高效操作的冷却系统的制作方法

1.本发明涉及一种冷却系统，以及一种操作冷却系统的方法。更具体地，本发明涉及氨制冷剂在蒸发器中蒸发的冷却系统。


背景技术：

2.在1997年3月23日至26日于新奥尔良举行的iiar第19届年度会议上由l.m.jessen展现的“use of pulse width modulated valves in industrial refrigeration(脉宽调制阀在工业制冷中的应用)”中，描述了自动控制制冷剂喷射至液体过量进给的泵再循环系统上的空气单元中。使用空气冷却器上的加热型温度传感器、空气温度传感器和压力变送器作为电子控制器的输入。控制器持续管理将制冷剂喷射至空气单元中的脉宽调制阀的调制。为了确保循环比率大于一，加热型温度传感器被放置在具有最高热负荷的管回路(例如，在具有水平空气流和竖直制冷剂流的蒸发器上在进入空气流中的管回路)的出口上。当液体存在于管中时，来自传感器的热通过制冷剂蒸发被移除。如果在管中没有液体，则管温度升高。控制器原理是基于当传感器检测到高于饱和温度的温度时，喷射阀的逐渐打开。
3.gb
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a
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2157447 a披露了一种热交换装备，诸如制冷器。压缩机将气态制冷剂经压力导管输送到冷凝器中。液化的制冷剂穿过蒸发器中的膨胀阀。引回到压缩机的吸入导管连接至蒸发器的出口。测量设备检测吸入导管是否包含干制冷剂，或者制冷剂是否仍然包含液体成分以及水分的程度如何。测量设备作用于用于控制膨胀阀的开关设备上。一旦流经吸入导管的制冷剂包含液体，膨胀阀就关闭直到再次有干制冷剂为止。膨胀阀也可以由制冷剂中存在的水分的程度来控制。
4.ep
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a
‑
1744113披露了一种制冰机，该制冰机包括蒸发器、压缩机和冷凝器。在冷冻循环中，制冷剂经由压缩机和冷凝器被供应到蒸发器并且经由返回管线返回到压缩机。在收获循环中，制冷剂流经返回管线来对蒸发器进行除霜以收获冰。
5.de
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1055018披露了一种用于调节制冷机的方法，其中制冷剂以液态进入蒸发器并且蒸发器中的液位根据负荷而变化。在蒸发器的出口处，测量制冷剂的液相和蒸气相的质量比率，并且根据测得的比率调整进入蒸发器的制冷剂的量。制冷剂流动穿过由具有高热传导阻力的材料(诸如塑料材料)制成的管。加热元件被设置在温度传感器与管的壁之间。利用恒定的加热功率实现加热并且测量温度。
6.ep
‑
a
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0680589披露了适用于检测和控制制冷系统中工作流体的特性和质量流量的控制设备，所述制冷系统包括压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器，所有这些都连接在具有工作流体的流体回路中。膨胀阀优选地以线性比例螺线管致动阀的形式实现。在热传递系统的正常操作中，蒸发器出口品质优选地通过改变穿过螺线管阀的流速而被调节到接近100％气体。包括热敏电阻器的品质传感器在自加热模式期间检测品质。当热敏电阻器被加热时，它达到预定温度，该预定温度是离开蒸发器的工作流体中液体百分比的函数。如果不存在液体，则热敏电阻器温度将至少是由通过它的电流引起的设定点温度。如果蒸气过热，则热敏电阻器将检测到温度过高，并且将导致螺线管阀打开更多，以便增大质量流量。如果
蒸气品质为小于100％气体，则液滴会将热敏电阻器冷却到其设定值以下，并且导致螺线管阀关闭更多，从而减小质量流量。


技术实现要素：

7.提出一种允许可靠且高效操作的冷却系统及其操作方法可以被认为是一个目的。
8.此目的通过根据权利要求1的冷却系统和根据权利要求12的方法来实现。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。
9.根据本发明，提供了一种直接膨胀冷却回路，其至少包括压缩机、冷凝器和蒸发器。压缩机被设置成压缩氨蒸气。(应注意的是，术语“蒸气”和“气体”在本文中可互换使用以表示处于气态的制冷剂)。冷凝器被设置成冷凝氨蒸气以获得液氨。蒸发器被设置成蒸发液氨。
10.由于冷却系统的类型为直接膨胀(dx)冷却系统，因此蒸发器被设置和操作成使得氨制冷剂在蒸发器中完全(或几乎完全)蒸发。为了确定如此高的蒸发程度，已知的直接膨胀冷却系统以相当大的过热量操作，即在蒸发器内，制冷剂吸收比蒸发所需更多的热，使得制冷剂至少在蒸发器的某些部分中达到高于饱和温度的温度。这种过热可以例如通过增大蒸发器表面和温度差中的一者或两者来获得。然而，这两种措施对效率以及操作和/或安装成本具有不利影响。
11.在根据本发明的冷却系统中，在蒸发器的至少一部分与压缩机之间的导管处布置了过热蒸气品质传感器。术语“至少一部分”包括：传感器可以安装在例如距蒸发器一定距离的导管处、直接安装在蒸发器处、或者甚至安装在蒸发器内，诸如安装在蒸发器管件的一部分上。传感器可以特别地被布置在将蒸发的制冷剂从蒸发器传导离开而进入压缩机方向的返回管线处。从优选实施例中将变得清楚的是，蒸发器与压缩机之间的连接不必是直接的，而是例如可以在两者之间布置蓄积器以将可能剩余的液体制冷剂与蒸气分离。
