CN104541114A - 冷却回路、干燥冷却设备和用来控制冷却回路的方法 - Google Patents

冷却回路、干燥冷却设备和用来控制冷却回路的方法 Download PDF

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Abstract

冷却回路，该冷却回路配备有冷却剂、压缩机(3)、冷凝器(5)和蒸发器(8)-膨胀阀(7)组合，其中蒸发器(8)的出口连接到收集管(9)，该收集管连接到压缩机(3)，这个冷却回路(2)包括控制单元(18)，该控制单元连接到置于收集管(9)中的温度传感器(24)和压力传感器(23)，并且该控制单元连接到膨胀阀(7、7A、7B)以便对其进行控制，并且其中，该控制单元(18)设置有算法，该算法基于温度传感器(24)和压力传感器(23)用来控制膨胀阀(7、7A、7B)，以便控制收集管(9)中的过热。

Description

冷却回路、干燥冷却设备和用来控制冷却回路的方法
技术领域
本发明涉及冷却回路、冷干燥设备、以及用于控制冷却回路的方法。
背景技术
在压缩气体(诸如压缩空气)被供应到气动网络之前通常需要除水，这是因为，气体中的湿气会导致水在未经专门设计的工具中产生积聚或腐蚀，从而对气动网络中的部件和工具有害。
用来干燥气体的已知技术被称为冷干燥，这种技术基于以下原理：通过对气体冷却将湿气从水饱和的或部分地水饱和的气体抽除，这是因为该湿气冷凝并且作为冷凝水被移除，之后，气体被再次加热，使得它不再饱和并因此更干燥。
对于冷干燥使用一种装置，该装置基本上由封闭的冷却回路组成，该封闭的冷却回路包括冷却剂，可以由一个或更多个并联的压缩机让冷却剂绕该回路驱动，并且该封闭的冷却回路还沿着冷却剂流动方向相继地包括：冷凝器，该冷凝器连接到压缩机的输出；膨胀阀，该膨胀阀之后是蒸发器，该蒸发器连接到前述压缩机的输入，从而蒸发器形成热交换器的初级区段，这个热交换器也包括次级区段，待干燥气体被引导过该次级区段。
如已知地，通过使蒸发器中的冷却剂全部地或部分地蒸发，从流经次级区段的待干燥气体提取热，由此，要被干燥的这些气体被冷却而使得冷凝物被释放(该冷凝物可以被分离出)，此后该气体通过再加热而被进一步干燥。
为了防止损坏压缩机，液体冷却剂不能进入，因为液体冷却剂会损坏压缩室并会取代压缩机中的油，从而加速磨损或者轴承可能卡住。
由于这个原因，并且在遵守安全裕度的情况下，传统地保证蒸发器出口处的冷却剂以例如近似5℃的过热温度略微地过热。
过热意指某些位置处的冷却剂温度高于冷凝温度，由此冷却剂的蒸气压力等于同一位置处的冷却回路中的压力。这个压力不是恒定的，因此所述冷凝温度也不是恒定的。
过热程度必须受到限制，因为热交换器初级区段中的平均温度越高，热交换容量越低，这是因为蒸发器出口处的温度变得更高。
在冷却剂温度较高的情况下，压缩机的能量效率也较低，并且存在以下危险：将超过压缩机的出口处的温度设计限值。
为了控制过热程度，传统地，蒸发器的膨胀阀被控制以实现蒸发器出口处的有限过热程度。如果过热程度变得大于一定的目标值，则膨胀阀打开，使得更多冷却剂进入蒸发器而减小过热。如果过热小于前述目标值，膨胀阀沿相反的方向受到控制，并因此被关闭。
尤其对于高容量冷干燥设备而言希望的是，将冷却回路分成许多并联的子回路，并用多于一个的热交换器进行操作。
其主要原因是，热交换器仅可以以合理的价格被构造而达到一定的热交换容量，并且大型热交换器通常不具有最佳操作，因为难以实现冷却剂在热交换器中的良好分布。
在这种情况下，可以使用数个热交换器，每一个热交换器自身的膨胀阀、初级区段和次级区段并联地布置。流过这些热交换器的相应次级区段的待干燥气体的各种子流通常(但不是必须)在冷却之后再回到一起。实际上，通过各个次级回路的流率近似彼此相等。
