CN100529717C - 用于检测热交换器的异常的方法和装置以及该装置的使用 - Google Patents

Abstract

一种用于检测热交换器(3、5)的异常的方法和装置，该热交换器在流经管道(6)的第一流体流(7)与沿流动路径(9)流动的第二流体流(8)之间进行热交换，该管道(6)和该流动路径(9)均具有入口和出口，该方法包括以下步骤：建立至少一个代表该热交换器(3、5)的温度状况的参数；建立第二流体入口温度；建立代表该热交换器与该第二流体之间的预期热交换的参数；处理该热交换器温度、该第二流体温度、和该代表预期热交换的参数，以便建立估算的第二流体出口温度；使用该估算的第二流体出口温度，以便通过将该估算的第二流体出口温度或由其导出的参数与基准数值进行比较，从而求解该第一流体与该第二流体之间的热交换。

Description

用于检测热交换器的异常的方法和装置以及该装置的使用

技术领域

本发明涉及用于检测热交换器的异常的方法和装置，该热交换器在流经导管的第一流体流与沿流动路径流动的第二流体流之间交换热量，该导管和该流动路径均具有入口和出口，并且本发明还涉及该装置的使用。

背景技术

热交换器是许多设备和系统特别是制冷或热泵系统的重要部分。这些热交换器及其效率在以上的系统中是非常重要的，并且重要的是监控该热交换器的功能以便可以检测热交换器的异常，从而采用措施以对任何缺陷进行补救。

热交换器的异常意味着该热交换器不能使得预期的能量进行交换，即流体不能进行应当的冷却或加热。这可能是由于热交换器结垢所引起的，其中一层水垢、污物、或油脂沉积在热交换表面从而降低热交换，这是因为这一层物质通常作为隔热层。另一种可能性是由于污物等阻塞或限制了经热交换器的流动引起不充分的流体流动。两种情况导致能耗变高，这是因为与在正常范围内工作的热交换器所属系统相比该系统必须在更高的负荷下工作。另外，如果出现高的热交换需要和在流体之间的较小的温度差等不利的工作状况，则不可能满足要求，在一些系统中可能出现破坏性的影响。

在出现不利的工作状况之前通常不会检测到异常，在不利的工作状况中需求可能得不到满足例如导致系统的温度升高，该温度应当保持为特定的温度。这种温度的示例是在商店中的冷藏柜，许多国家的严格法规规定当食物没有保持在最高温度之下时，必须丢弃该食物，当然这在商业上是昂贵的和损失巨大的。类似地，大型计算机系统通常保持在空调房间内，过高的温度可能导致出现计算机损坏的风险，这涉及数据损失和人力损失的高风险。

用于检测热交换器的异常的通常措施包括定期的基本的视觉检测，以便检查在热交换器入口处的污物。通常热交换器放置在难以进行检测的位置处，因此这种检测的费事的。另外，异常可能不定期的出现并且非常快速，例如当物料阻塞热交换器的入口时。这意味着对于热交换器的异常而言为了提供可靠程度的安全性，必须经常地检查热交换器。视觉检查热交换器的外部不能有效地评估热交换内表面是否出现结垢等导致热交换下降的情况。

检测热交换器异常的另一已知方法是直接的流动测量。直接的流动测量需要精确的且昂贵的设备例如热线风速计等，需要使用多个流动测量装置来获得关于整个流场的有用信息。已经提出基于压力传感器来评估流动，但是这种压力传感器也是昂贵的并且需要使用多个压力传感器来获得关于整个流场的有用信息。这些方法的另一缺点在于，它们的使用受到限制，如果在热交换器内存在流动限制，不是流动正常的情况，但是热交换下降，例如因为热交换表面的结垢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可早期检测热交换器的异常的方法。

该目的借助以下这种方法来实现，该方法包括以下步骤：

建立至少一个代表该热交换器的温度状况的参数；

建立第二流体入口温度；

建立代表该热交换器与该第二流体之间的预期热交换的参数；

处理该热交换器温度、该第二流体温度、和该代表预期热交换的参数，以便建立估算的第二流体出口温度；

使用该估算的第二流体出口温度，以便通过将该估算的第二流体出口温度或由其导出的参数与基准数值进行比较，从而求解该第一流体与该第二流体之间的热交换。借助这种方法从而提供了主要基于第一流体的参数来评估热交换器的功能的方便的方法，这意味着只需要最少的用于提供关于第二流体的信息的传感器，并且可以实现热交换器异常的自动检测。另外，该方法使得可检测到流动受到限制以及热交换器结垢。

