CN101413768A - 一种防冻保护装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防冻保护装置和方法，应用于制冷***中对满液式蒸发器提供冬季防冻保护，该装置包括有连接于满液式蒸发器的出水口和进水口的连接管道、水泵、加热器和单向阀，与满液式蒸发器内部的换热管共同形成水循环加热***，当环境温度或者蒸发器中制冷剂饱和温度低于防冻水泵启动设定值时(推荐设定值为3.3℃)，启动水泵使换热管内的水循环流动，当满液式蒸发器的出水温度低于加热器启动设定值时(推荐设定值为20℃)，启动加热器对换热管中的水进行加热，并分别利用温度监测信号来控制该水泵和加热器的停止，从而能够有效的防止满液式蒸发器停歇时段其换热管中的水冻结。

Description

一种防冻保护装置和方法

【技术领域】

本发明涉及一种防冻保护装置和方法，尤其是一种应用于制冷***中，对满液式蒸发器的进行冬季防冻保护的装置和方法。

【背景技术】

制冷***通常至少包括蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀以及相应冷媒管路***。其中，冷却液体载冷剂的蒸发器有壳管式蒸发器和水箱式蒸发器，工业中常用的壳管式蒸发器可分为满液式蒸发器和干式蒸发器。图1为满液式蒸发器的内部结构示意图，该满液式蒸发器的外壳为一筒形壳体1，筒形壳体1下方设有制冷剂的进液口4，其上方设有出气口2。进液口4和出气口2通过冷媒管道与外部压缩机、冷凝机、膨胀阀等相连形成冷媒闭合回路***。筒形壳体1内部有多个换热管8，换热管8两端连有管板9，且管板9与筒形壳体1两侧的水室端盖3相连。一侧的水室端盖3上设有媒介水的进水口6和出水口7。进水口6和出水口7通过相应管道与外部水泵相连形成冷(热)水循环***。当外部水泵工作时，媒介水通过满液式蒸发器的进水口6流入到换热管8的内部，并与通过进液口4进入筒形壳体1内的液态的制冷剂进行热交换。热交换后的冷(热)水通过满液式蒸发器的出水口7流出，相应的，饱和蒸发的制冷剂以气态的方式通过筒形壳体上的出气口2流出进入压缩机。

相比于干式蒸发器，满液式蒸发器由于采用制冷剂在壳程、媒介水在换热管内的结构，具有结构紧凑、液体与传热表面接触好、传热效率高、维护方便、可靠性高的特点。但是，当外界环境温度低于媒介水的结冰温度且外部工作泵停止工作时，换热管8内的媒介水停止流动，媒介水温度会逐步下降到结冰温度，最终在热换管内结冰膨胀而损坏换热管。一旦换热管8发生破裂，位于壳程1内的制冷剂和位于换热管8内的媒介水最终会相互融合，媒介水慢慢进入蒸发器的壳程内，并且液态制冷剂也会流入到换热管8内而发生泄漏，这不仅会污染环境，也会最终导致整个满液式蒸发器乃至整个***丧失功能。

为了克服这个缺点，目前一种已知做法是在满液式蒸发器的筒形壳体外贴附加热带。当外部水泵停止工作时，如果测定的环境温度值低于设定温度值(例如5摄氏度)时，整个制冷***的控制器发出指令，加热带开始对满液式蒸发器的筒形壳体进行加热使得整个满液式蒸发器的内部温度高于媒介水的结冰温度，从而避免换热管内的媒介水的温度到达媒介水结冰温度而发生冰冻现象。但是，壳体内制冷剂的温度也会随着加热带的加热而逐步升高，制冷剂不断吸收热量并转换成气态，并逐步迁移到制冷剂闭合循环回路中温度最低的区域。这将导致满液式蒸发器的壳程最终形成空腔，使得加热带产生的热量在壳程内无法被及时吸收，导致加热带过热而损坏；并且该方法采用对满液式蒸发器筒体进行加热的间接加热方法，导致大部分热量被制冷剂吸收，使得该方法利用效率非常低；而且，由于制冷剂闭合循环回路中的温度差异比较大，加大了其他元件工作负载，增加了***的不稳定性和不可靠性。

