用于控制制冷循环的系统和方法与流程

相关申请的交叉参考

本申请是2015年4月28日提交的美国申请no.14/698,563的国际申请，其全部内容通过引用并入本文。

本申请涉及用于控制制冷循环的系统和方法。更具体地说，本申请涉及具有电子控制器的冷却系统，所述电子控制器控制反应器系统之间的恢复时间。

背景技术：

在固体-蒸汽吸附反应系统中，气体反应物在吸附器或反应器中的一个或多个反应室中的固体吸附剂上交替地吸收和解吸。在使用多个反应器的情况下，系统可以在基本上相反的相或半循环中运行，其中，一个反应器或一组反应器从固体吸附剂解吸气体反应物，而另一个反应器或另一组反应器在固体吸附剂上吸收气体反应物。

一旦将反应物从固体吸附剂中解吸，就可将其引导到一个或多个冷凝器。在冷凝之后，随后将冷凝物引导到一个或多个蒸发器，在所述蒸发器中所述冷凝物蒸发回气体。在此过程中，可从冷凝器中排出热量，并且可从蒸发器中回收冷量。

在其他系统中，使用反应器来代替用于从制冷剂回收能量的冷凝器和蒸发器。通过加热其上已经吸收了气体反应物的固体吸附剂来进行解吸。电、蒸汽或气体驱动的加热器典型地用于加热固体吸附剂。随后可以将传热流体引导通过反应器热交换器，吸附剂热暴露于所述反应器热交换器。为了开始吸收，固体吸附剂(气体反应物或制冷剂已经从该固体吸附剂中解吸)被冷却至合适的温度，从而其从蒸发器抽取气体制冷剂。反应器还可以设置用于在反应器之间引导传热流体的管道和热交换器，使得从吸收反应器释放的热量被引导到解吸反应器以提供加热来进行解吸。例如美国专利no.5,079,928、5,263,330、5,477,706、5,598,721、5,628,205和6,477,856中描述了此类系统，所有这些公开内容通过引用整体并入本文。

在反应循环中，第一(吸收)反应器处于比第二(解吸)反应器低的温度下。这意味着第二反应器内的固体吸附剂和其他组分的温度比第一反应器中的固体吸附剂和所有其他组分的温度高。在半循环结束时，在大多数气体反应物从第二反应器中的吸附剂中解吸并且大部分气体反应物被吸收在第一反应器中的吸附剂上的情况下，吸收/解吸相逆转。

在循环的此半程点时，第二反应器随后被冷却并第一反应器被加热。可以通过将热量从第二反应器引导到第一反应器来供应对第一反应器的至少部分加热。由于需要更少的外部加热来加热第一反应器，从第二反应器的此能量回收可以提高系统的整体能量效率。

通过将任何冷凝的制冷剂的一部分转移到第二反应器的热交换部分来冷却第二反应器也可以提高整体效率。通过利用蒸发的传热流体或制冷剂来驱动冷却回路中的液体传热流体或制冷剂可以辅助这种冷却，诸如美国专利no.5,477,706中所公开的。

技术实现要素：

一个实施例是一种冷却系统。所述冷却系统可具有：第一反应器系统，其包括被配置成将气体反应物吸附到第一固体吸附剂成分上以及从第一固体吸附剂成分上解吸的一个或多个第一反应器；第二反应器系统，其包括被配置成将所述气体反应物吸附到第二固体吸附剂成分上以及从第二固体吸附剂成分上解吸的一个或多个第二反应器；管路，其将所述第一反应器系统的所述一个或多个第一反应器连接到所述第二反应器系统的所述一个或多个第二反应器并且包括可控阀；以及电子控制器，其被配置成通过操作所述可控阀以均衡所述第一反应器系统与所述第二反应器系统之间的反应物气体的压力来控制所述第一反应器系统与所述第二反应器系统之间的恢复时间。

