运输工具，特别是配备了此类吸收式空气调节装置的机动车。

技术领域

吸收式空气调节装置概括起来包括一个在其中进行解吸作用的器件，本文称之为“解吸器”，一个吸收器，一个冷凝器，和一个蒸发器。工作时，解吸器和吸收器盛装由流体制冷剂和流体吸收剂形成的至少两种互溶物质的混合物。将此混合物结合到吸收器中，在所述吸收器中进行流体吸收剂吸收流体制冷剂的作用。流体制冷剂和流体吸收剂的蒸气压差别足够大，使得二者中挥发性更强的流体制冷剂在解吸器受热时蒸发并在冷凝器中变成液体。

解吸器接收热量，这一外部供热使混合物中液态流体制冷剂蒸发。之后所述流体制冷剂靠冷却在冷凝器中凝结。所获液体在蒸发器中被减压并蒸发，这就产生了空气调节装置制冷作用。吸收器使溶液稳定流体制冷剂分子并以这种方式保持低压，因而保持较低的蒸发温度。溶液/流体制冷剂的反应是放热的。因此为了使吸收剂保持吸收能力，应该冷却吸收器里的溶液。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种计算和调节所述溶剂浓度的方法，也就是流体吸收剂的浓度，所述方法在空气调节的整个循环过程中确保良好地控制所述溶液结晶的风险。

本发明的另一目的是提供一种比先前工艺公知的调剂方法更快更精确的方法。

本法明的又一目的是提供一种比现存技术手段给空气调节装置带来更高反应率的方法。

本发明还有一个目的是提供用于实现此方法的吸收式空气调节装置，在所述装置中溶液结晶的风险在空气调节的整个循环过程中被极好的处理。

本发明还有最后一个目的是提供一种运输工具，特别是配备了此类吸收式空气调节装置的机动车，所述装置可以调节流体吸收剂浓度。

为达到这些目的，本发明设计了一种控制吸收式空气调节装置流体吸收剂浓度的新方法，其包括一个解吸器、一个冷凝器、一个蒸发器和一个吸收器，所述新方法包括以下几步，它们组合使用：

-计算解吸器出口处流体吸收剂溶液的浓度，以及

-将计算的浓度和一个事先确定的临界值作比较，如果计算的浓度接近事先确定的临界值，就增加连接解吸器和冷凝器的导管中的阻尼，这使得冷凝器内停止凝结并使解吸器中的压强增加，压强的增加阻止解吸作用并阻止溶液浓度增加；当计算的浓度远离事先确定的临界值时，就减少阻尼以便再开始解吸作用。

根据本发明最优的实现方式，计算解吸器出口处流体吸收剂溶液的浓度，同时，一方面测量解吸器中制冷剂蒸汽的压强，另一方面测量解吸器出口处流体吸收剂溶液的温度。

仍然根据本发明最优的实现方式，使用时刻t-1的浓度来获得在时刻t对浓度的计算，同时计算一个决定t-1和t之间浓度变化的浓度修正因子，计算所述修正因子时使用在时刻t制冷剂压强和溶液温度的测量值。

根据权利要求3的方法的特点是在时刻t对浓度的计算符合如下公式：

其中.

f(X)＝A(X)·t_s+B(X)-t_s

和：

A(X)＝A₃·X³+A₂·X²+A₁·X+A₀

B(X)＝B₃·X³+X₂·X²+B₁·X+B₀

以及

$f^{\prime }\left(X\right)=\frac{\mathrm{dA}\left(X\right)}{\mathrm{dX}}·t_s+\frac{\mathrm{dB}\left(X\right)}{\mathrm{dX}}$

$\frac{\mathrm{dA}\left(X\right)}{\mathrm{dX}}=3·A_3·X^2+2·A_3·X+A_1$

$\frac{\mathrm{dB}\left(X\right)}{\mathrm{dX}}=3·B_3·X^2+2·B_2·X+B_1$

而且A_i、B_i(i取0至3的整数)是所使用流体吸收剂(例如溴化锂)的本征常量。

最优地，增加或减少连接解吸器和冷凝器的导管中的阻尼，这可以通过操作安装于所述导管内部的一个阀门来实现，例如一个蝶形阀。

最佳地，流体吸收剂为溴化锂，并且常量A_i、B_i(i取0至3的整数)是经实验获得的此流体吸收剂的本征值，但本发明的目的并不局限于此。

流体制冷剂最好是水。

本发明还提供一种用于实现此方法的吸收式空气调节装置，所述装置在干线上符合上述描述。经典的此装置包括一个解吸器、一个冷凝器、一个蒸发器和一个吸收器。但是，所述新装置的解吸器包含一个用于测量所述解吸器内部制冷剂蒸汽压强的压力传感器，和一个在解吸器出口处测量流体吸收剂溶液温度的温度传感器。此外，这一新装置具有改变导管内阻尼的设备，所述导管将流体冷凝剂蒸汽引向冷凝器。