过热的控制因此是有问题的，这是因为，对一个膨胀阀的控制(为了控制属于该膨胀阀的蒸发器出口处的过热)会影响通过其它膨胀阀的冷却剂流率，从而影响属于这些膨胀阀的其它蒸发器中的过热程度。
结果，获得不稳定的控制情况，该不稳定的控制情况导致在热交换器的次级区段出口处出现波动的过热水平和波动的温度。这些温度(也称为热交换器的最低空气温度或“LAT”)也会相互变化。还会出现对于不同于设定点的各个LAT值的稳定的不均匀的情况。
因此，在各个次级回路中被冷却的气体具有随时间变化的温度，该随时间变化的温度在各种次级回路中也不相同。
不稳定的情况不利地影响待干燥气体在热交换器次级区段中要达到的温度，这是因为，在一个次级回路中的过高的LAT不能被另一个次级回路中的较低LAT补偿。这是由于所希望的LAT典型地仅高于水的冰点数度，因此单个LAT通常会不低于目标值以避免冻结的危险。
通过相对小数量的蒸发器(例如为四个)并通过选择专门的冷却剂，该控制问题在实践中被限制，但确实可测量到。
然而，在广泛选择冷却剂和例如多于四个的蒸发器的情况下，这个问题阻止了具有并联蒸发器的冷干燥设备的具体应用场合。
发明内容
本发明的目的在于，通过提供一种冷却回路为一个或更多个前述和其它缺点提供解决方案，所述冷却回路配备有冷却剂、压缩机、冷凝器和并联在冷却回路中的蒸发器-膨胀阀组合，由此蒸发器形成单独的热交换器的一部分，并且由此相应蒸发器的出口连接到收集管，该收集管连接到前述压缩机的入口，由此这个冷却回路包括控制单元，该控制单元连接到置于前述收集管中的至少一个温度传感器和至少一个压力传感器，并且该控制单元还具有到前述膨胀阀的控制连接，并且由此所述控制单元设有算法，所述算法基于来自前述温度传感器和压力传感器的测量信号来控制膨胀阀，从而控制在前述收集管中的过热。
通常但不必然地，蒸发器由此形成单独的热交换器的初级区段，并且这些热交换器还包括次级区段。
这不同于传统冷却回路，在传统冷却回路中为每一个蒸发器控制过热。对于根据本发明的冷却回路，不考虑蒸发器之后的各个过热。
这具有的优点是，由此获得冷却回路的稳定操作而控制不会“失控”，使得被干燥的气体在湿气含量和其不变性方面的品质和冷却回路的寿命被改善。
另一优点是，由于本发明，冷却回路可以配有并联布置的大量蒸发器，使得可以比构造前述情况更大的设备，并且可以更加节省且高效地构造出具有对应于目前最大设备容量的设备。
由于对压缩机入口处温度的直接控制，很好地防止压缩机超过设计温度并且防止油污染，该油污染将导致失去润滑性质。
另外的优点是，对根据本发明的冷却回路中的压力和温度需要更少的传感器。这减小成本和复杂性。
在根据本发明的冷却回路的优选实施例中，蒸发器形成单独的热交换器的初级区段，每一个热交换器还包括次级区段，待干燥气体可以被引导过该次级区段，该冷却回路还包括控制机构，该控制机构根据目标值用来控制单独的热交换器的LAT，该目标值优选地等于单个热交换器的LAT值的平均值。
这个的优点是，来自次级区段的气体流的温度是相等的，使得热交换器的LAT值的平均值可以等于或非常接近其目标温度，从而能够获得待干燥气体的低湿度含量。
本发明还涉及用于气体的冷干燥设备，该冷干燥设备包括：上述冷却回路；热交换器，该热交换器的蒸发器被结合在该冷却回路中；连接到热交换器的用于气体的入口管；和连接到热交换器的用于气体的出口管。
本发明也涉及用来控制冷却回路的方法，该冷却回路包括冷却剂、压缩机、冷凝器以及并联地结合在该冷却回路中的蒸发器-膨胀阀组合，由此流出的冷却剂流被混合在一起成为组合的冷却剂流，该组合的冷却剂流被压缩机吸入，其中每一个蒸发器形成单独的热交换器的一部分，由此通过确定目标值然后联合地控制膨胀阀，来根据目标值控制组合的冷却剂流的过热。
附图说明