12.过热蒸气品质传感器被设置成递送传感器信号s，该传感器信号指示流经布置有该传感器的导管的制冷剂的过热蒸气品质值x。
13.术语“过热蒸气品质”在此用于表示制冷剂介质的参数，该参数指示气体和液体的质量分数以及过热量两者。“过热蒸气品质”与已知“蒸气品质”相关，但是延伸至过热范围。
14.对于存在于气/液相混合物中的饱和介质，术语“蒸气品质”表示代表作为气体(蒸气)的介质的质量分数的值。如果介质仅由饱和液体组成，蒸气品质值为0％。如果流仅由饱和温度下的气体组成，则蒸气品质值为100％。对于一部分存在于气相中而另一部分存在于液相中的饱和介质，蒸气品质值将在0％与100％之间。
15.在过热状况下，介质的温度高于饱和温度，并且介质将仅由气体组成。
16.在此通过“过热蒸气品质”表示一个值，该值包括关于蒸气品质和过热量两者的信息。“过热蒸气品质”等于蒸气品质值高达100％时的蒸气品质。如果介质过热，则“过热蒸气品质”值x高于100％，其中较高值指示较高的过热量。
17.蒸气品质x
q
可以被表示为
18.x
q
＝(h
‑
h
液
)/(h
气
‑
h
液
)，
19.其中x
q
为蒸气品质，h为焓，并且h
液
≤h≤h
气
。接着，也延伸到过热区域中的过热蒸气品质x
s
可以表示为
20.x
s
＝(h
‑
h
液
)/(h
气
‑
h
液
)。
21.因此，在此用于x
s
＞100％的过热蒸气品质x
s
表示存在的过热量。
22.以上定义完全适用于包含在容器中处于平衡(稳态)的介质。如果介质正在导管内流动，则液体与气体之间的关系可能不处于平衡，使得例如气体可能稍微过热，而液体颗粒仍然存在。利用如上文定义的过热蒸气品质x
s
，对于过热气体和液体颗粒的混合物，在稳态条件下总能量可以对应于例如x
s
＝100％。
23.这反映在传感器信号s中，该传感器信号指示甚至在过热区域中的过热蒸气品质x
s
，即这指示对于x
s
＞100％的过热量。
24.根据本发明，过热蒸气品质传感器包括加热元件和温度感测元件。过热蒸气品质传感器被布置成与导管(例如，管或管件)的壁热接触。指示流经导管34的制冷剂的过热蒸气品质x
s
的传感器信号s是根据温度感测元件52的输出获得。
25.过热蒸气品质传感器的加热元件被提供用于供应热，并且可以特别地是电加热元件，比如具有已知电阻的欧姆加热元件。可以提供诸如电驱动电路等操作元件来向加热元件供应加热功率。
26.温度感测元件可以是任何类型，优选地用于供应指示温度或温度变化的电信号。特别地，温度感测元件可以是例如热电偶或电阻温度检测器(rtd)，比如pt100元件。
27.加热元件和温度感测元件被热耦合至导管的壁。尽管导管壁可以是允许一定量热传导的任何材料，但是金属材料是优选的，特别是铜和/或铝。加热元件、温度感测元件和邻接的导管壁的热耦合优选非常紧密，使得它们呈现相同的温度，没有或只有最小的温度梯度。
28.过热蒸气品质传感器可以称为加热型温度传感器。基本的传感器原理是基于导管内的介质对热的吸收。介质与内导管壁热接触并且在存在温度差的情况下将从中吸收热。除了温度差之外，还取决于与内导管壁直接接触的介质的相，热吸收速率将有所不同。如果大量的液体介质与内壁接触，则热将被介质高速吸收，而如果内壁是“干的”，即仅与蒸气接触，则热吸收速率将是低的。因此，热吸收将根据介质的过热蒸气品质x
s
而变化。
29.如将在下文更详细解释的，特别是参考优选实施例，根据本发明使用的类型的传感器(即加热型温度传感器)已经令人惊讶地证明，即使在根据本发明的直接膨胀冷却系统中的传感器位置处最普遍的过热条件下也提供可靠的传感器信号。
30.优选地，加热元件可以被设置和/或操作成随着时间递送恒定量的热。随着热从加热元件以恒定的速率供应并且被传导穿过导管壁，将建立平衡温度，该平衡温度将根据介质吸收热的速率并因此根据其过热蒸气品质x
s
而变化。
31.可以提供处理装置，其被设置成基于温度感测元件的输出来递送传感器信号s。传感器信号可以以任何形式(例如作为数字或模拟电信号、特别是电压信号或电流信号)递送。这种处理装置可以被提供在传感器内、靠近传感器、或远离传感器。它们可以被连接成例如通过直接电连接或任何其他类型的信号传输而接收温度感测元件的输出。
32.传感器可以以不同的方式进行操作。虽然优选的是随时间供应恒定量的热，但是加热元件也可以例如通过供应热爆发来进行操作，使得可以观察到温度感测元件的结果输出的变化。此外，传感器可以在不同的温度和/或功率水平下进行操作。在优选实施例中，加热元件可以被设置和/或操作成提供的热量使得热值除以传感器与导管壁之间的接触面积
是小于或等于0.2w/mm2。
33.可以提供处理装置，其优选地包括电子电路并且可以包括微处理器或微控制器，该微处理器或微控制器被编程以处理温度感测元件的输出以递送传感器信号。对输出的处理可以包括任何类型的信号处理，包括处理步骤，这些处理步骤包括进一步的输入，诸如附加信号或数据。例如，传感器信号可以直接反映温度感测元件的输出。在优选实施例中，传感器信号可以通过计算该输出与参考值(比如参考温度)之间的差来得出，该参考温度可以是导管内介质的饱和温度。
34.由过热蒸气品质传感器递送的传感器信号s指示过热蒸气品质，过热蒸气品质应理解为，可以从传感器信号s获得关于过热蒸气品质值x
s
的信息。这可以包括，可以基于传感器信号s以及可能的其他参数来计算或以其他方式推导出过热蒸气品质值x
s
。然而，如果传感器信号对蒸气品质值x具有可确定的依赖性，则传感器信号指示过热蒸气品质可能就足够了，或反之亦然。例如，传感器信号可以指示过热蒸气品质值x的变化量和/或变化方向，即它是增大还是减小。优选地，传感器信号可以对过热蒸气品质x
