蒸气品质的检测的制作方法

1.本发明涉及一种用于提供指示在导管内流动的介质的蒸气品质的传感器信号的传感器装置、一种包括这种传感器装置的冷却系统、以及一种感测蒸气品质的方法。


背景技术：

2.在介质的饱和蒸气/液体两相流中，蒸气品质是代表为蒸气(气体)的介质的质量分数的值。术语“气体”和“蒸气”在本文中可互换使用，表示处于气态的制冷剂。如果流仅由饱和蒸气组成，则蒸气品质值为100％。如果流仅由饱和液体组成，则蒸气品质值为0％。
3.对于许多应用，特别是对于冷却系统的控制，可能有利的是获得至少在某种程度上指示流经导管的介质的蒸气品质的测量值。
4.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去除。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。
5.gb 2157447 a披露了一种热交换装备，比如制冷器。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。
6.de 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。
7.us 4，123，919披露了一种制冷进给系统，该制冷进给系统包括蓄积器，该蓄积器适于在其下部部分中容纳液体并且在其上部部分中容纳气体。多个独立的蒸发器被各自布置在蓄积器上方的不同高度处。来自蓄积器的制冷剂气体流动通过管、在压缩机中被压缩并且通过通向冷凝器的管道以压缩形式被排出。在其中压缩气体被冷却和液化。液化的制冷剂流动通过减压器，然后通过管道进入蓄积器的底部中，以结合其中的大量液体制冷剂。泵从蓄积器的下部部分抽取液体，并且通过供应歧管将液体泵送到蒸发器中的每个蒸发
器。


技术实现要素：

8.提出可靠且安装简单的传感器装置、冷却系统和适于获得关于在导管内流动的气/液混合物中不同相组分的质量分数的信息的感测方法可以被认为是一个目的。
9.此目的通过根据权利要求1的传感器装置、根据权利要求8的冷却系统以及根据权利要求13的方法来解决。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。
10.根据本发明的传感器装置包括传感器，该传感器被布置成与导管(例如管或管件)的壁热接触。介质流经导管。介质通常具有已知的组成，并且被认为包含未知量的液相和气相，即未知的蒸气品质。蒸气品质x是饱和气/液相混合物中气体的质量分数；饱和蒸气具有100％的蒸气品质值x，而饱和液体具有0％的蒸气品质值x。
11.将清楚的是，介质特别可以是冷却系统中的至少部分蒸发的制冷剂。本发明特别适用于为氨的介质。
12.传感器包括加热元件和温度感测元件。加热元件被提供用于供应热并且特别地可以是电加热元件，比如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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.传感器可以被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，并且在与该内导管壁具有温度差的情况下将从其吸收热。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”，即仅与气体接触，则热吸收速率将是低的。因此，热吸收将根据介质的蒸气品质x而变化。
17.优选地，加热元件可以被设置和/或操作成传递恒定量的热。随着热从加热元件以恒定速率被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蒸气品质x而变化。
18.可以提供处理装置，其被设置成基于温度感测元件的输出而传递传感器信号。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。
19.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。
20.处理装置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。
21.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。
22.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气体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。通过传感器在导管的壁上的相应放置，可以利用这种已知的不均匀性来选择期望的传感器灵敏度。例如，传感器可以被布置在导管的顶部上，即与导管壁的顶部部分接触。如所解释的，与内导管壁直接接触的大量液体将导致高吸热，并且即使导管中介质的总蒸气品质发生变化，温度传感器的输出也可能没有变化或仅有很小的变化。如果传感器被布置在顶部上，例如在与向上竖直方向形成30
°
或更小、优选为20
°
或更小、进一步优选为10
°
或更小的角度的位置，内导管壁处的液体量将最小，并且即使对于较低的蒸气品质值，传感器装置也将具有高灵敏度。
23.另一方面，不同的灵敏度可以是优选的。例如，传感器可以被布置在至少基本上水平的位置，例如与向上竖直方向成45
°‑
135
°
、优选为70
°‑
110
°
、特别是90
°
/
‑
10
°
的角度。对于较低的蒸气品质值，这将使得灵敏度较低。
