CN102883793B - 用于冷却干燥气体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种通过冷却元件冷却干燥气体的方法，该冷却元件具有蒸发器（3）和用于确定蒸发器温度和用于测量最低气体温度的装置，该方法具有如下步骤：基于蒸发器温度和最低气体温度确定冷却回路的负载；考虑到所述负载来计算用于蒸发器温度的期望值，将所供给的气体冷却至设定最低气体温度需要该期望值；以及控制压缩机（4）的转速，以使得蒸发器温度等于所述期望值。

Description

用于冷却干燥气体的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于冷却干燥气体的方法。
更具体地说，本发明涉及一种用于冷却干燥气体的方法，其中通过引导所述气体通过热交换器的次级部件而使水蒸汽从所述气体中冷凝出，该热交换器的初级部件形成了冷却回路的蒸发器，该冷却回路包括用于使冷却剂在所述冷却回路中循环的速度受控压缩机、以及冷凝器和膨胀设备，其中使用用来确定蒸发器温度T蒸发器和/或蒸发器压力P蒸发器以及用于测量最低气体温度（LAT）的设备。
背景技术
如已经公知的，冷却干燥基于如下原理：通过降低气体温度使潮气从气体中冷凝出，之后在液体分离器中将冷凝水分离，之后再次将气体加热，从而使得该气体不再饱和。
例如由压缩机供应的压缩空气在大多数情况下都饱和有水蒸汽，或者换言之具有100%的相对湿度。这意味着在温度降低至所谓露点以下时将发生冷凝。由于冷凝水，将会在管道和工具中发生腐蚀，从而设备会呈现过早磨损。
这就是压缩空气被干燥的原因，压缩空气的干燥可以以所述方式通过冷却干燥来进行。其它气体也可以以这种方式干燥。
当干燥压缩气体时，热交换器中的空气不能被过度冷却，因为否则冷凝物会冻结。典型地，干燥压缩空气具有等于低于环境温度20摄氏度的温度，但是决不能低于零上二或三摄氏度。为此，蒸发器中的冷却剂的温度被保持在15℃和-5℃之间。
为了防止冷凝物冻结，如所公知的，根据所测量的最低气体温度LAT来控制压缩机的速度。LAT是被引导通过所述热交换器的次级部件的待干燥气体的最低发生温度。
如果LAT例如由于所供应的气体流降低而降低并且冷凝物有可能冻结，则降低压缩机速度，使得LAT再次增加，因而避免冷凝物冻结。
如果LAT例如由于所供应的气体流而增加，则增加压缩机速度，从而使得蒸发器温度下降，并使得LAT也下降。
基于LAT的控制的缺点是，蒸发器温度可能变得过低，从而使得蒸发器中发生冻结。
还已知基于蒸发器压力（即蒸发器中的压力）进行控制。在这种情况下，压缩机的速度被控制成使得蒸发器压力保持在一定界限之间。
所述控制的缺陷是，在冷却回路的负载较低时或者例如在所供应的气体流较低时，冷凝物会冻结。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种用于冷却干燥气体的方法来提供针对所述缺点和/或其它缺点中的一个或更多个的解决方案，在该方法中，通过将所述气体引导通过热交换器的次级部件而使水蒸气从所述气体中冷凝出，所述热交换器的初级部件形成了冷却回路的蒸发器，该冷却回路包括用于使冷却剂在所述冷却回路中循环的速度受控压缩机、以及冷凝器和膨胀装置，其中采用用来确定蒸发器温度T蒸发器和/或蒸发器压力P蒸发器的装置，并且采用用来测量最低气体温度（LAT）或露点的装置，其中，所述方法在冷却干燥过程中包括如下步骤：
一方面基于所述蒸发器温度T蒸发器和/或蒸发器压力P蒸发器，另一方面基于最低气体温度（LAT）,确定所述冷却回路的负载；
将所述负载考虑在内计算用于蒸发器温度或蒸发器压力的期望值，在所述热交换器的次级部件的出口处将所供给的气体冷却到设定最低气体温度需要该期望值；以及
控制所述压缩机的速度，以使得所述蒸发器温度或蒸发器压力等于或几乎等于用于所述蒸发器温度或蒸发器压力的所述期望值。
根据本发明的方法计算用于蒸发器温度或蒸发器压力的期望值，将以一定流量供给的气体冷却到设定最低气体温度（LATSP）需要改期望值。
