DE102016112497A1 - System and method for determining molar proportions and mass fractions and the temperature and the thermal state point of a fluid - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein System (1) zum Bestimmen von Stoffmengenanteilen und Massenanteilen sowie der Temperatur und damit des thermischen Zustandspunktes eines Fluids (3). Das System (1) weist einen Probenraum mit mindestens einem optischen Fenster (12), welcher vom Fluid (3) beaufschlagt wird, mindestens eine Strahlungsquelle (5), welche einen Strahl (6) emittiert, mindestens einen Detektor (7), welcher Strahlungsintensitäten als ein Strahlungsspektrum aufnimmt und in elektrische Signale umwandelt, sowie eine Auswerteeinheit (14), welche derart konfiguriert ist, die vom Detektor (7) erzeugten Signale zu empfangen und zu analysieren, auf. Dabei sind die Strahlungsquelle (5) und der Detektor (7) derart zueinander und an dem mindestens einen optischen Fenster (12) des Probenraums ausgerichtet angeordnet, dass der von der Strahlungsquelle (5) emittierte Strahl (6) in den Probenraum eintritt und aus dem Probenraum austritt sowie beim Austreten aus dem Probenraum auf den Detektor (7) auftrifft. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Bestimmen von Stoffmengenanteilen und Massenanteilen sowie der Temperatur eines Fluids (3) mit einem vorgenannten System (1).The invention relates to a system (1) for determining molar proportions and mass fractions as well as the temperature and thus the thermal state point of a fluid (3). The system (1) has a sample space with at least one optical window (12), which is acted upon by the fluid (3), at least one radiation source (5), which emits a beam (6), at least one detector (7), which radiation intensities as an irradiation spectrum and converting it into electrical signals, and an evaluation unit (14) configured to receive and analyze the signals generated by the detector (7). In this case, the radiation source (5) and the detector (7) are arranged relative to one another and aligned with the at least one optical window (12) of the sample space such that the beam (6) emitted by the radiation source (5) enters the sample space and out of the Sample chamber exit and impinges when exiting the sample chamber on the detector (7). The invention also relates to a method for determining molar proportions and mass fractions as well as the temperature of a fluid (3) with an aforementioned system (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Bestimmen von Stoffmengenanteilen und Massenanteilen sowie der Temperatur und damit des thermischen Zustandspunktes eines Fluids. Das System weist einen von dem Fluid in einer Strömungsrichtung durchströmten Probenraum, mindestens eine Strahlungsquelle zum Emittieren eines Strahles sowie mindestens einen Detektor zur Aufnahme von Strahlungsintensitäten und deren Umwandlung in elektrische Signale sowie eine Auswerteeinheit zur Analyse der elektrischen Signale auf.The invention relates to a system and a method for determining molar proportions and mass fractions as well as the temperature and thus the thermal state point of a fluid. The system comprises a sample space through which the fluid flows in a flow direction, at least one radiation source for emitting a jet and at least one detector for recording radiation intensities and their conversion into electrical signals, and an evaluation unit for analyzing the electrical signals.
Aus dem Stand der Technik bekannte Kältemittelkreisläufe, beispielsweise von Klimatisierungssystemen, Wärmepumpensystemen oder Kälteanlagen, weisen einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme an das Kältemittel auf. Das in den Verdampfer als Zweiphasengemisch aus Dampf und Flüssigkeit eingeleitete Kältemittel wird bei der Aufnahme der Wärme verdampft und tritt im Wesentlichen gasförmig aus dem Verdampfer aus. Dem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager ist in Strömungsrichtung des Kältemittels innerhalb des Kältemittelkreislaufs ein Verdichter nachgeschaltet, welcher das gasförmige Kältemittel ansaugt. Je nach Regelung der Überhitzung des aus dem Verdampfer austretenden Kältemittels kann das Kältemittel als Zweiphasengemisch aus Dampf und Flüssigkeit oder in reiner Gasphase aus dem Verdampfer austreten. Die Anteile von Flüssigkeit in der gasförmigen Phase des Kältemittels liegen zumeist in Form von Tropfen vor. Der Kältemittelkreislauf kann zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter zudem einen Sammler für das Kältemittel aufweisen. Der Sammler ist dabei unter anderem vorgesehen, den flüssigen Anteil des Kältemittels abzuscheiden, beispielsweise um den in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Sammler nachfolgend angeordneten Verdichter vor Flüssigkeitsschlägen zu schützen.Refrigerant circuits known from the prior art, for example of air conditioning systems, heat pump systems or refrigeration systems, have a heat exchanger operated as an evaporator for transferring heat to the refrigerant. The refrigerant introduced into the evaporator as a two-phase mixture of vapor and liquid is vaporized when the heat is absorbed and leaves the evaporator essentially in gaseous form. The heat exchanger operated as an evaporator is followed in the flow direction of the refrigerant within the refrigerant circuit, a compressor downstream, which sucks the gaseous refrigerant. Depending on the regulation of the overheating of the refrigerant leaving the evaporator, the refrigerant can emerge from the evaporator as a two-phase mixture of vapor and liquid or in a pure gas phase. The proportions of liquid in the gaseous phase of the refrigerant are mostly in the form of drops. The refrigerant circuit may further include a collector for the refrigerant between the evaporator and the compressor. The collector is provided, inter alia, to deposit the liquid portion of the refrigerant, for example, to protect the downstream of the collector in the flow direction of the compressor from liquid hammer.
Kältemittelverdichter sind derart ausgebildet, einen geringen Anteil an Flüssigkeit mit der gasförmigen Phase des Kältemittels anzusaugen, ohne dabei beschädigt zu werden. Dabei sollte der Anteil an Flüssigkeit einen bestimmten maximalen Flüssigkeitsgehalt x'max im Sauggas jedoch nicht überschreiten. Beim Überschreiten des maximalen Flüssigkeitsgehalts x'max kommt es zu oben genannten Flüssigkeitsschlägen beziehungsweise zu Tropfenschlagerosion innerhalb des Verdichters. Wenn das Kältemittel beim Einströmen in den Verdichter einen Flüssigkeitsgehalt x' aufweist, welcher geringer ist als der maximale Flüssigkeitsgehalt x'max(x' < x'max), das heißt der Anteil an Flüssigkeit gering ist, wird die Flüssigkeit durch die Kompression des Kältemittels verdampft und der Verdichter wird nicht beschädigt. Beim Überschreiten des Grenzwertes des Flüssigkeitsgehaltes x' > x'max wird bei der Kompression des Kältemittels lediglich ein Teil der Flüssigkeit verdampft, sodass die verbleibende Flüssigkeit Erosionsschäden verursacht. Derzeit ist keine zuverlässige und kostengünstige Möglichkeit der Messung des im Betrieb vorliegenden Flüssigkeitsgehalts und zur Bestimmung des thermischen Zustandspunktes eines Mehrphasengemisches bekannt.Refrigerant compressors are designed to suck in a small amount of liquid with the gaseous phase of the refrigerant without being damaged. However, the proportion of liquid should not exceed a certain maximum liquid content x ' max in the suction gas. When the maximum liquid content x ' max is exceeded, the above-mentioned liquid bumps or droplet erosion occur within the compressor. If the refrigerant as it flows into the compressor has a liquid content x 'which is less than the maximum liquid content x' max (x '<x' max ), that is, the proportion of liquid is low, the liquid is due to the compression of the refrigerant evaporates and the compressor is not damaged. When the limit value of the liquid content x '>x' max is exceeded, only a part of the liquid is evaporated during the compression of the refrigerant, so that the remaining liquid causes erosion damage. At present, no reliable and cost-effective way of measuring the liquid content present in the operation and for determining the thermal state point of a multiphase mixture is known.