另一个实施例是一种控制冷却系统的方法，包括：提供第一反应器系统，所述第一反应器系统包括被配置成将气体反应物吸附到第一固体吸附剂成分上以及从第一固体吸附剂成分上解吸的一个或多个第一反应器；提供第二反应器系统，所述第二反应器系统包括被配置成将气体反应物吸附到第二固体吸附剂成分上以及从第二固体吸附剂成分上解吸的一个或多个第二反应器；提供管路，所述管路将所述第一反应器系统的所述一个或多个第一反应器连接到所述第二反应器系统的所述一个或多个第二反应器并且包括可控阀；以及通过操作所述可控阀以均衡所述第一反应器系统与所述第二反应器系统之间的反应物气体的压力来电子地控制所述一个或多个第一反应器与所述一个或多个第二反应器之间的恢复时间。

附图说明

图1是两个相反的反应器组的示意图，其示出了根据本发明的一个方面的用于反应器恢复的管道和阀；并且

图2是示出本发明的一个方面的双吸附器系统的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及复杂化合物加热和冷却系统以及有效地管理这些系统的吸附/解吸循环的方法。在使用中，在第一反应器已完成吸收并且另一个相反的第二反应器已完成解吸的每个半循环之后，循环逆转。在循环中的该逆转期间，能量通过以下方式恢复：将吸收器反应器和解吸器反应器连接在一起使得来自解吸反应器的剩余的被吸收的气体反应物的一部分被引导到相反的反应器。作为一个实例，系统可以包括设置在相反的反应室之间以将气体反应物从一个反应器转移到另一反应器的管道。在一个实施例中，使用电子可控阀来控制两个反应器之间的恢复的均衡时间。

在可控制的恢复过程中，可以将可控阀设置在在吸收器与解吸器之间延伸的管路中以精确控制吸收器连接在一起的时间。打开可控阀导致从高温吸附器到低温吸附器的质量转移。该质量转移导致高温吸附器的温度降低而低温吸附器的温度升高。

在一个实施例中，优化系统中使用的均衡时间以提高系统的整体效率。例如，在本文所述的循环压力均衡的益处和效果的发现成为已知之前，在每个系统内使用约4分钟的典型恢复时段。然而，发现约20秒至4分钟之间的较短时段是有利的。在一些实施例中，发现长达4分钟的时段很少提高效率，因为系统中的容量下降超过了效率的提高。这特别被发现于当恢复时间接近4分钟时。

增加系统内提供的时间以使吸收器与解吸器之间的压力均衡并因此使温度均衡将提高循环能量效率，这是因为更多的热量可以从一个吸附器传递到另一个。然而，由于系统在每单位时间内能执行更少的循环，因此该增加的时间会导致容量的总体下降。因此，减少吸附器的均衡时间将增加每个吸附器吸收和解吸全循环中的整体系统制冷量。本发明的实施例通过提供集成到系统中并允许对系统的整体效率的定制控制的预定义等式、预定数据曲线或定制查询表来提供这些考虑之间的最有效的平衡。

在一个实施例中，每个复杂化合物系统可以包括允许系统根据系统的效率需要来调整恢复时间的特定电子查询表。例如，电子控制器可以被配置成通过调整系统的恢复时间来检测系统的需求并相应地调整系统的容量。在需要更大容量的时候，系统可以参照查询表并且向下调整恢复时间，使得系统的容量增加。虽然这将增加系统的能量需求，但可以满足容量需要。然而，在一些情况下，诸如当产物或负载在较短时间内满足设定值温度时，总体效率可以比在较长时间内达到设定值时更好。类似地，当系统的容量要求降低时，系统可以参照查询表来适当地向上调整恢复时间以增加能量效率。也可以基于其他考虑来确定反应器应均衡多长时间。例如，这个时间可以基于设定值、负载温度和/或吸附器温度的组合。可以使用优化的算法以在最佳时间和/或效率下达到期望温度。

本公开包括一种方法和设备，用于利用存在于反应器之间的吸附能量在单级或多级固体-蒸汽吸附系统中的两个相反的吸附器或吸附器组之间提供恢复。所述方法可以在逆转相之前在接近半循环的完成时利用解吸反应器中的吸附剂上的剩余的被吸收的蒸汽的质量分数。所述方法可以通过利用相反的反应器的反应室之间的管道和用于打开和关闭一个或多个管的一个或多个阀执行，由此可以选择和控制恢复的定时以实现期望的能量传递。