如果所述流动中的参数（数量、湿度、压力、温度……）改变，则在根据本发明的方法中，所计算的期望值还针对将所供给的变化流量的气体冷却到最低设定气体温度（LATSP）需要的蒸发器温度或蒸发器压力。
这样，与冷却回路的负载无关，气体被冷却至设定最低气体温度（LATSP）使得冷凝物不会冻结。
所述内容还意味着不会不必要地消耗能量，因为蒸发器温度或蒸发器压力不会保持低于严格所需的温度或压力。
实际上，清楚的是，在某一设定最低气体温度（LATSP）时，随着冷却回路的负载变小或相反当所供给的气体流减小时，蒸发器温度的期望值或蒸发器压力的期望值增加。这种，根据本发明的方法使用最少的能量将某一气体流量冷却到设定最低气体温度（LATSP）。
根据本发明的方法的另一优点在于，冷却回路的负载仅基于两个测量值，优选基于最低气体温度（LAT）和蒸发器压力P蒸发器的测量值来确定。不需要诸如流量、温度、压力、相对湿度、自由水之类的外部数据来使所述冷却回路适合于负载。
根据本发明的优选特征，所述冷却回路总是以高于最小允许蒸发器温度的蒸发器温度操作。
该优选特征的优点在于，在任何情况下在蒸发器中都不会发生冻结，这是因为蒸发器不会低于最小容许值。
公知的是在蒸发器的某一点处在温度和压力之间存在回热式连接，因而基于蒸发器压力进行控制也是可行的，而不是基于蒸发器温度进行控制。
本发明还涉及一种用于冷却干燥气体的设备，该设备包括热交换器，该热交换器的初级部件形成冷却回路的蒸发器，在冷却回路中顺序地设置有速度受控压缩机、冷凝器和膨胀装置，其中所述热交换器具有次级部件，用于供给待干燥气体的管连接至该次级部件，其中所述热交换器的该次级部件的下游设置用于去除冷凝物的液体分离器，其中所述设备具有用于测量蒸发器压力P蒸发器和最低气体温度（LAT）的装置，这些装置连接至控制单元，该控制单元也连接至所述压缩机，以基于最低气体温度和蒸发器压力（P蒸发器）的测量值控制压缩机的转速。
根据本发明的这种设备的优点类似于与根据本发明的方法相关的优点。
根据本发明的设备的优选实施方式，所述控制单元具有基于所述最低气体温度（LAT）和所测量的蒸发器压力P蒸发器确定冷却回路的负载的算法，并且该算法考虑到所述负载来计算用于蒸发器压力的期望值（PW），在热交换器的次级部件的输出端处将所供给的气体冷却到设定最低气体温度（LATSP）需要该期望值；并且该算法控制压缩机的转速，使得蒸发器压力P蒸发器等于或几乎等于蒸发器压力的所述期望值。
附图说明
为了更好地表明本发明的特征，下面参照附图以举例方式没有任何限制性质地描述根据本发明的用于冷却干燥气体的方法，其中：
图1示出了可以在根据本发明的用于冷却干燥气体的方法中使用的设备的框图；
图2示出了用于蒸发器温度和蒸发器压力的期望值，以便将所供应的一定气体流冷却至利用根据本发明的方法计算的设定最低气体温度（LATSP）；
图3示出了确定用于蒸发器压力（PW）的期望值的控制算法的框图；
图4示出了用于控制压缩速度的控制图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出的用于冷却干燥的设备1包括热交换器2，该热交换器2的初级部件形成了冷却回路的蒸发器3，在该冷却回路中，顺序地具有压缩机4、冷凝器5和膨胀设备6。
该冷却回路填充有冷却剂，例如R404a，该冷却剂的流动方向由箭头K表示。
该热交换器2的次级部件通过管7连接至液体分离器8。
该管7的一部分在到达热交换器2之前部分地延伸通过预冷却器或回热式热交换器9，然后在液体分离器8之后再次延伸通过回热式热交换器9，从而以逆流方式流动到所述部件。
而且，设备1设置有用于测量最低气体温度（LAT）的装置，在该示例中，这些装置以第一测量元件10的形式构成，该第一测量元件10位于热交换器2的次级部件的高度处，设备1还包括用于确定蒸发器温度T蒸发器和/或蒸发器压力P蒸发器的装置，在这种情况下，该装置表现为第二测量元件11的形式，该第二测量元件11安置在冷却回路的低压侧，以测量蒸发器压力P蒸发器。
换言之，第二测量元件11安置在膨胀装置6的下游并且正好在所述蒸发器的上游。
压缩机4连接至控制单元12，第一和第二测量元件10和11也连接至该控制单元12。
根据本发明的方法非常简单并且如下所述。
