專利名稱：用于檢測(cè)熱交換器的異常的方法和裝置以及該裝置的使用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測(cè)熱交換器的異常的方法和裝置，該熱交換器在流經(jīng)導(dǎo)管的第一流體流與沿流動(dòng)路徑流動(dòng)的第二流體流之間交換熱量，該導(dǎo)管和該流動(dòng)路徑均具有入口和出口，并且本發(fā)明還涉及該裝置的使用。
背景技術(shù)：
熱交換器是許多設(shè)備和系統(tǒng)特別是制冷或熱泵系統(tǒng)的重要部分。這些熱交換器及其效率在以上的系統(tǒng)中是非常重要的，并且重要的是監(jiān)控該熱交換器的功能以便可以檢測(cè)熱交換器的異常，從而采用措施以對(duì)任何缺陷進(jìn)行補(bǔ)救。
熱交換器的異常意味著該熱交換器不能使得預(yù)期的能量進(jìn)行交換，即流體不能進(jìn)行應(yīng)當(dāng)?shù)睦鋮s或加熱。這可能是由于熱交換器結(jié)垢所引起的，其中一層水垢、污物、或油脂沉積在熱交換表面從而降低熱交換，這是因?yàn)檫@一層物質(zhì)通常作為隔熱層。另一種可能性是由于污物等阻塞或限制了經(jīng)熱交換器的流動(dòng)引起不充分的流體流動(dòng)。兩種情況導(dǎo)致能耗變高，這是因?yàn)榕c在正常范圍內(nèi)工作的熱交換器所屬系統(tǒng)相比該系統(tǒng)必須在更高的負(fù)荷下工作。另外，如果出現(xiàn)高的熱交換需要和在流體之間的較小的溫度差等不利的工作狀況，則不可能滿足要求，在一些系統(tǒng)中可能出現(xiàn)破壞性的影響。
在出現(xiàn)不利的工作狀況之前通常不會(huì)檢測(cè)到異常，在不利的工作狀況中需求可能得不到滿足例如導(dǎo)致系統(tǒng)的溫度升高，該溫度應(yīng)當(dāng)保持為特定的溫度。這種溫度的示例是在商店中的冷藏柜，許多國家的嚴(yán)格法規(guī)規(guī)定當(dāng)食物沒有保持在最高溫度之下時(shí)，必須丟棄該食物，當(dāng)然這在商業(yè)上是昂貴的和損失巨大的。類似地，大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常保持在空調(diào)房間內(nèi)，過高的溫度可能導(dǎo)致出現(xiàn)計(jì)算機(jī)損壞的風(fēng)險(xiǎn)，這涉及數(shù)據(jù)損失和人力損失的高風(fēng)險(xiǎn)。
用于檢測(cè)熱交換器的異常的通常措施包括定期的基本的視覺檢測(cè)，以便檢查在熱交換器入口處的污物。通常熱交換器放置在難以進(jìn)行檢測(cè)的位置處，因此這種檢測(cè)的費(fèi)事的。另外，異?？赡懿欢ㄆ诘某霈F(xiàn)并且非?？焖?，例如當(dāng)物料阻塞熱交換器的入口時(shí)。這意味著對(duì)于熱交換器的異常而言為了提供可靠程度的安全性，必須經(jīng)常地檢查熱交換器。視覺檢查熱交換器的外部不能有效地評(píng)估熱交換內(nèi)表面是否出現(xiàn)結(jié)垢等導(dǎo)致熱交換下降的情況。
檢測(cè)熱交換器異常的另一已知方法是直接的流動(dòng)測(cè)量。直接的流動(dòng)測(cè)量需要精確的且昂貴的設(shè)備例如熱線風(fēng)速計(jì)等，需要使用多個(gè)流動(dòng)測(cè)量裝置來獲得關(guān)于整個(gè)流場(chǎng)的有用信息。已經(jīng)提出基于壓力傳感器來評(píng)估流動(dòng)，但是這種壓力傳感器也是昂貴的并且需要使用多個(gè)壓力傳感器來獲得關(guān)于整個(gè)流場(chǎng)的有用信息。這些方法的另一缺點(diǎn)在于，它們的使用受到限制，如果在熱交換器內(nèi)存在流動(dòng)限制，不是流動(dòng)正常的情況，但是熱交換下降，例如因?yàn)闊峤粨Q表面的結(jié)垢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可早期檢測(cè)熱交換器的異常的方法。
該目的借助以下這種方法來實(shí)現(xiàn)，該方法包括以下步驟建立至少一個(gè)代表該熱交換器的溫度狀況的參數(shù)；建立第二流體入口溫度；建立代表該熱交換器與該第二流體之間的預(yù)期熱交換的參數(shù)；處理該熱交換器溫度、該第二流體溫度、和該代表預(yù)期熱交換的參數(shù)，以便建立估算的第二流體出口溫度；使用該估算的第二流體出口溫度，以便通過將該估算的第二流體出口溫度或由其導(dǎo)出的參數(shù)與基準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比較，從而求解該第一流體與該第二流體之間的熱交換。借助這種方法從而提供了主要基于第一流體的參數(shù)來評(píng)估熱交換器的功能的方便的方法，這意味著只需要最少的用于提供關(guān)于第二流體的信息的傳感器，并且可以實(shí)現(xiàn)熱交換器異常的自動(dòng)檢測(cè)。另外，該方法使得可檢測(cè)到流動(dòng)受到限制以及熱交換器結(jié)垢。