依据实施例，该基准数值是预定的第二流体出口温度。

当该方法包括使用该估算的第二流体出口温度以建立该第二流体的第二热流率，以便相对于该第一流体的第一热流率求解该第二流体的第二热流率的能量平衡时，可获得更可靠且作为替代的方法，这是因为基于能量平衡假定的求解考虑到另外的参数的影响。

依据实施例，该方法包括通过以下方式建立该第二流体的第二热流率，即基于该估算的第二流体出口温度和第二流体入口温度来建立第二流体质量流量的估算值和该热交换器两侧的第二流体的比焓变化。

依据实施例，该方法包括通过以下方式建立该第一热流率，即基于代表第一流体入口和出口温度的参数以及冷凝压力来建立该热交换器两侧的第一流体的比焓变化。

可以对热交换进行直接求解，但是这具有一些缺点，例如在制冷系统或热泵系统中的参数的波动和变化，并且依据实施例，该方法包括建立作为该第一热流率与该第二热流率之间的差值的余量。

可以对估算的第二流体出口温度进行直接求解从而求解热交换，但是这具有一些缺点，例如在制冷系统或热泵系统中的参数的波动和变化，并且依据替代实施例，该方法包括建立作为该估算的与该预定的第二流体出口温度之间的差值的余量。

为了降低在该系统中参数的波动和变化的灵敏度并能够记录热交换的趋势，该方法包括借助该余量提供异常指示，该异常指示是依据以下公式获得的：

其中S_μ，i是依据以下等式计算得出的：

$s_{\mathrm{\μ},i}=c_1(r_i-\frac{{\mathrm{\μ}}_0+\mathrm{\μ}}{2})---\left(21\right)$

其中

r_i是余量，c₁是比例常数，μ₀是第一敏感数值，μ是第二敏感数值。

本发明的另一方面涉及一种用于热交换器的热交换器异常检测装置，该热交换器在流经管道的第一流体流与沿流动路径流动的第二流体流之间进行热交换，该装置包括：估算热交换器温度的第一估算器，存储该热交换器温度的第一中间存储器装置，测量该第二流体入口温度的温度传感器，存储该第二流体入口温度的第二中间存储器装置，建立代表该热交换器与该第二流体之间的预期热交换的参数的第二估算器，存储代表该预期热交换的该参数的第三中间存储器装置，基于分别来自该第一中间存储器装置和该第二中间存储器装置的热交换器温度和该第二流体入口温度以及来自该第三中间存储器装置的该代表预期热交换的参数从而建立估算的第二流体出口温度的处理器，以及将该估算的第二流体出口温度或由其基础建立的参数与基准数值进行比较的比较器。

该装置的实施例还包括用于存储至少一个来自该处理器的参数的存储器装置，由此可获得基于在先存储的数据来工作的装置。

尽管该装置通常应用于热交换器，但是已经发现该装置特别适合于这样的实施例，其中该热交换器是蒸气压缩制冷或热泵系统的一部分，该系统包括压缩机、冷凝器、膨胀装置、和蒸发器，它们由管道互连以便提供用于第一流体的流动回路，该第一流体是制冷剂。

依据实施例，该热交换器是冷凝器，由于制冷剂在冷凝器中处于三种不同的相，即过热气体、气体和液体的混合、以及过冷液体，因此监控该冷凝器是非常困难的。

依据实施例，该第二流体是空气，这是对于上述的制冷或热泵系统的第二流体的常用形式，对于空气而言流体参数的直接测量涉及一些特殊的问题。另外，通常所使用的空气是环境空气，其包含可能沉积在热交换器上的不同类型的污染物。