待干燥的气体或气体混合物（在该示例中为压缩空气）被引导通过热交换器2的次级部件，优选在与冷却回路的蒸发器3中的冷却剂相反地方向上流动。
在所述热交换器2中，被供给的潮湿空气被冷却，由此形成冷凝物，该冷凝物然后在液体分离器8中分离。
在该液体分离器8之后含有较少湿气但仍具有100%相对湿度的冷却空气在回热式热交换器9中被加热，从而使得相对湿度下降至例如50%，同时所供给的待干燥空气在被引导到热交换器2之前已经在该回热式热交换器9中被部分冷却。
因而，热交换器2的次级部件的输出端处的空气比热交换器2的次级部件的输入端处的空气更干燥。
为了避免冷凝物冻结，所供给的压缩空气在热交换器2中可以不被冷却至低于2℃到3℃。
根据本发明的方法，通过计算用于蒸发器温度或蒸发器压力的期望值TW或Pw，并且通过控制压缩机4的旋转速度而使得蒸发器温度T蒸发器或蒸发器压力P蒸发器等于或几乎等于蒸发器温度Tw或蒸发器压力Pw的所述计算的期望值，将所供给的压缩空气冷却到设定最低气体温度LATSP。
设定最低气体温度LATSP越高，所计算出的对应的期望值就越大。当冷却干燥压缩空气时，典型地将最低气体温度LATSP设置为低于环境温度20℃的值，优选具有所述最低气体温度LATSP不能被设定为低于2℃到3℃。
由此，重要的是根据本发明的方法考虑到冷却回路的负载C来计算用于蒸发器3中的温度Tw或压力Pw的所述期望值。
冷却回路的负载C一方面基于最低气体温度（LAT）的测量值另一方面基于蒸发器压力P蒸发器和/或蒸发器温度T蒸发器来确定。在这种情况下，分别通过第一和第二测量元件10和11基于最低气体温度（LAT）和蒸发器压力P蒸发器来测量。
如上所述，期望值Pw升高至将最低气体温度LATSP设置得较大的范围。在该示例中，最低气体温度和蒸发器压力之间假定为线性关系。所述线性关系的斜率取决于冷却器的类型并且数学上的特征在于梯度R。
如在该示例中的情况那样，当测量蒸发器压力（P蒸发器）时，通过根据如下公式计算值C来确定负载：
C=[D1*Ln(P蒸发器)-D2]-[R*LAT]+A-B]
其中D1和D2是取决于冷却回路中使用的冷却剂的常量。
值A是在最小允许的蒸发器温度或压力B下达到的露点。
在恒定的蒸发器温度T蒸发器，值C升高至负载降低的范围。实际上，在所供给的压缩空气的流量降低时，LAT下降而使得C增加。相反情况适合于负载增加而使得LAT上升而C下降。
在该示例中，在-5℃的最小容许蒸发器温度下达到3℃的露点。
在已经通过计算值C确定负载之后，可以计算用于蒸发器温度的期望值Tw，并且从用于蒸发器压力Pw的期望值导出，该期望值Tw利用如下公式基于设定最低气体温度LATSP来计算。
Tw＝R*LATSP-A+B+C
如果测量的最低气体温度（LAT）高于A或在该示例中高于3℃，则所述公式适用。
在所有其它情况下，用于蒸发器温度的期望值Tw根据如下公式计算：
Tw＝B/A*LATSP
根据本发明的优选特征，冷却回路总是以高于B的蒸发器温度T蒸发器操作，在该示例中以高于-5℃的蒸发器温度T蒸发器操作。
所述公式在图2中以图形方式表示出，该图2示出了若干个曲线，在该示例中示出了最低气体温度LAT和蒸发器温度T蒸发器之间的关系。
顶部曲线对应于冷却回路的最低可能负载，或者换言之，具有最大值C（Cmax）。如果负载最大并且对应于最小值C（Cmin），则适用底部曲线。
位于顶部曲线和底部曲线之间的曲线被计算用于在冷却回路的最小负载和最大负载之间变化的负载。
假定在某一点处蒸发器中的温度和压力之间的关系，则可以根据所计算出的用于蒸发器温度的期望值Tw推导出用于蒸发器压力的期望值Pw。下面的公式可以用来基于蒸发器温度的期望值Tw来确定蒸发器压力的期望值Pw：
pw＝D3*e(D4*Tw)
其中D3和D4是其值取决于冷却剂的常量。
典型地，将一值赋予所述常量D1、D2、D3和D4，如下表所示，该值根据用于冷却剂的压力/温度曲线确定，但毋庸置疑，本发明并不限于此。
  D1   D2   D3   D4
  R404a   27.462   43.793   4.9288   0.0363
  R410a   28.658   55.216   6.869   0.0348