依據(jù)實(shí)施例，該基準(zhǔn)數(shù)值是預(yù)定的第二流體出口溫度。
當(dāng)該方法包括使用該估算的第二流體出口溫度以建立該第二流體的第二熱流率，以便相對(duì)于該第一流體的第一熱流率求解該第二流體的第二熱流率的能量平衡時(shí)，可獲得更可靠且作為替代的方法，這是因?yàn)榛谀芰科胶饧俣ǖ那蠼饪紤]到另外的參數(shù)的影響。
依據(jù)實(shí)施例，該方法包括通過以下方式建立該第二流體的第二熱流率，即基于該估算的第二流體出口溫度和第二流體入口溫度來建立第二流體質(zhì)量流量的估算值和該熱交換器兩側(cè)的第二流體的比焓變化。
依據(jù)實(shí)施例，該方法包括通過以下方式建立該第一熱流率，即基于代表第一流體入口和出口溫度的參數(shù)以及冷凝壓力來建立該熱交換器兩側(cè)的第一流體的比焓變化。
可以對(duì)熱交換進(jìn)行直接求解，但是這具有一些缺點(diǎn)，例如在制冷系統(tǒng)或熱泵系統(tǒng)中的參數(shù)的波動(dòng)和變化，并且依據(jù)實(shí)施例，該方法包括建立作為該第一熱流率與該第二熱流率之間的差值的余量。
可以對(duì)估算的第二流體出口溫度進(jìn)行直接求解從而求解熱交換，但是這具有一些缺點(diǎn)，例如在制冷系統(tǒng)或熱泵系統(tǒng)中的參數(shù)的波動(dòng)和變化，并且依據(jù)替代實(shí)施例，該方法包括建立作為該估算的與該預(yù)定的第二流體出口溫度之間的差值的余量。
為了降低在該系統(tǒng)中參數(shù)的波動(dòng)和變化的靈敏度并能夠記錄熱交換的趨勢(shì)，該方法包括借助該余量提供異常指示，該異常指示是依據(jù)以下公式獲得的 其中Sμ，i是依據(jù)以下等式計(jì)算得出的sμ,i=c1(ri-μ0+μ2)---(21)]]>其中ri是余量，c1是比例常數(shù)，μ0是第一敏感數(shù)值，μ是第二敏感數(shù)值。
本發(fā)明的另一方面涉及一種用于熱交換器的熱交換器異常檢測(cè)裝置，該熱交換器在流經(jīng)管道的第一流體流與沿流動(dòng)路徑流動(dòng)的第二流體流之間進(jìn)行熱交換，該裝置包括估算熱交換器溫度的第一估算器，存儲(chǔ)該熱交換器溫度的第一中間存儲(chǔ)器裝置，測(cè)量該第二流體入口溫度的溫度傳感器，存儲(chǔ)該第二流體入口溫度的第二中間存儲(chǔ)器裝置，建立代表該熱交換器與該第二流體之間的預(yù)期熱交換的參數(shù)的第二估算器，存儲(chǔ)代表該預(yù)期熱交換的該參數(shù)的第三中間存儲(chǔ)器裝置，基于分別來自該第一中間存儲(chǔ)器裝置和該第二中間存儲(chǔ)器裝置的熱交換器溫度和該第二流體入口溫度以及來自該第三中間存儲(chǔ)器裝置的該代表預(yù)期熱交換的參數(shù)從而建立估算的第二流體出口溫度的處理器，以及將該估算的第二流體出口溫度或由其基礎(chǔ)建立的參數(shù)與基準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比較的比較器。
該裝置的實(shí)施例還包括用于存儲(chǔ)至少一個(gè)來自該處理器的參數(shù)的存儲(chǔ)器裝置，由此可獲得基于在先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)來工作的裝置。
盡管該裝置通常應(yīng)用于熱交換器，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該裝置特別適合于這樣的實(shí)施例，其中該熱交換器是蒸氣壓縮制冷或熱泵系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹裝置、和蒸發(fā)器，它們由管道互連以便提供用于第一流體的流動(dòng)回路，該第一流體是制冷劑。
依據(jù)實(shí)施例，該熱交換器是冷凝器，由于制冷劑在冷凝器中處于三種不同的相，即過熱氣體、氣體和液體的混合、以及過冷液體，因此監(jiān)控該冷凝器是非常困難的。
依據(jù)實(shí)施例，該第二流體是空氣，這是對(duì)于上述的制冷或熱泵系統(tǒng)的第二流體的常用形式，對(duì)于空氣而言流體參數(shù)的直接測(cè)量涉及一些特殊的問題。另外，通常所使用的空氣是環(huán)境空氣，其包含可能沉積在熱交換器上的不同類型的污染物。
具體地說，該冷凝器是位于建筑物內(nèi)的冷藏柜的一部分，并且該冷凝器位于建筑物的外側(cè)，其作為特殊的示例，其中本發(fā)明的裝置是特別有利的。
本發(fā)明的第三方法涉及如上所述的檢測(cè)裝置的使用，其特征在于，該檢測(cè)裝置用于檢測(cè)該熱交換器的結(jié)垢和/或檢測(cè)該第二流體的不充分流動(dòng)。


參照以下附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明，在附圖中圖1是制冷系統(tǒng)的示意圖；