s
具有严格单调的依赖性。结合优选实施例将变得清楚的是，可能没有必要从传感器信号实际获得具体的过热蒸气品质值来推导出关于制冷剂的信息，或者基于制冷剂状态来实现控制。
35.由于过热蒸气品质传感器的提供，关于冷却系统的操作状态的信息是容易获得的，从而允许监控操作。从传感器信号获得的信息还允许验证冷却系统的正确尺寸。在优选实施例中，传感器信号s可以用于控制冷却系统的操作。
36.在一个实施例中，可以提供可控蒸发器入口阀，其连接至至少一个蒸发器的入口，使得可以控制供应到蒸发器的制冷剂的质量。例如，蒸发器入口阀的开口程度可以是可控的，以控制制冷剂穿过阀的流动，该阀可以是例如螺线管阀或马达控制阀。
37.可以提供控制器装置，其被设置成根据指示过热蒸气品质值x
s
的传感器信号s来控制蒸发器入口阀。
38.基于传感器信号、特别是通过控制蒸发器入口阀来控制dx氨冷却系统允许优化操作，这可以有助于改善效率。特别地，即使在负荷变化的条件下，也可以在保持高蒸发程度的同时减小过热量。如结合优选实施例将变得清楚的，利用来自过热蒸气品质传感器的传感器信号使得能够将操作范围扩展到两相区域。
39.根据本发明，过热蒸气品质传感器被提供在导管的水平布置部分处。如将参照示例性实施例更详细地解释的，导管的取向对介质的液体和蒸气成分的空间分布具有显著影响。液体成分将倾向于聚集在导管的底部部分中。
40.通过传感器在导管的壁上的相应放置，利用这种已知的不均匀性来选择期望的传感器灵敏度。
41.虽然布置在导管顶部(即与导管壁的顶部部分接触)的传感器对于过热蒸气品质的较低值具有高灵敏度，但是因为在内部的上部导管壁处的液体量将是最小的，所以本发明允许通过将传感器布置在导管的水平布置部分的壁上、在较低位置(即与竖直向上方向形成大于120
°
的角度)中来实现不同的灵敏度。与其他传感器取向相比，这将获得针对过热蒸气品质的更高值的更好区分的传感器信号。
42.由于根据本发明的直接膨胀系统优选地在过热范围内进行操作，即在过热蒸气品质的相当高的值下进行操作，因此传感器优选地至少基本上布置在底部位置中，例如与向
上竖直方向成大于135
°
、优选地大于150
°
、特别是170
°
或更大的角度。这样，尽管传感器对于低于100％的过热蒸气品质低值可能具有低灵敏度，但是传感器信号s将在过热范围内呈现适当的变化。
43.因此，传感器的优选布置适于提供指示在导管内流动的制冷剂的过热蒸气品质的传感器信号。传感器可以被安装至导管的外侧，使得它可以容易地安装到例如现有的管道而不需要打开导管。由于安装有传感器的导管部分的水平布置，可以通过将传感器布置在较低位置来选择期望的灵敏度。
44.在本发明的优选实施例中，可以在直接膨胀冷却回路内提供蓄积器。蓄积器可以被布置成接纳在蒸发器内、即在蒸发器与压缩机之间蒸发的制冷剂。蓄积器优选地被设置成例如在底部部分蓄积氨制冷剂的液体部分。压缩机可以连接至蓄积器的顶部部分，使得只有蒸气被供应到此。在特别优选的实施例中，蓄压器可以被布置成与布置在冷凝器与蒸发器之间的导管(即，传导冷凝的并因此被加热的制冷剂的导管)热接触。导管可以包括被设置在蓄积器内的加热螺旋，以确保与蓄积器内的液体制冷剂的一部分的良好热耦合。替代性地，也可以使用其他分离方法，如热交换器，以避免任何液滴被带入压缩机中。
45.可能特别优选的是提供控制器装置，该控制器装置被配置为响应于指示较低蒸气品质值的传感器信号通过例如减小蒸发器入口阀的开口而减小制冷剂的质量流量，并且响应于指示较高蒸气品质值的传感器信号通过例如增大蒸发器入口阀的开口而增大制冷剂的质量流量。较高蒸气品质值和较低蒸气品质值可以例如相对于一个或多个参考值、阈值或预定设定点来确定。
46.控制可以基于例如具有蒸发器入口阀开口的参考设置和/或参考传感器信号水平的操作点。如果传感器信号偏离参考传感器信号，则可以根据控制策略来调整入口阀开口。控制器装置可以采用任何合适的控制策略，比如比例控制、积分控制和/或微分控制。优选的可以是pid控制器。
47.在蒸发器中，制冷剂可以横越蒸发器管，这些蒸发器管具有暴露于空气流的至少第一部分。传感器可以布置在蒸发器管之一上。虽然原则上可能的是将传感器布置在蒸发器管之一上、在暴露于空气流的第一部分内的位置中，但是它优选地被布置在其位于空气流之外的第二部分处。
48.在具有例如彼此平行布置的多个蒸发器管的蒸发器中，各个蒸发器管的热负荷例如由于它们相对于空气流的布置而通常有所不同。数个平行蒸发器管中的至少一个将在整个蒸发器中具有最低热负荷。这被理解为是指位于蒸发器的平行管的所有出口中过热蒸气品质为最低的出口中的管。当从足够过热的操作点开始降低通到蒸发器的质量流量时，可以通过观察平行蒸发器管的所有出口中的过热蒸气品质来识别最小负荷管，其中所有管的出口处的过热蒸气品质高于100％。随着制冷剂的质量流量不断降低，可以识别最小负荷管，因为它是第一个显示100％的过热蒸气品质值的管。可能优选的是将传感器布置在该蒸发器管上，因为在直接膨胀冷却系统中，需要制冷剂完全或接近完全蒸发，并且其他蒸发器管件中的过热蒸气品质通常将会高于布置有传感器的最小负荷管件中的过热蒸气品质。特别地，传感器可以优选地被布置在蒸发器管的出口处或附近。替代性地，传感器可以被布置在共用的蒸发器出口导管上。
49.过热蒸气品质传感器可以根据参考温度与由温度感测元件测量的温度之间的差
来提供传感器信号s。参考温度可以是饱和温度。可以测量和/或计算参考温度。具体地，可以布置参考温度传感器以测量导管内的制冷剂的温度，和/或可以布置压力传感器以测量蒸发的制冷剂的压力。