因此，提供一种利用率高，不易损坏加热器，具有较高稳定性和可靠性的防冻保护装置，诚为本技术领域所需。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种能够稳定有效的保护满液式蒸发器防冻的装置以及控制方法，并且该装置具有结构简单、防冻效率高、维护方便的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种防冻保护装置，用于至少一个满液式蒸发器停歇时段的防冻保护，其包括：

连接管道，其一端与该至少一个满液式蒸发器的出水口相接，另一端与该至少一个满液式蒸发器的进水口相接，从而与该至少一个满液式蒸发器内部的换热管共同构成水循环管道；

水泵，设置在该水循环管道中，使换热管内的水在所述出水口与进水口之间循环流动；

加热装置，设置在该水循环管道中，用于对水循环管道中的水进行加热；

控制装置，用于依据测定的温度值来控制水泵和加热装置的启动和停止，其中，当测定的环境温度或者制冷剂的饱和温度低于防冻水泵启动设定值时，控制装置向水泵发出启动指令，使水泵开始运转；当测定的出水口的出水温度低于加热器启动设定值时，控制装置向加热装置发出启动指令，使加热装置对水循环管道中的水进行加热，并在测定的出水温度高于加热器停歇设定值时停止加热。

本发明所提供的防冻保护装置，其中还包括设置于水循环管道中的单向阀，以使水循环管道中的水只能从满液式蒸发器的出水口经过水泵、加热器和单向阀向进水口单向流动。

本发明所提供的防冻保护装置，其中，当测定的环境温度或者蒸发器中制冷剂的饱和温度达到水泵停歇设定值时，控制装置向水泵发出停止指令，使水泵停止运转。

本发明所提供的防冻保护装置，其中，水泵、加热装置和单向阀是设置于所述连接管道上。

本发明所提供的防冻保护装置，其中，加热装置是设置在相邻的两个满液式蒸发器的出水口与进水口之间的连接管道上。

本发明所提供的防冻保护装置，其中，加热装置和单向阀是设置于水泵上，构成一加热式单向水泵。

本发明所提供的防冻保护装置，其中，水泵停歇设定值为水泵启动设定值+0.5℃，加热器启动设定值可设为20℃，加热器停歇设定值可设为30℃。

本发明还提供一种防冻保护方法，用于满液式蒸发器停歇时段的防冻保护，包括：

利用连接管道分别连接于满液式蒸发器的出水口和进水口，从而与满液式蒸发器内部的换热管共同形成一水循环管道；

将水泵串接于水循环管道上，使换热管内的水能够在出水口与进水口之间循环流动；

将加热装置设置在水循环管道上；

利用控制装置依据测定的温度值来控制水泵和加热装置的启动和停止，其中

当测定的环境温度或者蒸发器中制冷剂的饱和温度低于防冻水泵启动设定值时，启动水泵，使水循环管道中的水在出水口与进水口之间循环流动；

当测定的出水口的出水温度加热器启动设定值时，启动加热装置，对水循环管道中的水进行加热；

当测定的出水口的出水温度高于加热器停歇设定值时，停止加热。

本发明提供的防冻保护方法，其中进一步在水循环管道上串接一单向阀，使水循环管道中的水只能从出水口向进水口单向流动。

本发明提供的防冻保护方法，其中当测定的环境温度或者制冷剂的饱和温度达到防冻水泵停歇设定值时，停止水泵的运转。

本发明提供的防冻保护方法，其中水泵停歇设定值为水泵启动设定值+0.5℃，加热器启动设定值可设为20℃，加热器停歇设定值可设为30℃。

与现有技术相比，该防冻保护装置由于采用了对满液式蒸发器内的媒介水进行加热的反馈循环***，也就是说，通过温度传感器测定***环境温度或者通过压力变送器测定制冷剂饱和温度启动该媒介水加热循环***直接对媒介水进行加热，以及测量满液式蒸发器出水温度并及时反馈给***控制器停止该媒介水加热循环***，使得整个装置能够有效的防止媒介水的结冻，并具有非常好的稳定性和可靠性，整个***结构简单、成本低且维护方便。

【附图说明】

图1是常见的满液式蒸发器的结构示意图。

图2是本发明的满液式蒸发器的防冻保护装置的结构示意图。

图3是本发明一个实施例中的加热器结构示意图。

图4是本发明的防冻保护装置的控制流程图。

图5是本发明另一个实施例的防冻保护装置的结构示意图。

【具体实施方式】

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以提出本发明的防冻保护装置及其控制方法的多个实现方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的举例说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明的技术方案的限制或限定。