Des Weiteren sind die in Kältemittelkreisläufen angeordneten Verdichter zumeist ölgeschmiert ausgebildet. Das innerhalb des Kältemittelkreislaufs mehrere Funktionen erfüllende Öl dient einerseits dem Schmieren innerhalb des Verdichters angeordneter beweglicher Komponenten und verringert damit die Reibung zwischen den Komponenten. Damit wird unter anderem der Verschleiß des Verdichters reduziert. Andererseits werden mittels des Öls die Abdichtung des Verdichters gegenüber der Umgebung sowie die interne Abdichtung zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich des Kältemittels innerhalb des Verdichters verbessert. Eine weitere Funktion des Öls innerhalb eines Kältemittelkreislaufs besteht darin, die beispielsweise aufgrund der Reibung zwischen den bewegten Komponenten des Verdichters innerhalb des Verdichters erzeugte Wärme aufzunehmen und abzuführen.Furthermore, the compressors arranged in refrigerant circuits are usually oil-lubricated. The oil which performs multiple functions within the refrigeration cycle, on the one hand, serves to lubricate moving components within the compressor, thereby reducing the friction between the components. This reduces, inter alia, the wear of the compressor. On the other hand, by means of the oil, the sealing of the compressor from the environment as well as the internal sealing between the high pressure area and the low pressure area of the refrigerant within the compressor are improved. Another function of the oil within a refrigerant circuit is to absorb and dissipate the heat generated, for example, due to the friction between the moving components of the compressor within the compressor.
Obwohl das Öl im Wesentlichen lediglich innerhalb des Verdichters benötigt wird, wird mit dem Druckgas auch ein gewisser Anteil des Kältemaschinenöls in den Kältemittelkreislauf gefördert, sodass das Öl auch innerhalb des Kältemittelkreislaufs zirkuliert.Although the oil is essentially only needed within the compressor, the compressed gas also promotes a certain proportion of the refrigerating machine oil into the refrigerant circuit, so that the oil also circulates within the refrigerant circuit.
Das Öl des Verdichters, welches mit dem Kältemittel gemeinsam durch den Kältemittelkreislauf zirkuliert, weist verschiedene Wirkungen auf. So verändert es die physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittel-Öl-Gemisches. Das Öl verringert beispielsweise die Wirksamkeit der Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs. Wenn die Wärmeübertragungsflächen im Inneren des Wärmeübertragers mit einem Ölfilm bedeckt sind, welcher sich wie eine zusätzliche Isolierschicht auswirkt, werden der Wärmeübergang und damit der Wärmedurchgang negativ beeinflusst. Der Anteil des in den Kältemittelkreislauf geförderten Öls wirkt sich, bis auf wenige Ausnahmen, somit ungünstig auf das Verhalten des Kältemittelkreislaufs aus. Die Leistung und die Effizienz des Systems wird geringer. Die Kenntnis des Ölgehalts des im Kältemittelkreislauf umlaufenden Kältemittels ist insbesondere bei der Entwicklung und Abstimmung von Kälteanlagen, beispielsweise in Klimatisierungssystemen von Kraftfahrzeugen, wünschenswert. Auch eine kontinuierliche Überwachung des Ölgehalts, der Temperatur sowie der Zusammensetzung aller Phasen sowie deren Mengenanteilen – ausgedrückt durch den thermischen Zustandspunkt – während des Betriebs ist vorteilhaft. Zudem wäre es wünschenswert, den Ölgehalt auch in mehrphasigen Kältemittelgemischen, beispielsweise mit den Phasen Dampf und Flüssigkeit, Flüssigkeit und Flüssigkeit beziehungsweise einer Kombination daraus, bestimmen zu können, um den Ölgehalt auch zwischen allen Komponenten des Kältemittelkreislaufs und bei Vorliegen einer Mischungslücke bestimmen und Ölverlagerungen in eine der Komponenten des Kältemittelkreislaufs erkennen zu können.The oil of the compressor, which circulates together with the refrigerant through the refrigerant circuit, has various effects. It changes the physical and thermodynamic properties of the refrigerant-oil mixture. The oil, for example, reduces the effectiveness of the heat exchanger of the refrigerant circuit. If the heat transfer surfaces are covered in the interior of the heat exchanger with an oil film, which acts as an additional insulating layer, the heat transfer and thus the heat transfer are adversely affected. The proportion of oil pumped into the refrigerant circuit has, with a few exceptions, thus unfavorable effects on the refrigerant circuit. The performance and efficiency of the system will be lower. The knowledge of the oil content of circulating in the refrigerant circuit refrigerant is particularly desirable in the development and tuning of refrigeration systems, for example in air conditioning systems of motor vehicles. Also a continuous one Monitoring the oil content, the temperature and the composition of all phases and their proportions - expressed by the thermal state point - during operation is advantageous. In addition, it would be desirable to be able to determine the oil content in multiphase refrigerant mixtures, for example with the phases of vapor and liquid, liquid and liquid or a combination thereof, to determine the oil content between all components of the refrigerant circuit and in the presence of a miscibility gap and oil displacements in to be able to recognize one of the components of the refrigerant circuit.