50.在优选实施例中，传感器可以包括由金属材料制成的传感器主体。加热元件和温度感测元件可以被布置成与传感器主体热接触。通过提供传感器主体，特别优选的是大件的金属，优选的是铜和/或铝或其他导热非常好的金属，改善了温度感测元件、加热元件和导管壁的热耦合。在特别优选的实施例中，加热元件和/或温度感测元件可以被嵌入、例如被布置在传感器主体内形成的一个或多个空腔内。加热元件和/或温度感测元件可以被传感器主体的材料包围，从而提供良好的热耦合。
51.传感器可以以不同的方式安装到导管壁，例如优选地通过夹紧，即机械地推动传感器与导管壁直接接触。为了获得良好的耦合，传感器可以包括被成形为与导管壁的外部形状相符的接触部分。特别地，传感器可以包括凹部分，并且导管壁可以被至少部分地接纳在凹部分内。可能的是传感器包括不同形状(比如不同曲率)的多个凹部分，以符合不同形状的导管，例如不同的管件外直径。
52.在优选的实施例中，可以布置热隔绝元件来至少覆盖过热蒸气品质传感器和一部分导管。这种隔绝元件可以减少外部对测量的影响，例如环境温度对测量的影响。
53.虽然安装有传感器的导管部分原则上可以具有任何横截面形状，但是圆形横截面是优选的。
54.虽然可能的是传感器和/或其传感器主体可以接触导管的大部分圆周，并且传感器/传感器主体甚至可以完全包围导管，但是可能优选的是将传感器布置成以小于90
°
、优选45
°
或更小的接触角与导管壁接触。如上文解释的，这允许更准确地选择期望的灵敏度。
附图说明
55.将参照附图描述本发明的实施例，在附图中：
56.图1示出了冷却系统的实施例的示意图；
57.图2a示出了穿过图1的冷却系统的导管的竖直部分的介质流的纵截面图的示意图；
58.图2b、图2c示出了穿过导管的水平部分的介质流的纵截面和横截面的示意图；
59.图3a、图3b、图3c示出了不同类型蒸发器的示意图；
60.图4示出了图1的冷却系统中的传感器布置的透视图；
61.图5示出了图4的传感器布置的纵截面图；
62.图6示出了图4、图5的传感器布置沿图4中a..a剖切的横截面视图；
63.图7示出了图4至图6的传感器布置的一部分的横截面图；
64.图8示出了图4至图6的传感器的温度曲线的图形；
65.图9示出了图4至图6的传感器的传感器信号对蒸气品质值的依赖性的图形；
66.图10示出了传感器信号和过热值对循环率的依赖性的图形；
67.图11示出了传感器布置的替代性实施例。
具体实施方式
68.图1示出了冷却系统10的实施例。
69.冷却系统10足以氨作为制冷剂操作的直接膨胀(dx)冷却系统。
70.冷却系统10的冷却回路包括压缩机12，用于压缩包含在吸入蓄积器14的上部部分中的氨蒸气11，该吸入蓄积器被填充有气态氨11和蓄积在底部处的剩余液氨20。从压缩机12获得的压缩氨蒸气13通过导管16被供应至冷凝器18，在该冷凝器处，氨蒸气至少部分地冷凝而作为液氨20收集在收集器22中。
71.热的液氨20通过第一导管24和第二导管28被供应至蒸发器32。第一导管24包括在吸入蓄积器14中的加热螺旋26，用于加热的液体制冷剂，以帮助在此蒸发液氨20。
72.在所示的实例中，冷却系统10包括并联连接的两个相同的蒸发器32。技术人员将意识到，冷却系统10的不同实施例可以包括不同数量的蒸发器32，诸如仅有一个蒸发器或多于两个蒸发器。在下文中，将描述并联连接的蒸发器32中的仅一个。
73.液氨20穿过可控蒸发器入口阀36被供应至蒸发器32。蒸发器32包括与通风器35的空气流33热接触的多个蒸发器管件34。
74.蒸发器32优选地为dx蒸发器类型，具有一个共用液体入口37和一个共用出口39。蒸发器32具有至少一个通路，即一个蒸发器管件34从入口37通至出口39。优选地，蒸发器32具有多个平行通路，例如连接在入口37与出口39之间的6至8个平行蒸发器管件34。可以使用不同的蒸发器类型，例如如图3a至图3c中所示。
75.图3a示出了底部进给蒸发器，在该底部进给蒸发器处制冷剂通过下部进给管线37被供应、被分配而沿着与空气流33热接触的蒸发器管件34流动、被收集并在上部返回管线39中返回。
76.图3b示出了顶部进给蒸发器，在该顶部进给蒸发器中制冷剂通过上部进给管线37被供应、被分配到蒸发器管件34中、被收集并在下部返回管线39中返回。
77.图3c示出了侧面/底部进给蒸发器。制冷剂通过蒸发器前部处的下部进给管线37被供应、被分配到蒸发器管件34中、被收集并在上部返回管线39中返回。
78.在每种情况下，空气流33横向于穿过蒸发器管件34的制冷剂流被引导。通过空气流33与蒸发器管件34之间的热接触，来自空气流33的热被传递到在蒸发器管件34内流动的制冷剂，使得制冷剂被蒸发。
79.流动穿过蒸发器管件34的氨介质被蒸发的程度可以用蒸气品质值x来表示。通过进给管线37供应的液氨将具有例如10％
‑
20％的低蒸气品质值x。随着流动穿过蒸发器管件34的氨制冷剂接收从空气流33传递的热，越来越多的氨制冷剂将蒸发，使得蒸气品质将上升。
80.由于系统10是直接膨胀(dx)冷却系统，制冷剂将被完全蒸发，即，通过进给管线37供应的制冷剂的质量流量将小于蒸发器容量c
e
，使得返回管线39中的蒸气品质将是高的。冷却系统将以一定的过热量进行操作，即在蒸发器32内，制冷剂不仅将吸收足以供完全蒸发的热(蒸气品质x＝100％)，而且吸收更多的热以进入过热状态，即呈现高于饱和温度tsat的温度。
81.如上文定义的，蒸气品质值x指示制冷剂中气体与总气/液混合物的质量比率。它通常不同于空隙分数，即被气相占据的流动通道体积的体积分数。虽然空隙分数由相对体