圖2是熱交換器的示意截面圖；圖3是熱交換器的示意側(cè)視圖；圖4是熱交換器的溫度曲線圖；圖5是制冷劑的log p，h示意圖；圖6是冷凝器的出口溫度的估算和測(cè)量的曲線圖；圖7是殘留物的曲線圖；圖8是異常指示的曲線圖；和圖9是圖8的曲線圖的放大圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照簡(jiǎn)單制冷系統(tǒng)中的熱交換器來進(jìn)行描述，但是本發(fā)明的原理可等同地應(yīng)用于其它熱交換器系統(tǒng)中的熱交換器，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于制冷系統(tǒng)。
在圖1中示出了簡(jiǎn)單的制冷系統(tǒng)1，其包括壓縮機(jī)2、冷凝器3、膨脹裝置4、和蒸發(fā)器5，它們由管道6連接起來，制冷劑在管道中循環(huán)。在蒸氣壓縮制冷或熱泵系統(tǒng)中，制冷劑在該系統(tǒng)中循環(huán)并且經(jīng)歷相變和壓力改變。在系統(tǒng)1中制冷劑氣體在壓縮機(jī)2中被壓縮以便獲得高壓的制冷劑氣體，該制冷劑氣體供應(yīng)到冷凝器3(熱交換器)，其中制冷劑氣體被冷卻且冷凝，因此制冷劑在離開冷凝器3時(shí)處于液態(tài)，以便使得制冷劑在膨脹裝置4中膨脹為低壓并在蒸發(fā)器5(熱交換器)中蒸發(fā)，以便獲得低壓的制冷劑氣體，該制冷劑氣體供應(yīng)到壓縮機(jī)2從而繼續(xù)該過程。
對(duì)于熱交換器的特定示例為商店的用于冷凍食品儲(chǔ)藏柜或冷藏柜的制冷系統(tǒng)的冷凝器3。在圖2中示出了交叉流式熱交換器的示意截面圖，其具有在管道6中的第一流體流7以及在流動(dòng)路徑9中的第二流體流8。在如上所述的制冷系統(tǒng)1的冷凝器3的示例中，第一流體是制冷劑，第二流體通常是空氣。制冷劑作為過熱氣體進(jìn)入冷凝器3，在冷凝器3的通道中制冷劑借助在熱的管道6附近流過的空氣來冷卻，該管道保持有制冷劑，因此制冷劑氣體被冷卻到冷凝溫度并冷凝并且作為過冷液體離開冷凝器3。為了獲得和保持流過冷凝器3的空氣流，冷凝器3通常設(shè)置有(未示出的)風(fēng)扇，其以開-關(guān)模式或可變速模式恒定地運(yùn)轉(zhuǎn)。
這種系統(tǒng)的冷凝器3通常放置在商店之外，通常放置在屋頂上，這是因?yàn)槿绻浞胖迷谑覂?nèi)，可能導(dǎo)致商店內(nèi)的溫度升高，并且室外的溫度一般低于室內(nèi)的溫度。然而，將冷凝器3放置在室外具有以下缺點(diǎn)，即冷凝器3是暴露的易于阻塞或結(jié)垢，這是因?yàn)槲畚铩⒂椭?、樹葉、報(bào)紙等限制空氣流8或使得從制冷劑向空氣的熱傳遞下降，并且還使得難以觸及和檢查熱交換器。由于例如降雨、風(fēng)向等的氣候狀況、污染、季節(jié)變化、例如落葉等使得難以獲得適當(dāng)檢查時(shí)間間隔，由此阻塞的時(shí)間間隔是不規(guī)則的。
圖3是熱交換器的側(cè)視示意圖，在給定的示例中熱交換器是冷凝器3，其入口由樹葉部分地覆蓋。這意味著流經(jīng)冷凝器3的流動(dòng)路徑9的空氣流受到限制，因此熱交換下降。為了檢測(cè)到這種異常，提出通過利用空氣流相關(guān)的導(dǎo)熱率α的空氣出口溫度估算器。導(dǎo)熱率的數(shù)值取決于給定的熱交換器，并且可在熱交換器開始工作時(shí)建立。發(fā)現(xiàn)該參數(shù)的數(shù)值不是關(guān)鍵的，并且該數(shù)值可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值或由熱交換器制造商提供的數(shù)值來建立。導(dǎo)熱率是與流動(dòng)相關(guān)的，并且對(duì)于包括風(fēng)扇以便迫使空氣流過熱交換器的熱交換器而言，該導(dǎo)熱率α可以表示為α＝α0ω0.8，(1)其中ω是風(fēng)扇的速度，α0是在不流動(dòng)條件下的導(dǎo)熱率。
對(duì)于流經(jīng)冷凝器3的空氣溫度的估算可通過使用導(dǎo)熱率α來限定，對(duì)于恒定的空氣流可給出dtair(y)＝α(tcond，surf(y)-tair(y))dy(2)其中y表示離開空氣入口的距離，并且y代表了歸一化參數(shù)，即y是相對(duì)于流動(dòng)路徑的總長(zhǎng)度的距離，因此出口處于1，tcond，surf(y)是冷凝器的熱交換表面在位置y的表面溫度，并且tair(y)是在位置y的空氣溫度。tcond，surf可以通過使用溫度傳感器的直接測(cè)量來建立。然而，這種傳感器是昂貴的，特別是當(dāng)它們放置在室外時(shí)容易出現(xiàn)誤差。因此優(yōu)選的是，基于制冷劑的參數(shù)的估算來建立冷凝器的表面溫度的估算。在冷凝器中，制冷劑存在三種不同的相在制冷劑入口的區(qū)域中，制冷劑處于氣相并多少有些過熱，在制冷劑以恒定溫度進(jìn)行冷凝的另一區(qū)域中，制冷劑處于氣態(tài)和液態(tài)的混合形式，并且在第三區(qū)域中，制冷劑是液態(tài)的并且多少有些過冷。
以下描述中，tcond，surf(y)處于兩相和液態(tài)區(qū)域中，其假定等于制冷劑的冷凝溫度。對(duì)于氣相區(qū)域，tcond，surf(y)假定為制冷劑氣體溫度和冷凝溫度的平均值。