最佳地，改变将流体冷凝剂蒸汽引向冷凝器的导管内阻尼的设备是一个蝶形阀类型的调节阀门。

根据本发明最优的实现方式，所述装置的解吸器具有板块系统类型的主要热交换系统，其位于流体吸收剂溶液的储藏容器之上，并且有一个用于加热溶液的板块交换器，所述溶液进入主要热交换系统并与来自溶液储藏容器的向下流的溶液一起被加热。

此外，一个附加的电阻式溶液加热系统，它可以被浸入溶液储藏容器中。

最终，本发明提供一种运输工具，特别是一种机动车，其特点是在干线上具有符合上述描述的吸收式空气调节装置。

附图说明

本发明其他的目的、优点和特征将出现在最优实现方法之后的描述中，所述方法不局限于其目的和本专利要求的范围，并配有附图，其中：

-图1用示意图示出工作原理和吸收式空气调节装置的组成器件，

-图2也用示意图示出图1中的吸收式空气调节装置的解吸器，

-图3用示意图表示了解吸器总的设计原理，以及

-图4用示意图示出了根据本发明的解吸器总的设计原理。

具体实施方式

参考图1，图中示意地示出了组成器件和吸收式空气调节装置的工作原理。经典的装置包括一个解吸器100、一个冷凝器200、一个蒸发器300和一个吸收器400。运输工具发动机的冷却液提供(以箭头A示意地表示)热量，所述热量是分离流体制冷剂(如水蒸汽)和流体吸收剂或盐溶液(如溴化锂(LiBr)溶液)所必需的。

气态水就通过导管20的引导进入冷凝器200，其在外部空气的冷却作用(冷却以箭头B示意地表示)下凝结。液相水通过导管10的引导进入蒸发器300。如箭头C示意地表示，蒸发作用产生的冷被传递到运输工具的驾驶舱(未示出)。在这一端设有一个泵310和一个气态加热器320，它们通过导管11、12和13被连接到蒸发器300上。导管10至13一起形成液相水的循环。从蒸发器300出来的水蒸汽通过导管21的引导进入吸收器400。溶液被外部的空气冷却来吸收水蒸汽(冷却以箭头D示意地示出)。在这一端设有一个泵410和一个散热器420，它们通过导管16、17、18和19连接到吸收器400上。吸收器400通过导管14、15和16连接到解吸器100上。导管14至19一起形成盐溶液的循环。

图2以示意图示出解吸器100，其入口14和出口15用于盐溶液，其排泄气相制冷剂的导管20引导至冷凝器200。

解吸器100出口处的溶液S的浓度是空气调节装置整个循环中最高的。

由溶液的浓度，用X表示，可以得到流体吸收剂(如溴化锂)质量对流体吸收剂和制冷剂混合物总质量的比值。

根据本发明的方法，流体吸收剂的浓度由如下两个物理测量决定：

-利用压力传感器102测量解吸器100里制冷剂蒸汽的压强P，以及

-利用温度探测器101测量解吸器100出口15溶液S的温度(t_s)。

浓度的计算

浓度X与制冷剂(水)的温度t_e及溶液的温度t_s有关，其关系如下，用R₁表示：

其中，常量取如下值：

  A0  -2,007550E+00  B0  1,248370E+02  A1  1,687600E-01  B1  -7,712490E+00  A2  3,133362E-03  B2  1,522860E-01  A3  1,976680E-05  B3  7,950900E-04

从解吸器100中提取出的制冷剂蒸汽处于饱和状态。因此，可以将测量的压强P和制冷剂的温度t_e联系起来。

例如，可以使用如下公式：

$\log \left(P\right)=C+\frac{D}{t_s+273.15}+\frac{E}{{(t_s+273.15)}^2}$

P以kPa(千帕)表示，t_e以℃表示，可以得到如下关系，用R₂表示：

$t_s=\frac{-D+\sqrt{D^2-4·(C-\log \left(P\right))·E}}{2·(C-\log \left(P\right))}-273.15$

其中常量取如下值：

  C  7,05  D  -1596,49  E  -104095,5

在上面的关系表达式R₁中，可以提出：

$\underset{i=0}{\overset{3}{\Sigma }}{t}_s·A_i·X^i-t_s+\underset{i=0}{\overset{3}{\Sigma }}{B}_i·X^i=0$