积确定，但是蒸气品质值x是基于质量分数的热动态蒸气品质。
82.对于流动通过导管的介质，蒸气品质x通常不能直接测量，因为这需要分离蒸气和液体以称量各自的质量，而这在流动的介质中是不可能的。此外，液相部分和蒸气相部分可以在导管内不同地分布，并且可以以不同的速度行进。
83.制冷剂在蒸发器32的出口处的状态关于蒸气品质x和过热量这两者都可以在过热蒸气品质值x
s
的意义上表示。
84.对于x＜100％，过热蒸气品质值x
s
等于蒸气品质值x。对于完全蒸发的制冷剂，过热蒸气品质x
s
呈现100％及以上的值，从而指示过热量。参考上文的定义，由于流动的制冷剂可能不处于平衡状态，并且可能包括例如过热蒸气和剩余的液体颗粒这两者，因此过热蒸气品质值x
s
应被理解为表示与平衡状态相当的能量。
85.在蒸发器32内，从空气流33到各个平行蒸发器管件34的热传递将不同。例如，在图3a、图3b中所示的顶部和底部进给蒸发器32中，第一蒸发器管件34a将承载最高的热负荷，即，在其进入收集导管31之前在蒸发器管件34a的出口处，过热蒸气品质x
s
将是任何蒸发器管件34中最高的。最后的蒸发器管件34b将具有最小的热负荷，即，在其出口处的过热蒸气品质x
s
将是所有蒸发器管件中最低的。
86.来自蒸发器管件34的蒸发的制冷剂被收集在共用收集导管31中，并且通过返回管线39返回。
87.回到图1，通过返回管线39从蒸发器32返回的氨蒸气11被引导穿过单独的第一返回导管部分38a和共同的第二返回导管部分38b回到吸入蓄积器14中，在该吸入蓄积器处气体速度将降低，并且包含在流中的任何剩余的液氨20收集在下部部分中。
88.对于具有多个蒸发器32的冷却系统10，每个蒸发器32包括从导管28分支出来的单独的蒸发器入口阀36和用于部分蒸发的氨的单独的第一返回导管部分38a。来自这些蒸发器32的第一返回导管部分38a在共用的第二返回导管部分38b处汇合。
89.对于蒸发器32中的每一个，过热蒸气品质传感器40被提供在蒸发器管件34之一处，以递送指示流经蒸发器管件34的氨介质的过热蒸气品质的传感器信号s。
90.根据例如流速和蒸气品质，混合的液氨/蒸气氨穿过导管如蒸发器管件34的流动可以遵循不同的流动状态。图2a示意性地展示了导管34的竖直布置部分中的环形流动。液体膜42在导管壁上流动，而液氨和氨蒸气的两相流44在中心附近流动。由于流体膜42的厚度将在竖直定向的导管34中均匀分布，因此其横截面将展现为圆形。例如在导管34中在5
‑
15m/s的通常流速下可以预期环形流动状态。
91.如图2b、图2c中所示，在导管34的水平布置部分中，由于重力的影响，流体膜42将在底部处较厚而在顶部处较薄。
92.传感器40提供指示过热蒸气品质值x的传感器信号s。如将详细描述的，传感器40响应于供应到导管34和在其中流动的制冷剂介质的热，基于温度测量结果来得出信号s。
93.图4至图7中示出了传感器布置50的实施例，包括附接到蒸发器管34的传感器40。
94.传感器40包括具有加热元件48的传感器主体46和嵌入传感器主体46内的温度传感器52。传感器主体46被夹到导管34的外壁上。
95.传感器主体46是导热良好的金属材料(诸如铜或铝)制成的实心件。它被定位在导管34的外侧、与该导管的外管件壁接触。传感器主体46具有与导管34的管件壁直接接触的
接触表面58。传感器主体46和接触表面58在导管34的纵向方向上延伸了长度l。接触表面58具有凹形状，以符合导管34的外管件壁的弯曲形状。
96.导管34的安装了传感器40的部分是水平布置的。特别地如图7中所示，传感器主体46被布置在导管34的外管件壁的底部处。从导管34的中心到接触表面58的中心的线与向上竖直方向之间测量的安装角度是180
°
。该实施例中的接触表面58在大约50
°
的接触角度α上延伸。因此，在该示例中，传感器主体46在与竖直轴线成155
°‑
205
°
的角度范围上与管件壁直接接触。
97.提供了隔绝件55围绕传感器主体46和一部分的导管34，以使其热隔绝。布置在传感器主体46内的加热元件48是连接到驱动电路56的电加热元件，例如具有限定电阻的电阻器。温度传感器52也是电连接至驱动电路56的电温度传感器，比如pt100元件。
98.驱动电路56操作加热元件48，以递送随时间恒定的限定量的热。来自加热元件48的热分布在传感器主体46内并且分布到导管34的壁。由于大传感器主体56的良好热传导和大的质量，加热元件48、温度传感器52、以及导管34的壁的邻接部分都紧密热耦合，使得它们将呈现仅具有最小温度梯度的共同温度t。由于隔绝体55，温度t将是取决于电加热的恒定功率h和每次传递到导管34内的制冷剂介质的热的量的平衡温度。
99.在优选实施例中，接触表面58的面积可以是例如大约5cm2，并且电加热功率h可以是例如25w，使得每cm2的比功率是5w/cm2。
100.从导管34的壁到在导管34内流动的制冷剂的热传递取决于与壁接触的制冷剂的相。如果与接触表面58接触的壁部分被液氨润湿，则热传递非常高，并且来自加热元件48且被传导穿过传感器主体46和导管34的壁的热被制冷剂高速吸收。如果壁的内部是“干的”，即不与大量的液氨接触，则热传递的速率是显著较低的。
101.在来自加热元件48的热h的恒定供应下，导管34的壁和传感器主体46将响应于不同的蒸气品质值x和不同的过热量而呈现不同的平衡温度t。
102.图8示意性地示出了传感器主体46、导管壁34和导管34内部43之间的界面区域中温度t随径向距离d变化的曲线。该图形将饱和温度示出为t
sat