Aus dem Stand der Technik ist derzeit keine stets zuverlässig einsetzbare wirtschaftliche Methode bekannt, den Stoffmengenanteil, insbesondere den Dampfmassenanteil und den Ölmassenanteil, beziehungsweise die Temperatur und den thermischen Zustandspunkt eines Kältemittel-Öl-Gemisches online zu messen und die gemessenen Werte als Regelgröße zu verwenden. Für die Bestimmung des Ölmassenanteils in einem Kältemittel-Öl-Gemisch werden herkömmlich Sensoren auf der Basis von Schallgeschwindigkeitsmessungen oder Dichtemessungen verwendet. Allerdings versagen die Messungen auf Basis der Schallgeschwindigkeit beim Auftreten von Mischungslücken oder Gasblasen innerhalb der Strömung. Die Messungen der Zusammensetzung des Fluids auf Basis der Dichten versagen in Bereichen der Dichteinversion, das heißt in Bereichen, in welchen die Dichte des Öls und die Dichte des Kältemittels gleich sind. Bei diesen Verfahren beziehungsweise Messeffekten ist eine integrierte Temperaturmessung nicht möglich und muss zusätzlich vorgenommen werden, insbesondere wenn der thermische Zustandspunkt ermittelt werden soll.From the state of the art is currently not always reliable economic method known to measure the mole fraction, in particular the steam mass fraction and the oil mass fraction, or the temperature and the thermal state point of a refrigerant-oil mixture online and to use the measured values as a controlled variable. For the determination of the oil mass fraction in a refrigerant-oil mixture, sensors based on sound velocity measurements or density measurements are conventionally used. However, the measurements fail on the basis of the speed of sound when miscibility gaps or gas bubbles occur within the flow. Measurements of composition of the fluid based on densities fail in areas of density inversion, that is, in areas where the density of the oil and the density of the refrigerant are equal. With these methods or measuring effects, an integrated temperature measurement is not possible and must be carried out additionally, in particular if the thermal state point is to be determined.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Systems und eines Verfahrens zur Bestimmung der Massenanteile der Komponenten sowie der Phasen, deren Temperatur und damit des thermischen Zustandspunktes eines Fluids, insbesondere eines Kältemittels, eines Kältemittelgemisches oder eines Kältemittel-Öl-Gemisches, welches jeweils innerhalb eines Kältemittelkreislaufs mit mindestens einem Entspannungsorgan, einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager, einem Verdichter und einem als Verflüssiger betriebenen Wärmeübertrager zirkuliert. Die Massenanteile der Komponenten sowie der Phasen, deren Temperatur und damit des thermischen Zustandspunktes des Fluids sollen dabei kontinuierlich bestimmbar sein, wobei die Strömung des Fluids durch die Messung nicht beeinflusst werden soll. Die Massenanteile der Komponenten sowie deren Phasen, deren Temperatur und damit der thermische Zustandspunkt des zirkulierenden Fluids sollen dabei auch speziell zwischen einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und einem Verdichter zu bestimmen sein, um diese als Regelgrößen für die Entspannung des Fluids beim Durchströmen des Entspannungsorgans zu nutzen. Ferner sollte der Massenanteil des Öls innerhalb des Kältemittel-Öl-Gemisches, vorzugsweise in Strömungsrichtung des Kältemittel-Öl-Gemisches nach einem als Verflüssiger betriebenen Wärmeübertrager, ermittelbar sein. Das System soll zudem konstruktiv einfach realisierbar, robust gegen Erschütterungen und einfach zu bedienen sein, um einen möglichst platzsparenden Einbau zu gewährleisten und die Kosten bei der Herstellung, der Wartung und der Bedienung zu minimieren.The object of the invention is to provide a system and a method for determining the mass fractions of the components and the phases, their temperature and thus the thermal state point of a fluid, in particular a refrigerant, a refrigerant mixture or a refrigerant-oil mixture, each within a refrigerant circuit having at least one expansion element, a heat exchanger operated as an evaporator, a compressor and a heat exchanger operated as a condenser. The mass fractions of the components and the phases, their temperature and thus the thermal state point of the fluid should be continuously determinable, wherein the flow of the fluid should not be affected by the measurement. The mass fractions of the components and their phases, their temperature and thus the thermal state point of the circulating fluid should also be specifically determined between a heat exchanger operated as an evaporator and a compressor to use them as control variables for the relaxation of the fluid when flowing through the expansion device , Furthermore, the mass fraction of the oil within the refrigerant-oil mixture, preferably in the flow direction of the refrigerant-oil mixture should be determined by a heat exchanger operated as a condenser. The system should also be structurally simple to implement, robust against shocks and easy to use, to ensure the most space-saving installation and to minimize the costs of manufacturing, maintenance and operation.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is achieved by the subject matters with the features of the independent claims. Further developments are specified in the dependent claims.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes System zum Bestimmen von Stoffmengenanteilen und Massenanteilen sowie der Temperatur und damit des thermischen Zustandspunktes eines Fluids, insbesondere eines Kältemittels, eines Kältemittelgemisches oder eines Kältemittel-Öl-Gemisches gelöst. Das Kältemittel kann dabei jeweils einphasig als Dampf oder Flüssigkeit beziehungsweise als zweiphasiges Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit vorliegen. Nach der Konzeption der Erfindung weist das System einen Probenraum mit mindestens einem optischen Fenster, mindestens eine Strahlungsquelle, welche einen Strahl emittiert, mindestens einen Detektor, welcher Strahlungsintensitäten als ein Strahlungsspektrum aufnimmt und in elektrische Signale umwandelt, sowie eine Auswerteeinheit auf. Der Probenraum wird mit dem Fluid beaufschlagt. Die Auswerteeinheit ist derart konfiguriert, die vom Detektor erzeugten Signale zu empfangen und zu analysieren. Die Strahlungsquelle und der Detektor sind derart zueinander und an dem mindestens einen optischen Fenster des Probenraums ausgerichtet angeordnet, dass der von der Strahlungsquelle emittierte Strahl in den Probenraum eintritt und aus dem Probenraum austritt sowie beim Austreten aus dem Probenraum auf den Detektor auftrifft.The object is achieved by an inventive system for determining molar proportions and mass fractions and the temperature and thus the thermal state point of a fluid, in particular a refrigerant, a refrigerant mixture or a refrigerant-oil mixture. The refrigerant can be present in each case single-phase as a vapor or liquid or as a two-phase mixture of vapor and liquid. According to the concept of the invention, the system has a sample space with at least one optical window, at least one radiation source which emits a beam, at least one detector which receives radiation intensities as a radiation spectrum and converts them into electrical signals, and an evaluation unit. The sample chamber is charged with the fluid. The evaluation unit is configured to receive and analyze the signals generated by the detector. The radiation source and the detector are arranged relative to one another and aligned with the at least one optical window of the sample space such that the beam emitted by the radiation source enters the sample space and exits from the sample space and impinges upon the detector upon exiting the sample space.
Die Komponenten des Systems sind vorteilhaft zumindest teilweise oder insgesamt in einer Einheit integriert ausgebildet. Die innerhalb der gemeinsamen Einheit integriert ausgebildeten Komponenten sind dabei zusammenhängend angeordnet. Das Fluid kann dabei mit einer Strömungsgeschwindigkeit durch den Probenraum hindurchströmen. Alternativ kann das Fluid innerhalb des Probenraums eine Strömungsgeschwindigkeit Null aufweisen.The components of the system are advantageously formed at least partially or in total integrated in one unit. The integrally formed within the common unit components are arranged contiguous. The fluid can flow through the sample space at a flow rate. Alternatively, the fluid within the sample space may have zero flow velocity.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das System mit einem optischen Fenster und einer Reflexionsvorrichtung ausgebildet, wobei der von der Strahlungsquelle emittierte Strahl durch das optische Fenster in den Probenraum eintritt, an der Reflexionsvorrichtung reflektiert wird und durch das optische Fenster aus dem Probenraum austritt. Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das System mit mindestens zwei optischen Fenstern ausgebildet, wobei der von der Strahlungsquelle emittierte Strahl durch ein erstes optisches Fenster in den Probenraum eintritt und durch ein zweites optisches Fenster aus dem Probenraum austritt. Nach einer dritten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind Sensoren und Detektoren direkt in das Fluid hineinragend oder innerhalb des Fluids angeordnet, sodass das System keine optischen Fenster aufweist. According to a first alternative embodiment of the invention, the system is formed with an optical window and a reflection device, wherein the beam emitted by the radiation source beam enters the sample space through the optical window, is reflected at the reflection device and exits the sample space through the optical window. According to a second alternative embodiment of the invention, the system is formed with at least two optical windows, the beam emitted by the radiation source entering the sample space through a first optical window and exiting the sample space through a second optical window. According to a third alternative embodiment of the invention, sensors and detectors are arranged directly in the fluid or disposed within the fluid, so that the system has no optical window.