對(duì)于制冷劑作為過冷液體存在的熱交換器的區(qū)域，其中y＝0到y(tǒng)＝y(tǒng)1，假定溫度以梯度k1線性地增加，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于絕大部分的用途而言可獲得足夠準(zhǔn)確的溫度曲線。如上所述的估計(jì)冷凝器表面溫度等于冷凝溫度，該溫度增加可以是dtair(y)＝α(tliquid+k1y-tair(y))dy(3)其中k1是常數(shù)，表示在過冷區(qū)域中的溫度梯度，并且tliquid是在制冷劑出口的制冷劑溫度。
對(duì)于從y＝y(tǒng)1到y(tǒng)＝y(tǒng)2的兩相的第二區(qū)域，如上所述的估計(jì)冷凝器表面溫度等于冷凝溫度(tcond，surf＝tcond)，dtair(y)＝α(tcond-tair(y))dy (4)對(duì)于過熱氣體區(qū)域即從y＝y(tǒng)2到y(tǒng)＝y(tǒng)3＝1的區(qū)域，該溫度假定為以梯度k2線性地變化，并且該等式估算為dtair(y)＝α(tcond+k2(y-y2)-tair(y))dy (5)其中y2表示兩相區(qū)域的結(jié)束，并且k2表示對(duì)于過熱的氣體區(qū)域的平均溫度梯度。
為了獲得冷凝器中的空氣溫度，以上的等式(3)、(4)、(5)聯(lián)立并由此獲得對(duì)于過冷區(qū)域(0＜y＜y1)tair(y1)=tliquid+k1y1-k1α+(αtair(0)+k1-αtliquid)αe-αy1---(6)]]>
其中tair(0)是在進(jìn)入流動(dòng)路徑9的入口處的空氣溫度，即環(huán)境溫度。
對(duì)于兩相區(qū)域(y1＜y＜y2)tair(y2)=tcond+(tair(y1)-tcond)e-α(y2-y1)---(7)]]>對(duì)于過熱氣體區(qū)域(y2＜y＜1＝(y3))tair(y3)=tcond+k2(y3-y2)-k2α+(αtair(y2)+k2-αtcond)αe-α(y3-y2)---(8)]]>因此可以使用這些等式來估算空氣出口溫度。估算空氣出口溫度的參數(shù)是空氣入口溫度、在入口和出口的制冷劑溫度、制冷劑的冷凝溫度、對(duì)于的y1、y2、k1、k2估算值。所發(fā)現(xiàn)的是，對(duì)于許多冷凝器而言，熱交換的大約5％處于第一區(qū)域，其中制冷劑作為過冷液體存在，熱交換的大約75％發(fā)生在第二區(qū)域，即其中制冷劑從氣體到液體的相變的冷凝器部分，熱交換的其余的大約20％發(fā)生在制冷劑作為過熱氣體存在的冷凝器區(qū)域。k1的數(shù)值可以或多或少地基于y1、tliquid、和tcond由經(jīng)驗(yàn)來建立，然而k2的數(shù)值可以或多或少地基于y2、制冷劑出口溫度、tcond、和流動(dòng)路徑的總長(zhǎng)度由經(jīng)驗(yàn)來建立。由此可以主要地基于制冷劑的參數(shù)來獲得空氣出口溫度，并且這些制冷劑參數(shù)通常已經(jīng)是已知的，這是因?yàn)楝F(xiàn)今的絕大多數(shù)的制冷系統(tǒng)都包括制冷系統(tǒng)控制器，其帶有持續(xù)地測(cè)量這些參數(shù)的傳感器。圖4示出了交叉流式冷凝器的溫度曲線的示例。如果不太精確的響應(yīng)也是滿意的，則可以使用例如僅涉及兩相區(qū)域的過熱氣體區(qū)域的簡(jiǎn)化模型，或者甚至僅僅涉及進(jìn)行絕大部分的熱交換的兩相區(qū)域。
隨后估算的空氣出口溫度可以與測(cè)量的空氣出口溫度進(jìn)行比較，測(cè)量的空氣出口溫度是由溫度傳感器在空氣出口獲得的。當(dāng)熱交換器出現(xiàn)異常時(shí)，將出現(xiàn)明顯的估算誤差，這可用于觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。
盡管這種空氣出口溫度與測(cè)量的溫度進(jìn)行直接比較的方法在一些系統(tǒng)中是方便的且適當(dāng)?shù)模钱?dāng)估算基于熱交換器的能量平衡的假定時(shí)可獲得更穩(wěn)定和可靠的結(jié)果。然而，直接的出口溫度很少是方便的，而且?guī)缀醪辉O(shè)置測(cè)量空氣出口溫度的溫度傳感器，因此存在著對(duì)于替代方法的需求。
冷凝器的能量平衡可以表述為Q·Air=Q·Ref---(9)]]>其中 是每單位時(shí)間由空氣獲得的熱量，即傳遞給空氣的熱流率， 是每單位時(shí)間從制冷劑排散的熱量，即由制冷劑傳出的熱流率。
用于建立制冷劑的熱流率 即每單位時(shí)間從制冷劑排散的熱量的依據(jù)是以下等式Q·Ref=m·Ref(hRef,in-hRef,out)---(10)]]>其中 是制冷劑的質(zhì)量流量。hRef，out是制冷劑在冷凝器出口的比焓，hRef，in是制冷劑在冷凝器入口的比焓。制冷劑的比焓是制冷劑的物質(zhì)特性和狀態(tài)特性，并且可確定比焓。制冷劑的制造商可以提供對(duì)于制冷劑的如圖5所示的類型的log p，h圖，其中大致示出了制冷系統(tǒng)的熱力循環(huán)。從I到II，制冷劑氣體在壓縮機(jī)中壓縮，從II到III，制冷劑在冷凝器中從過熱氣體狀態(tài)冷卻到冷凝狀態(tài)并進(jìn)一步冷卻到過冷液體狀態(tài)。從III到IV，制冷劑在膨脹裝置中膨脹成低壓，其中制冷劑以液態(tài)和氣態(tài)的混合形式存在。從IV到I，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)被加熱，以便在點(diǎn)I處進(jìn)入壓縮機(jī)，該制冷劑是完全氣態(tài)的。