具体地说，该冷凝器是位于建筑物内的冷藏柜的一部分，并且该冷凝器位于建筑物的外侧，其作为特殊的示例，其中本发明的装置是特别有利的。

本发明的第三方法涉及如上所述的检测装置的使用，其特征在于，该检测装置用于检测该热交换器的结垢和/或检测该第二流体的不充分流动。

附图说明

参照以下附图来详细描述本发明，在附图中：

图1是制冷系统的示意图；

图2是热交换器的示意截面图；

图3是热交换器的示意侧视图；

图4是热交换器的温度曲线图；

图5是制冷剂的log p，h示意图；

图6是冷凝器的出口温度的估算和测量的曲线图；

图7是残留物的曲线图；

图8是异常指示的曲线图；和

图9是图8的曲线图的放大图。

具体实施方式

以下参照简单制冷系统中的热交换器来进行描述，但是本发明的原理可等同地应用于其它热交换器系统中的热交换器，并且本领域的技术人员应当理解，本发明不限于制冷系统。

在图1中示出了简单的制冷系统1，其包括压缩机2、冷凝器3、膨胀装置4、和蒸发器5，它们由管道6连接起来，制冷剂在管道中循环。在蒸气压缩制冷或热泵系统中，制冷剂在该系统中循环并且经历相变和压力改变。在系统1中制冷剂气体在压缩机2中被压缩以便获得高压的制冷剂气体，该制冷剂气体供应到冷凝器3(热交换器)，其中制冷剂气体被冷却且冷凝，因此制冷剂在离开冷凝器3时处于液态，以便使得制冷剂在膨胀装置4中膨胀为低压并在蒸发器5(热交换器)中蒸发，以便获得低压的制冷剂气体，该制冷剂气体供应到压缩机2从而继续该过程。

对于热交换器的特定示例为商店的用于冷冻食品储藏柜或冷藏柜的制冷系统的冷凝器3。在图2中示出了交叉流式热交换器的示意截面图，其具有在管道6中的第一流体流7以及在流动路径9中的第二流体流8。在如上所述的制冷系统1的冷凝器3的示例中，第一流体是制冷剂，第二流体通常是空气。制冷剂作为过热气体进入冷凝器3，在冷凝器3的通道中制冷剂借助在热的管道6附近流过的空气来冷却，该管道保持有制冷剂，因此制冷剂气体被冷却到冷凝温度并冷凝并且作为过冷液体离开冷凝器3。为了获得和保持流过冷凝器3的空气流，冷凝器3通常设置有(未示出的)风扇，其以开-关模式或可变速模式恒定地运转。

这种系统的冷凝器3通常放置在商店之外，通常放置在屋顶上，这是因为如果其放置在室内，可能导致商店内的温度升高，并且室外的温度一般低于室内的温度。然而，将冷凝器3放置在室外具有以下缺点，即冷凝器3是暴露的易于阻塞或结垢，这是因为污物、油脂、树叶、报纸等限制空气流8或使得从制冷剂向空气的热传递下降，并且还使得难以触及和检查热交换器。由于例如降雨、风向等的气候状况、污染、季节变化、例如落叶等使得难以获得适当检查时间间隔，由此阻塞的时间间隔是不规则的。

图3是热交换器的侧视示意图，在给定的示例中热交换器是冷凝器3，其入口由树叶部分地覆盖。这意味着流经冷凝器3的流动路径9的空气流受到限制，因此热交换下降。为了检测到这种异常，提出通过利用空气流相关的导热率α的空气出口温度估算器。导热率的数值取决于给定的热交换器，并且可在热交换器开始工作时建立。发现该参数的数值不是关键的，并且该数值可依据经验数值或由热交换器制造商提供的数值来建立。导热率是与流动相关的，并且对于包括风扇以便迫使空气流过热交换器的热交换器而言，该导热率α可以表示为

α＝α₀ω^0.8，(1)

其中ω是风扇的速度，α₀是在不流动条件下的导热率。

对于流经冷凝器3的空气温度的估算可通过使用导热率α来限定，对于恒定的空气流可给出

dt_air(y)＝α(t_cond，surf(y)-t_air(y))dy(2)

其中y表示离开空气入口的距离，并且y代表了归一化参数，即y是相对于流动路径的总长度的距离，因此出口处于1，t_cond，surf(y)是冷凝器的热交换表面在位置y的表面温度，并且t_air(y)是在位置y的空气温度。t_cond，surf可以通过使用温度传感器的直接测量来建立。然而，这种传感器是昂贵的，特别是当它们放置在室外时容易出现误差。因此优选的是，基于制冷剂的参数的估算来建立冷凝器的表面温度的估算。在冷凝器中，制冷剂存在三种不同的相：在制冷剂入口的区域中，制冷剂处于气相并多少有些过热，在制冷剂以恒定温度进行冷凝的另一区域中，制冷剂处于气态和液态的混合形式，并且在第三区域中，制冷剂是液态的并且多少有些过冷。