Das mindestens eine optische Fenster des Probenraums ist bevorzugt gegen Beschlag geschützt ausgebildet, insbesondere beheizt.The at least one optical window of the sample space is preferably formed protected against fog, in particular heated.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Strahlungsquelle und der Detektor derart zueinander und am Probenraum ausgerichtet angeordnet, dass der Strahl den Probenraum und das Fluid in einer Richtung durchdringt, welche senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist.According to an advantageous embodiment of the invention, the radiation source and the detector are arranged in such a way and aligned with the sample space that the beam penetrates the sample space and the fluid in a direction which is aligned perpendicular to a flow direction of the fluid.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Probenraum innerhalb einer Leitung ausgebildet ist. Dabei weist die Leitung die Form eines Kreiszylinders und der Querschnitt einen Durchmesser, insbesondere einen Innendurchmesser, auf. Die Strahlungsquelle und der Detektor sind vorteilhaft derart zueinander und zum Probenraum ausgerichtet angeordnet, dass der Strahl die kreiszylinderförmige Leitung entlang des Durchmessers durchdringt. Nach einer alternativen Ausgestaltung weist der Querschnitt eine mehreckige, insbesondere eine rechteckige Form auf.A development of the invention is that the sample space is formed within a conduit. In this case, the line has the shape of a circular cylinder and the cross section has a diameter, in particular an inner diameter. The radiation source and the detector are advantageously arranged in such a way to each other and aligned to the sample space that the beam penetrates the circular cylindrical conduit along the diameter. According to an alternative embodiment, the cross section has a polygonal, in particular a rectangular shape.
Die Leitung ist bevorzugt als ein universal einsetzbares Element mit genormten Anschlussstellen, insbesondere als ein Abschnitt eines Rohres, ausgebildet.The line is preferably designed as a universally applicable element with standardized connection points, in particular as a section of a tube.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das System mit einem Bypass mit einem probenraumgleichen Raum, einem Strahlungsteiler sowie einem zusätzlichen Detektor ausgebildet. Der probenraumgleiche Raum weist dabei zum Probenraum identische geometrische Abmessungen, insbesondere eine identische optische Länge, auf. Der probenraumgleiche Raum enthält dabei keinen Stoff, welcher infrarot-aktive Strahlung absorbiert und emmitiert, welche mit einem der zu untersuchenden Komponenten des Fluids wechselwirkt und zum Bestimmen der Stoffmengenanteilen und Massenanteilen sowie der Temperatur herangezogen werden soll. Der probenraumgleiche Raum ist folglich mit einem im zu untersuchenden spektralen Bereich infrarotlichtinaktiven Fluid beaufschlagt. Der Strahlungsteiler ist bevorzugt innerhalb der Strahlungsquelle ausgebildet, um den von der Strahlungsquelle emittierten Strahl zu teilen und einen ersten Teil des Strahls durch den Bypass und damit den probenraumgleichen Raum und einen zweiten Teil des Strahls durch den Probenraum zu leiten.According to an advantageous embodiment of the invention, the system is formed with a bypass with a sample chamber same space, a beam splitter and an additional detector. The sample chamber-like space in this case has identical geometric dimensions, in particular an identical optical length, to the sample space. The sample chamber-like space does not contain a substance which absorbs and emits infrared-active radiation, which interacts with one of the components of the fluid to be investigated and is used to determine the molar proportions and mass fractions and the temperature. The sample chamber-like space is consequently exposed to an infrared-inactive fluid in the spectral range to be examined. The beam splitter is preferably formed within the radiation source to divide the beam emitted by the radiation source and to pass a first portion of the beam through the bypass and thus the sample space equivalent space and a second portion of the beam through the sample space.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Strahlungsquelle als eine Lichtquelle ausgebildet, welche einen Lichtstrahl mit mindestens einer vorbestimmten Wellenlänge emittiert. Der mindestens eine Detektor ist dabei zur Aufnahme von Transmissionslichtintensitäten als ein Transmissionslichtspektrum und zur Umwandlung der Transmissionslichtintensitäten in elektrische Signale ausgebildet.According to a development of the invention, the at least one radiation source is designed as a light source which emits a light beam having at least one predetermined wavelength. The at least one detector is designed to receive transmission light intensities as a transmission light spectrum and to convert the transmission light intensities into electrical signals.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Vielzahl monochromatischer Lichtquellen ausgebildet. Unter einer Vielzahl sind dabei mindestens zwei Lichtquellen zu verstehen. Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine polychromatische Lichtquelle ausgebildet, welche Licht mit unterschiedlichen vorbestimmten Wellenlängen emittiert.According to a first alternative embodiment of the invention, a plurality of monochromatic light sources is formed. Among a multitude are at least two light sources to understand. According to a second alternative embodiment of the invention, at least one polychromatic light source is emitted, which emits light having different predetermined wavelengths.
Der mindestens eine Detektor ist vorteilhaft als ein Photodetektor ausgebildet. Bei der Ausgestaltung der Erfindung mit einem Detektor, ist der Detektor derart ausgebildet, lambda-selektiv zu detektieren. Bei der Ausgestaltung der Erfindung mit mehr als einem Detektor können die Detektoren auch derart ausgebildet sein, lediglich monochromatisch zu detektieren.The at least one detector is advantageously designed as a photodetector. In the embodiment of the invention with a detector, the detector is designed to detect lambda selectively. In the embodiment of the invention with more than one detector, the detectors can also be designed to detect only monochromatically.
Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen von Stoffmengenanteilen und Massenanteilen sowie der Temperatur und damit des thermischen Zustandspunktes eines Fluids mit einem vorgenannten System gelöst. Dabei trifft mindestens ein von mindestens einer Strahlungsquelle in einen mit dem Fluid beaufschlagbaren Probenraum emittierter Strahl mit festgelegten Wellenlängen nach dem Durchstrahlen des Probenraums auf mindestens einen Detektor auf. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- – Bestimmen von Referenzstrahlungsintensitäten I0(νi),
- – Aufnehmen eines Strahlungsspektrums durch den mindestens einen Detektor, wobei eine Anzahl i von spezifischen Wellenlängen Strahlungsintensitäten IProbe(νi) zugeordnet werden, und Umwandeln der aufgenommenen Strahlungsintensitäten in elektrische Signale,
- – Senden der elektrischen Signale an eine Auswerteeinheit und Analysieren der Signale innerhalb der Auswerteeinheit, Bestimmen von Strahlungsintensitäten IProbe(νi),
- – Bestimmen einer Absorbanzverteilung A(λi) aus den Strahlungsintensitäten IProbe(νi) und den dazugehörigen Referenzstrahlungsintensitäten I0(νi) für i spezifische Wellenlängen,
- – Bestimmen mindestens einer Nullabsorbanz ANull(λNull), wobei Photonen der Wellenlänge λNull mit keiner der zu untersuchenden Komponenten des Fluids absorbiert,
- – Bestimmen von Stoffmengenanteilen und/oder Massenanteilen der Komponenten sowie deren Phasen des Fluids, basierend auf der Absorbanzverteilung A(λi) und dem Verhältnis charakteristischer Absolutwerte der Absorbanzen A,
- – Bestimmen der Temperatur des Fluids, basierend auf der Absorbanzverteilung A(λi) und dem Verhältnis charakteristischer Absolutwerte der Absorbanzen A, sowie
- – Bestimmen des thermischen Zustandspunktes mit einer in der Auswerteeinheit gespeicherten Zustandsgleichung.
- Determining reference radiation intensities I 0 (ν i ),
- Recording a radiation spectrum through the at least one detector, a number i of specific wavelengths being assigned to radiation intensities I sample (v i ), and converting the recorded radiation intensities into electrical signals,
- - transmitting the electrical signals to an evaluation unit, and analyzing the signals within the evaluation unit, determining radiation intensities I sample (ν i),
- Determining an absorbance distribution A (λ i ) from the radiation intensities I sample (v i ) and the associated reference radiation intensities I 0 (v i ) for i specific wavelengths,
- Determining at least one zero absorbance A zero (λ zero ), with photons of wavelength λ zero absorbing none of the components of the fluid to be investigated,
- Determining molar proportions and / or mass fractions of the components and their phases of the fluid, based on the absorbance distribution A (λ i ) and the ratio of characteristic absolute values of the absorbances A,
- Determining the temperature of the fluid, based on the absorbance distribution A (λ i ) and the ratio of characteristic absolute values of the absorbances A, as well as
- Determining the thermal state point with a state equation stored in the evaluation unit.
Die Nullabsorbanz ANull(λNull) kann damit vorteilhaft als Bezugspunkt für eine Basislinie A = 0 verwendet werden, um mögliche Streueffekte zu berücksichtigen. Die weiteren bestimmten Absorbanzverteilungen A(λi) können mit der Nullabsorbanz ANull(λNull) als sogenannte Offset-Verschiebung korrigiert werden:
Wenn nach einer Weiterbildung der Erfindung die mindestens eine Strahlungsquelle als eine Lichtquelle ausgebildet ist, welche einen Lichtstrahl emittiert und der mindestens eine Detektor zur Aufnahme von Transmissionslichtintensitäten ausgebildet ist, umfasst das Verfahren vorteilhaft die Aufnahme eines Transmissionslichtspektrums, wobei spezifischen Wellenlängen Transmissionslichtintensitäten IProbe(νi) zugeordnet werden.If, according to a development of the invention, the at least one radiation source is designed as a light source which emits a light beam and the at least one detector is designed to record transmission light intensities, the method advantageously comprises the acquisition of a transmission light spectrum, specific wavelengths transmission light intensities I sample (ν i ) be assigned.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden die Referenzstrahlungsintensitäten I0(νi) mit einer einmaligen Messung oder einer einmaligen Messserie des Strahls durch den unbeaufschlagten Probenraum bestimmt und anschließend in der Auswerteeinheit gespeichert. Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden die Referenzstrahlungsintensitäten I0(νi) simultan zu den Strahlungsintensitäten IProbe(νi) bestimmt. Dabei trifft ein über einen in der Strahlungsquelle angeordneten Strahlungsteiler durch einen probenraumgleichen Raum geleiteter Strahl auf einen Detektor auf. Der probenraumgleiche Raum ist mit identischen geometrischen Abmessungen, insbesondere einer identischen optischen Länge, wie der Probenraum ausgebildet und mit einem im zu untersuchenden spektralen Bereich infrarotlichtinaktiven Fluid beaufschlagt.According to a first alternative embodiment of the invention, the reference radiation intensities I 0 (ν i ) are determined by a single measurement or a single measurement series of the beam through the unbuffered sample space and then stored in the evaluation unit. According to a second alternative embodiment of the invention, the reference radiation intensities I 0 (ν i ) are determined simultaneously with the radiation intensities I sample (ν i ). A beam splitter, which is arranged in the radiation source, impinges on a detector through a beam guided in the same sample space. The sample chamber-like space is formed with identical geometric dimensions, in particular an identical optical length, as the sample space and acted upon by an infrared-active in the spectral range to be examined fluid.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient vorteilhaft dem Ermitteln eines integralen Mittelwerts der Konzentrationen als Stoffmengenanteile, der Temperatur und des thermischen Zustandspunktes entlang des Strahls beim Durchdringen des innerhalb des Probenraums strömenden Fluids. Das Verfahren beruht dabei bevorzugt auf einer sogenannnten „in situ”- und online-Messung. Unter einer „in situ”-Messung ist dabei eine Messung zu verstehen, bei welcher während der Messung der Probenraum kontinuierlich vom zu vermessenden Fluid durchströmt wird und das Fluid beziehungsweise die Probe durch die Messung unbeeinflusst bleiben, insbesondere wird kein Teilmassenstrom des Fluids entnommen und in einer separaten Messeinrichtung analysiert. Die Messung wird unmittelbar vor Ort durchgeführt. Eine Einführung von Messkomponenten in den Strömungspfad ist nicht erforderlich.The method according to the invention advantageously serves to determine an integral mean of the concentrations as molar proportions, the temperature and the thermal state point along the jet during penetration of the fluid flowing within the sample space. The method is preferably based on a so-called "in situ" and online measurement. An "in situ" measurement is to be understood as meaning a measurement in which the fluid to be measured continuously flows through the sample space during the measurement and the fluid or the sample remains unaffected by the measurement; in particular, no partial mass flow of the fluid is withdrawn and withdrawn a separate measuring device analyzed. The measurement is carried out directly on site. An introduction of measuring components in the flow path is not required.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass zur Auswertung der Messwerte eine Basislinie festgelegt wird. Dabei wird für die Strahlquellen eine Wellenlänge vorgesehen, welche mit keiner der Komponenten oder Phasen des Fluids wechselwirkt.A development of the invention consists in that a baseline is determined for the evaluation of the measured values. In this case, a wavelength is provided for the beam sources, which interacts with none of the components or phases of the fluid.