如果使用R404a作为冷却剂，则采用该示例的第一行中的值，而如果使用R410a作为冷却剂，则第二行包括用于常量D1至D4的示例值。
因而，压缩机4的控制单元12根据用于蒸发器压力的期望值来控制压缩机的速度。
图2示出了用于蒸发器温度的期望值Tw根据负载而变化，为了将所供给的气体冷却到设定最低气体温度LATSP需要该期望值。这同样适合于用于蒸发器压力的期望值Pw。
如从顶部曲线上的点x的坐标可以读出，在冷却回路的最小负载处，计算用于蒸发器温度的11℃的期望值Tw，以便将所供给的气体冷却到12℃的设定最低气体温度。
另一方面，在冷却回路的最大负荷时，计算3℃的期望值用于蒸发器温度，以便在这种情况下将所供给的气体冷却至12℃的设定最低气体温度，如从位于底部曲线上的点Y的坐标所读取的那样。
在这种情况下，最小容许蒸发器温度B被设定为-5℃。图2中底部曲线因而在底部处限定为使得在任何情况下都不能计算出用于蒸发器温度的小于-5℃的期望值Tw。
这样，避免了热交换器中的冻结。
如果测量蒸发器温度T蒸发器（根据本发明并没有被排除），则根据如下公式确定负载：
C=T蒸发器-[R*LAT]+A-B
其中：
LAT=所测量的最低气体温度。
A=在最小容许蒸发器B下达到的露点。
R=表征最低气体温度LAT和用于所测量的最低气体温度的蒸发器温度T蒸发器（大于A）之间的关系的梯度。
值C反映的负载优选利用一段时间间隔TC来计算。在时间间隔TC之后，获取平均温度的快照。这里，平均温度是指热交换器2中的平均温度，由此该热交换器2可以由一个或更多个并联和/或串联连接的局部热交换器构成。
然后使用在一段时间间隔TC期间为C获得的值来用于时间间隔TC，以控制冷却回路，并因而控制干燥器。在时间间隔TC结束之后，再次计算值C，然后计算新的蒸发器压力设定点，等等。
时间间隔TC越小，对变化负载的响应就越快。
图3示出了在这种情况下由控制单元12使用的算法，以确定用于蒸发器压力的期望值Pw，由此该算法考虑到了冷却回路的负载。在这种情况下，该负载基于所测量的在图3中示出为Pv的蒸发器压力以及所测量的最低气体温度LAT来确定。
图4示出了在这种情况下由控制单元12使用的控制算法，以在已经为蒸发器压力计算出某一期望值Pw之后控制压缩机4的转速n。
该控制算法比较用于蒸发器压力的期望值（根据图3来计算）Pw和蒸发器压力Pv的测量值。该控制算法然后继续计算蒸发器压力Pv和期望值Pw之间的差。所述差由积分器13进行积分和/或由放大器14放大。
然后，控制单元12根据所述期望值Pw和所测量的蒸发器压力Pv的值之间的差控制压缩机4的转速n。
本发明绝非限于作为示例描述并在附图中示出的用于冷却干燥气体的方法和用于应用这种方法的设备，而是在不脱离本发明的范围的情况下，可以以所有类型的变型实现这种方法和设备。

Claims (12)

1.一种用于冷却干燥气体的方法，其中通过将所述气体引导通过热交换器(2)的次级部件而使水蒸气从所述气体中冷凝出，所述热交换器(2)的初级部件形成了冷却回路的蒸发器(3)，该冷却回路包括用于使冷却剂在所述冷却回路中循环的速度受控压缩机(4)、以及冷凝器(5)和膨胀装置(6)，其中使用用来确定蒸发器温度T蒸发器和/或蒸发器压力P蒸发器的装置，以及使用用来测量最低气体温度(LAT)或露点的装置，其特征在于，所述方法在冷却干燥过程中包括如下步骤：
一方面基于所述蒸发器温度T蒸发器和/或蒸发器压力P蒸发器，另一方面基于最低气体温度(LAT),来确定所述冷却回路的负载；
将所述负载考虑在内计算出蒸发器温度或蒸发器压力的期望值，使得在所述热交换器(2)的次级部件的出口处将所供给的气体冷却到设定最低气体温度(LATSP)；以及
控制所述压缩机(4)的速度，以使得所述蒸发器温度或蒸发器压力等于或几乎等于所述期望值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括测量蒸发器压力P蒸发器和确定冷却回路的负载C的步骤，其中根据如下公式计算该负载：
C＝[D1*Ln(P蒸发器)-D2]-[R*LAT]+A-B
其中：
LAT＝所测量的最低气体温度；