以下描述中，t_cond，surf(y)处于两相和液态区域中，其假定等于制冷剂的冷凝温度。对于气相区域，t_cond，surf(y)假定为制冷剂气体温度和冷凝温度的平均值。

对于制冷剂作为过冷液体存在的热交换器的区域，其中y＝0到y＝y₁，假定温度以梯度k₁线性地增加，已经发现对于绝大部分的用途而言可获得足够准确的温度曲线。如上所述的估计冷凝器表面温度等于冷凝温度，该温度增加可以是：

dt_air(y)＝α(t_liquid+k₁y-t_air(y))dy(3)

其中k₁是常数，表示在过冷区域中的温度梯度，并且t_liquid是在制冷剂出口的制冷剂温度。

对于从y＝y₁到y＝y₂的两相的第二区域，如上所述的估计冷凝器表面温度等于冷凝温度(t_cond，surf＝t_cond)，

dt_air(y)＝α(t_cond-t_air(y))dy(4)

对于过热气体区域即从y＝y₂到y＝y₃＝1的区域，该温度假定为以梯度k₂线性地变化，并且该等式估算为

dt_air(y)＝α(t_cond+k₂(y-y₂)-t_air(y))dy(5)

其中y₂表示两相区域的结束，并且k₂表示对于过热的气体区域的平均温度梯度。

为了获得冷凝器中的空气温度，以上的等式(3)、(4)、(5)联立并由此获得：

对于过冷区域(0＜y＜y₁)

$t_{\mathrm{air}}\left(y_1\right)=t_{\mathrm{liquid}}+k_1{y}_1-\frac{k_1}{\mathrm{\α}}+\frac{({\mathrm{\αt}}_{\mathrm{air}}\left(0\right)+k_1-{\mathrm{\αt}}_{\mathrm{liquid}})}{\mathrm{\α}}{e}^{-\mathrm{\α}{y}_1}---\left(6\right)$

其中t_air(0)是在进入流动路径9的入口处的空气温度，即环境温度。

对于两相区域(y₁＜y＜y₂)

$t_{\mathrm{air}}\left(y_2\right)=t_{\mathrm{cond}}+(t_{\mathrm{air}}\left(y_1\right)-t_{\mathrm{cond}})e^{-\mathrm{\α}(y_2-y_1)}---\left(7\right)$

对于过热气体区域(y₂＜y＜1＝(y₃))

$t_{\mathrm{air}}\left(y_3\right)=t_{\mathrm{cond}}+k_2(y_3-y_2)-\frac{k_2}{\mathrm{\α}}+\frac{({\mathrm{\αt}}_{\mathrm{air}}\left(y_2\right)+k_2-{\mathrm{\αt}}_{\mathrm{cond}})}{\mathrm{\α}}{e}^{-\mathrm{\α}(y_3-y_2)}---\left(8\right)$

因此可以使用这些等式来估算空气出口温度。估算空气出口温度的参数是空气入口温度、在入口和出口的制冷剂温度、制冷剂的冷凝温度、对于的y₁、y₂、k₁、k₂估算值。所发现的是，对于许多冷凝器而言，热交换的大约5％处于第一区域，其中制冷剂作为过冷液体存在，热交换的大约75％发生在第二区域，即其中制冷剂从气体到液体的相变的冷凝器部分，热交换的其余的大约20％发生在制冷剂作为过热气体存在的冷凝器区域。k₁的数值可以或多或少地基于y₁、t_liquid、和t_cond由经验来建立，然而k₂的数值可以或多或少地基于y₂、制冷剂出口温度、t_cond、和流动路径的总长度由经验来建立。由此可以主要地基于制冷剂的参数来获得空气出口温度，并且这些制冷剂参数通常已经是已知的，这是因为现今的绝大多数的制冷系统都包括制冷系统控制器，其带有持续地测量这些参数的传感器。图4示出了交叉流式冷凝器的温度曲线的示例。如果不太精确的响应也是满意的，则可以使用例如仅涉及两相区域的过热气体区域的简化模型，或者甚至仅仅涉及进行绝大部分的热交换的两相区域。