Mindestens ein Stoffmengenanteil und die Temperatur des Fluids werden vorteilhaft aus Rotationsschwingungsspektren bestimmt, wobei die Auswertung auf der Verschiebung der Wellenlänge der Streckschwingungsbande zwischen zwei Phasen und/oder auf der Auflösung der Rotationsfeinstruktur von zwei Phasen und/oder Schwingungen von Wasserstoffbrückenbindungen, insbesondere im Infrarot-Spektrum von Flüssigkeiten, basiert. Als unterschiedliche Phasen werden vorteilhaft mindestens eine Gasphase und mindestens eine Flüssigphase betrachtet. Unter der Rotationsfeinstruktur ist eine spektrale Feinstruktur von Rotationsschwingungsbanden zu verstehen.At least a mole fraction and the temperature of the fluid are advantageously determined from rotational vibration spectra, wherein the evaluation on the shift of the wavelength of the stretching vibration band between two phases and / or on the resolution of the fine structure of two phases and / or vibrations of hydrogen bonds, in particular in the infrared spectrum of liquids, based. As different phases are advantageously at least one gas phase and at least considered a liquid phase. The fine rotational structure is understood to mean a spectral fine structure of rotational vibration bands.
Die Stoffmengenanteile beziehungsweise die Massenanteile der Phasen und/oder der Stoffe des Fluids, insbesondere eines Dampfmassenanteils beziehungsweise eines Ölmassenanteils eines Kältemittels, eines Kältemittel-Gemisches beziehungsweise eines Kältemittel-Öl-Gemisches, werden bevorzugt nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz und unter Berücksichtigung der Stoffdaten des Gemisches bestimmt und gegebenenfalls als Zustandsgleichung in der Auswerteeinheit hinterlegt. Die Temperatur des Fluids wird bei konstanter optischer Länge vorteilhaft aus mindestens einer Absorbanz des Dampfes ΔAGas und/oder der Flüssigkeit ΔAFlüssigkeit nach der Boltzmann-Verteilung bestimmt. Die Temperatur wird alternativ oder zusätzlich mit einem separaten Temperatursensor bestimmt.The molar mass fractions or the mass fractions of the phases and / or the substances of the fluid, in particular a steam mass fraction or an oil mass fraction of a refrigerant, a refrigerant mixture or a refrigerant-oil mixture, are preferably according to Lambert-Beer's law and taking into account the material data the mixture determined and optionally deposited as an equation of state in the evaluation unit. The temperature of the fluid is determined at constant optical length advantageous from at least one absorbance of the vapor .DELTA.A gas and / or the liquid .DELTA.A liquid according to the Boltzmann distribution. The temperature is determined alternatively or additionally with a separate temperature sensor.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass Absorptionsbanden mit Spektralverteilungen verglichen werden, welche für bekannte Stoffmengen und Temperaturen vorbestimmt und beispielsweise in einer Datenbank abrufbar hinterlegt sind, um die Stoffmengen der Komponenten und Phasen sowie die Temperatur zu bestimmen.A further preferred embodiment of the invention is that absorption bands are compared with spectral distributions, which are predetermined for known amounts of substance and temperatures and deposited, for example, in a database, to determine the amounts of substances of the components and phases and the temperature.
Die zu bestimmenden Messwerte werden vorteilhaft online und quasi instantan erfasst. Dabei werden die Messwerte ohne zeitliche Verzögerung zur Aufnahme verarbeitet, sodass die Messwerte als Regelgrößen nutzbar sind.The measured values to be determined are advantageously recorded online and virtually instantaneously. The measured values are processed without delay for recording, so that the measured values can be used as controlled variables.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung dient das Verfahren zur Reglung eines Kältemittelkreislaufs, welcher in Strömungsrichtung des Fluids mindestens ein Expansionsorgan, mindestens einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und mindestens einen Verdichter aufweist. Das System ist dabei in Strömungsrichtung des Fluids nach einem Wärmeübertrager und vor einem Verdichter angeordnet. Die mit dem System bestimmten Werte werden als Regelgröße zum Regeln des Kältemittelkreislaufs genutzt. Das Verfahren ist vorteilhaft auch bei verzweigten und mehrstufigen Kältemittelkreisläufen anwendbar.According to a development of the invention, the method is used to control a refrigerant circuit which has at least one expansion element, at least one heat exchanger operated as an evaporator and at least one compressor in the flow direction of the fluid. The system is arranged in the flow direction of the fluid after a heat exchanger and in front of a compressor. The values determined with the system are used as a control variable for regulating the refrigerant circuit. The method is also advantageously applicable to branched and multi-stage refrigerant circuits.
Die mit dem System bevorzugt bestimmten Stoffmengenanteile, Massenanteile sowie der Temperatur und damit des thermischen Zustandspunktes, zum Beispiel in Form der spezifischen Enthalpie, des Fluids werden vorteilhaft als Regelgröße zur Steuerung eines Öffnungsgrades des Expansionsorgans verwendet.The preferably determined by the system mole fractions, mass fractions and the temperature and thus the thermal state point, for example in the form of the specific enthalpy of the fluid are advantageously used as a control variable for controlling an opening degree of the expansion device.
Im Zwei-Phasenbereich tritt je nach Strömungsform des Fluids, beispielsweise in einer Ringströmung, ein Schlupf auf, sodass zwischen dem umlaufenden Massenanteil des strömenden Fluids und dem lokalen Massenanteil des Fluids zu unterscheiden ist. Dabei führt der Schlupf zwischen den Phasen zu einem Abweichen von umlaufendem Massenanteil des strömenden Fluids und lokalem Massenanteil, welcher durch ein ortsauflösendes Messverfahren bestimmt werden kann. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein erfindungsgemäßes System in Strömungsrichtung des Fluids nach einem als Verflüssiger betriebenem Wärmeübertrager und vor dem Expansionsorgan angeordnet, wobei die umlaufenden Massenanteile des strömenden Fluids bestimmt werden. Zudem werden die lokalen Massenanteile des Fluids zwischen dem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und dem Verdichter bestimmt.In the two-phase region occurs depending on the flow shape of the fluid, for example, in a ring flow, a slip, so that it is necessary to distinguish between the circulating mass fraction of the flowing fluid and the local mass fraction of the fluid. The slip between the phases leads to a deviation of the circulating mass fraction of the flowing fluid and the local mass fraction, which can be determined by a spatially resolving measuring method. According to an advantageous embodiment of the invention, an inventive system is arranged in the flow direction of the fluid after a heat exchanger operated as a condenser and in front of the expansion element, wherein the circulating mass fractions of the flowing fluid are determined. In addition, the local mass fractions of the fluid between the operated as an evaporator heat exchanger and the compressor are determined.