借助該圖，可以建立在冷凝器兩側(cè)的比焓差。例如為了借助log p，h圖來建立hRef，in，只是必需已知在冷凝器入口的制冷劑的溫度和壓力(分別為TRef，in和PCond)。這些參數(shù)可以借助溫度傳感器和壓力傳感器來測(cè)量。
類似地，為了建立在冷凝器出口的比焓，需要兩個(gè)測(cè)量數(shù)值在冷凝器出口的制冷劑溫度(TRef，out)和在冷凝器出口的壓力(PCond)，它們可以分別用溫度傳感器和壓力傳感器來測(cè)量。
為了代替log p，h圖，當(dāng)然還可以使用圖表和表格的數(shù)值，這可以利用處理器來簡(jiǎn)化計(jì)算。制冷劑制造商通常還可提供用于制冷劑的狀態(tài)的等式，以便可進(jìn)行直接的計(jì)算。
通過只是假定在進(jìn)入膨脹裝置的位置處是液相的制冷劑，可建立制冷劑的質(zhì)量流量。在具有電子控制的膨脹閥的制冷系統(tǒng)中，當(dāng)膨脹閥兩側(cè)的絕對(duì)壓力差和在膨脹閥入口處的過冷度(TV，in)是已知的時(shí)，例如通過使用脈沖寬度調(diào)制，可以基于膨脹閥的孔口通道和/或打開時(shí)間段在理論上確定制冷劑質(zhì)量流量。類似地，在使用具有公知的開口通道例如固定孔板或毛細(xì)管的膨脹裝置的制冷系統(tǒng)中可建立制冷劑質(zhì)量流量。在絕大多數(shù)系統(tǒng)中，上述參數(shù)已經(jīng)是已知的，這是由于測(cè)量壓力的壓力傳感器設(shè)置在冷凝器3中。在許多情況下，過冷度是大致恒定的，并且較小且可以估算，因此不需要進(jìn)行測(cè)量。隨后可以借助閥特征、壓力差、過冷度、和閥開口通道和/或打開時(shí)間段來計(jì)算流經(jīng)膨脹閥的制冷劑質(zhì)量流量。對(duì)于許多的脈沖寬度調(diào)制的膨脹閥，所發(fā)現(xiàn)的是對(duì)于恒定的過冷度，理論的制冷劑質(zhì)量流量基本上與閥之前和之后的絕對(duì)壓力差和打開時(shí)間段成比例。在這種情況下，理論的制冷劑質(zhì)量流量可以依據(jù)以下的等式來計(jì)算m·Ref=kexp·(Pcond-PEvap)·OP---(11)]]>其中PCond是冷凝器中的絕對(duì)壓力，PEvap是蒸發(fā)器中的壓力，OP是打開時(shí)間段，kExp是比例常數(shù)，其取決于該膨脹閥和過冷度。在一些情況下制冷劑的過冷度非常大，以至于必需測(cè)量該過冷度，這是流經(jīng)膨脹閥的制冷劑受到過冷度的影響。然而在大多數(shù)情況下，只需要建立在閥之前和之后的絕對(duì)壓力和開口通道和/或打開時(shí)間段的數(shù)值，這是因?yàn)檫^冷度較小并且基本上是常數(shù)，并且隨后可以在閥特征或比例常數(shù)中涉及到過冷度，并且另一可能性是基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)值來建立來自壓縮機(jī)的質(zhì)量流量，該經(jīng)驗(yàn)數(shù)值例如是由壓縮機(jī)的制造商提供的數(shù)據(jù)和壓縮機(jī)之前和之后的絕對(duì)壓力。
類似地，依據(jù)以下等式可以建立空氣的熱流率 即每單位時(shí)間由空氣獲得的熱量，Q·Air=m·Air(hAir,out-hAir,in)---(12)]]>其中 是每單位時(shí)間的空氣質(zhì)量流量，hAir，in是在進(jìn)入冷凝器之前空氣的比焓，hAir，out是空氣在冷凝器之后的比焓。
空氣的比焓可以基于以下等式來計(jì)算
hAir＝1.006·t+x(2501+1.8·t)，[h]＝kJ/kg (13)其中t是空氣的溫度，即在冷凝器之前的溫度hAir，in和在冷凝器之后的溫度hAir，out。X表示空氣的絕對(duì)濕度?？諝獾慕^對(duì)濕度可基于以下等式來計(jì)算x=0.62198·PWPAmb-PW---(14)]]>其中Pw是在空氣中的水蒸氣的分壓力，PAmb是空氣壓力。PAmb可以是測(cè)量的或者可簡(jiǎn)單地使用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓與真實(shí)壓力之間的偏差在計(jì)算每單位時(shí)間由空氣獲得的熱量中不是非常重要的。水蒸氣的分壓力借助空氣的相對(duì)濕度和飽和水蒸氣壓力來確定，并且可基于以下等式來計(jì)算pW＝pW，Sat·RH (15)其中RH是空氣的相對(duì)濕度，Pw，Sat是水蒸氣的飽和壓力。Pw，Sat僅取決于溫度，并且可以在熱力參考手冊(cè)中查找?？諝獾南鄬?duì)濕度可進(jìn)行測(cè)量，或者可在該計(jì)算中使用典型數(shù)值。