在本发明的一个实施例中，请参阅图2，带有防冻保护装置的整个满液式蒸发器***包括有控制器1、满液式蒸发器2、水泵3、加热器4、单向阀5、连接管道6以及多个用于测量温度的温度传感器和压力变送器(未图示)。其中，满液式蒸发器2的内部构造可参图1所示，此处不需敷言，其出水口22通过管道6与水泵3的进水口相连，水泵3的出水口通过管道6与加热器4进水口相连，加热器4的出水口通过管道6连向单向阀5的进口，单向阀5的出水口通过管道6与满液式蒸发器2的进水口21相连。水泵3的工作触发信号与控制器1相连，水泵3的启动电源可以通过控制器1供给，也可以由单独外部电源供给。加热器4的触发信号与控制器1相连，加热器4的加热电源可以通过控制器1供给，也可以单独由外部电源供给。

如图2所示，控制器1用于根据温度传感器测定的温度控制水泵3以及加热器4工作的开始和停止，控制器1可以采用整个制冷***中的主控制器实现对水泵3以及加热器4的控制，也可以额外采用一个小型控制器作为主控制器的从站，单独负责根据温度传感器测定的温度控制水泵3和加热器4的工作开始和停止。

当外部热泵停止工作且环境温度或者蒸发器中制冷剂的饱和温度低于设定值时，水泵3从满液式蒸发器2出水口22将换热管内的媒介水抽出，并将抽出的媒介水送到加热器4。在该发明中，应当选择合适量程的水泵，使得该水泵能够提供足够的动力用于满液式蒸发器2内的媒介水在该防冻保护装置中内形成媒介水加热循环***。但应当避免水泵的量程过大，否则容易导致由外部空调末端流出的媒介水在满液式蒸发器2出水口22处被抽出，流经该防冻保护装置的水泵、加热器以及单向阀后流回到满液式蒸发器2的入水口21，并流回到外部空调末端的入水口，形成一个在满液式蒸发器的换热管以外的媒介水加热循环***。

当满液式蒸发器出水温度低于设定值时，利用加热器4给由水泵输出的媒介水加热，并将受热后的媒介水输送到单向阀5的入口。在本发明一个实施例中，如图3所示，加热器为一空腔形结构，外部密封的腔体41上分别设有与水泵3的出水口通过管道6相连的进水口411以及与单向阀的进水口通过管道6相连的出水口412。加热丝42位于加热器4内部空腔43内。

单向阀5用于将受热后的媒介水传递给满液式蒸发器的入水口21，并控制该防冻保护装置内的水流流向，使得水流只能沿着满液式蒸发器2的出水口22流向入水口21，从而避免外部空调水泵工作时，进入满液式蒸发器入水口21的媒介水被分流到该防冻保护装置循环***中，造成部分媒介水的旁通。

本发明的防冻保护装置的控制流程图如图4所示，在图4中，LTD是指蒸发器壳程制冷剂饱和温度，OAT是指环境温度，LWT是指蒸发器出水温度。制冷***工作时，外部空调水泵运转将媒介水传送到满液式蒸发器2的入水口21并流入到满液式蒸发器2内部的换热管中，满液式蒸发器2壳程内的制冷剂与换热管中的媒介水进行热交换，换热后的媒介水通过满液式蒸发器2的出水口22流出，此时，流动的媒介水不会在换热管内部结冰，控制器不需要对防冻保护装置中的水泵3和加热器4发出工作指令。当制冷***关闭、即外部空调水泵停止工作时，制冷***中的媒介水停止循环，换热管内充满媒介水，媒介水和壳程内的制冷剂的温度会逐步接近外界温度。当满液式蒸发器2的外部环境温度OAT或者制冷剂饱和温度LTD接近于媒介水结冰温度且略高于媒介水结冰温度时，此时如果不对满液式蒸发器2的换热管内的媒介水进行加热，换热管内的媒介水的温度会继续逐步下降并最终结冰。因此，当温度传感器测定的环境温度值或者制冷剂的饱和温度值低于防冻水泵启动设定值(例如3.3℃)时，控制器1发出启动指令，使得该保护装置中的水泵进行工作。

