CN104704334A - 在板式热交换器中借助光波导的温度测量 - Google Patents

在板式热交换器中借助光波导的温度测量 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种板式热交换器，具有多个相互平行延伸的板(10)，其中在两个相邻的板(10)之间分别设置一个叶片(20)，以便构成多个平行的通道(K)，并且具有用于测量所述板式热交换器(1)的温度的光波导(30)。根据本发明设置，光波导(30)设置在所述板式热交换器(1)的叶片(20)的槽(11)中或者板(10)的槽(11)中。此外，本发明涉及一种相应的用于温度确定的方法。

Description

在板式热交换器中借助光波导的温度测量
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的板式热交换器以及一种用于确定板式热交换器的温度的方法。
背景技术
这种板式热交换器通常具有多个相互平行设置的板，其中在两个相邻的板之间分别设置一个叶片(所谓的鳍)，以便在相邻的板之间构成多个平行的可被介质流过的通道。鳍朝着侧受所谓的边缘条(Sidebar)限制，所述边缘条与邻接的板焊接。通过这种方式构成板式热交换器的多个平行的热交换通路，从而例如在热交换通路中可以在对流中彼此相向地引导介质，以便进行间接的热交换。
迄今，为了温度测量在板式热交换器中在板式热交换器上从外部施加例如传感器。然而，由于好的热传导所述测量是不准确的并且仅仅说明平均的温度水平。因此，板式热交换器内部中的温度仍然不已知。此外，根据DE10 2007 021 564 A1在原理上可以借助光波导测量板式热交换器中的温度。
发明内容
因此由此出发，本发明所基于的问题是，提供一种板式热交换器以及一种用于确定板式热交换器的温度的方法，所述板式热交换器或者所述方法能够实现板式热交换器的温度的准确确定。
所述问题通过具有权利要求1的特征的板式热交换器来解决。
然后设置，光波导设置在板式热交换器的叶片的槽中或者板的槽中。在此，优选将所述槽置入叶片或者板中，例如通过铣削。
所述光波导优选以纵向延伸的元件的形式存在，所述元件尤其由玻璃纤维构成或者具有所述玻璃纤维。然而也可以设想，光学纤维或者光波导由其他材料构成。
根据本发明的一种优选实施方式设置，光波导设置在包围所述光波导的护套中。优选地，管状地构造所述护套，使得所述护套在横截面中完全包围所述光波导。优选地，所述护套由金属、例如钢或者铝构造。
根据本发明的一种实施方式，光波导相对于叶片或者所述板如此设置，使得所述光波导具有回曲形的走向。也就是说，光波导具有多个整体地彼此连接的或者整体地彼此成形的区段，其中优选每两个相邻的区段通过一个尤其U形弯曲的区段交汇。优选地，所述弯曲的区段具有1cm至5cm范围中、优选3cm的曲率半径。优选相互平行地设置所述(纵向延伸的)区段，以便根据弯曲的区段整体得到所述光波导的回曲形的走向。
对于涉及设置在板式热交换器的叶片的槽中的光波导的情形，光波导的所述(直的)区段分别从叶片的第一外部边缘区域延伸至所述叶片的相对置的、与所述第一外部边缘区域平行的第二外部的边缘区域，即优选横向于由叶片构成的通道。在此，所述光波导优选从板式热交换器的热的端部出发延伸至板式热交换器的冷的端部。
对此替代地，对于涉及设置在板式换热器的板的槽中的光波导的情形优选设置，所述(直的)区段(类似于以上所述情形)分别在所涉及的板的第一个外部边缘区域和所述板的相对置的、与所述第一外部边缘区域平行的第二外部边缘区域之间延伸。
此外，板式热交换器基本上也可以每个叶片或者板具有另一个光波导，例如横向于其他光波导，所述另一个光波导同样可以回曲形地布置。
当每个叶片或者板存在一个光波导时已经能够根据光波导的回曲形的走向说明板式热交换器的温度的2D分布，因为所述光波导沿着其延伸方向具有用于待测量的温度的多个测量点。
根据本发明的一种实施方式，光波导所设置于的所述叶片或者具有光波导所设置于的槽的相应板优选涉及板式热交换器的最外面的叶片或者板式热交换器的最外面的板(盖板)。
光波导所安装于的所述叶片或者板优选是板式热交换器的所谓的虚拟层(Dummy-Lage)的一部分，所述虚拟层朝着周围环境敞开。也就是说，涉及板式热交换器的在板式热交换器的常规运行中不流过过程介质的层或者热交换通路。