24.而且，如果期望甚至更低的灵敏度，则传感器可以替代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
°
、优选为大于150
°
、特别是170
°
或更大的角度。
25.因此，传感器装置适于提供指示在导管内流动的气体和/或液体的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，可以选择期望的灵敏度。
26.递送的传感器信号指示蒸气品质，这应理解为使得可以从传感器信号获得关于蒸气品质值的信息。这可以包括：蒸气品质值x可以基于传感器信号s以及可能的其他参数来进行计算或以其他方式推导出。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，传感器信号可以对蒸气品质x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蒸气品质值来推导出关于介质的信息，或者基于介质状态来实现控制。
27.根据本发明，传感器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，特别优选地大件的金属，优选的是铜、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布置在形成于传感器主体内的一个或多个空腔中。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。
28.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。
29.在优选实施例中，传感器装置可以包括隔绝元件。隔绝元件可以被布置成至少覆盖所述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。
30.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。
31.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。
32.根据本发明的递送指示蒸气品质的传感器信号的设备和方法可以被用在例如冷却系统中，特别是利用氨作为制冷剂。冷却系统可以包括用于蒸发氨制冷剂的至少一个蒸发器、用于压缩氨制冷剂的至少一个压缩机、和用于冷凝压缩的制冷剂的至少一个冷凝器。所描述的传感器装置可以被提供在导管处，该导管将至少部分蒸发的制冷剂从蒸发器传导至例如压缩机和/或接纳器或蓄积器。术语“至少一部分”包括：传感器可以安装在例如蒸发器内，例如蒸发器管件的一部分上。可替代地，传感器可以被布置在返回管线处，该返回管线将至少部分蒸发的制冷剂传导离开蒸发器。
33.在蒸发器中，制冷剂将横越蒸发器管，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装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。
34.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。这些蒸发器管中的至少一个将在整个蒸发器中具有最高热负荷。下文将进一步讨论最高负荷管的合适定义及其确定的实例。可能优选的是将传感器布置在该蒸发器管上，因为可以预期其中的介质具有高的蒸气品质值x。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。
35.在一个实施例中，蒸气品质传感器的放置位置可以通过在蒸发器的数个蒸发器管之中实验性地确定具有最高热负荷的那一个蒸发器管来找到。在所提出的实验性确定中，当冷却系统以特定方式操作时，可以监控这些蒸发器管中的一个或多个的蒸气品质。冷却系统可以例如从蒸发器的所有蒸发器管的蒸气品质都低于100％的操作点开始进行操作。流到蒸发器的质量流量然后可以被减小，这通常将使得平行蒸发器管中的每个的出口中的蒸气品质增加。首先达到蒸气品质值x≥100％的那一个蒸发器管34被确定为最高负荷管。传感器可以优选地被布置在如此确定的最高负荷管上，以确保在整个蒸发器中以小于100％的蒸气品质操作。
36.在氨制冷剂已经横越蒸发器的至少一部分之后，对氨制冷剂使用该传感器装置和方法允许收集关于冷却系统的操作的信息。
37.特别地，传感器信号可以用于控制冷却系统的元件。在一个实施例中，冷却系统可以包括连接至蒸发器入口的可控蒸发器入口阀。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。可以提供控制器装置，其被设置成根据传感器信号来控制蒸发器入口阀。
38.如下文将更详细解释的，基于传感器信号来控制氨冷却系统、且特别是以此方式控制蒸发器入口阀可以允许优化操作，这可以有助于减少氨制冷剂的量和/或改善效率。
39.特别优选的是提供控制器，该控制器被配置成响应于指示较低蒸气品质值的传感器信号而减小蒸发器入口阀的开口，并且响应于指示较高蒸气品质值的传感器信号而增大蒸发器入口阀的开口。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。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。