，并将导管34内部43中的氨制冷剂的温度示出为t
med
，在过热情况下，后者高于t
sat
。
103.在图8中，最低的曲线(实线)示出了在导管34内部43中存在大量液氨的情况下、特别是与导管34的壁接触的情况下(例如，对于30％或更小的过热蒸气品质x
s
)的温度曲线。在内部43的中心，氨处于饱和温度t
sat
。由于供应至传感器主体46的加热功率，在传感器主体46与导管34内部43之间建立温度梯度，从而得到所示的曲线。沿循图8中从右到左的曲线，温度t从t
sat
开始并且朝向导管34的壁升高。在导管34的壁内，温度进一步升高。在传感器主体46内，达到较高的温度t
h_1
。
104.图8中的中间曲线(短划线)示出了如果内部43仅填充有过热蒸气品质值x
s
为100％的气体但不存在过热时的温度曲线。对于上述虚线，内部43中心处的氨处于饱和温度t
sat
。沿循从右到左的短划线曲线，温度t朝向导管34的壁升高，并且在导管34的壁内进一步升高到传感器主体46的温度t
h_2
。由于导管34的壁的内表面处的热传导低得多，传感器主体46的温度t
h_2
比液体制冷剂的情况高得多。
105.图8中的顶部曲线(点划线)示出了如果内部43填充有过热蒸气品质值x
s
高于100％的气体、即制冷剂被完全蒸发(蒸气品质x＝100％)并且存在一定量的过热时的温度
曲线。内部43中心处的氨处于高于饱和温度t
sat
的温度t
med
。对于上文解释的曲线，温度t朝向导管34的壁升高，并且在导管34的壁内进一步升高到传感器主体46的温度t
h_3
，这是由于导管34内的氨的较高温度高于针对x＝100％的温度t
h_2
但是不存在过热。
106.被认为是指示过热蒸气品质的值是传感器主体46的温度与饱和温度t
sat
之间的温度差δt。对于低蒸气品质(例如，x＜30％)，温度差为t
h_1
。针对如图8所示的此情况的相应温度差δt1是相对较小的。对于过热蒸气品质值x
s
＝100％(不过热)，则传感器主体46的温度处于高于t
h_
1的t
h_2
，并且温度差为高于δt1的δt2。
107.在过热蒸气品质值x
s
＞100％的过热区域中，传感器主体46的温度将处于高于t
h_1
和t
h_2
的t
h_3
，使得温度差δt3将是高的。
108.因此，从温度差δt得到的传感器信号s指示过热蒸气品质值x
s
，即，示出了超过x
s
＝100％的、指示过热量的进一步变化。
109.因此，在传感器40的驱动器电路56中处理过的来自温度传感器52的温度读数t指示过热蒸气品质x
s
。通过计算与饱和温度t
sat
的温度差δt，从测得的温度值t得出传感器信号s，该饱和温度可以例如基于蒸发器32入口处的温度的测量结果来计算，或者替代性地，进行蒸发器32出口处的压力测量，并且使用压力与饱和温度之间的已知关系来计算饱和温度。
110.传感器信号s可以不同于驱动电路56被提供，例如作为数字信号或模拟电信号。在一个优选实施例中，传感器信号s是电流信号，例如具有4
‑
20ma范围内的电流。
111.如上文参考图2b、图2c所解释的，导管34内的液氨和蒸气氨制冷剂的分布是不均匀的。特别地，对于导管34的水平布置部分中的环形流动，将存在制冷剂的更多液体部分位于底部处而更少位于顶部处的分布。
112.传感器40的位置对温度读数t和针对不同过热蒸气品质值x
s
获得的所得传感器信号s具有重要影响。图9示出了取决于过热蒸气品质x
s
的传感器信号s的曲线。
113.实线示出了如图4至图7所示的布置在导管34的底部处的传感器40的传感器信号s。由于液氨蓄积在导管内并且导管壁的内部与液氨接触，所以针对高达约80％的过热蒸气品质值x
s
的传感器信号保持恒定。从大约85％开始，传感器信号s显示出严格单调的上升。传感器信号s在x
s
＞100％的过热区域中继续上升，使得传感器信号s指示过热蒸气品质值x
s
。
114.对于如图11中所示的传感器40在导管34上的侧面(与向上竖直方向成90
°
的角度β1)或顶部(与向上竖直方向成0
°
的角度β2)的替代性布置，取决于蒸气品质值x的传感器信号s的曲线不同。在图9中，短划线示出了布置在β1＝90
°
的角度下的传感器40的传感器信号s，而虚线示出了布置在β2＝0
°
的角度下的传感器40的传感器信号s。布置角度β越小，获得上升的传感器信号s所需的过热蒸气品质值x
s
阈值越低。然而，对于布置在顶部的(虚线)或水平布置(短划线)的传感器，比布置在底部处的传感器的情况更早上升的传感器信号曲线可能达到最大值并且对于x
s
＞100％的过热范围没有显示出期望的灵敏度。
115.因此，如图4至图7中所示传感器40的在β＝180
°
的角度下的底部布置是优选的，将让传感器40针对延伸到过热区域x＞100％的过热蒸气品质x
s
高值获得良好可用的信号s。
116.然而，应认识到，传感器信号s不一定提供特定过热蒸气品质值x
s
的精确测量。尽管在传感器40的有效工作范围内，传感器信号s与过热蒸气品质值x
s
之间存在严格单调依
赖性，如图9所示，但是实际曲线也可能取决于其他参数，诸如导管34内液体和蒸气的分布、流速、加热元件48的特定效果。因此，从传感器信号s获得过热蒸气品质x
s
的精确测量可能需要附加信息或假设，诸如有关流动状态的附加信息或假设。通过计算或校准来考虑附加信息，有可能获得过热蒸气品质x
s
的值。然而，如将在下文所示的，由于传感器信号s对于过热蒸气品质x
s
的单调依赖性，即使没有这种校准，传感器信号s仍然可以用于观察操作并且基于传感器信号s实现对冷却系统10的控制。