當(dāng)?shù)仁?10)和(12)設(shè)定為相等時(shí)，在等式(9)中意味著發(fā)現(xiàn)以下等式m·Air(hAir,out-hAir,in)=m·Ref(hRef,in-hRef,out)---(16)]]>從其中可分離出 從而獲得空氣質(zhì)量流量 m·Air=m·Ref·(hRef,in-hRef,out)(hAir,out-hAir,in)---(17)]]>假定空氣流是無錯(cuò)誤的，該等式可以用于估算該系統(tǒng)的運(yùn)行。在許多情況下，推薦在該系統(tǒng)中記錄空氣質(zhì)量流量。作為示例，該空氣質(zhì)量流量記錄為在特定時(shí)間段內(nèi)的平均值，在該時(shí)間段內(nèi)制冷系統(tǒng)在穩(wěn)定和無錯(cuò)誤的運(yùn)行狀況下工作。該時(shí)間段可以例如是100分鐘。該估算的空氣質(zhì)量流量認(rèn)為是在穩(wěn)定和無錯(cuò)誤的運(yùn)行狀況下的平均值，其表示為 特定的困難在于以及事實(shí)，即來自不同傳感器(溫度計(jì)、壓力傳感器)的信號(hào)具有明顯的偏差。這些偏差處于相反的相位，因此可獲得估算的空氣出口溫度或能量平衡，這在分析中提出了特定的困難。這些偏差或波動(dòng)是制冷系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)條件引起的。因此有利的是，基于依據(jù)等式(9)的能量平衡，有規(guī)則地例如每分鐘一次建立一在以下表示為“余量”的數(shù)值r=Q·Air-Q·Ref---(18)]]>因此基于等式(10)和(12)，余量可確定為r=m·‾Air(hAir,Out-hAir,In)-m·Ref(hRef,In-hRef,Out)---(19)]]>其中 是估算的空氣質(zhì)量流量，其按上述方式建立，即作為在無錯(cuò)誤運(yùn)行的時(shí)間段內(nèi)的平均值。另一可能性是假定 是恒定常數(shù)，其可以在具有恒定工作的風(fēng)扇的冷凝器的非常簡(jiǎn)單的示例中來建立。甚至在具有可變流動(dòng)能力的系統(tǒng)中，例如具有多個(gè)可獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)扇的系統(tǒng)，或者在設(shè)置一個(gè)或多個(gè)例如使用變頻器以便變速運(yùn)行的風(fēng)扇的系統(tǒng)中，可建立該質(zhì)量流量的清楚的估算值。該估算的質(zhì)量流量可以通過建立導(dǎo)電連接的風(fēng)扇的數(shù)量來獲得，即多少風(fēng)扇被連接，和/或風(fēng)扇的速度，由此建立所連接的風(fēng)扇的流量，例如通過使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。
該估算的空氣出口溫度可以類似地求解，即提供作為估算的空氣出口溫度與預(yù)定的空氣出口溫度之間的差值。該預(yù)定的空氣出口溫度可以直接測(cè)量或者作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值而獲得。
在無錯(cuò)誤運(yùn)行的制冷系統(tǒng)中，余量r的平均值為零，但是其可以具有相當(dāng)大的偏差。為了早期檢測(cè)到故障，該故障表示為余量的趨勢(shì)，假定對(duì)于余量r記錄的數(shù)值在平均值附近形成高斯分布并且是獨(dú)立的，無論制冷系統(tǒng)是無錯(cuò)誤地運(yùn)行或出現(xiàn)錯(cuò)誤與否。
在原則上，余量應(yīng)當(dāng)為零，無論在系統(tǒng)中存在故障與否，這是因?yàn)槟芰渴睾饣蚰芰科胶舛ɡ淼挠篮愕摹．?dāng)不屬于以上等式的情況時(shí)，正是因?yàn)樵谙到y(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，不能實(shí)現(xiàn)使用該等式的先決條件。
在冷凝器表面出現(xiàn)結(jié)垢的情況下，導(dǎo)熱率改變，因此α變小幾倍。這在計(jì)算中沒有考慮到，因此在等式中使用的空氣的估算熱流率 明顯大于實(shí)際情況。對(duì)于制冷劑的熱流率 計(jì)算是正確的(假定是正確的)，這意味著對(duì)于在熱交換器兩側(cè)的制冷劑的熱流率 而言所計(jì)算的數(shù)值等于實(shí)際情況的制冷劑的熱流率。因此在冷凝器表面出現(xiàn)結(jié)垢的情況下余量的平均值是正的。
在出現(xiàn)導(dǎo)致流經(jīng)冷凝器的空氣減少的故障的情況下(風(fēng)扇故障或者例如污物覆蓋了熱交換器的空氣入口)，空氣的質(zhì)量流量小于在計(jì)算中所使用的空氣質(zhì)量流量 的估算數(shù)值。這意味著在計(jì)算中使用的空氣的熱流率大于實(shí)際情況的空氣的熱流率，即每單位時(shí)間由空氣排散的熱量小于預(yù)期。(假定制冷劑的熱流率是正確的)其結(jié)果為在出現(xiàn)導(dǎo)致經(jīng)過冷凝器的空氣流減小的故障的情況下余量是正的。