如本文所用，在本发明范围内，术语“化合物”和“固体吸附剂组分”旨在表示通过气体反应物在固体反应物上的吸收或吸附和解吸(即，化学吸附)形成的任何反应产物。“吸收”和“吸附”可以互换使用。所要的设备的范围内的反应器或吸附器包括容纳固体吸附剂的反应室和具有管道的热交换部件以及电阻加热元件等等，所述管道用于将传热流体引导到与吸附剂接触的反应器以及从所述反应器引导该传热流体。在上述美国专利特别是美国专利no.5,298,231、5,328,671和5,477,706中公开此类反应器的实例。

在化学吸附反应中，在相对高的压力和温度下进行解吸，而在相对低的压力和温度下进行吸收。由于相反的吸收反应器和解吸反应器之间的高压差，恢复过程所需的时间或持续期间相对较短。在循环接近完成时(此时从固体吸附剂解吸的剩余质量的气体反应物或制冷剂蒸汽由于压力和/或效率限制通常不用于产生制冷/冷却)，开始进行循环期间的恢复。

在可配置的系统中，在循环接近完成时恢复进行预定的时间以调整系统的效率。在化学吸附反应过程中，特定吸附剂组分的解吸反应温度比相同吸附剂组分的吸收温度高。在美国专利no.5,079,928的表中公开了多种氨化复杂化合物的吸收温度和解吸温度的具体实例，其描述以引用方式并入本文。本领域技术人员熟知吸收组分和解吸组分的温差。

吸收和解吸反应物之间的温差被称为δt。恢复可以进行足以产生至少约70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％或5％δt的温度变化的时间。完成这种恢复所需的时间可以在约10秒至约4分钟之间。通过使用本文所述的恢复方法，解吸反应器受益于温度降低，由此需要更少的冷却来实现吸收所需的温度，并且吸收反应器受益于温度升高，从而减少解吸所需的加热量。因此，与系统的整体效率一样，解吸反应器和吸收反应器分别受益。

适用于形成本发明有用的固体吸附剂组分的固体反应物包括吸收剂，诸如金属氧化物、硫化物、硫酸盐和金属氢化物，和沸石、活性炭、活性氧化铝和硅胶。此类吸收剂可以与极性或非极性气体反应物反应。合适的非极性气体反应物包括天然气c1-c6低级烷烃(例如，甲烷、乙烷、丙烷等)、低温制冷剂(氦气、氩气和氢气)、环境气体(氧气、氮气、氢气、nox、co2和co)以及碳氟化合物cfc、hcfc和hfc制冷剂。在上述物质中，优选的系统使用具有碳氟化合物或极性气体制冷剂水或氨的沸石或活性碳、或者具有氢的金属氢化物。然而，优选的固体吸附剂组分是在无机金属盐与极性气体制冷剂之间形成的复杂化合物。在化学吸附反应中盐上进行极性气体的吸附以得到复杂化合物。优选的金属盐选自碱金属和碱土金属、过渡金属、铝、锌、镉和锡。优选的过渡金属是锰、铁、镍和钴。优选的金属盐包括硝酸盐、亚硝酸盐、高氯酸盐、草酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐和卤化物，特别是金属的氯化物、溴化物和碘化物。优选的极性气体包括氨、水、甲胺和乙醇，特别优选的是氨。其他合适的极性制冷剂包括二氧化硫、低级链烷醇、烷基胺、多胺和膦。上述专利、特别是美国专利no.5,441,716和5,628,205中公开了这些以及其他合适和优选的反应物和所得的复杂化合物在，这些专利以引用方式并入本文。特别优选的系统是相反的反应器或包含以下复杂化合物中的一种或多种的一组或一系列反应器：

bacl2·0-8(nh3)、srcl2·l-8(nh3)、srbr2·2-8(nh3)、cacl2·0-l(nh3)、cacl2·l-2(nh3)、cacl2·2-4(nh3)、cacl2·4-8(nh3)、cabr2·2-6(nh3)、nicl2·2-6(nh3)、fecl2·2-6(nh3)、febr2·2-6(nh3)、coc12·2-6(nh3)、cobr2·2-6(nh3)、mgcl2·2-6(nh3)、mgbr2·2-6(nh3)、mncl2·2-6(nh3)、mnbr2·2-6(nh3)、cuso2·2-6(nh3)、zncl2·1-4(nh3)、nabf4·0-3(nh3)和licl·1-3(nh3)。