117.传感器40可以被布置在图1的冷却系统10内的不同位置。在最优选的实施例中，传感器40布置在具有最小热负荷的蒸发器管件34b处(图3a至图3c)。传感器40进一步优选地布置在蒸发器管件34b的端部处(但优选地在空气流33之外)，即在进入收集导管31之前的管件34出口。
118.在系统10和蒸发器32内的这个位置处，过热蒸气品质x
s
通常是最低的。因此，该位置非常适合于获得传感器信号s，以确保系统10在过热范围x
s
＞100％内进行操作。替代性地，传感器40可以被布置在不同位置处，或者多个传感器40可以被布置在不同的蒸发器管件34处。对于蒸发器管件34各自之间的负荷分布是已知的蒸发器32，传感器40可以替代地布置在例如另一蒸发器管件34上，以便获得不同的灵敏度。此外，可以通过使用传感器40的不同安装位置来调整灵敏度，如上文参考图11所解释的。
119.在替代性实施例中，传感器40可以布置在返回导管38a上。
120.在图1的直接膨胀氨冷却系统10中，来自每个蒸发器32的过热蒸气品质传感器40的传感器信号s被供应至控制器80。控制器80是计算机，该计算机被编程以执行控制程序，以从传感器信号s得出控制信号c。控制信号c被供应至每个蒸发器36的控制阀36并且控制这些控制阀36的开口程度，从而控制制冷剂穿过控制阀36的质量流量。控制阀36例如是由控制信号c可控制的螺线管阀。
121.控制器80追求的控制目标是以最小的所需过热来稳定地操作系统10，但是足以维持所需的冷却能力。
122.控制阀36的开口程度决定了供应至每个蒸发器32的液氨制冷剂的量。循环率n指示供应至蒸发器32的氨的质量流量与蒸发器的额定/标称容量的比率。
123.在诸如图1所示的冷却系统10等直接膨胀系统中，循环率n低于1，即到每个蒸发器32的液氨质量流量低于蒸发器32的容量，使得氨被完全蒸发，并且蒸发器导管34中的过热蒸气品质x
s
高于100％。过热蒸气品质值x
s
在具有最小热负荷的蒸发器管件34b中将是最低的，传感器40布置在该管件中。
124.蒸发器容量不是恒定的，而是取决于过热蒸气品质x
s
。随着更多的氨制冷剂被蒸发，蒸发器管件34的壁与液氨接触的内表面将较少。然而，从“干”管件壁到制冷剂介质的热传递显著小于来自与液体膜42接触的管件壁的热传递，如图2a至图2c中所示。因此，对于低循环率n，蒸发器容量减小，该低循环率对应于过热蒸气品质x
s
的高值，因为过热蒸气品质x
s
通常是循环率n的倒数值。
125.为了确保完全蒸发，直接膨胀冷却系统10的蒸发器32被设计和操作成使氨制冷剂过热，即获得氨蒸气的气体温度高于饱和温度的正温度差。过热是通过例如增大蒸发器表面或温差度或这两者来获得的，这对操作和/或安装成本具有负面影响。
126.因此，希望以降低的过热量来操作冷却系统10，同时确保完全或接近完全的蒸发。
127.冷却系统10由控制器80操作来减少过热量，甚至允许将控制范围扩展到两相区域。由于这可能需要将一定量的液滴与蒸气一起携带穿过返回导管38a、38b，因此吸入蓄积器14设有加热螺旋26，热的冷凝物被传导穿过该加热螺旋，使得在此蓄积的任何液氨20都被蒸发。
128.将参照图10来解释图1的氨直接膨胀冷却系统10的操作和控制。
129.在图10中，传感器信号s和过热值t
s
相对于蒸气品质值x示出。由于冷却系统10在接近蒸气品质x＝100％的过热范围内进行，所以在图10的x轴线上仅示出80％
‑
110％的高蒸气品质值x。
130.如图所示的传感器信号s随着蒸气品质x的增加而增加。在x＝100％时，过热量t
s
从零线性地增加。
131.虽然先前已知的直接膨胀冷却系统以相对高的过热进行操作，但是冷却系统110被控制器80在低过热区域中进行操作，向下延伸到接近x
s
＝100％的两相区域。在所示的实例中，控制范围r可以是例如98％＜x＜107％。
132.虽然过热量可以通过测量蒸发的制冷剂的温度来确定，但是这样的温度测量证明在低过热区域中、例如对于x＜102％是困难的。在该区域中，蒸发的制冷剂流中仍然将包含一定量的液滴。然而，在导管34处提供的温度传感器将示出非常不同的温度读数，这取决于在传感器与氨流之间的接触点处氨是处于液相(例如液滴)还是处于蒸气相。为此，温度读数可能不可靠地用于冷却系统10在控制范围r内的控制。
133.然而，如图10所示，传感器信号s在整个控制范围r上提供关于过热蒸气品质x
s
的信息。
134.因此，可以选择操作点p，该操作点可以例如处在或者接近x
s
＝100。在操作点处，传感器信号s可以采用已知的参考值s
p
。控制器80根据传感器信号s来控制冷却系统10。如果传感器信号s低于参考传感器信号s
p
，即如果过热蒸气品质值x
s
低于操作点p，则控制器80将提供控制信号c以减小蒸发器入口阀26的开口从而增加过热量。如果传感器信号s高于操作点传感器信号s
p
，即过热蒸气品质值x
s
高于操作点p，则控制器180将提供控制信号c以增大蒸发器入口阀26的开口，从而减小过热量。
135.因此，控制器80将持续监控传感器信号s，该传感器信号可以是温度差δt(或者，替代性地，是温度t，从而控制器80可以通过减去参考温度tsat来计算δt)。基于定义的设定点p和与设定点传感器信号s
p
相比的传感器信号s，控制器80将减小或增大进入蒸发器32的质量流量。
136.控制器80可以进一步引入抗饱和(anti
‑
windup)，以用于在显著的负荷变化之后、即在无法达到设定点p时的突然高热负荷之后，例如如果蒸发器32“过热”或者如果没有足够的液体制冷剂可用，就快速恢复。在由高传感器信号s指示的这种情况下，控制器80可以被设置成放弃闭环控制并且供应控制信号c以完全打开蒸发器入口阀36。在传感器信号s返回到通常的范围之后，控制器80可以恢复闭环控制。