為了濾掉余量信號(hào)的任何波動(dòng)和震蕩，借助研究該余量來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算。
通過依據(jù)以下等式來計(jì)算異常指示從而進(jìn)行該研究 其中Sμ，i是依據(jù)以下等式計(jì)算得出的sμ,i=ci(ri-μ0+μ2)---(21)]]>其中c1是比例常數(shù)，μ0是第一敏感數(shù)值，μ是第二敏感數(shù)值，并且是正的。
在等式(20)中，當(dāng)然可預(yù)先假定異常指示Sμ，i即在時(shí)間第一點(diǎn)設(shè)定為零。對(duì)于時(shí)間上的后一點(diǎn)，依據(jù)等式(21)使用Sμ，i，并且該數(shù)據(jù)和在時(shí)間上的前一點(diǎn)的異常指示Sμ，i的總和可計(jì)算。當(dāng)該總和大于零時(shí)，該異常指示設(shè)定為該新的數(shù)值。當(dāng)該總和等于或小于零時(shí)，該異常指示設(shè)定為零。在最簡(jiǎn)單的情況下，μ0設(shè)定為零。μ是選定的數(shù)值，其例如建立出現(xiàn)的故障。該參數(shù)μ是每隔多久接收關(guān)于熱交換器異常檢測(cè)的故障信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)例如出現(xiàn)故障時(shí)，其中冷凝器的空氣入口被例如樹葉覆蓋，隨后異常指示增長(zhǎng)，這是由于周期性記錄的Sμ，i的數(shù)值的平均值大于零。當(dāng)異常指示達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)，促動(dòng)報(bào)警，該報(bào)警表示空氣質(zhì)量流量減小。如果μ選擇的數(shù)值越大，則發(fā)生的故障報(bào)警越少，但是這存在降低檢測(cè)故障的靈敏度的風(fēng)險(xiǎn)。
依據(jù)等式(20)和(21)的過濾運(yùn)算的原理借助圖7和8來描述，基于由能量平衡即基于等式(18)獲得的余量來使用過濾。在圖7中，時(shí)間以分鐘在X軸上表示，余量r在Y軸上表示。圖7示出了故障的出現(xiàn)，其中商店的冷凝器在t＝2900分鐘時(shí)突然結(jié)垢。然而，可以看出信號(hào)非常明顯地波動(dòng)和變化，這使得估計(jì)較困難，在大約t＝5500分鐘之前問題的存在不明顯。
在圖8中示出了借助等式(20)的異常指示來進(jìn)行圖7的數(shù)據(jù)的過濾，時(shí)間以分鐘在X軸上表示，異常指示S在Y軸上表示。可以看出，熱交換器在大約t＝2900分鐘之前正常地運(yùn)行，當(dāng)結(jié)垢突然發(fā)生之后，異常指示S出現(xiàn)。這可容易地在圖8的放大圖即圖9中看到。在圖9中，在大約t＝2900分鐘時(shí)的異?？梢酝ㄟ^使用異常指示S與所使用的余量或空氣出口溫度來比較從而容易地檢測(cè)到。
該裝置的另一優(yōu)點(diǎn)在于，在對(duì)于制冷系統(tǒng)不進(jìn)行任何主要影響的情況下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任何的制冷系統(tǒng)或熱泵系統(tǒng)進(jìn)行改裝。該裝置使用來自傳感器的信號(hào)，該傳感器通常已經(jīng)設(shè)置在制冷系統(tǒng)中，或者可以以非常低的成本來改裝該傳感器。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)熱交換器(3、5)的異常的方法，該熱交換器在流經(jīng)管道(6)的第一流體流(7)與沿流動(dòng)路徑(9)流動(dòng)的第二流體流(8)之間進(jìn)行熱交換，該管道(6)和該流動(dòng)路徑(9)均具有入口和出口，其特征在于包括以下步驟建立至少一個(gè)代表該熱交換器(3、5)的溫度狀況的參數(shù)；建立第二流體入口溫度；建立代表該熱交換器與該第二流體之間的預(yù)期熱交換的參數(shù)；處理該熱交換器溫度、該第二流體溫度、和該代表預(yù)期熱交換的參數(shù)，以便建立估算的第二流體出口溫度；使用該估算的第二流體出口溫度，以便通過將該估算的第二流體出口溫度或由其導(dǎo)出的參數(shù)與基準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比較，從而求解該第一流體與該第二流體之間的熱交換。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該基準(zhǔn)數(shù)值是預(yù)定的第二流體出口溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用該估算的第二流體出口溫度以建立該第二流體的第二熱流率，以便相對(duì)于該第一流體的第一熱流率求解該第二流體的第二熱流率的能量平衡。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過以下方式建立該第二流體的第二熱流率，即基于該估算的第二流體出口溫度和第二流體入口溫度以及冷凝壓力來建立第二流體質(zhì)量流量的估算值和該第二流體在熱交換器兩側(cè)的比焓變化。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，通過以下方式建立該第一熱流率，即基于代表第一流體入口和出口溫度的參數(shù)來建立該熱交換器兩側(cè)的第一流體的比焓變化。