A＝在最小容许蒸发器温度B时到达的露点；
R＝当所测量的最低气体温度具有高于A的值时表征最低气体温度和蒸发器温度之间的线性关系的梯度；
D1和D2＝其值取决于冷却剂的常量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括测量蒸发器温度T蒸发器并根据如下公式计算负载C的步骤：
C＝T蒸发器-[R*LAT]+A-B
其中：
LAT＝所测量的最低气体温度；
A＝在最小容许蒸发器温度B时达到的露点；
R＝表征最低气体温度和用于大于A的所测量的最低气体温度的蒸发器温度之间的线性关系的梯度。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，利用一段时间间隔TC计算反映负载的值C。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所测量LAT小于或等于A，根据如下公式计算用于将气体冷却到设定最低气体温度(LATSP)的用于蒸发器温度的期望值(Tw)：
Tw＝B/A*LATSP
其中：
A＝在最小容许蒸发器温度B时达到的露点。
6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，如果所测量的LAT大于或等于A，则根据如下公式计算用于将气体冷却至设定最低气体温度(LATSP)的用于蒸发器温度的期望值(Tw)：
Tw＝R*LATSP-A+B+C。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据如下公式基于所计算出的用于蒸发器温度的期望值(Tw)来确定用于将气体冷却到设定最低气体温度(LATSP)的用于蒸发器压力的期望值(Pw)：
Pw＝D3*e(D4*Tw)
其中D3和D4代表其值取决于冷却剂的常量。
8.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述冷却回路总是在蒸发器温度大于B的情况下操作。
9.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，当冷却干燥空气时，所述露点A为典型地3℃，并且最低允许蒸发器温度B典型为-5℃。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
测量所述蒸发器压力(P蒸发器)；
将负载考虑在内，计算用于蒸发器压力的期望值(Pw)，在热交换器(2)的次级部件的出口处将所供给的气体冷却到设定最低气体温度(LATSP)需要该期望值；
控制压缩机(4)的转速以使蒸发器压力(P蒸发器)等于或几乎等于所述用于蒸发器压力的期望值(Pw)。
11.一种用于冷却干燥气体的设备，该设备包括热交换器(2)，该热交换器(2)的初级部件形成冷却回路的蒸发器(3)，在所述冷却回路中顺序地设置有速度受控压缩机(4)、冷凝器(5)和膨胀装置(6)，其中所述热交换器(2)具有次级部件，用于供给待干燥气体的管连接至该次级部件，其中所述热交换器(2)的该次级部件的下游设置用于去除冷凝物的液体分离器(8)，
其特征在于，所述设备(1)具有用于测量蒸发器压力P蒸发器和最低气体温度(LAT)的测量装置(11,10)，这些测量装置连接至控制单元(12)，该控制单元(12)也连接至所述压缩机(4)，以基于最低气体温度(LAT)和蒸发器压力(P蒸发器)的测量值控制所述压缩机(4)的转速。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述控制单元(12)提供有基于所述最低气体温度(LAT)和所测量的蒸发器压力P蒸发器确定冷却回路的负载的算法，并且该算法将所述负载考虑在内来计算用于蒸发器压力的期望值(Pw)，在热交换器(2)的次级部件的输出端处将所供给的气体冷却到设定最低气体温度(LATSP)需要该期望值；并且该算法控制压缩机(4)的转速，使得蒸发器压力P蒸发器等于或几乎等于蒸发器压力的所述期望值(Pw)。
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