$\underset{i=0}{\overset{3}{\Sigma }}(t_s·A_i+B_i)·X^i-t_s=0$

$(t_s·A_3+B_3)·X^3+(t_s·A_2+B_2)·X^2+(t_s·A_1+B_1)·X+(t_s·A_0+B_0-t_s)=0$

方程的解

温度t_e可以借助压强的测量和上面的关系表达式R₂计算。温度t_s是解吸器100出口15溶液S的温度。

方程R₁的解通常通过迭代法进行。通常，为使方程的解收敛到所求的解，需要进行3次迭代。本方法的好处是把时刻t-1确定的浓度作为初始浓度，这样只需进行一次迭代。

因此，只需解一个如下类型的方程：

$X_i=f(X_{i-1},P,t_s)\infty X_i=f(X_{i-1},t_s,t_s)$

例如，如果使用牛顿公式，可以获得和下式等价的公式R₁：

$f\left(X\right)=A\left(X\right)·t_s+B\left(X\right)-t_s$

和：

A(X)＝A₃·X³+A₂·X²+A₁·X+A₀

B(X)＝B₃·X³+B₂·X²+B₁·X+B₀

以及：

$f^{\prime }\left(X\right)=\frac{\mathrm{dA}\left(X\right)}{\mathrm{dX}}·t_s+\frac{\mathrm{dB}\left(X\right)}{\mathrm{dX}}$

$\frac{\mathrm{dA}\left(X\right)}{\mathrm{dX}}=3·A_3·X^2+2·A_2·X+A_1$

$\frac{\mathrm{dB}\left(X\right)}{\mathrm{dX}}=3·B_3·X^2+2·B_2·X+B_1$

X_t-1是获取时刻t-1的浓度。

可以注意到f(X)和f′(X)的计算使用时刻t-1的浓度以及时刻t制冷剂压强P和溶液温度t_s的测量值。

事实上，只要计算一个浓度的修正因子，所述因子根据压强和温度的新测量值决定浓度的变化。

在任一时刻t＝0固定溶液的浓度。例如，可以固定X_t＝0＝60％。

在时刻t＝0溶液的浓度也可以根据使用的停止策略固定。例如，如果在最后一次停止时，为了达到目标浓度58％，t＝0的浓度将被固定为58％。

浓度的调节

浓度的计算，如上文所述，可以控制盐溶液(LiBr)结晶的风险。

根据本发明，浓度的调节基于对冷凝的控制。如果计算的浓度接近事先确定的临界值，就通过操作如蝶形阀103来增加通向冷凝器200的导管中的阻尼，在图2中在最大关闭的位置以示意图示出。冷凝作用的停止使解吸器中的压强增加，压强的增加阻止解吸作用并阻止溶液浓度增加。相反地，当计算的浓度远离事先确定的临界值时，就减少阻尼以便再开始解吸作用。

解吸器的设计

参考图3，解吸器100在用ZET表示的热交换区下方具有一个最低储藏水平。当装置停止工作时，解吸器的储量达到这一最低水平。这样可以降低加热系统的热滞作用，并且可以在装置重启时改善整个循环的升温。

可以使用调节解吸器性能的阀门，前面已经提及，以103表示，它位于解吸器100和冷凝器200之间的导管20内。

更优地，参考图4，使用一个致密解吸器100来保证三个功能。

一个板块交换器160被插在解吸器100的内部。交换器160的功能是加热进入主要热交换区ZET的溶液和来自溶液储藏容器140的向下流的溶液。溶液储藏容器140与主要加热系统之间被发动机的冷却液完全隔离。因此可以解除一个为迅速增加发动机温度所必需的热水“旁通路”。

溶液的循环以从溶液入口110到出口111的箭头线表示。

一个附加的电阻式溶液加热系统，可以被浸入溶液储藏容器140中，它没有在图4中表示出。

主要热交换系统ZET是板块型系统，使得装置达到足够压缩。

位于引向冷凝器的导管20内部的阀门103可以比带给解吸器的功率调节更快地调节浓度。阀门103还可以解除对冷凝器200热交换容量的控制。

如果冷凝器200内的压强太低，会有制冷剂不能从冷凝器200循环到吸收器400的制冷剂储存容器中。事实上，在机动车上不能在所有工作情况下保证和在冷凝区与蒸发区之间自由流动相兼容的差值。用本发明的溶液，可以简单地开动阀门103来增加冷凝器中的压强，并以这种方法将制冷剂“推”入吸收器循环。

上文描述的发明具有许多优点，其中有以下几点：

上文列出的计算吸收剂溶液浓度的方法比先前工艺公知的计算溶液浓度的方法更快且更精确。

本发明的计算方法可以在整个空气调节循环过程中处理流体吸收剂(如溴化锂)结晶的风险。

通过控制冷凝过程来调节浓度为系统带来了更高的反应率。事实上，先前工艺公知的技术方法通常在于通过开关一个调节流入热水的流量的阀门来减小给解吸器的热量供应。由于热滞作用的影响，这些方法远不如本发明的方法有效，本发明建议停止浓度变化，该停止作用是几乎瞬时的。此外，对于机动车的应用，前方表面的性能(结果就是冷凝器的性能)可以有很大变化。根据本发明，在解吸器和冷凝器之间安装一个调节阀门可以将冷凝器与空气调节循环过程的其他器件隔离开。

当然，本发明不局限于上文引例中描述的实现方式；专家可以在不超出本发明框架和范围的情况下设计出其他的实现方式。