随后估算的空气出口温度可以与测量的空气出口温度进行比较，测量的空气出口温度是由温度传感器在空气出口获得的。当热交换器出现异常时，将出现明显的估算误差，这可用于触发报警信号。

尽管这种空气出口温度与测量的温度进行直接比较的方法在一些系统中是方便的且适当的，但是当估算基于热交换器的能量平衡的假定时可获得更稳定和可靠的结果。然而，直接的出口温度很少是方便的，而且几乎不设置测量空气出口温度的温度传感器，因此存在着对于替代方法的需求。

冷凝器的能量平衡可以表述为：

${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Air}}={\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Ref}}---\left(9\right)$

其中

是每单位时间由空气获得的热量，即传递给空气的热流率，

是每单位时间从制冷剂排散的热量，即由制冷剂传出的热流率。

用于建立制冷剂的热流率

即每单位时间从制冷剂排散的热量的依据是以下等式

${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Ref}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Ref}}(h_{\mathrm{Ref},\mathrm{in}}-h_{\mathrm{Ref},\mathrm{out}})---\left(10\right)$

其中

是制冷剂的质量流量。h_Ref，out是制冷剂在冷凝器出口的比焓，h_Ref，in是制冷剂在冷凝器入口的比焓。制冷剂的比焓是制冷剂的物质特性和状态特性，并且可确定比焓。制冷剂的制造商可以提供对于制冷剂的如图5所示的类型的log p，h图，其中大致示出了制冷系统的热力循环。从I到II，制冷剂气体在压缩机中压缩，从II到III，制冷剂在冷凝器中从过热气体状态冷却到冷凝状态并进一步冷却到过冷液体状态。从III到IV，制冷剂在膨胀装置中膨胀成低压，其中制冷剂以液态和气态的混合形式存在。从IV到I，制冷剂在蒸发器内被加热，以便在点I处进入压缩机，该制冷剂是完全气态的。

借助该图，可以建立在冷凝器两侧的比焓差。例如为了借助log p，h图来建立h_Ref，in，只是必需已知在冷凝器入口的制冷剂的温度和压力(分别为T_Ref，in和P_Cond)。这些参数可以借助温度传感器和压力传感器来测量。

类似地，为了建立在冷凝器出口的比焓，需要两个测量数值：在冷凝器出口的制冷剂温度(T_Ref，out)和在冷凝器出口的压力(P_Cond)，它们可以分别用温度传感器和压力传感器来测量。

为了代替log p，h图，当然还可以使用图表和表格的数值，这可以利用处理器来简化计算。制冷剂制造商通常还可提供用于制冷剂的状态的等式，以便可进行直接的计算。

通过只是假定在进入膨胀装置的位置处是液相的制冷剂，可建立制冷剂的质量流量。在具有电子控制的膨胀阀的制冷系统中，当膨胀阀两侧的绝对压力差和在膨胀阀入口处的过冷度(T_V，in)是已知的时，例如通过使用脉冲宽度调制，可以基于膨胀阀的孔口通道和/或打开时间段在理论上确定制冷剂质量流量。类似地，在使用具有公知的开口通道例如固定孔板或毛细管的膨胀装置的制冷系统中可建立制冷剂质量流量。在绝大多数系统中，上述参数已经是已知的，这是由于测量压力的压力传感器设置在冷凝器3中。在许多情况下，过冷度是大致恒定的，并且较小且可以估算，因此不需要进行测量。随后可以借助阀特征、压力差、过冷度、和阀开口通道和/或打开时间段来计算流经膨胀阀的制冷剂质量流量。对于许多的脉冲宽度调制的膨胀阀，所发现的是对于恒定的过冷度，理论的制冷剂质量流量基本上与阀之前和之后的绝对压力差和打开时间段成比例。在这种情况下，理论的制冷剂质量流量可以依据以下的等式来计算：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Ref}}=k_{\exp }\·(P_{\mathrm{cond}}-P_{\mathrm{Evap}})\·\mathrm{OP}---\left(11\right)$

