CN106457130A - 使用具有封闭冷却回路的换热器来冷却干燥气体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过将气体引导通过换热器(2)的第二部分(9)而冷却干燥气体的方法，该换热器(2)的第一部分形成封闭冷却回路(4)的蒸发器(3)，冷却剂能够通过压缩机(5)而在该封闭冷却回路(4)中循环，该压缩机(5)后面是冷凝器(6)和膨胀装置(7)，冷却剂能够通过该冷凝器和膨胀装置循环，使用具有频率控制风扇(19)的气冷冷凝器(6)，且该方法包括控制前述风扇(19)的速度的步骤，以使得冷凝器压力(Pc)保持等于目标值。

Description

使用具有封闭冷却回路的换热器来冷却干燥气体的方法和 装置
本发明涉及一种用于冷却干燥气体的方法。
更具体地说，本发明将用于冷却干燥气体，因此，在气体中的水蒸气通过将气体引导通过换热器的第二部分而冷凝，该换热器的第一部分形成封闭冷却回路的蒸发器，冷却剂能够通过压缩机而在该封闭冷却回路中循环，该压缩机安装在冷却回路中并在蒸发器的下游，该压缩机后面是冷凝器和膨胀装置，冷却剂能够通过该冷凝器和膨胀装置循环。
如已知的那样，冷却干燥是基于这样的原理，即，通过降低气体温度，在气体中的水汽冷凝，然后，冷凝液在液体分离器中进行分离，然后，气体再次被加热，以使得该气体不再饱和。
已知在大部分情况下，由例如压缩机供给的压缩空气饱和含有水蒸气，或者换句话说，它具有100％的相对湿度。这意味着在温度降低至低于“露点”的情况下将发生冷凝。由于在从压缩机抽出压缩空气的管道和工具中产生冷凝水腐蚀，因此设备可能会过早耗损。
因此需要干燥该压缩空气，这能够以前述方式通过冷却干燥来进行。除了压缩空气之外的空气或者其它气体也能够这样干燥。
用于冷却干燥的方法是已知的，由此，冷凝器是装备有一个或多个风扇的气冷冷凝器。
这些风扇能够根据冷凝器和冷却剂所需的冷却而打开和关闭。
这些风扇能够在特定界限值处打开，再在另一界限值处关闭。
因此，通常进行比严格所需更多的冷却，以便有特定富余量，这样，这种风扇的能量消耗通常高于实际所需。
风扇的打开或关闭将改变冷凝器的压力。
这样的缺点是，当冷凝器压力升高时，压缩机将消耗更多功率。
另一缺点是，变化的冷凝器压力影响冷却回路中的膨胀装置和其它阀，因此也影响蒸发器压力以及冷却回路的冷却能力。
因此，膨胀装置和其它阀必须被调节，以便防止蒸发器压力的波动。
这导致系统的控制非常复杂。
本发明的目的是提供一种解决至少一个前述和其它缺点的方案。
本发明的目标是一种用于冷却干燥气体的方法，因此，在气体中的水蒸气通过将气体引导通过换热器的第二部分而冷凝，该换热器的第一部分形成封闭冷却回路的蒸发器，冷却剂能够通过压缩机而在该封闭冷却回路中循环，该压缩机安装在冷却回路中并在蒸发器的下游，该压缩机后面是冷凝器和膨胀装置，冷却剂能够通过该冷凝器和膨胀装置循环，因此，使用具有频率控制风扇的气冷冷凝器，且该方法包括控制前述风扇的速度的步骤，以使得冷凝器压力保持等于计算的或设置的目标值。
优点是，该方法使用频率控制风扇，从而使得冷凝器压力能够通过合适地调节风扇的速度而保持恒定。
这样的优点是蒸发器压力将不变，在冷却回路中的阀不必或几乎不必由于冷凝器压力的变化而被调节。
这意味着该装置的控制和调节将简单得多。
另一优点是，频率控制风扇将比只能够开和关的风扇维持更长时间。
冷却回路中的阀也将维持更长时间，因为它们不必一直调节。
冷凝器压力能够在预先计算的或预设的值处保持恒定，该值优选是选择为能够使得由风扇和压缩机吸收的组合功率最小。
已知由风扇消耗的功率能够由风扇的速度来确定。风扇速度将确定冷凝器压力。压缩机功率能够根据冷凝器压力和蒸发器压力而确定。
因此，通过合适地选择冷凝器压力，组合功率能够保持最小，以使得装置将消耗非常小的能量。