然而对此替代地，叶片或者所述板也可以用于热交换过程。在此，具有其包围的护套的光波导优选与叶片或者板紧密地焊接，使得相应的热交换通路不具有朝着周围环境的不密封性。
此外，板式热交换器可以具有多个以上所描述的光波导，其中各个光波导分别设置在板式热交换器的所分配的叶片的或者板的槽中。通过这种方式可以测量板式热交换器中的三维的温度分布。
根据本发明的板式热交换器的一个或多个光波导优选与测量装置连接，所述测量装置设置用于借助所述光波导测量板式热交换器中的温度。
为此，所述测量装置优选构造用于，将光(光学信号)导入至少一个光波导中并且以已知的方式分析处理在所述光波导中所散射回的光。在此充分利用的是，发射进光波导中的并且散射回的光学信号是强烈的温度相关的并且因此适合用于光波导的周围环境中的温度测量。为了分析处理光波导的所述光学信号存在多种方法，它们能够实现以足够高的精确度确定光波导的任意点处的温度。
在本发明的一种优选实施方式中，测量装置设计并且设置用于分析处理由至少一个光波导散射回的光，所述光由导入到光波导中的光的拉曼散射产生。在此充分利用的是，光波导通常由掺杂的石英玻璃(非晶的固态结构，主要由二氧化硅组成)制造。在所述非晶的固态结构中，通过热效应引起光栅波动。所述光栅波动是温度相关的。因此，到达光波导中的分子或者颗粒上的光与分子的电子发生相互作用。所述相互作用也称作拉曼散射。可以将所散射回的光分成三个光谱组。除相应于所射入的光的波长的瑞利散射以外，存在所谓的斯托克斯组件和所谓的反斯托克斯组件。与移位至更大的波长的并且仅仅小的温度相关的斯托克斯组件相比，移位至更小的波长的反斯托克斯组件是明显温度相关的。因此，测量装置优选构造用于，计算斯托克斯组件和反斯托克斯组件之间的强度比例，其中测量装置优选构造用于，为此计算所述两个散射回的组件的傅立叶变换并且将其与参考信号的傅立叶变换进行比较。由此，得到两个组件关于光波导的长度的强度。因此，可以通过两个强度的比较求取光波导的每一个点的温度。
根据另一种变型方案设置，通过瑞利散射的分析处理实现温度确定。为此，测量装置优选具有相干的频率范围反射计(c-OFDR：coherent OpticalFrequency Domain Reflectometer)，其中将可调谐的激光器的光耦合进到马赫曾德尔干涉仪中，所述马赫曾德尔干涉仪将光分成两个路径，其中光波导构成一个路径，而另一个路线是已知长度的参考路径。来自光波导的瑞利散射光与来自参考路径的光份额重叠并且被探测。在此，在调谐激光器波长时在探测器上产生周期性的信号，其频率取决于光波导的相应的散射位置。因此，所述信号的可通过傅立叶变换得到的各个频率相应于光波导中的散射位置；每一个频率分量的振幅说明相应的反射的强度。在此，能够实现小于等于0.1mm的分别率。
光波导、例如玻璃纤维中的瑞利辐射通过光波导的局部损坏/干扰处的灵活的散射过程产生。如果借助c-OFDR扫描所述玻璃纤维，则沿着玻璃纤维得到瑞利散射的对于玻璃纤维有特征的、波动的强度变化，在温度变化(纤维的空间延展的变化)时所述强度变化在空间上延伸或者压缩(stauchen)，由此可以计算沿着玻璃纤维的温度。测量装置相应优选地配置用于，沿着玻璃纤维在相邻的区段(大于等于1mm)中分析信号并且将相应的信号变换到频率空间中。在此，对于每一个区段得到根据频率的波动的反射样本。温度的变化或者玻璃纤维的膨胀引起频率移位，所述频率移位尤其与相应区段中的玻璃纤维的温度变化成比例。测量装置相应优选地构造用于，根据相应的频率移位求取玻璃纤维或者光波导的(局部的)温度。
在本发明的另一种实施方式中，通过光学信号的分析处理实现温度测量，如其通过光波导的布里渊散射产生的那样。在这种情形中，温度测量基于参考频率在导入光波导中的初始光波和通过由于布里渊散射在光波导中所感应的并且所散射回的波之间的位置分辨的确定，所述波在其频率方面根据温度地相对于初始波减小。因此，测量装置优选构造用于，将脉冲形的初始光波导入光波导中并且对于不同的频率差时间分辨地探测所散射回的光并且在了解脉冲行进时间的情况下根据温度变化来位置分辨地确定频率移位。因此，在本发明的所述构型中也可以通过(所散射回的)光学信号的分析处理确定光波导的每一个任意点处的温度。