其中P_Cond是冷凝器中的绝对压力，P_Evap是蒸发器中的压力，OP是打开时间段，k_Exp是比例常数，其取决于该膨胀阀和过冷度。在一些情况下制冷剂的过冷度非常大，以至于必需测量该过冷度，这是流经膨胀阀的制冷剂受到过冷度的影响。然而在大多数情况下，只需要建立在阀之前和之后的绝对压力和开口通道和/或打开时间段的数值，这是因为过冷度较小并且基本上是常数，并且随后可以在阀特征或比例常数中涉及到过冷度，并且另一可能性是基于经验数值来建立来自压缩机的质量流量，该经验数值例如是由压缩机的制造商提供的数据和压缩机之前和之后的绝对压力。

类似地，依据以下等式可以建立空气的热流率

即每单位时间由空气获得的热量，

${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Air}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Air}}(h_{\mathrm{Air},\mathrm{out}}-h_{\mathrm{Air},\mathrm{in}})---\left(12\right)$

其中

是每单位时间的空气质量流量，h_Air，in是在进入冷凝器之前空气的比焓，h_Air，out是空气在冷凝器之后的比焓。

空气的比焓可以基于以下等式来计算：

h_Air＝1.006·t+x(2501+1.8·t)，[h]＝kJ/kg(13)

其中t是空气的温度，即在冷凝器之前的温度h_Air，in和在冷凝器之后的温度h_Air，out。X表示空气的绝对湿度。空气的绝对湿度可基于以下等式来计算：

$x=0.62198\·\frac{p_W}{p_{\mathrm{Amb}}-p_W}---\left(14\right)$

其中P_w是在空气中的水蒸气的分压力，P_Amb是空气压力。P_Amb可以是测量的或者可简单地使用标准大气压。标准大气压与真实压力之间的偏差在计算每单位时间由空气获得的热量中不是非常重要的。水蒸气的分压力借助空气的相对湿度和饱和水蒸气压力来确定，并且可基于以下等式来计算：

p_W＝p_W，Sat·RH(15)

其中RH是空气的相对湿度，P_w，Sat是水蒸气的饱和压力。P_w，Sat仅取决于温度，并且可以在热力参考手册中查找。空气的相对湿度可进行测量，或者可在该计算中使用典型数值。当等式(10)和(12)设定为相等时，在等式(9)中意味着发现以下等式：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Air}}(h_{\mathrm{Air},\mathrm{Out}}-h_{\mathrm{Air},\mathrm{In}})={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Ref}}(h_{\mathrm{Ref},\mathrm{In}}-h_{\mathrm{Ref},\mathrm{Out}})---\left(16\right)$

从其中可分离出

从而获得空气质量流量

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Air}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Ref}}\·\frac{(h_{\mathrm{Ref},\mathrm{In}}-h_{\mathrm{Ref},\mathrm{Out}})}{(h_{\mathrm{Air},\mathrm{Out}}-h_{\mathrm{Air},\mathrm{In}})}---\left(17\right)$

假定空气流是无错误的，该等式可以用于估算该系统的运行。在许多情况下，推荐在该系统中记录空气质量流量。作为示例，该空气质量流量记录为在特定时间段内的平均值，在该时间段内制冷系统在稳定和无错误的运行状况下工作。该时间段可以例如是100分钟。该估算的空气质量流量认为是在稳定和无错误的运行状况下的平均值，其表示为

特定的困难在于以及事实，即来自不同传感器(温度计、压力传感器)的信号具有明显的偏差。这些偏差处于相反的相位，因此可获得估算的空气出口温度或能量平衡，这在分析中提出了特定的困难。这些偏差或波动是制冷系统中的动态条件引起的。因此有利的是，基于依据等式(9)的能量平衡，有规则地例如每分钟一次建立一在以下表示为“余量”的数值：

$r={\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Air}}-{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Ref}}---\left(18\right)$

因此基于等式(10)和(12)，余量可确定为：

$r={\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{m}}}_{\mathrm{Air}}(h_{\mathrm{Air},\mathrm{Out}}-h_{\mathrm{Air},\mathrm{In}})-{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Ref}}(h_{\mathrm{Ref},\mathrm{In}}-h_{\mathrm{Ref},\mathrm{Out}})---\left(19\right)$

其中

是估算的空气质量流量，其按上述方式建立，即作为在无错误运行的时间段内的平均值。另一可能性是假定

是恒定常数，其可以在具有恒定工作的风扇的冷凝器的非常简单的示例中来建立。甚至在具有可变流动能力的系统中，例如具有多个可独立运转的风扇的系统，或者在设置一个或多个例如使用变频器以便变速运行的风扇的系统中，可建立该质量流量的清楚的估算值。该估算的质量流量可以通过建立导电连接的风扇的数量来获得，即多少风扇被连接，和/或风扇的速度，由此建立所连接的风扇的流量，例如通过使用经验数值。