本发明还涉及一种用于冷却干燥气体的装置，因此，在气体中的水蒸气通过冷却该气体而冷凝，该装置提供有换热器，该换热器有第二部分，要干燥的气体被引导通过该第二部分，以便冷却该气体，且换热器有第一部分，该第一部分形成封闭冷却回路的蒸发器，冷却剂能够通过在该蒸发器下游的压缩机而在该封闭冷却回路中循环，在压缩机和蒸发器之间向下游处，冷却回路连续包括冷凝器和膨胀装置，冷却剂能够通过该冷凝器和膨胀装置而循环，该冷凝器包括频率控制风扇，装置包括控制单元，该控制单元控制前述风扇的速度，以使得冷凝器压力保持等于计算的或设置的目标值。
根据本发明的装置的优点与前述优点类似。
为了更好地表示本发明的特征，下面将通过实例(没有任何限制性质)参考附图介绍根据本发明的方法和装置的几个优选变化形式，附图中：
图1示意表示了根据本发明的装置；
图2示意表示了矩阵，该矩阵表示了由压缩机和风扇吸收的组合功率作为蒸发器压力和冷凝器压力的函数。
在图1中表示的、用于冷却干燥的装置1基本包括换热器2，该换热器的第一部分形成封闭冷却回路4的蒸发器3，压缩机5、冷凝器6和膨胀装置7也连续布置在该封闭冷却回路4中。
在本例中，压缩机5由马达8驱动，并用于使得冷却剂根据箭头A而通过冷却回路4循环。压缩机5能够是例如容积压缩机，而马达8是例如电马达。
冷却剂能够是例如R404a，但是本发明当然并不局限于此。
在本例中，优选是，膨胀装置7由膨胀阀7形成。
换热器2的第二部分9形成用于干燥潮湿空气的管道10的一部分，该潮湿空气的流动方向由箭头B表示。该管道10的进口能够与例如压缩机的出口连接，用于供给要干燥的压缩空气。
在换热器2的第二部分9之后，更具体地说在它的输出处，第一液体分离器11安装在管道10中。
在本例中，该管道10的部分12(在它到达换热器2的第二部分9之前)穿过预冷器或回收换热器13而延伸。
在第二部分9之后，该管道10的部分14也穿过该回收换热器13延伸，且与前述部分12对向流动。
换热器2是液体冷却剂-空气换热器，且在结构上能够与任何回收换热器13形成一个单元，该回收换热器13是空气-空气换热器。
前述管道10的输出能够与压缩空气网络(图中未示出)连接，例如，压缩空气消耗装置与该压缩空气网络连接，例如由压缩空气驱动的工具。
在本例中，压缩机5由一个旁通管道15来旁通，该旁通管道15使得压缩机5的出口与注入点P连接，该注入点P位于压缩机的上游，但是在蒸发器的出口16的下游。
旁通管道15构成为具有热气体旁通阀17，用于从冷却回路4中抽出冷却剂。
在注入点P的下游和压缩机的上游，第二液体分离器18包含在封闭冷却回路4中。
根据本发明，冷凝器6是装备有频率控制风扇19的空气冷却冷凝器，在本例中，该频率控制风扇19的速度能够无限调节。
装置1还提供有控制单元20。控制单元20与马达8和风扇19连接，以便控制它们。
控制单元20还与用于确定冷凝器压力的装置21连接，并与用于确定蒸发器压力的装置22连接。
显然，不必排斥设有用于确定要干燥的气体的最低气体温度(LAT)的装置。
显然，考虑到在两者之间的明确连接，装置22确定蒸发器温度，而不是蒸发器压力。
用于通过根据图1的装置1来冷却干燥的方法将非常简单，如下面所述。
要干燥的空气根据箭头B而被运送通过管道10，因此通过换热器2的第二部分9。
在该换热器2中，潮湿空气在冷却剂的作用下冷却，该冷却剂流过换热器的第一部分，因此流过冷却回路4，2的蒸发器3。
因此形成冷凝液，该冷凝液在第一液体分离器11中分离。
在该第一液体分离器11之后在绝对量方面包含更少水汽的冷空气(但是仍然有100％的相对湿度)在回收换热器13中在新供给的要干燥的空气的作用下被加热，以使得相对湿度降低至优选是低于50％，同时，要干燥的新空气在传送至换热器2之前已经在回收换热器13中被部分冷却。
因此，空气在回收换热器13的输出处比在换热器2的输入处更干燥。
为了能够在换热器的第二部分9中冷却所述要冷却的潮湿空气，冷却剂沿箭头A的方向被引导通过冷却回路，通过蒸发器3或换热器2的第一部分。
从蒸发器3出来的热冷却剂成气态，并将通过压缩机5而升高至更高压力，然后在冷凝器6中通过风扇19而冷却，并冷凝。
在蒸发器3之后仍然存在的任何液体冷却剂将由第二液体分离器18阻挡。
然后，在被驱动至蒸发器3以便在这里冷却要干燥的空气之前，冷的液体冷却剂将通过膨胀阀7而膨胀，并将进一步冷却。