应当指出的是，水泵的停止触发温度并不是该实施例中的水泵启动触发温度值(即防冻水泵启动设定值)，而是比启动触发温度值(防冻水泵启动设定值)略高的一个防冻水泵停歇设定值，例如设定为水泵启动设定值+0.5℃(例如3.8℃)。也就是说，当环境温度OAT或者制冷剂饱和温度LTD低于3.3摄氏度时触发水泵开始工作，高于3.8摄氏度时触发水泵停止工作，而不是在环境温度或者制冷剂的饱和温度高于3.3摄氏度时触发水泵停止工作。这样设置的目的是为了避免当环境温度或者制冷剂的饱和温度在触发温度3.3摄氏度上下变化，或者由于传感器测量的温度值由于测量精度的原因在触发温度3.3摄氏度值上下浮动时，在控制器1指令控制下水泵3频繁地启动和停止，容易造成整个***不稳定和工作不正常。

容易理解，上述实施例中所推荐的防冻水泵启动设定值3.3℃和水泵停歇设定值3.8℃并不是一个唯一、固定的温度数值选择，对于本领域的一般技术人员来说，此两项设定温度值可依据实际应用的需要进行适当的选择和改变。

水泵3正常工作后，位于满液式蒸发器1的出水口22处的温度传感器测量满液式蒸发器出水温度LWT。当满液式蒸发器出水温度LWT低于加热器启动设定值(在一个优选实施例中可设为20摄氏度)时，控制器1发出触发指令使得加热器4开始工作，对由水泵3出水口流入到加热器4的媒介水进行加热，并将加热后的媒介水通过单向阀5流向满液式蒸发器2的入水口21进入满液式蒸发器2的换热管内。通过加热器的不断加热，媒介水的温度逐步上升，当媒介水的温度到达一个加热器停歇设定值(例如在一个优选实施例中可设定为30摄氏度)时，控制器1发出触发指令使得加热器4停止工作。通过这种控制流程，该防冻保护装置能够有效地对满液式蒸发器2中的媒介水进行直接加热，从而防止了媒介水的结冰，并且合理控制水泵3和加热器4的启动，节省了电力并避免媒介水的温度过高而导致媒介水将大部分热量交换给制冷剂。

容易理解，上述实施例中所推荐的加热器启动设定值20℃和加热器停歇设定值30℃同样不是一个唯一、固定的温度数值选择，本领域的一般技术人员可依据实际应用的需要，对此两项设定温度值进行适当的选择和改变。

很多制冷装置或空调主机还包括有两个甚至多个满液式蒸发器，因此，本发明的技术方案还可应用于具有多个满液式蒸发器串联的制冷***的防冻保护。在图5所示的本分明的另一个实施例中，该防冻保护装置用于两个满液式蒸发器的换热管内媒介水的防冻保护。如图所示，外部热泵提供的媒介水从满液式蒸发器51的入水口511流入，满液式蒸发器51的出水口512与满液式蒸发器52的入水口521相连，媒介水从满液式蒸发器52的出水口522流出，供给外部热泵从而形成两个蒸发器51、52内部换热管的媒介水循环。与第一个实施例类似，满液式蒸发器52的出水口522通过管道6与水泵3相连，水泵3的出水口通过管道6与加热器4进水口相连，加热器4的出水口通过管道6连向单向阀5的进口，单向阀5的出水口连向满液式蒸发器51的进水口511。可以理解，水泵3、加热器4及/或单向阀5也可以设置在其他位置，例如将加热器设置在相邻的两个满液式蒸发器的出水口512与进水口521之间的连接管道上。相应的温度传感器和控制器1的连接与第一个实施例相同。通过与第一个实施例相同的控制方法可以实现该防冻保护装置对两个满液式蒸发器内的媒介水的防冻保护。

容易理解，本发明利用连接管道6连接于满液式蒸发器的出水口和进水口，从而与满液式蒸发器内部的换热管一起共同形成一个水循环管道，并将水泵、加热器和单向阀设在该水循环管道中。依据此技术方案，还有其他多种实施例，例如改变加热器的结构但同样实现对媒介水的加热功能；改变单向阀、加热器、水泵之间的连接先后顺序；将加热器设置在满液式蒸发器的换热管内；将加热器贴附于水室端盖上或进、储水管上对媒介水进行加热；甚至可以将单向阀、加热器以及水泵三个独立元件合并成一个具有这三个独立元件功能的元件，直接连接在满液式蒸发器的出水口和/或入水口等。对于本领域中熟悉此项技术者来说，依据本发明的技术方案对上述这些实施例所作的显而易见的修改和变化，均为本发明的权利要求范围所涵盖。