固体吸附剂组分上的相反的且交替地吸收和解吸的气体反应物的系统还可以包括分级反应器，诸如美国专利no.5,079,928和5,263,330中所述。此外，也可以使用成对或成组的相反级的反应器。在这种多级复合系统以及单级系统中，有利的是包括用于在反应器之间引导一种或多种传热流体的热交换回路管道，以便利用使用这种分级的吸收反应器与解吸反应器之间的δt来将解吸反应器冷却至较低温度以便开始吸收，并且在开始解吸之前帮助加热已吸收的反应器，这进一步提高了系统的效率。然而，本发明可替代、补充或代替在先前描述的系统中使用并且在本领域已知的使用泵送流或相变流体并需要复杂管道和其他部件的加热和冷却热交换硬件和部件，由此吸收系统的尺寸和成本及其操作可以显著降低。

在图1中示意性地示出了根据本发明的系统10的一个实施例的实例。所示设备包括第一固相反应器22和第二固相反应器24。反应器22、24通过恢复线管路23和25以及电子可控阀30彼此连接。阀30可以是电磁阀或本领域技术人员已知的任何其他类型的电子可控阀。阀30与控制系统31通讯，所述控制系统31打开和关闭阀以控制反应器22、24之间的流体或气体流动。

流量计21沿着管路25定位并且测量反应器22、24之间的流体或气体的流动。此外，压力传感器26沿着管路23定位且被配置成测量存在于反应器22、24之间的管线中的压力。流量计21和压力传感器26与控制系统31电连通以向控制系统提供压力和流量读数。

如下面将更详细地解释的，控制系统31被编程以接收来自管路23和25内的压力和流量读数并且当需要时操作阀30以提高系统10的效率。

传热流体通过管道34被引导到反应器24的热交换部件中并且通过管道31从反应器被引出。类似地，传热流体从管道32被引导到反应器22中并从管道33被引出。管道27与反应器22连通并且将从反应器22解吸的制冷剂蒸汽引导到系统冷凝器或能量回收反应器(未示出)，并且可以用于使制冷剂蒸汽从系统蒸发器或反应器(未示出)返回到反应器22。类似地，管道28与反应器24连通并且用于将制冷剂蒸汽引导到反应器24以及从反应器24引导出。

在可控制的恢复过程中，控制系统31使得阀30控制反应器22和24连接在一起的时间。打开阀30导致从高温反应器到低温反应器的质量转移，这导致降低了高温反应器的温度并提高了低温反应器的温度。由于从高温反应器到低温反应器的热传递，这导致系统10的总体操作效率提高，这降低了在每个半循环期间加热低温反应器所需的能量。

图2示出了控制系统31的更多细节。如图所示，控制系统31包括连接到查询表105、阀控制模块110、热传感器接口115和需求分析模块120的处理器101。需求分析模块感测系统的当前需求，并且当需求低于预定阈值时允许控制器31调整容量以便提高效率。

例如，需求分析模块可以连续地感测对系统进行冷却的热需求，并且通过参照查询表105来连续地调整两个反应器之间的均衡时间。查询表的一个实例如下表1所示。当然，本发明的方面不限于参照查询表。系统可以参照均衡时间和制冷器需求的预先存储或预定的数据曲线。系统还可以参照特定的等式来计算给定的具体冷却/制冷需求的适当均衡时间量。然而，应意识到，每种类型的系统可以具有基于系统容量和总体特征的不同的表、等式或曲线。

表1

示例性系统查询表

系统可以在每个循环期间的任何时间进行均衡处理。然而，在一些实施例中，当与系统的冷凝器相比吸收器和解吸器压力处于一定巴的压力内时，系统将开始均衡处理。在一个实施例中，冷凝器处于吸收器和解吸器内的压力的两巴或三巴内。在此实例中，冷凝器可以具有20巴的压力，而吸收器具有17巴的压力并且解吸器具有23巴的压力。当需求分析模块确定吸收器和解吸器与冷凝器处于此压力范围内时，则系统可以被置于能量效率优化模式中，其中吸收器与解吸器之间的循环压力均衡时间被控制以使系统的效率最大化。