在传热的作用下，冷却剂将在蒸发器3中变热、蒸发、再次被引导至压缩机5。
在旁通管道15中的热气体旁通阀17将保证当换热器2中的空气冷却太多时(例如在冷却干燥器的可变负载情况下)，呈热气体形式的一定量的冷却剂将沿箭头A’的方向被驱动而通过前述旁通管道15而横过压缩机。这样，装置1的冷却能力能够降低，并防止换热器中的冷凝液冰冻或者冷却剂的温度下降太多。
为了使得冷却回路4的控制尽可能简单，风扇19将由控制单元20来控制，以使得冷凝器压力Pc保持恒定在计算的或设置的目标值。
为了确定该目标值，在这种情况下，使用例如储存在控制单元20中的矩阵。
这种矩阵的一个实例在图2中表示。
该矩阵给出了作为蒸发器压力Pv和冷凝器压力Pc的函数的、由压缩机和风扇吸收的组合功率。
控制单元20从装置22接收用于蒸发器压力Pv的值Pvn。根据该值Pvn，控制单元20确定用于冷凝器压力Pc的目标值，在该目标值处，共同的组合功率最小。
在图2的实例中，最小组合功率等于Xnn，用于冷凝器压力的相应目标值等于Pcn。
控制单元20将调节风扇的速度，以使得冷凝器压力Pc达到和保持该确定的目标值Pcn。
这样，冷凝器压力Pc保持恒定，且在该目标值，由压缩机5和风扇19吸收的组合功率最小，这样的优点是，装置1将在最佳的能量效率情况下操作，因为压缩机5和风扇19是冷却回路4中的主要能量消耗装置。
控制单元20能够周期性地确定冷凝器压力Pc的目标值，换句话说，控制单元20周期性地根据来自装置22的信号而从矩阵中确定用于冷凝器压力Pc的目标值。确定目标值的间隔能够根据例如装置1的负载变化而选择。
代替使用矩阵，用于冷凝器压力Pc的目标值也能够通过在控制单元20中的编程控制算法来确定。
因此，控制单元20将根据来自装置21和22的信号来确定由压缩机5吸收的功率，并根据风扇19的当前速度来确定由风扇19吸收的功率，从而能够确定组合功率。
然后，控制单元20将以特定步进值来增大或减小风扇19的速度，并再次确定组合功率。
控制单元20将确定在怎样的风扇19速度下组合功率最小，并将风扇19调节至该速度。
当需要时，迭代地重复前述步骤，直到达到最小组合功率。
这种控制算法保证控制单元20就好像自己学习一样，并独立于装置1和冷却回路，因此能够应用于不同的装置1和冷却回路4。
在另一优选实施例中，将风扇19速度调节至最小速度，通过该最小速度而达到用于冷凝器压力Pc的计算的或设置的目标值，或者冷凝器压力Pc尽可能地等于目标值。
该目标值可以根据上述方法或者其它方法来确定。
这样的优点是风扇速度不会比严格所需更高。
当在特定速度下在特定允许公差内达到用于冷凝器压力Pc的目标值时，不需要进一步增大速度以便实际达到目标值。实际上可能是，为了实际达到目标值，速度将必须有非常大的增加。这将伴随着风扇19的消耗功率的较大增加，而冷凝器压力Pc的变化将很有限。
显然，计算或设置的目标值能够以多种不同方法来确定，以使得由压缩机5和风扇19吸收的组合功率最小。
还显然，风扇19的速度能够由控制单元20以多种不同方式来控制或调节，以使得冷凝器压力Pc保持等于目标值。
尽管在所示实例中，装置1只提供有一个换热器2，但是显然，也能够提供多个换热器2。
本发明决不局限于介绍为实例和在附图中表示的实施例，而是，在不脱离本发明范围的情况下，该方法和装置能够以不同的变化形式来实现。

Claims (13)

1.一种用于冷却干燥气体的方法，在气体中的水蒸气通过将气体引导通过换热器(2)的第二部分(9)而冷凝，该换热器(2)的第一部分形成封闭冷却回路(4)的蒸发器(3)，冷却剂能够通过压缩机(5)而在该封闭冷却回路(4)中循环，该压缩机(5)安装在冷却回路(4)中并在蒸发器(3)的下游，该压缩机(5)后面是冷凝器(6)和膨胀装置(7)，冷却剂能够通过该冷凝器和膨胀装置而循环，其特征在于，使用具有频率控制风扇(19)的气冷冷凝器(6)，且该方法包括控制前述风扇(19)的速度的步骤，以使得冷凝器压力(Pc)保持等于计算的目标值或设置的目标值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：用于冷凝器压力(Pc)的所述计算的目标值或设置的目标值被选择为使得由压缩机(5)和风扇(19)吸收的组合功率最小。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：使用预定的矩阵，该矩阵表示作为蒸发器压力(Pv)和冷凝器压力(Pc)的函数的、由压缩机(5)和风扇(19)吸收的组合功率，因此，该方法包括以下步骤：