40.冷却系统可以是任何类型的。特别地，冷却系统可以优选地是泵过量进给系统中的泵过量进给系统，蒸发器被操作成使得制冷剂仅被部分地蒸发，即返回导管中的制冷剂仍然具有大量液体。由该设备确定的蒸气品质因此将低于100％、优选95％或更低、进一步优选90％或更低、特别优选85％或更低。循环率(被定义为供应至蒸发器的制冷剂的质量流量与蒸发器的额定/标称容量的比率)将高于1。通常，循环率n和蒸发器出口处的蒸气品质值x是相关的，为x＝1/n。
41.泵过量进给系统可以包括用于液相制冷剂的蓄积器。优选地提供蒸发器泵来将液体制冷剂泵送到蒸发器。控制器可以被配置成控制蒸发器入口阀以获得上述蒸气品质值。
附图说明
42.将参照附图描述本发明的实施例，在附图中：
43.图1示出了泵过量进给冷却系统的示意图；
44.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；
45.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；
46.图3a、图3b、图3c、图3d示出了不同类型蒸发器的示意图；
47.图4示出了图1的冷却系统中的传感器装置的透视图；
48.图5示出了图4的传感器装置的纵截面图；
49.图6示出了图4、图5的传感器装置沿图4中a..a剖切的横截面视图；
50.图7示出了图4至图6的传感器装置的一部分的横截面图；
51.图8示出了图4至图6的传感器和导管内的温度的图形；
52.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；
53.图10示出了传感器信号和蒸发器容量对循环率的依赖性的图形；
54.图11示出了传感器装置的替代性实施例；
55.图12示出了蒸发器容量对循环率的依赖性的图形；
56.图13示出了传感器信号和不同蒸发器类型的蒸发器容量对循环率的依赖性的图形。
具体实施方式
57.图1示出了冷却系统10的实施例。
58.冷却系统10是以氨作为制冷剂操作的泵过量进给冷却系统。
59.冷却系统10包括压缩机12，用于压缩包含在接纳器14上部部分中的氨气(蒸气)11以获得压缩的氨气13，该接纳器填充有气态氨11和液氨20两者。压缩的氨气13通过导管16被供应至冷凝器18，在该冷凝器处该压缩的氨气至少部分地冷凝而作为液氨20收集在收集器22中。液氨20通过导管24经膨胀阀26被供应到接纳器14。
60.来自接纳器的下部的液氨20被泵30泵送穿过导管28到达蒸发器32。
61.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。
62.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。
63.蒸发器32优选为溢流式蒸发器类型，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3d中所示。
64.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。
65.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。
66.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。
67.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。
68.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表示。通过进给管线37供应的液氨将具有(或非常接近)0％的蒸气品质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。
69.由于系统10是泵过量进给冷却系统，制冷剂将不会完全蒸发，即通过进给管线37供应的制冷剂的质量流量将大于蒸发器容量c
e
，使得返回管线39中的蒸气品质x将低于100％。
70.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。平行蒸发器管件34中的一个(在此被命名为第一蒸发器管件34a)将承载最高热负荷，即，在其进入收集导管31之前在该第一蒸发器管件34a的出口处，蒸气品质x将是任何蒸发器管件34中最高的。在图3a、图3b中，针对不同类型的蒸发器示出了第一蒸发器管件34a。
71.对于一些蒸发器类型，诸如在图3a、图3b中的蒸发器类型，具有最高热负荷的蒸发器管件34a可以由技术人员通过考虑哪个蒸发器管件与空气流具有最紧密的热接触而被容
易地确定。
72.图3d示出了具有6个分布和24个通路的底部进给蒸发器的另一蒸发器设计。在这种设计中，可能难以预测哪个管将具有最高的负荷。
73.识别蒸发器32中的最高负荷管的一种可能途径可以是冷却系统10的实验性操作，同时通过使用蒸气品质传感器40来测量和监测每个管的出口处的蒸气品质。下面将进一步描述合适例程的实例以及其中使用的传感器40的可能实施例。
74.回到图1，通过返回管线39从蒸发器32返回的氨气和液氨的混合物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回到接纳器14中，在该接纳器处该混合物分离成在接纳器14的上部部分中的氨气11以及在接纳器14的下部部分中的液氨20。
75.对于具有多个蒸发器32的冷却系统10，每个蒸发器32包括从泵30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。