Erfindungsgemäße Systeme können vorteilhaft auch an mehreren Stellen eines Kältemittelkreislaufs angeordnet sein, um die Stoffmengenanteile und Massenanteile sowie die Temperaturen und die thermischen Zustandspunkte des Kältemittels an den unterschiedlichen Stellen simultan zu bestimmen. Durch die Messungen an mehreren Stellen des Kältemittelkreislaufs können beispielsweise Zustandsänderungen des Kältemittels innerhalb des Kältemittelkreislaufs ermittelt werden.Systems according to the invention can advantageously also be arranged at several points of a refrigerant circuit in order to simultaneously determine the molar mass fractions and mass fractions as well as the temperatures and the thermal state points of the refrigerant at the different points. The measurements at several points of the refrigerant circuit, for example, state changes in the refrigerant can be determined within the refrigerant circuit.
Das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren weisen zudem zusammenfassend weitere Vorteile auf:
- – nicht invasive Messung, wobei die Strömung mechanisch und thermodynamisch unbeeinflusst bleibt,
- – die Messwerte werden online und quasi instantan erfasst, wobei die Messwerte ohne zeitliche Verzögerung zur Aufnahme verarbeitet werden, sodass die Messwerte als Regelgrößen nutzbar sind,
- – In-situ-Messung, wobei die Messung bei sich verändernden Zuständen und Zusammensetzungen des Fluids unmittelbar am Ort stattfindet,
- – mit einer integrierten Temperaturmessung kann der thermodynamische Zustandspunkt des strömenden Fluids, insbesondere eines Kältemittels oder eines Kältemittelgemisches jeweils mit oder ohne Ölanteil bestimmt werden, wobei beispielsweise die spezifische Enthalpie des Nassdampfes von besonderem Interesse ist,
- – dem Verfahren liegen eine Vorrichtung und ein System mit einem einfachen Aufbau aus wenigen Einzelkomponenten zu Grunde,
- – das System ist als Messsystem damit kostengünstig und ermöglicht Anwendungen in Massenproduktionen, auch in Anwendung bei kleinen Leistungsklassen, da die Messung weder vom Strömungszustand des Fluids abhängt, noch den Strömungszustand des Fluids beeinflusst,
- – das System ist sehr robust und unanfällig für Fehler,
- – durch eine Erweiterung des direkten Messverfahrens zu einem ortsauflösenden Messverfahren sowie den Vorteil des unmittelbaren Bestimmens der Stoffmengenanteile und Phasen der Komponenten des Fluids, ist das Verfahren speziell in der Grundlagenforschung zur Untersuchung von Kondensationsmechanismen einsetzbar.
- Non-invasive measurement, the flow remaining mechanically and thermodynamically unaffected,
- The measured values are recorded online and quasi instantaneously, whereby the measured values are processed without delay for recording, so that the measured values can be used as controlled variables,
- In-situ measurement, wherein the measurement takes place at changing locations and compositions of the fluid directly in place,
- With an integrated temperature measurement, the thermodynamic state point of the flowing fluid, in particular of a refrigerant or of a refrigerant mixture can be determined in each case with or without oil content, for example, the specific enthalpy of the wet steam is of particular interest,
- - The method is based on a device and a system with a simple structure of a few individual components,
- The system is therefore cost-effective as a measuring system and enables applications in mass production, even in small power classes, since the measurement neither depends on the flow state of the fluid nor influences the flow state of the fluid,
- - The system is very robust and not susceptible to errors
- - By extending the direct measurement method to a spatially resolving measurement method and the advantage of directly determining the mole fractions and phases of the components of the fluid, the method can be used especially in basic research for the investigation of condensation mechanisms.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigenFurther details, features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it
Aus
Unter einem Fluid
Das Fluid
Das Fluid
Das System
Die Lichtquelle
Das Transmissionslichtspektrum weist eine vom jeweiligen Massenanteil oder Stoffmengenanteil und von der Temperatur abhängige charakteristische Verteilung der Strahlungsintensität beziehungsweise Transmissionslichtintensität IProbe(νi) auf. Bei einer festen optischen Länge, wie dem Innendurchmesser d der Leitung
Die Ergebnisse können auf einem Anzeigeelement
Wie auch in
Beim Verfahren zum Bestimmen des Dampfmassenanteils x'', des Massenanteils der Flüssigkeit x' des Kältemittels beziehungsweise des Kältemittelgemisches, des Ölmassenanteils xÖl und der Temperatur wird der integrale Mittelwert der Konzentrationen als Stoffmengenanteile entlang des Lichtstrahls
Der Anzahl der vorliegenden Phasen beziehungsweise Komponenten entsprechend sind mindestens z monochromatische Lichtquellen
Der Dampfmassenanteil x'' ist, im Falle eines reinen Fluids
Der Dampfmassenanteil x'' und der Ölmassenanteil xÖl des Fluids
Zum Bestimmen der Stoffmengen beziehungsweise der Stoffmengenanteile und der Massenanteile sowie der Temperatur wird im Probenraum das Hintergrundlichtspektrum ermittelt. Dabei ist der Probenraum oder ein Raum mit identischen geometrischen Abmessungen nicht mit dem zu untersuchenden Fluid
Nach alternativen Verfahren wird die Hintergrundlichtintensität I0(νi) entweder durch eine einmalige Messung des Lichtstrahls
Während des Betriebes des Kältemittelkreislaufs ist der Probenraum mit dem Fluid
Aus der Transmissionslichtintensität IProbe(νi) und der Hintergrundlichtintensität I0(νi) wird für jede spezifische Wellenlänge λi oder Wellenzahl νi eine Absorbanz A als ein Maß für die Schwächung der Lichtintensität während der Transmission des Lichtsstrahls
Mit der Absorbanz A steht eine physikalische Größe zur Verfügung, welche über das Lambert-Beersche-Gesetz direkt proportional zur Teilchenanzahl oder Stoffmenge n der Gasphase oder der Phase der Flüssigkeit einer Komponente ist. Als Messkriterium ist für jede Phase einer Komponente die Schwächung der Lichtintensität als Absorbanz ΔA(λ) mindestens einer Frequenz f beziehungsweise Wellenlänge λ oder Wellenzahl ν zu bestimmen, welche ausschließlich von dieser Phase einer Komponente abhängig und offsetkorrigiert ist.With the absorbance A, a physical quantity is available, which is directly proportional to the number of particles or substance quantity n of the gas phase or the phase of the fluid of a component via the Lambert-Beersche law. The measuring criterion for each phase of a component is the attenuation of the light intensity as the absorbance ΔA (λ) of at least one frequency f or wavelength λ or wavenumber ν to be determined, which depends exclusively on this phase of a component and is offset-corrected.