6.如權(quán)利要求3-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，建立作為該第一熱流率與該第二熱流率之間的差值的余量。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，建立作為該估算的與該預(yù)定的第二流體出口溫度之間的差值的余量。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，借助該余量提供異常指示，該異常指示是依據(jù)以下公式獲得的 其中Sμ，i是依據(jù)以下等式計(jì)算得出的sμ,i=c1(ri-μ0+μ2)----(21)]]>其中ri余量c1比例常數(shù)μ0第一敏感數(shù)值μ第二敏感數(shù)值。
9.一種用于熱交換器(3、5)的熱交換器異常檢測(cè)裝置，該熱交換器在流經(jīng)管道(6)的第一流體流(7)與沿流動(dòng)路徑(9)流動(dòng)的第二流體流(8)之間進(jìn)行熱交換，其特征在于，該裝置包括估算熱交換器溫度的第一估算器，存儲(chǔ)該熱交換器溫度的第一中間存儲(chǔ)器裝置，測(cè)量該第二流體入口溫度的溫度傳感器，存儲(chǔ)該第二流體入口溫度的第二中間存儲(chǔ)器裝置，建立代表該熱交換器(3、5)與該第二流體(8)之間的預(yù)期熱交換的參數(shù)的第二估算器，存儲(chǔ)代表該預(yù)期熱交換的該參數(shù)的第三中間存儲(chǔ)器裝置，基于分別來自該第一中間存儲(chǔ)器裝置和該第二中間存儲(chǔ)器裝置的熱交換器溫度和該第二流體入口溫度以及來自該第三中間存儲(chǔ)器裝置的該代表預(yù)期熱交換的參數(shù)從而建立估算的第二流體出口溫度的處理器，以及將該估算的第二流體出口溫度或由其基礎(chǔ)建立的參數(shù)與基準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比較的比較器。
10.如權(quán)利要求9所述的檢測(cè)裝置，其特征在于，該檢測(cè)裝置還包括用于存儲(chǔ)至少一個(gè)來自該處理器的參數(shù)的存儲(chǔ)器裝置。
11.如權(quán)利要求9或10所述的檢測(cè)裝置，其特征在于，該熱交換器(3、5)是蒸氣壓縮制冷或熱泵系統(tǒng)(1)的一部分，該系統(tǒng)包括壓縮機(jī)(2)、冷凝器(3)、膨脹裝置(4)、和蒸發(fā)器(5)，它們由管道(6)互連以便提供用于第一流體(7)的流動(dòng)回路，該第一流體(7)是制冷劑。
12.如權(quán)利要求11所述的檢測(cè)裝置，其特征在于，該熱交換器(3、5)是冷凝器(3)。
13.如權(quán)利要求9-12中任一項(xiàng)所述的檢測(cè)裝置，其特征在于，該第二流體是空氣。
14.如權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)所述的檢測(cè)裝置，其特征在于，該冷凝器(3)是位于建筑物內(nèi)的冷藏柜的一部分，并且該冷凝器(3)位于建筑物的外側(cè)。
15.一種如權(quán)利要求9-14中任一項(xiàng)所述的檢測(cè)裝置的使用，其特征在于，該檢測(cè)裝置用于檢測(cè)該熱交換器(3、5)的結(jié)垢和/或檢測(cè)該第二流體(8)的不充分流動(dòng)。
全文摘要
一種用于檢測(cè)熱交換器(3、5)的異常的方法和裝置，該熱交換器在流經(jīng)管道(6)的第一流體流(7)與沿流動(dòng)路徑(9)流動(dòng)的第二流體流(8)之間進(jìn)行熱交換，該管道(6)和該流動(dòng)路徑(9)均具有入口和出口，該方法包括以下步驟建立至少一個(gè)代表該熱交換器(3、5)的溫度狀況的參數(shù)；建立第二流體入口溫度；建立代表該熱交換器與該第二流體之間的預(yù)期熱交換的參數(shù)；處理該熱交換器溫度、該第二流體溫度、和該代表預(yù)期熱交換的參數(shù)，以便建立估算的第二流體出口溫度；使用該估算的第二流體出口溫度，以便通過將該估算的第二流體出口溫度或由其導(dǎo)出的參數(shù)與基準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比較，從而求解該第一流體與該第二流體之間的熱交換。
文檔編號(hào)G01M99/00GK1705868SQ200380101440
公開日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2003年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月15日
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