76.对于蒸发器32中的每一个，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的氨介质的蒸气品质的传感器信号s。
77.对于流动通过导管(诸如蒸发器管件34)的介质，蒸气品质x通常不能直接测量，因为这需要分离气体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。
78.蒸气品质值x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。
79.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的竖直布置部分的内部43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。
80.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。
81.传感器40提供指示蒸气品质值x的传感器信号s。如将详细描述的，传感器40响应于供应至导管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。
82.图4至图7中示出了传感器装置50的实施例，包括附接到蒸发器管34的传感器40。
83.传感器40包括传感器主体46，该传感器主体具有布置在传感器主体46内的空腔中的加热元件48和温度传感器52。传感器主体46被夹到导管34的外壁上。
84.传感器主体46是导热良好的金属材料(诸如铜)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。
85.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的外管件壁的顶部上。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0
°
。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
‑
25
°‑
25
°
的角度范围上与管件壁直接接触。
86.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的空腔内的加热元件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。
87.驱动电路56操作加热元件48，以递送随时间恒定的限定功率。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46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和到导管34内的制冷剂介质的热传递速率的平衡温度。
88.在优选实施例中，接触表面58的面积可以是大约5cm2，并且电加热功率可以是25w，使得每cm2的比功率是5w/cm2。
89.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。
90.在来自加热元件48的功率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而呈现不同的平衡温度t。
91.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的曲线。该图形将导管34内部43中氨制冷剂的饱和温度示出为tsat。
92.在图8中，下曲线(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％或更小的蒸气品质x)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_min
。
93.图8中的上曲线(短划线)示出了如果内部43仅填充有蒸气品质值x为100％的气体时的温度曲线。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_max
。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_max
比液体制冷剂的情况高得多。
94.被认为指示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(x＜30％)，温度差为t
h_min
。对于x＝100％，温度差处于最大δt
max
。对于其间的任何蒸气品质值，温度差δt将在δt
max
与δt
max
之间。
95.因此，在传感器40的驱动电路56中处理过的来自温度传感器52的温度读数t指示蒸气品质。传感器信号s是通过计算与饱和温度t
sat
的温度差δt而根据测得的温度值t得出，该饱和温度可以通过测量制冷剂温度来进行测量，例如通过延伸穿过壁进入导管34内部的温度传感器(未示出)或通过夹装式温度传感器来进行测量。可替代地，饱和温度可以基于压力测量来计算。
96.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。
97.如上文参考图2a至图2c所解释的，导管34内的液氨和气态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。
98.传感器40的位置对温度读数t和针对不同蒸气品质值x获得的所得传感器信号s具有重要影响。图9示出了传感器信号s依赖于蒸气品质x的曲线。