应意识到，系统不限于这一特定压力组以开始优化系统31的效率。例如，需求分析模块可以确定吸收器、解吸器与冷凝器之间的2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多巴压力的压力差是用于优化系统31的效率的适当触发器。

在一个实施例中，优化系统中使用的均衡时间以提高系统的整体效率。例如，在本文所述的循环压力均衡的益处和效果的发现成为已知之前，在每个系统内使用约4分钟的典型恢复时段。然而，发现约20秒至4分钟之间的较短时段是有利的。在一些实施例中，发现长达4分钟的时段很少提高效率，因为系统中的容量下降超过了效率的提高。当恢复时间接近4分钟时，尤其有此发现。为此，向系统提供用于调整均衡时间的智能装置提供了一种系统，所述系统在需求减少的时候可以以更高效率运行并且仍然足够灵活以便在需求高时提供更大的容量。

在一些实施例中，可以向两个反应器供应cabr2，其中氨吸附在盐上以提供复杂化合物，所述复杂化合物用于在协调步骤cabr2·2-6之间的吸附和解吸。可以使用sylthermxlt^tm传热流体分别对两个反应器进行加热和冷却。系统运行半循环吸收/解吸时段，并且在每个半循环之间，可以控制阀以在每个半循环之间提供可变长度的平衡时间。

通常，在吸收和解吸反应基本上同时进行的情况下，进行化学吸附反应循环。然而，本发明的方法还可以用于具有有意编程为异相操作的多个反应器或多组反应器的系统。这种操作在设计用于连续冷却和/或冷冻的系统中特别有用，其中解吸理想地比吸收更快地进行，诸如美国专利no.5,628,205中所述。在此类应用中，解吸几乎完成的任何解吸反应器可以与受益于这种气体制冷剂传递的吸收反应器联接，和/或几乎完成的吸收反应器可以与受益的解吸反应器联接。

本领域技术人员将进一步了解，结合本文公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和处理步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，上文已经就其功能大体地描述了各种说明性部件、块、模块、电路和步骤。这种功能被实现为硬件还是软件取决于特定应用和施加在整个系统上的设计约束。技术人员可以针对每个特定应用以不同的方式实现所描述的功能，但是此类实现决定不应被解释为导致偏离本发明的范围。本领域技术人员将认识到，一部分或部分可以包括小于或等于整体的东西。例如，像素集合的一部分可以指代这些像素的子集合。

结合本文公开的实现方式描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可以用以下各项实现或执行：通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其他可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件、或设计成执行本文所述功能的上述项目的任何组合。通用处理器可以是微处理器，但是替代地，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实现为计算装置的组合，例如dsp与微处理器的组合、多个微处理器、与dsp芯结合的一个或多个微处理器或任何其他这种配置。

结合本文公开的实现方式描述的方法或过程的步骤可以直接体现在硬件中、在由处理器执行的软件模块中或者两者的组合中。软件模块可以驻留在本领域已知的ram存储器、闪速存储器、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom或任何其他形式的非暂态存储介质中。示例性计算机可读存储介质联接到处理器，使得处理器可以从计算机可读存储介质读取信息并且向其写入信息。在替代方案中，存储介质可以与处理器成一体。处理器和存储介质可以驻留在asic中。asic可以驻留在用户终端、相机或其他设备中。在替代方案中，处理器和存储介质可以作为离散部件驻留在用户终端、相机或其他装置中。

标题被包括在本文中以供参考，并有助于定位各个部分。这些标题并不旨在限制与之相关地描述的概念的范围。此类概念可以在整个说明书中具有适用性。

提供了所公开的实现方式的先前描述，以使本领域任何技术人员能够制作或使用本发明。本领域技术人员将容易明白对这些实施例的各种修改，并且在不背离本发明的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施例。因此，本发明不旨在限于本文所示的实现方式，而是被赋予与本文公开的原理和新颖特征相一致的最广范围。