该估算的空气出口温度可以类似地求解，即提供作为估算的空气出口温度与预定的空气出口温度之间的差值。该预定的空气出口温度可以直接测量或者作为经验数值而获得。

在无错误运行的制冷系统中，余量r的平均值为零，但是其可以具有相当大的偏差。为了早期检测到故障，该故障表示为余量的趋势，假定对于余量r记录的数值在平均值附近形成高斯分布并且是独立的，无论制冷系统是无错误地运行或出现错误与否。

在原则上，余量应当为零，无论在系统中存在故障与否，这是因为能量守衡或能量平衡定理的永恒的。当不属于以上等式的情况时，正是因为在系统出现故障的情况下，不能实现使用该等式的先决条件。

在冷凝器表面出现结垢的情况下，导热率改变，因此α变小几倍。这在计算中没有考虑到，因此在等式中使用的空气的估算热流率

明显大于实际情况。对于制冷剂的热流率

计算是正确的(假定是正确的)，这意味着对于在热交换器两侧的制冷剂的热流率

而言所计算的数值等于实际情况的制冷剂的热流率。因此在冷凝器表面出现结垢的情况下余量的平均值是正的。

在出现导致流经冷凝器的空气减少的故障的情况下(风扇故障或者例如污物覆盖了热交换器的空气入口)，空气的质量流量小于在计算中所使用的空气质量流量

的估算数值。这意味着在计算中使用的空气的热流率大于实际情况的空气的热流率，即每单位时间由空气排散的热量小于预期。(假定制冷剂的热流率是正确的)其结果为在出现导致经过冷凝器的空气流减小的故障的情况下余量是正的。

为了滤掉余量信号的任何波动和震荡，借助研究该余量来进行统计运算。

通过依据以下等式来计算异常指示从而进行该研究：

其中S_μ，i是依据以下等式计算得出的：

$s_{\mathrm{\μ},i}=c_1(r_i-\frac{{\mathrm{\μ}}_0+\mathrm{\μ}}{2})---\left(21\right)$

其中c₁是比例常数，μ₀是第一敏感数值，μ是第二敏感数值，并且是正的。

在等式(20)中，当然可预先假定异常指示S_μ，i即在时间第一点设定为零。对于时间上的后一点，依据等式(21)使用S_μ，i，并且该数据和在时间上的前一点的异常指示S_μ，i的总和可计算。当该总和大于零时，该异常指示设定为该新的数值。当该总和等于或小于零时，该异常指示设定为零。在最简单的情况下，μ₀设定为零。μ是选定的数值，其例如建立出现的故障。该参数μ是每隔多久接收关于热交换器异常检测的故障信号的标准。

当例如出现故障时，其中冷凝器的空气入口被例如树叶覆盖，随后异常指示增长，这是由于周期性记录的S_μ，i的数值的平均值大于零。当异常指示达到预定数值时，促动报警，该报警表示空气质量流量减小。如果μ选择的数值越大，则发生的故障报警越少，但是这存在降低检测故障的灵敏度的风险。

依据等式(20)和(21)的过滤运算的原理借助图7和8来描述，基于由能量平衡即基于等式(18)获得的余量来使用过滤。在图7中，时间以分钟在X轴上表示，余量r在Y轴上表示。图7示出了故障的出现，其中商店的冷凝器在t＝2900分钟时突然结垢。然而，可以看出信号非常明显地波动和变化，这使得估计较困难，在大约t＝5500分钟之前问题的存在不明显。

在图8中示出了借助等式(20)的异常指示来进行图7的数据的过滤，时间以分钟在X轴上表示，异常指示S在Y轴上表示。可以看出，热交换器在大约t＝2900分钟之前正常地运行，当结垢突然发生之后，异常指示S出现。这可容易地在图8的放大图即图9中看到。在图9中，在大约t＝2900分钟时的异常可以通过使用异常指示S与所使用的余量或空气出口温度来比较从而容易地检测到。