99.实线示出了布置在导管34顶部上的传感器40的传感器信号s，如图4至图7中所示。由于导管的壁的内部与液氨接触，所以针对高达约65％的较低蒸气品质值x的传感器信号保持恒定。从大约65％开始，传感器信号s显示出严格单调的上升，使得传感器信号s指示蒸气品质值x。
100.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)或下方(与向上竖直方向成180
°
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＝180
°
的角度下的传感器40的传感器信号s。布置角度β越大，获得上升的传感器信号s所需的蒸气品质值x的阈值越高。对于布置在β1＝90
°
的角度下的传感器，传感器信号s直到高于x＝70％才上升，而对于布置在β2＝180
°
的角度下的传感器40，信号s仅在高于x＝80％时上升。
101.根据蒸气品质值x的预期范围，可以选择布置角度β以获得传感器装置50的期望灵敏度。如将针对下文的一些实例所示的，传感器40在横截面中的不同传感器位置，诸如顶部位置(例如，β＝ /
‑
30
°
，传感器40在横截面中的10点钟至2点钟位置)、水平位置(β＝45
°‑
90
°
，3点钟位置)和底部位置(β＞90
°
，4点钟至8点钟位置)可以适用于不同蒸发器类型。
102.然而，应当理解的是，传感器信号s不必是特定蒸气品质值x的精确测量。虽然在传感器40的有效工作范围内，传感器信号s与蒸气品质值x具有严格单调的依赖性，如图9所示，但是实际曲线也可以取决于其他参数，诸如导管34内液体和气体的分布、流速、加热元件48的特定效果。因此，从传感器信号s获得蒸气品质x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，有可能获得蒸气品质x的值。然而，如将在下文所示的，由于传感器信号s对于蒸气品质x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。
103.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布置在具有最高热负荷的蒸发器管件34a处(图3a至图3c)。传感器40进一步优选地布置在蒸发器管件34a的端部处(尽管优选地在空气流33之外)，即在进入收集导管31之前的管件34的出口。
104.在系统10和蒸发器32内的这个位置处，蒸气品质x将是最高的。因此，该位置非常适合获得传感器信号s。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具有第2、第3或第n最高热负荷的蒸发器管件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。负荷分布和/或优选传感器位置的实验性确定在下文进行描述。
105.在图1的泵过量进给氨冷却系统10中，来自每个蒸发器32的蒸气品质传感器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，并且控制控制阀36的开口程度。控制阀36例如是由控制信号c可控制的螺线管阀。
106.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设计/额定/标称容量的比率。
107.在诸如图1中所示的冷却系统10的泵过量进给系统中，循环率n高于1，即，到每个蒸发器32的液氨的质量流量高于蒸发器32的容量，使得氨仅部分地蒸发，并且蒸发器导管34中的蒸气品质x低于100％。通常，蒸发器32的出口中的蒸气品质x将是循环率n的倒数，即x＝1/n。
108.蒸气品质值x将在具有最高热负荷的蒸发器管件34a中最高，传感器40布置在该管件中。
109.如图12中所示，蒸发器容量c
e
不是恒定的，而是取决于蒸气品质x/循环率n。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，蒸发器容量对于低循环率n减小，该低循环率对应于高的蒸气品质x值。
110.图12展示了蒸发器容量c
e
对循环率n的典型依赖性。性能数据应优选地是由蒸发器制造商测量的数据，然而这不是常见的信息。在恒定操作的蒸发器上，有可能显示出对循环率的性能依赖性。如果蒸发器具有已知的操作点，例如，ncirc＝3.3，那么可以通过测量蒸发器两端的空气温度差并且逐步减少喷射至蒸发器中的液氨来测量容量依赖性。该方法仅在如果有可能在恒定条件下操作该系统的情况下是适当的。
111.利用关于蒸发器容量c
e
与循环率n的关系的信息，有可能选择合适的传感器位置，这考虑了具有低循环率的操作点，但是具有有限的蒸发器容量的减少。
112.一般地，诸如图1的冷却系统10的泵过量进给系统被设计成具有3
‑
4的循环率，即，穿过阀36的液氨的质量流速比蒸发器32的设计/额定/标称容量所需的量高3
‑
4倍，以补偿负荷变化。然而，这使得系统具有高的氨制冷剂总量。出于安全考虑，将希望减小系统内氨的量。
113.如果流速n被降低到通常值3以下，则氨的量可以被减小。
114.冷却系统10包括控制器80，以控制供应到蒸发器32的氨的质量流量，从而控制流速n，目的是获得小于3的流速，但是能够对负荷变化做出反应。
115.控制是基于传感器信号s实现的，该传感器信号指示蒸发器管件34之一(优选是最高负荷蒸发器管件34a)中的部分蒸发的氨制冷剂的蒸气品质值x。控制目标是在不降低冷却能力或冷却能力降低最小的情况下，最大限度地减少液体过量进给，特别是溢流式氨蒸发器的液体过量进给。以此方式，蒸发器和返回导管34a、34b中的液体滞留可以被减少，使得冷却系统10内的总氨量被减少。