在本发明的另一种实施方式中设置，温度测量通过光学信号的分析处理实现，如其通过布拉格光栅的散射产生的那样。布拉格光栅是写入到光波导中的光学的带通滤波器，所述带通滤波器可以几乎经常布置在光波导中。在此，由布拉格条件得到带阻的中心波数(Mittenwellenzahl)。除光栅长度和折射率以外，带阻的频谱宽度取决于温度。测量装置则相应地构造用于，在光栅长度和折射率给定并且通过光波导不同时通过带阻的宽度确定布拉格光栅的相应位置处的温度。
此外，根据本发明的问题通过用于板式热交换器中的测量温度的方法、尤其在使用根据以上实施例中任一个所述的板式热交换器的情况下来解决，其中根据权利要求12所述的方法具有以下步骤：将光耦合进到光波导中，将所述光设置在板式热交换器的叶片的槽中或者板的槽中，使得光在光波导中散射回，其中光波导尤其具有回曲形的走向，以及借助所散射回的光测量光波导的温度(见上)。
附图说明
通过实施例的随后的附图描述根据附图阐述本发明的其它细节和优点。附图示出：
图1：板式热交换器的区段的示意性剖面图，其示出板式热交换器的两个板，它们与设置在所述板之间的叶片一起构成板式热交换器的热交换通路；
图2：根据本发明的具有设置在其中的光波导的板式热交换器的叶片或者板的示意性俯视图；
图3：具有用于接收光波导的槽的板式热交换器的叶片或者板的侧视图。
具体实施方式
图1示出板式热交换器1的剖视图。这种板式热交换器1具有多个相互平行设置的板10，其中在热交换器1的两个相邻的板10之间分别设置所谓的叶片(鳍)20，所述叶片具有波纹的或者阶梯状的走向，从而构成多个平行的通道K，在所述通道中可以分别流过程介质，所述过程介质则可以与在平行的叶片20中所引导的过程介质进行间接的热交换。详细而言，叶片20的波纹的/褶皱的形状通过相互平行设置的、尤其垂直于板10延伸的侧边20a以及通过平行于板10延伸的第二侧边20b构成，所述第二侧边分别使两个彼此相对的第一侧边20a交替地在上方并且在下方相连。侧边20a、20b之间的相应过渡也可以是倒圆的，使得相应的叶片20具有波纹状的剖面。叶片20与包围的板10一起也称为板式热交换器1的热交换通路或者层。
为了在板式热交换器1的层中设置光波导30，现在或者可以将槽11置入到叶片20的所述第一或第二侧边20a、20b中(例如通过铣削)，所述槽如此构造，使得设置在其中的光波导30具有基本上回曲形的走向。也就是说，如在图2中以俯视图示出的那样，所述光波导30具有多个平行的区段30a，它们分别从叶片20的第一边缘区域201延伸至叶片20的相对置的第二边缘区域202，其中每两个相邻的区段30a通过光波导30的一个U形弯曲的区段30b整体地彼此成形。
图3以横截图示出所述槽11，即作为彼此相对的第一侧边20a的空隙以及连接所述第一侧边的(上方的)第二侧边20b的空隙。
光波导30所设置于的层(热交换通路)尤其涉及所谓的板式热交换器1的虚拟层，在热交换器1的常规运行中不流过所述虚拟层。所述虚拟层分别优选位于板式热交换器1的彼此相对的外侧，所述外侧由板式热交换器1的盖板10构成。因此，虚拟层不参与相应的过程并且尤其朝着周围环境敞开。然而，所述虚拟层也可以设置在两个热交换通路之间并且不一定必须设置为最外面的层。
对于虚拟层替代地，所述光波导30也可以设置在板式热交换器1的参与相应的热交换过程的层或者热交换通路中。
光波导30优选地设置在相应弯曲的护套(例如不锈钢套筒)300中，所述不锈钢套筒包围光波导30并且优选具有3.2mm外径。所述护套300设置到所铣削的层(槽11)中并且与相应的叶片20焊接。只要也应当在过程技术上使用设置有光波导30的层/热交换通路，护套300就优选由铝制造并且在板式热交换器1的相应出口处、即在板式热交换器的相应的边缘条(Sidebar)处与板或边缘条紧密地焊合或者焊接。在这种情形中，垂直于其延伸面的相应叶片(鳍)具有足够的深度、例如9.5mm。
对于在叶片20中设置光波导30替代地，也可以将光波导30嵌入到板10或者盖板10中。在这种情形中，将所述槽11置入到相应的板10中，其中在这种情形中，相应的板或者盖板10具有尤其大约5mm厚度。装配有光波导30的板10则与板式热交换器1的其它组件(叶片，边缘条)以通常的方式焊接。
在光波导30的以上所述的环路形的或者回曲形的布置中(弯曲的区段30b优选具有3cm弯曲半径)，至少以大约至少每500mm沿着光波导30(在拉曼散射的分析处理时)得到用于测量温度的测量点。这意味着，在宽度750mm并且长度5000mm的层中大约超过100个用于温度测量的测量点可供使用。因此，可以二维地说明沿着相应叶片的温度分布。在瑞利散射的分析处理时(见上)可以显著提高分辨率。