为了更好地示出本发明的特性，根据本发明的冷却回路和根据本发明的用来控制冷却回路的方法的优选实施例在下面参考附图通过示例以没有任何限制性质的方式加以描述，在附图中：
图1示意性地示出了在冷干燥应用场合中的根据现有技术状况的冷却回路；
图2示出了在相同的应用场合中的根据本发明的冷却回路。
具体实施方式
图1示出了用于冷干燥气体的传统冷干燥设备1，该设备包括冷却回路，冷却回路中具有冷却剂，借助于马达4或类似物的驱动装置通过并联连接的一个或更多个压缩机，冷却剂可以围绕回路被驱动。
冷却剂在冷却回路2中的流动方向由图中箭头M指示。
此外，冷却回路沿着冷却剂流动方向相继地包括：冷凝器5，该冷凝器连接到压缩机3的出口，并例如借助于风扇6或者借助于水冷却；可控制的膨胀阀7、7A、7B，每一个可控制的膨胀阀具有与其连接的每一个蒸发器8、8A、8B。蒸发器8、8A、8B并联地布置在冷却回路中，并它们的相应输出经由用于每一个压缩机3的联合收集管9和液体分离器10连接到前述压缩机的输入。
相应膨胀阀7、7A、7B的没有连接到相应蒸发器8、8A、8B的侧部连接在一起并连接到冷凝器5的出口侧，或者换句话说连接到冷凝器的侧部(在冷却回路2操作期间，液体冷却剂通过该冷凝器的侧部离开冷凝器5)。
热交换器11、11A、11B包括蒸发器/气体区段(8/13、8A/13A、8B/13B)和气体-气体区段12、12A、12B。在蒸发器/气体区段中，8、8A、8B形成热交换器的初级区段，冷却剂经该初级区段流动，并且13、13A、13B形成次级区段，待干燥气体流过该次级区段。待干燥气体经由联合入口管14和各个入口管15、15A、15B沿箭头L的方向被供应。
在这些热交换器11、11A、11B中，气体首先流经气体/气体区段12、12A、12B，然后流经次级区段13、13A、13B，在该次级区段处，气体与蒸发器8、8A、8B热接触以被冷却。
由于冷却，气体中的水发生冷凝。因此形成的冷凝物可以在冷凝物分离器16、16A、16B中被分离。在这个冷凝物分离器16、16A、16B中的空气流温度由连接到控制单元18的温度测量点17、17A、17B测量。
然后，被除水的冷却气体在热交换器11、11A、11B的气体/气体区段12、12A、12B中被再次加热，并经由各个出口管19、19A、19B被驱动到联合出口管20。
热交换器的前述气体/气体区段12、12A、12B由此形成回收热交换器，其中待干燥的暖气体被已经在次级区段13、13A、13B中冷却的、已被去除冷凝物气体预冷却，由此该气体被再次加热。
在这种已知的冷却干燥设备1中，在每一个蒸发器8、8A和8B的出口处，存在有连接到控制单元18的压力和温度测量点21、21A、21B。也可以将压力和温度测量与一个机械膨胀阀直接联接。
来自这些测量点21、21A、21B的信息被控制单元8或单个阀自身使用以调节相应膨胀阀7、7A、7B的位置，使得每一个蒸发器8、8A、8B的出口处的冷却剂温度使冷却剂过热，从而当然不存在另外的液相。
因此情况是这样的，为了控制某个膨胀阀，例如7A，仅使用来自属于相关蒸发器8A的测量点21A的信息，因此，存在有三个单独的控制回路22、22A、22B。
过热意味着冷却剂的温度高于冷却剂蒸汽压力等于该压力时的温度，因此高于冷却剂的冷凝温度。
过热水平可以被表达为过热温度，该过热温度等于冷却剂的实际温度减去冷却剂的冷凝温度。这个过热温度具有一定的目标值，例如5℃，该目标值被选择以避免液体冷却剂的不彻底蒸发并避免不必要高的过热温度，该不必要高的过热温度会不利地影响压缩机3的部件寿命和其能量效率。
冷凝温度通过压力测量被间接测量。在已知压力下的冷凝温度然后可以被计算或从表读取，使得根据压力和温度的测量，过热温度可以被计算并且膨胀阀7、7A、7B的位置可以基于所计算的值与过热温度的目标值之间的差而得以控制。