116.图10在实例中示出了蒸发器容量c
e
和传感器信号s如何根据循环率n而变化。
117.在循环率n的某个值以上(在该实例中约为n＝2)，蒸发器容量c
e
保持基本恒定。如果循环率n降低到该值以下，蒸发器容量c
e
实际上稍微增加。在较低的阈值n
tl
，在约n
tl
＝
1.25的实例中，蒸发器容量c
e
减小。
118.在控制范围r内在仅略高于较低阈值n
tl
时操作未经调节的系统可能不会留下足够的容量来应对负荷变化。然而，通过使用主动循环率控制，操作范围可以扩展到控制范围r，同时保持在负荷增加的情况下增大质量流量的可能性。
119.这种主动循环率控制由控制器80基于传感器信号s来实现。
120.控制器80通过基于指示蒸发器32出口处制冷剂的蒸气品质值x的传感器信号s来控制控制阀36，而调节氨制冷剂到每个蒸发器32的质量流速。
121.在优选的控制策略中，冷却系统10的蒸发器32可以例如在控制范围r(n
tl
＜n＜n
tu
)内在图10所指示的操作点p处进行操作。
122.例如，可以将操作点p选择为大约1.3的循环率n，从而操作点p处的蒸气品质值x将为大约77％。在冷却系统10和控制器80的设置期间，可以获得指示操作点p的参考传感器信号水平s
p
。
123.对于冷却系统10中的蒸发器32中的每一个，控制器80将观察从传感器40中的每一个递送的传感器信号s。如果传感器信号s高于s
p
，指示比设定值p处期望的更高的蒸气品质x，则控制器80将调整控制信号c以增加阀36的开口，从而增大制冷剂穿过阀36的质量流量。如果传感器信号s低于s
p
，指示比设定值p处期望的更低的蒸气品质x，则控制器80将调整控制信号c以减小阀36的开口，以减小质量流量。
124.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。
125.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。
126.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。
127.针对不同类型的蒸发器，蒸发器容量对循环率的依赖性可能不同。在图13中，示出了三种不同蒸发器设计的蒸发器容量c
e1
、c
e2
和c
e1
以及针对三种不同布置角度的对应传感器信号s
e1
、s
e2
和s
e1
的曲线的实例。
128.蒸发器容量曲线c
e1
所属的第一蒸发器设计可以是例如能够以非常低的循环率n操作的特殊设计。
129.在这种蒸发器设计的蒸发器中，传感器信号s
e1
优选地从如上文描述的、安装在蒸发器管件的顶部(β＝0，12点钟位置)处的加热型传感器40获得。
130.图13中进一步示出了针对第二类型的蒸发器设计的容量曲线c
e2
，这得到了c
e2
对循环率n的不同依赖性。
131.在具有根据该第二蒸发器设计的蒸发器的冷却系统中，传感器信号s
e2
优选地从如
上文描述的、安装在蒸发器管件的侧面上的水平位置(β≈45
‑
90
°
，2点钟至3点钟位置)的加热型传感器40获得。
132.最后，图13示出了针对第三类型的蒸发器设计的蒸发器容量曲线c
e3
，第三类型的蒸发器设计是一种标准类型的蒸发器，已经广泛用于许多安装的冷却系统中。在具有根据第三蒸发器设计的蒸发器的冷却系统中，传感器信号s
e3
优选地从被安装在蒸发器管件的下部(β＞90
°
，4点钟至8点钟位置)处的加热型传感器40获得。
133.如果蒸发器管件34的负荷分布是未知的，例如不是由制造商规定的，则可以进行实验例程来确定负荷分布，特别是确定优选的传感器位置，该位置通常可以在具有最高热负荷的蒸发器管件34上。数个蒸发器管件34中的此特定管件34可以由下文描述的例程来限定和确定。
134.可以假设传感器40所处的管件34中的流动具有环形流动状态，然而气体/蒸气和液体的分布受到数个参数的影响，这些参数即：
135.‑
管直径(普通直径例如可以在10至25mm的范围内。小直径可能导致顶部与底部之间的流分布的较小差异)
136.‑
热传递(常见的管件材料例如是铝、不锈钢和钢。热传递速率针对不同材料可能不同)
137.‑
内表面粗糙度(高粗糙度提供改善的热传递)
138.‑
速度的分布(制冷剂可以在管34的不同部分中以不同的流速流动，例如从顶部到底部的流速差可能增加(例如在5
‑
15m/s的范围内))。
139.传感器40可以位于例如数个平行通路(蒸发器管34)中任一个的出口处。在此通常认为对于安装传感器40最佳的放置是管回路，该管回路在循环减少时首先达到蒸气品质x≥100％(“最高负荷管34”)。
140.用于确定传感器40的优选位置的例程：
141.a.冷却系统10在稳定的操作点处进行操作。在操作期间，蒸发器入口阀36逐渐关闭，同时观察所有平行通路的出口附近的蒸发器管件34上的温度。
142.b.首先达到蒸气品质x≥100％的通路被选择为传感器40的位置。传感器优选地被布置在定向在顶部位置(β＝0)中的对应蒸发器管件34上
143.c.接着安装用于蒸发器32的控制系统，并且经调节的液体进给如上文所述进行实施。
144.d.在满负荷操作期间，可以验证传感器的灵敏度与系统10的响应。如果高负荷下的气体品质导致灵敏度过高(由控制器定义)，则可以通过增加传感器位置β来降低灵敏度。
145.对于相同类型且在相同操作条件下的蒸发器32，在步骤a和b中描述的、针对一个蒸发器32的实验中获得的信息可以用于确定相同类型的所有其他蒸发器32的优选传感器位置。