采用本发明的防冻保护装置防止满液式满液式蒸发器内的媒介水结冰，结构简单，工作稳定。并且由于采用温度反馈控制***，能够有效的保护加热器，使得加热器有更长的使用寿命。

Claims (13)

1.一种防冻保护装置，用于至少一个满液式蒸发器停歇时段的防冻保护，其特征在于，所述防冻保护装置包括：

连接管道，其一端与所述至少一个满液式蒸发器的出水口相接，另一端与所述至少一个满液式蒸发器的进水口相接，从而与所述至少一个满液式蒸发器内部的换热管共同构成水循环管道；

水泵，设置在所述水循环管道中，使换热管内的水在所述出水口与进水口之间循环流动；

加热装置，设置在所述水循环管道中，用于对所述水循环管道中的水进行加热；

控制装置，用于依据测定的温度值来控制所述水泵和加热装置的启动和停止，其中，当测定的环境温度或者满液式蒸发器中制冷剂的饱和温度低于防冻水泵启动设定值时，所述控制装置向水泵发出启动指令，使水泵开始运转；当测定的出水口的出水温度低于加热器启动设定值时，控制装置向所述加热装置发出启动指令，使加热装置对水循环管道中的水进行加热，并在测定的出水温度高于加热器停歇设定值时停止加热。

2.如权利要求1所述的防冻保护装置，其特征在于，所述防冻保护装置还包括设置于所述水循环管道中的单向阀，以使水循环管道中的水只能从满液式蒸发器的出水口经过水泵、加热器和单向阀向进水口单向流动。

3.如权利要求2所述的防冻保护装置，其特征在于，所述水泵、加热装置和单向阀是设置于所述连接管道上。

4.权利要求1或2所述的防冻保护装置，其特征在于，所述加热装置是设置在相邻的两个满液式蒸发器的出水口与进水口之间的连接管道上。

5.如权利要求2所述的防冻保护装置，其特征在于，所述加热装置和单向阀是设置于所述水泵上，构成一加热式单向水泵。

6.如权利要求1所述的防冻保护装置，其特征在于，当测定的环境温度或者制冷剂的饱和温度达到水泵停歇设定值时，所述控制装置向水泵发出停止指令，使水泵停止运转。

7.如权利要求6所述的防冻保护装置，其特征在于，所述水泵停歇设定值为水泵启动设定值+0.5℃。

8.如权利要求1所述的防冻保护装置，其特征在于，所述加热器启动设定值可设为20℃，加热器停歇设定值可设为30℃。

9.一种防冻保护方法，用于满液式蒸发器停歇时段的防冻保护，其特征在于，所述方法包括：

利用连接管道分别连接于满液式蒸发器的出水口和进水口，从而与满液式蒸发器内部的换热管共同形成一水循环管道；

将水泵串接于所述水循环管道上，使换热管内的水能够在出水口与进水口之间循环流动；

将加热装置设置在所述水循环管道上；

利用控制装置依据测定的温度值来控制所述水泵和加热装置的启动和停止，其中

当测定的环境温度或者蒸发器中制冷剂的饱和温度低于水泵启动设定值时，启动所述水泵，使所述水循环管道中的水在出水口与进水口之间循环流动；

当测定的出水口的出水温度低于加热器启动设定值时，启动所述加热装置，对水循环管道中的水进行加热；

当测定的出水口的出水温度高于加热器停歇设定值时，停止加热。

10.如权利要求9所述防冻保护方法，其特征在于，进一步在所述水循环管道上串接一单向阀，使水循环管道中的水只能从出水口向进水口单向流动。

11.如权利要求9所述防冻保护方法，其特征在于，当测定的环境温度或者蒸发器中制冷剂的饱和温度达到防冻水泵停歇设定值时，停止所述水泵的运转。

12.如权利要求11所述的防冻保护方法，其特征在于，所述水泵停歇设定值为水泵启动设定值+0.5℃。

13.如权利要求9所述的防冻保护方法，其特征在于，所述加热器启动设定值可设为20℃，加热器停歇设定值可设为30℃。

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