该装置的另一优点在于，在对于制冷系统不进行任何主要影响的情况下，可实现对任何的制冷系统或热泵系统进行改装。该装置使用来自传感器的信号，该传感器通常已经设置在制冷系统中，或者可以以非常低的成本来改装该传感器。

Claims (15)

1.一种用于检测热交换器(3、5)的异常的方法，该热交换器在流经管道(6)的第一流体流(7)与沿流动路径(9)流动的第二流体流(8)之间进行热交换，该管道(6)和该流动路径(9)均具有入口和出口，该方法包括以下步骤：

建立至少一个代表该热交换器(3、5)的温度状况的参数；

建立第二流体入口温度；

建立表示该热交换器与该第二流体之间的预期热交换的参数；

建立估算的第二流体出口温度；以及

使用该估算的第二流体出口温度，以便通过将该估算的第二流体出口温度或由其导出的参数与基准数值进行比较，从而求解该第一流体与该第二流体之间的热交换，

其特征在于，该估算的第二流体出口温度是由代表该热交换器的温度状况的至少一个参数、该第二流体入口温度、和该表示预期热交换的参数来建立的。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该基准数值是预定的第二流体出口温度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用该估算的第二流体出口温度以建立该第二流体的第二热流率，以便相对于该第一流体的第一热流率求解该第二流体的第二热流率的能量平衡。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过以下方式建立该第二流体的第二热流率，即基于该估算的第二流体出口温度和第二流体入口温度以及冷凝压力来建立第二流体质量流量的估算值和该第二流体在热交换器两侧的比焓变化。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，通过以下方式建立该第一热流率，即基于代表第一流体入口和出口温度的参数来建立该第一流体质量流量和该热交换器两侧的第一流体的比焓变化。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，建立作为该第一热流率与该第二热流率之间的差值的余量。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，建立作为该估算的与该预定的第二流体出口温度之间的差值的余量。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，借助该余量提供异常指示，该异常指示是依据以下公式获得的：

其中S_μ，i是依据以下等式计算得出的：

$s_{\mathrm{\μ},i}=c_1(r_i-\frac{{\mathrm{\μ}}_0+\mathrm{\μ}}{2})---\left(21\right)$

其中

r_i：余量

c₁：比例常数

μ₀：第一敏感数值

μ：第二敏感数值。

9.一种用于热交换器(3、5)的热交换器异常检测装置，该热交换器在流经管道(6)的第一流体流(7)与沿流动路径(9)流动的第二流体流(8)之间进行热交换，该装置包括：估算代表该热交换器的温度状况的至少一个参数的第一估算器，存储代表热交换器的该温度状况的该至少一个参数的第一中间存储器装置，测量该第二流体入口温度的温度传感器，存储该第二流体入口温度的第二中间存储器装置，建立表示该热交换器(3、5)与该第二流体(8)之间的预期热交换的参数的第二估算器，存储表示该预期热交换的该参数的第三中间存储器装置，建立估算的第二流体出口温度的处理器，以及将该估算的第二流体出口温度或由其基础建立的参数与基准数值进行比较的比较器，其特征在于，该估算的第二流体出口温度基于分别来自该第一中间存储器装置和该第二中间存储器装置的代表该热交换器的该温度状况的所述至少一个参数和该第二流体入口温度以及来自该第三中间存储器装置的该表示预期热交换的参数。

10.如权利要求9所述的检测装置，其特征在于，该检测装置还包括用于存储至少一个来自该处理器的参数的存储器装置。

11.如权利要求9或10所述的检测装置，其特征在于，该热交换器(3、5)是蒸气压缩制冷或热泵系统(1)的一部分，该系统包括压缩机(2)、冷凝器(3)、膨胀装置(4)、和蒸发器(5)，它们由管道(6)互连以便提供用于第一流体(7)的流动回路，该第一流体(7)是制冷剂。

12.如权利要求11所述的检测装置，其特征在于，该热交换器(3、5)是冷凝器(3)。

13.如权利要求9所述的检测装置，其特征在于，该第二流体是空气。

14.如权利要求11所述的检测装置，其特征在于，该冷凝器(3)是位于建筑物内的冷藏柜的一部分，并且该冷凝器(3)位于建筑物的外侧。

15.一种如权利要求9所述的检测装置的使用，其特征在于，该检测装置用于检测该热交换器(3、5)的结垢和/或检测该第二流体(8)的不充分流动。

Images