146.应当记住的是上述实施例仅仅是根据本发明的冷却系统、传感器装置、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。
147.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：
1.一种用于提供指示在导管内流动的介质的蒸气品质(x)的传感器信号(s)的传感器装置，包括：
‑
所述导管的水平布置部分(38a)，
‑
以及被布置成与所述导管(34)的所述部分(38a)的壁热接触的传感器(40)，所述传感器(40)包括加热元件(48)和温度感测元件(52)，
‑
以及处理装置(56)，该处理装置被设置成基于所述温度感测元件(52)的输出而递送传感器信号(s)，
‑
其中，所述传感器(40)包括由金属材料制成的传感器主体(46)，所述加热元件(48)和所述温度感测元件(52)被布置成与所述传感器主体(46)热接触。2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，
‑
所述加热元件(48)和/或所述温度感测元件(52)布置在形成于所述传感器主体内的空腔中。3.根据前述权利要求之一所述的传感器装置，其中，
‑
所述传感器(40)包括凹部分(58)，所述导管(34)的外壁被至少部分地接纳在所述凹部分内。4.根据前述权利要求之一所述的传感器装置，其中，
‑
提供了隔绝元件(55)以隔绝所述传感器(40)和所述导管(34)的至少一部分。5.根据前述权利要求之一所述的传感器装置，其中，
‑
所述传感器(40)布置在所述导管(34)的壁上、在与竖直向上方向形成小于30
°
的角度(β)的位置。6.根据前述权利要求之一所述的传感器装置，其中，
‑
所述加热元件(48)被设置成递送恒定量的热。7.根据前述权利要求之一所述的传感器装置，其中，
‑
所述加热元件(48)被设置成递送一定量的热，使得所递送的热的值除以该传感器(40)与该导管(34)的壁之间的接触面积小于或等于0.2w/mm2。8.一种冷却系统，包括：
‑
用于蒸发氨制冷剂(20)的至少一个蒸发器(32)、被布置成压缩所述蒸发的制冷剂(11)的至少一个压缩机(12)、用于冷凝所述压缩的制冷剂(11)的至少一个冷凝器(18)、以及用于将所述冷凝的制冷剂泵送到所述蒸发器(32)的至少一个蒸发器泵(30)，
‑
其中，根据前述权利要求之一所述的传感器装置(50)被布置在导管(34)处，该导管从所述蒸发器(32)的至少一部分传导所述制冷剂。9.根据权利要求8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)。10.根据权利要求9所述的冷却系统，其中，
‑
所述控制器(80)被配置为响应于指示较低蒸气品质值(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。
11.根据权利要求8至10之一所述的冷却系统，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，
‑
所述蒸气品质传感器(40)被布置在所述管(34a)中的一个管的所述第二部分上。12.根据权利要求11所述的冷却系统，其中，
‑
所述蒸发器(32)的所述管(34a)中的一个管被布置成具有最高的热负荷，
‑
并且所述传感器(40)布置在所述管(34a)上。13.一种感测在导管内流动的介质的蒸气品质的方法，包括：
‑
提供与导管(34)的水平部分的壁热接触的传感器(40)，
‑
操作所述传感器(40)中的加热元件(48)以产生热，
‑
感测所述传感器(40)的温度，并且基于所述感测的温度来递送指示蒸气品质(x)的传感器信号(s)，
‑
其中，所述传感器(40)包括由金属材料制成的传感器主体(46)，所述加热元件(48)和所述温度感测元件(52)被布置成与所述传感器主体(46)热接触。14.根据权利要求13所述的方法，其中，
‑
所述传感器(40)布置在根据权利要求8至12之一所述的冷却系统(10)中的蒸发器(32)的多个蒸发器管(34)中的一个蒸发器管(34)上，并且
‑
其中，布置有所述传感器(40)的所述一个蒸发器管(34)是以下蒸发器管(34)，在所述冷却系统(10)的操作中从该蒸发器(32)的所有蒸发器管(34)的蒸气品质(x)都低于100％的操作点开始，随着到所述蒸发器(32)的质量流量减小，该蒸发器管首先达到蒸气品质值x≥100％。
技术总结
本发明涉及一种传感器装置，该传感器装置用于提供指示在导管(38a)内流动的介质的蒸气品质X的传感器信号S。包括加热元件和温度感测元件的传感器被布置成与导管(34)的水平布置部分(38a)的壁热接触。处理装置被设置成基于温度感测元件(52)的输出而递送传感器信号S。传感器(40)包括由金属材料制成的传感器主体(46)。加热元件(48)和温度感测元件(52)被布置成与传感器主体(46)热接触。本发明进一步涉及一种冷却系统(10)，该冷却系统包括用于蒸发氨制冷剂的至少一个蒸发器(32)、被布置成压缩蒸发的制冷剂的至少一个压缩机(12)、用于冷凝压缩的制冷剂的至少一个冷凝器(18)、以及用于将冷凝的制冷剂泵送到蒸发器(32)的至少一个蒸发器泵(30)。传感器装置(50)被布置导管(34)处，该导管从蒸发器(32)的至少一部分传导制冷剂。剂。剂。


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