待干燥气体在联合出口管20中的露点对应于由温度测量点17、17A、17B测量的平均LAT。这个LAT与目标值相比较，基于此，在必要时调节压缩机的驱动马达4的速度。由此一来，冷却回路2的容量可以适合于所要求的冷却容量。
配备有根据本发明的冷却回路2的冷干燥设备1在图2中被示出。本发明所认识到的是，关键的不是避免在各个蒸发器8、8A、8B中存在液体冷却剂，而是避免在压缩机3的入口处存在液体冷却剂，并且这重点在于每一个热交换器11、11A、11B中的相同LAT。这意味着，各个蒸发器8、8A、8B中的冷却剂可以全部地或部分地是液体，只要该混合物没有被完全地过热。
与已知冷干燥设备1对比，具有根据本发明的冷却回路2的冷干燥设备1不必须在每一个蒸发器8、8A、8B的出口处配备压力和温度测量点21、21A、21B。在压缩机3的入口处确实存在有压力测量点23和温度测量点24，由此这个压力测量点23和温度测量点24可以被容装在组合的压力和温度测量单元中，并且在其它压缩机3的入口处设有温度测量点24。
收集管必须足够长以确保从不同的蒸发器8、8A、8B出来的冷却剂的良好混合且/或可以设有用来改善混合的装置，诸如静态混合器或其它混合器。如果混合非常强烈，则收集管9也可以非常短，并且在极端情况中甚至可以被限制到仅收集点，在该收集点处从蒸发器8、8A、8B出来的冷却剂汇流在一起。
关于冷却剂的循环、压缩、膨胀、冷却和加热，具有根据本发明的冷却回路2的冷干燥设备1的操作与传统设备相同。控制冷却回路2操作的方式是不同的并如下面描述的。
控制单元18接收每一个单独的热交换器11、11A、11B的LAT和压缩机3入口处的收集管9中的压力和温度值作为输入数据，从这些输入数据计算出过热温度。
这些输入数据按如下处理：当发现其过热温度和其目标值之间的差时，各个膨胀阀7、7A、7B的位置都沿者相同方向联合地改变，并且优选地改变至相同程度，使得高于所希望的过热温度的温度导致所有膨胀阀7、7A、7B进一步打开，而低于所希望的过热温度的温度导致所有膨胀阀7、7A、7B进一步关闭。
这样，膨胀阀7、7A、7B的平均开口根据过热温度的目标值被调节以控制过热温度，并且这独立于基于其它输入数据对单个膨胀阀7、7A、7B的控制。
平均LAT也被计算。基于这种计算的平均LAT和相应热交换器11、11A、11B的各个LAT值，属于每一个热交换器11、11A、11B的膨胀阀7、7A、7B的位置被调节，使得如果单个LAT高于所计算的平均LAT，则相关的膨胀阀7、7A、7B较小程度地打开，反之亦然。以这种方式，单独的膨胀阀7、7A、7B被连续地控制，其目的是根据平均LAT值控制各个LAT值。
这样，不再如传统地使用单独的控制回路，而是膨胀阀7、7A、7B的控制回路连接在一起。
正如传统设备1的情况，马达4的速度可以基于平均LAT被调节。
为此目的，必要的是，马达速度的控制器与控制单元18通信，或者它们在组合的控制单元中集成在一起。
一方面用于过热的膨胀阀7、7A、7B的平均位置以及另一方面用于LAT的单个位置二者的最佳控制频率也可以由本领域技术人员根据单个冷干燥设备1的响应特性确定。
已经证明，在具有较多数量(例如8个)膨胀阀7、7A、7B和蒸发器8、8A、8B的冷干燥设备1中，对于膨胀阀7、7A、7B的单独的位置的控制，以下函数给出良好的结果。
Vn＝A.ABS(xn)xn 3+B.xn 3+C.ABS(xn)xn+D.xn
其中，Vn是数量为n的膨胀阀7、7A、7B须打开或关闭的程度，其一方面取决于数量为n的相应次级区段13、13A、13B中的单个LAT之间的差xn并且另一方面取决于被定义为LATn-LATaverage的平均LAT。项ABS(xn)代表xn的绝对值。
本发明不限于这个特定函数，其它函数也是可能的。