Nach einer Kalibrierung und dem Vergleich mit einem Normal können der Dampfmassenanteil x'' und der Massenanteil der Flüssigkeit x' sowie der Ölmassenanteil xÖl als Messgröße bestimmt werden. Nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz ist die Absorbanz A einer Bande, welche nur von einer Phase eines Stoffes hervorgerufen wird, proportional zur Stoffmenge n der mit dieser Wellenlänge λi wechselwirkenden Phase des Stoffes. Dabei entspricht ε dem Extinktionskoeffizenten und d als optische Länge dem Innendurchmessers der Leitung
Die offsetkorrigierten Absorbanzen ΔA(λi) korrelieren gemäß dem Lambert-Beerschen-Gesetz jeweils mit der Stoffmenge einer Phase eines Stoffes, wobei die Proportionalitätsfaktoren für unterschiedliche Wellenlängen λ verschieden sind.The offset-corrected absorbances .DELTA.A (λ i) are correlated in accordance with the Lambert-Beer's law with each of the molar amount of a phase of a substance, wherein the proportionality factors for different wavelengths are λ different.
Zur Auswertung werden, wie aus den
Da die Absolutwerte der Absorbanzen ΔAi von der optischen Länge d und dem Stoff nach der Boltzmann-Verteilung auch von der Temperatur abhängen, kann die Temperatur des Fluids
Die Auswahl der für jeden Stoff des Stoffgemisches beziehungsweise jeder Phase des Fluids
Als Lichtquellen
In den
Die beiden Absorbanzen ΔAGas und ΔAFlüssigkeit werden jeweils ausschließlich von einer Phase des Kältemittels hervorgerufen. Das Verhältnis der Absorbanzen ΔAGas/ΔAFlüssigkeit kann jeweils aus den in den Diagrammen eingetragenen Lichtabschwächungen berechnet werden. Eine spektral auflösende Messung ist dabei nicht zwangsweise erforderlich. Die Absolutwerte der den beiden Aggregatszuständen zugehörigen Absorbanzen ΔAGas und ΔAFlüssigkeit können gleichermaßen zur Messung der Temperatur genutzt werden, sodass die Absolutwerte ΔAGas und ΔAFlüssigkeit neben ihrem Verhältnis eine weitere Signalinformation aufweisen.The two absorbances ΔA gas and ΔA liquid are each caused exclusively by one phase of the refrigerant. The ratio of the absorbances ΔA gas / ΔA liquid can be calculated in each case from the light attenuations recorded in the diagrams. A spectrally resolving measurement is not necessarily required. The absolute values of the absorbances ΔA gas and ΔA liquid associated with the two states of aggregation can likewise be used to measure the temperature so that the absolute values ΔA gas and ΔA liquid have, in addition to their ratio, further signal information.
Bei dem in
Aus beiden Methoden kann das Verhältnis der Absorbanzen ΔAGas/ΔAFlüssigkeit als Signal aus z monochromatischen Messungen, mindestens jedoch zwei Messungen, bestimmt werden. Das Signal ΔAGas/ΔAFlüssigkeit ist nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz direkt proportional zum Verhältnis der beiden Phasen des Fluids
Der Dampfmassenanteil x'' des Fluids
Wie zudem aus den
ΔAν1 ist somit proportional zur Gesamt-Stoffmenge n'' + n'. Die Lichtstrahlen
Wenn das aus zwei Phasen bestehende Fluid
Der Ölmassenanteil xÖl kann auch bestimmt werden, wenn der Dampfanteil x'' des Fluids
Die zwei konkreten Auswertungsmöglichkeiten können jeweils für mehrere Wellenlängen λ beziehungsweise Wellenlängenbereiche unabhängig voneinander oder kombiniert angewendet werden, wodurch eine höhere Genauigkeit des Bestimmens der Massenanteile und der Temperatur erreichbar ist.The two concrete evaluation options can be used for several wavelengths λ or wavelength ranges independently or combined, whereby a higher accuracy of determining the mass components and the temperature can be achieved.
Neben den in den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Systemsystem
- 22
- Leitungmanagement
- 33
- Fluidfluid
- 3a3a
- Tropfen FlüssigkeitDrop of liquid
- 3b3b
- Öltropfenoil drops
- 44
-
Strömungsrichtung Fluid
3 Flowdirection fluid 3 - 55
- Strahlungsquelle-LichtquelleRadiation source light source
- 66
- Strahl-Lichtstrahl-Ray beam
- 77
- Detektordetector
- 88th
- Expansionsorganexpansion element
- 99
- Wärmeübertrager, VerdampferHeat exchanger, evaporator
- 1010
- Verdichtercompressor
- 1111
- Anzeigeelementdisplay element
- 1212
- optisches Fensteroptical window
- 1313
- probenraumgleicher Raumsample room same room
- 1414
- Auswerteeinheitevaluation
- AA
- Absorbanz, Absorbanzverteilung, AbsorptionsbandeAbsorbance, absorbance distribution, absorption band
- ΔA.DELTA.A
- Offsetkorrigierter Absolutwert der Absorbanz A zur Berücksichtigung der BasislinienverschiebungOffset-corrected absolute value of the absorbance A to take into account the baseline shift
- DD
- Dampfsteam
- dd
-
Innendurchmesser Leitung
2 , optische LängeInsidediameter pipe 2 , optical length - FlFl
- Flüssigkeitliquid
- ff
- Frequenzfrequency
- hH
- Enthalpieenthalpy
- II
- LichtintensitätLight intensity
- I0(ν)I 0 (ν)
- Hintergrundlichtintensität, ReferenzstrahlungsintensitätBacklight intensity, reference radiation intensity
- IProbe(ν)I sample (ν)
- TransmissionslichtintensitätTransmission light intensity
- mm
- MasseDimensions
- m'm '
- Masse FlüssigkeitMass liquid
- m''m ''
- Masse DampfMass of steam
- MM
- molare Massemolar mass
- nn
- Stoffmengeamount of substance
- n'n '
- Stoffmenge FlüssigkeitQuantity of fluid
- n''n ''
- Stoffmenge DampfAmount of substance steam
- pp
- Druckprint
- ss
- Entropieentropy
- x'x '
- Massenanteil FlüssigkeitMass fraction of liquid
- x''x ''
- DampfmassenanteilSteam mass fraction
- zz
- Anzahl der PhasenNumber of phases
- Q .Q.
- Wärme-Kälteleistung ExtinktionskoeffizentHeat-cooling capacity Extinction coefficient
- λλ
- Wellenlängewavelength
- νν
- Wellenzahlwavenumber
- ν1 ν 1
- des Bandenzentrums der Schwingungen der Moleküle der Flüssigphasethe band center of the oscillations of the molecules of the liquid phase
- v2 v 2
- des Bandenzentrums der Schwingungen der Moleküle der Gasphasethe band center of the vibrations of the molecules of the gas phase
- ρ'ρ '
- Dichte Flüssigkeit Dichte DampfDense liquid Dense vapor
Claims (15)
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---|---|---|---|
DE102016112497.4A DE102016112497A1 (en) | 2016-07-07 | 2016-07-07 | System and method for determining molar proportions and mass fractions and the temperature and the thermal state point of a fluid |
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Citations (3)
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-
2016
- 2016-07-07 DE DE102016112497.4A patent/DE102016112497A1/en active Pending
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