只要多个光波导重叠地设置在板式热交换器1的不同的热交换通路或者热交换层中，此外就存在空间上(三维地)说明板式热交换器1中的温度分布的可能性。
为了借助相应的光波导30测量温度，从板式热交换器1引导出存在的光波导30，优选接合成一个唯一的光波导(玻璃纤维)并且与相应的测量装置40耦合。所述测量装置构造用于将光耦合进到相应的光波导30中并且为了温度确定以已知的方式(见上)分析处理所散射回的光。
参考标记列表
1 板式热交换器
10 板
11 槽
20 叶片(鳍)
20a、20b 侧边
30 光波导(玻璃纤维)
30a 区段
30b 弯曲的区段
40 测量装置
201、202、203、204 叶片或者板的边缘区域
300 护套
K 通道

Claims (12)

1.一种板式热交换器，其具有：
多个相互平行延伸的板(10)，其中，在两个相邻的板(10)之间分别设置一个叶片(20)，以便构成多个平行的通道(K)；
用于测量所述板式热交换器(1)的温度的光波导(30)，
其特征在于，
所述光波导(30)设置在所述板式热交换器(1)的叶片(20)的槽(11)中或者板(10)的槽(11)中。
2.根据以上权利要求中任一项所述的板式热交换器，其特征在于，所述光波导(30)纵向延伸地构造，其中，所述光波导(30)尤其由至少一个玻璃纤维构成。
3.根据权利要求1或2所述的板式热交换器，其特征在于，所述光波导(30)设置在包围所述光波导(30)的护套(300)中，其中特别地，所述护套(300)管状地构造，其中特别地，所述护套(300)由金属(300)、尤其由钢或者铝构成。
4.根据以上权利要求中任一项所述的板式热交换器，其特征在于，所述光波导(30)具有回曲形的走向。
5.根据以上权利要求中任一项所述的板式热交换器，其特征在于，所述光波导(30)具有多个尤其相互平行延伸的区段(30a)，其中特别地，每两个相邻的区段(30a)分别通过所述光波导(30)的一个弯曲的区段(30b)彼此整体地连接，其中特别地，相应弯曲的区段(30b)具有1cm至5cm范围中、尤其3cm的曲率半径(R)。
6.根据权利要求5所述的板式热交换器，其特征在于，在设置在所述叶片(20)的槽(11)中的光波导(30)中，所述区段(30a)分别从所述叶片(20)的第一外部边缘区域(201)延伸至所述叶片(20)的相对置的第二外部边缘区域(202)。
7.根据权利要求5所述的板式热交换器，其特征在于，在设置在所述板(10)的槽(11)中的光波导(30)中，所述区段分别在所述板(10)的第一外部边缘区域(201)和所述板(10)的相对置的第二外部边缘区域(202)之间延伸。
8.根据以上权利要求中任一项所述的板式热交换器，其特征在于，所述叶片(20)涉及所述板式热交换器(1)的最外面的叶片(20)。
9.根据以上权利要求中任一项所述的板式热交换器，其特征在于，所述板(10)涉及所述板式热交换器(1)的以盖板(10)形式的最外面的板(10)。
10.根据以上权利要求中任一项所述的板式热交换器，其特征在于，所述叶片(20)的通道(K)设计并且设置成在所述板式热交换器(1)的常规运行中不由在所述板式热交换器(1)中所引导的过程介质流过，或者所述叶片(20)的通道(K)设计并且设置成在所述板式热交换器(1)的常规运行中由在板式热交换器(1)中所引导的过程介质流过。
11.根据以上权利要求中任一项所述的板式热交换器，其特征在于，所述板式热交换器(1)具有多个尤其玻璃纤维形式的光波导(30)，所述多个光波导分别设置在所述板式热交换器(1)的所分配的叶片(20)的槽(11)中或者所分配的板(10)的槽(11)中。
12.一种用于板式热交换器中的测量温度的方法，尤其在使用根据以上权利要求中任一项所述的板式热交换器的情况下，所述方法具有以下步骤：
将光耦合输入到设置在所述板式热交换器的叶片(20)的槽(21)中或者板(10)的槽(11)中的光波导(30)中，使得光在所述光波导(30)中散射回，其中，所述光波导(30)尤其具有回曲形的走向；
借助所散射回的光测量所述光波导(30)的温度。
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