对于膨胀阀7、7A、7B的平均位置的控制，以下函数给出良好的结果。
W＝E.ABS(y)y3+F.y3+G.ABS(y)y+H.y
其中W是所有膨胀阀7、7A、7B因过热温度和其目标值之间的差y而须改变的打开或关闭程度。
本发明不限于这个特定函数，其它函数也是可能的。
参数A、B、C、D、E、F、G、H是可调节的以获得良好的控制特性，尤其取决于控制频率。
根据变量xn或y的符号，也可以选择其它参数。这例如对于过热温度的控制会是有用的，因为太少的过热会是潜在地非常有害的情况，这更被认为是不希望的，必须比太多过热的情况被更加严格地应对。
对于每一个膨胀阀7、7A、7B，还可以进行基于计算调节值Vn和W的总和(而不是两个单独的调节值Vn和W)并以一定频率传递的总控制。
根据本发明的冷却回路2的使用不限于气体冷干燥，也可以用于其它应用场合。
图2中所示冷却回路2具有三个并联的蒸发器8、8A、8B，每一个蒸发器具有其自身的膨胀阀7、7A、7B。显然的是，这仅仅作为示例给出，并且蒸发器-膨胀阀组合7-8的数量可以根据需要而扩多。借助于更多数量的并联蒸发器8、8A、8B，本发明还提供相对更大的优点。
图2所示冷却回路2具有两个并联的压缩机3。这种冷却回路2也可以构造成具有不同数量的压缩机3，诸如一个、三个或更多个。
在该图中，每一个热交换器11、11A、11B配备有初级区段和次级区段，但根据本发明的冷却回路也可以用于除了冷干燥外的目的，在这种情况下，热交换器11、11A、11B的次级区段的存在不总是必要的。本发明因此不被这样限制。
本发明决不限于作为示例描述且图中示出的实施例，在不偏离本发明范围的情况下，根据本发明的冷却回路和用来控制冷却回路的方法可以以各种变型实现。

Claims (18)

1.一种冷却回路，该冷却回路配备有冷却剂、压缩机(3)、冷凝器(5)和并联在该冷却回路中的蒸发器(8)-膨胀阀(7)的组合，由此蒸发器(8)形成单独的热交换器(11)的一部分，并由此相应的蒸发器(8)的出口连接到收集管(9)，该收集管连接到前述压缩机(3)的入口，其特征在于，该冷却回路(2)包括控制单元(18)，该控制单元连接到置于前述收集管(9)中的至少一个温度传感器(24)和至少一个压力传感器(23)，并且该控制单元也连接到前述膨胀阀(7、7A、7B)以便控制这些膨胀阀；控制单元(18)设有算法以基于来自前述温度传感器(24)和压力传感器(23)的测量信号控制膨胀阀(7、7A、7B)，从而控制前述收集管(9)中的过热。
2.根据权利要求1所述的冷却回路，其特征在于，前述温度传感器(24)和前述压力传感器(23)被固定在压缩机(3)的入口与液体分离器(10)之间，液体分离器被固定在前述收集管(9)中。
3.根据权利要求1或2所述的冷却回路，其特征在于，蒸发器(8)形成单独的热交换器(11)的初级区段，每个热交换器还包括次级区段(13)；并且前述控制单元(18)连接到测量装置(17)，该测量装置用来确定每一个前述热交换器(11)的次级区段(13)的最低气体温度(LAT)，该控制单元(18)包括用于通过对每一个相应热交换器(11)的相应膨胀阀(7、7A、7B)进行单独地控制而根据相同的目标值来控制单独的热交换器(11)的最低气体温度(LAT)的算法。
4.根据权利要求3所述的冷却回路，其特征在于，前述目标值是各个热交换器(10)的被确定的最低气体温度(LAT)的平均值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的冷却回路，其特征在于，前述膨胀阀(7)是电子控制阀。
6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却回路，其特征在于，该冷却回路配备有两个或更多个并联的压缩机(3)，每一个压缩机(3)设有单个温度测量件(24)，该单个温度测量件位于收集管(9)的通向相关压缩机(3)的分支中。