确定蒸发器压力(Pv)；
根据前述矩阵，确定用于冷凝器压力(Pc)的目标值，该目标值保证在这样确定的蒸发器压力(Pv)下组合功率最小。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：该方法包括以下迭代步骤：
确定由压缩机(5)和风扇(19)吸收的当前组合功率；
以一步进值来增大或减小风扇(19)的速度；
确定由压缩机(5)和风扇(19)吸收的、新的当前组合功率；
将风扇(19)的速度调节至用于使得所确定的组合功率最低的速度；
需要时，迭代重复前述步骤。
5.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于：在调节风扇速度的步骤中，将速度调节至最小速度，从而达到用于冷凝器压力(Pc)的计算的目标值或设置的目标值，或者使得冷凝器压力(Pc)近似等于该目标值。
6.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于：周期性地确定用于冷凝器压力(Pc)的计算的目标值或设置的目标值。
7.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于：该方法用于干燥来源于压缩机的气体。
8.一种用于冷却干燥气体的装置，在气体中的水蒸气通过冷却该气体而冷凝，该装置(1)设有换热器(2)，该换热器(2)有第二部分(9)，要干燥的气体被引导通过该第二部分(9)，以便冷却该气体，且换热器有第一部分，该第一部分形成封闭冷却回路(4)的蒸发器(3)，冷却剂能够通过在该蒸发器(3)下游的压缩机(5)而在该封闭冷却回路(4)中循环，在压缩机(5)和蒸发器(3)之间向下游处，冷却回路(4)连续包括冷凝器(6)和膨胀装置(7)，冷却剂能够通过该冷凝器(6)和膨胀装置(7)循环，其特征在于：该冷凝器(6)包括频率控制风扇(19)，装置(1)包括控制单元(20)，该控制单元(20)控制前述风扇(19)的速度，以使得冷凝器压力(Pc)保持等于计算的目标值或设置的目标值。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：控制单元(20)提供有预定矩阵，该矩阵表示作为蒸发器压力(Pv)和冷凝器压力(Pc)的函数的、由压缩机(5)和风扇(19)吸收的组合功率，且控制单元(20)还与用于确定蒸发器压力(Pv)的装置(22)连接，控制单元(20)根据来自前述装置(22)的信号使用前述矩阵来确定用于冷凝器压力(Pc)的目标值，以使得组合功率最小，并调节风扇(19)的速度，以使得冷凝器压力(Pc)等于前述的目标值。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：控制单元(20)提供有控制算法，该控制算法能够通过改变风扇(19)速度来确定由压缩机(5)和风扇吸收的组合功率的相应变化，并将该风扇速度调节至使得前述组合功率最小的速度。
11.根据权利要求8至10中任意一项所述的装置，其特征在于：控制单元(20)将风扇(19)的速度调节至最小速度，通过该最小速度而达到用于冷凝器压力(Pc)的计算的目标值或设置的目标值，或者冷凝器压力(Pc)近似等于该目标值。
12.根据权利要求8至11中任意一项所述的装置，其特征在于：控制单元(20)周期性地确定用于冷凝器压力(Pc)的计算的目标值或设置的目标值。
13.根据权利要求8至12中任意一项所述的装置，其特征在于：要干燥的气体来源于压缩机。
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