137.在蒸发器32的容量减小的情况下，例如当蒸发器32的表面被冰覆盖时，控制器80将检测到减小的传感器信号s并且通过控制蒸发器入口阀36来做出反应，以减小制冷剂的质量流量。
138.应当记住的是上述实施例仅仅是根据本发明的冷却系统、传感器布置、操作方法
和感测方法的实例。本发明不限于所披露的实施例。
139.例如，控制策略和参数、特别是控制范围r的具体值仅作为实例给出。传感器设计可以不同，并且传感器可以例如应用在冷却系统内或蒸发器内的不同位置。技术人员将意识到对所披露的实施例的进一步可能的修改。

技术特征：
1.一种冷却系统，包括：
‑
用于氨制冷剂的直接膨胀冷却回路，该直接膨胀冷却回路至少包括用于压缩氨蒸气(11)的压缩机(12)、用于冷凝所述氨蒸气以获得液氨(20)的冷凝器(18)和用于蒸发所述液氨的蒸发器(32)，
‑
其中，过热蒸气品质传感器(40)布置在所述蒸发器(32)的至少一部分与所述压缩机(12)之间的导管(34)处，所述过热蒸气品质传感器(40)布置成与所述导管(34)的壁热接触，
‑
所述过热蒸气品质传感器(40)包括加热元件(48)和温度感测元件(52)，所述过热蒸气品质传感器(40)被设置成根据所述温度感测元件(52)的输出来递送指示流经所述导管(34)的所述制冷剂的过热蒸气品质(x)的传感器信号(s)，
‑
其中，所述过热蒸气品质传感器(40)布置在所述导管(34)的水平布置部分的壁上、在与竖直向上方向形成大于120
°
的角度的位置。2.根据权利要求1所述的冷却系统，进一步包括：
‑
可控蒸发器入口阀(36)，该可控蒸发器入口阀连接至所述蒸发器(32)的入口，
‑
以及控制器装置(80)，该控制器装置被设置成根据所述传感器信号(s)控制所述蒸发器入口阀(36)。3.根据权利要求2所述的冷却系统，其中，
‑
所述控制器装置(80)被配置为响应于指示较低过热蒸气品质值(x)的传感器信号(s)而减小所述蒸发器入口阀(36)的开口，并且响应于指示较高过热蒸气品质值(x)的传感器信号(s)而增大所述蒸发器入口阀(36)的开口。4.根据上述权利要求之一所述的系统，其中，
‑
所述蒸发器(32)包括多个管(34)，所述多个管具有暴露于空气流(33)的第一部分和位于所述空气流(33)之外的第二部分，
‑
所述过热蒸气品质传感器(40)布置在所述管(34)之一的所述第二部分上。5.根据权利要求4所述的系统，其中，
‑
所述蒸发器(32)的所述管(34)中的一个管(34b)具有最低热负荷，
‑
并且所述过热蒸气品质传感器(40)布置在所述一个管(34b)上。6.根据上述权利要求之一所述的系统，其中，
‑
为了提供参考温度(t
sat
)，布置了参考温度传感器以测量所述液体制冷剂的温度，和/或布置了压力传感器以测量所述蒸发器(32)的出口处的压力。7.根据上述权利要求之一所述的系统，其中，
‑
所述传感器信号(s)取决于参考温度(t
sat
)与由所述温度感测元件(52)测量的温度(t)之间的差。8.根据上述权利要求之一所述的系统，其中，
‑
所述过热蒸气品质传感器(40)包括由金属材料制成的传感器主体(46)，
‑
其中所述加热元件(48)和/或所述温度感测元件(52)布置成嵌入所述传感器主体(46)内、与该传感器主体热接触。9.根据上述权利要求之一所述的系统，其中，
‑
所述过热蒸气品质传感器(40)包括凹部分(58)，所述导管(34)被部分地接纳在所述
凹部分(58)内。10.根据上述权利要求之一所述的系统，其中，
‑
提供了隔绝元件(55)以热隔绝所述过热蒸气品质传感器(40)和所述导管(34)的至少一部分。11.根据上述权利要求之一所述的系统，其中，
‑
在所述蒸发器(32)与所述压缩机(12)之间提供了蓄积器(14)以蓄积所述氨制冷剂的液体部分(20)，
‑
其中，所述蓄积器(14)被布置成与布置在所述冷凝器(18)与所述蒸发器(32)之间的导管(24)热接触。12.一种操作冷却系统的方法，包括：
‑
操作具有氨制冷剂的直接膨胀冷却回路，包括压缩氨蒸气(11)、冷凝所述氨蒸气以获得液氨(20)以及蒸发所述液氨的重复步骤，
‑
所述方法进一步包括：从过热蒸气品质传感器(40)获得指示在导管(34)内流动的所述蒸发的氨的过热蒸气品质(x)的传感器信号(s)，其中，所述过热蒸气品质传感器(40)布置在所述导管(34)的水平布置部分的壁上、在与竖直向上方向形成大于120
°
的角度的位置，
‑
其中，通过操作加热元件(48)并且感测温度(t)以递送所述传感器信号(s)来操作所述过热蒸气品质传感器(40)。
技术总结
本发明涉及一种具有用于氨制冷剂的直接膨胀冷却回路的冷却系统及其操作方法。提供了压缩机(12)以压缩氨蒸气(11)。提供了冷凝器以冷凝氨蒸气以获得液氨(20)。提供了蒸发器(32)以蒸发液氨。在蒸发器(32)的至少一部分与压缩机(12)之间的导管34处布置了过热蒸气品质传感器(40)。该过热蒸气品质传感器(40)包括加热元件(48)和温度感测元件(52)。该过热蒸气品质传感器(40)被设置成根据该温度感测元件(52)的输出来递送指示流经该导管(34)的制冷剂的过热蒸气品质X的传感器信号S。该过热蒸气品质传感器(40)布置在导管(34)的水平布置部分的壁上、在与竖直向上方向形成大于120


技术研发人员：尼尔斯
受保护的技术使用者：丹佛斯有限公司
技术研发日：2019.11.25
技术公布日：2021/6/29