7.一种用于气体的冷干燥设备，其特征在于，该冷干燥设备包括根据任一前述权利要求所述的冷却回路(2)；该冷干燥设备包括具有被结合在冷却回路(2)中的蒸发器(8)的热交换器(11)；该冷干燥设备包括用于气体的、联接到热交换器(11)的入口管(15)；并且该冷干燥设备包括用于气体的、联接到热交换器(11)的出口管(19)。
8.一种用于控制冷却回路(2)的方法，该冷却回路包括冷却剂、压缩机(3)、冷凝器(5)和并联地结合在该冷却回路中的蒸发器(8)-膨胀阀(7)组合，由此流出的冷却剂流被混合在一起成为组合的冷却剂流，该组合的冷却剂流被压缩机(3)吸入，由此每一个蒸发器(8)形成单独的热交换器(11)的一部分，其特征在于，通过确定目标值再联合地控制膨胀阀(7)来根据目标值控制组合的冷却剂流的过热。
9.根据权利要求8所述的用于控制冷却回路的方法，其特征在于，基于收集管(9)中测得的压力和温度的数值来控制膨胀阀(7)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，沿同一方向调节膨胀阀(7)的位置以控制过热。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，以相同的程度调节膨胀阀(7)的位置。
12.根据权利要求7到11中任一项所述的方法，其特征在于，在正常操作条件中，从每一个蒸发器(8、8A、8B)流出的冷却剂流是部分地气态的且部分地液态的。
13.根据权利要求7到12中任一项所述的方法，其特征在于，蒸发器(8)形成单独的热交换器(11)的初级区段，每一个热交换器还包括次级区段(13)，待干燥气体被引导过该次级区段；其特征在于，通过在属于膨胀阀(7)的热交换器(11)的所测最低气体温度(LAT)与目标值之间的差的基础上单独地控制每一个膨胀阀(7)，来根据同一目标值控制每一个单独的热交换器(11)的最低气体温度(LAT)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，前述目标值是所有热交换器(11)的被确定的最低气体温度(LAT)的平均值。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在根据目标值控制热交换器(11)的最低气体温度(LAT)过程中，不考虑单独的蒸发器(8)的流出冷却剂流的过热。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，仅在属于该膨胀阀(7)的热交换器(11)的所测最低气体温度(LAT)与目标值之间的差的基础上来实现根据目标值对该热交换器(11)的最低气体温度(LAT)的控制。
17.根据权利要求8到16中任一项所述的方法，其特征在于，蒸发器(8)形成单独的热交换器(11)的初级区段，每一个热交换器还包括次级区段(13)，待干燥气体被引导过该次级区段；借助于至少两个单独的函数来计算对每一个单独的膨胀阀(7)的位置所需的调节，其中，属于膨胀阀(7)的热交换器(11)的最低气体温度(LAT)与平均最低气体温度(LAT)之间的差以及组合冷却剂流的过热的所测值与目标值之间的差分别是独立的变量。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，根据组合的冷却剂流的过热的所测值与目标值之间的差的符号来选择不同的函数，从而计算出由于该差而需要的对膨胀阀(7)的位置的调节。
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