JPS60207900A - 熱交換器の性能監視器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には熱交換器に関し、特定すると熱交換
器の性能の程度、よシ詳しくは熱交換器表面の７７ウリ
ングの飯を決定することのできる新規かつ有用な監視器
に関する。

熱交換器性能は監視することができる。しかし、この監
視は大がかシな計算を必要とし、この計算は従来コンピ
ュータと高級プログラミング言語を利用して行われてい
る。このような性能Ｈｌ算は、ケイ・ジエイ・バアルガ
ス（　Ｋ．　Ｊ．　Ｖａｒｇａａ　）にょるＣｈｅｍ．
　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　、　１　９　８　２年３月
２２日発行所収の“圧縮冷却システムのトラブルｌＷ消
（　Ｔｒｏｕｂｌｅ−Ｓｈｏｏｔｉｎｇ　Ｃｏｍｐｒｅ
ｓｓｉｏｎ　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅ
ｍｓ）”中に開示されている。

様々な動作条件下での熱交換器の性能を決定するために
は、熱交換器の設計条件からのずれが先の大がかりなｄ
１算で考慮に入れられねほならない。

ジー・ライトナ−（　Ｇ．　Ｌｅｉｔｎｅｒ　）による
ＡＳＨＲＡＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　、１　９　８　０年２
月発行所収の・冷却管ファウリング制御（　Ｃｏｎｔｒ
ｏｌｌｉｎｇ　ｃｈｉ−１１ｅｒ　’［’ｕｂｅ　Ｆｏ
ｕｌｉｎｇ　）　”中に例示されているように、実験デ
ータも又熱交換器性能を決定するために利用される。し
かしこの実験データはいつも利用できるとは限らない。

現在、コンピュータを使用して熱交換器の性能を即座に
決定している。性能の測庁値が連続的に祷られることは
、いくつかの問題が発生した詩これらの問題を３断する
のに助けとなる。ところが、コンピュータには高級言語
と高度に訓練された人間が必要である。その結果、熱交
換器を監視するために高い費用がかかる。

〔発明の概要〕

本発明は、従来のコンピュータ監視システムと同等の性
能でしかも費用が安く動作が一層早い監視システムを提
供する。本発明では、本質的に、アナログ装置とコンピ
ュータの利点が組み合わせられている。

本発明は、昼コストコンピュータと同等の動作を達成す
るよう構成され組み合わされている個々の複数の機能ブ
ロックよシ榊成される。

本発明は、ファウリングやスラグを決定する目的のため
に、予冷却器や空気冷却器や蒸発器や凝縮器等のような
熱交換器およびボイラーのような熱伝達表面を有する他
の装置に対しても応用可能である。本発明の監視システ
ムは、例えばボイラー内で煤吹き動作が開始されるべさ
時点を決定するために利用できる。

それゆえ、本発明の目的は、一側に成る比熱の熱交換媒
体が辿る熱交換表面域を有する熱交換器のファウリング
率を生成する性能監視器を提供することであシ、この性
能監視器は、 熱交換媒体の熱交換器からの出力温度に対応する信号を
供給する第１の温度トランスミッタ手段と、 熱交換器への熱交換媒体の入力温度に対応する信号を供
給する第２の温度トランスミッタ手段と、熱交換表面域
の他側における熱交換器の温度に対応する信号を供給す
る第３の温度トランスミッタ手段と、 熱交換器を通る質量流量に対応する信号を提供する質屋
流量手段と を有する。

実際の熱伝達モジュールが先の温度トランスミッタ手段
と質量流量手段に接続されており、湿度・質量流量・熱
交換表面積・熱交換媒体の比熱の関数として実際の熱伝
達率を計算する。

この効率監視器はさらに、熱交換器の公称熱伝達率すな
わちｖＪ熱伝達率に対応する信号を提供する公称熱伝達
率用機構を有する。この公称熱伝達率用機構と先の実際
熱伝達モジュールに除算器が接続されていて、公称値を
実際値で除算してファウリング率を得る。

本発明の他の目的は、実際熱伝達率についての計算値と
公称熱伝達率すなわち初熱伝達率についての理論値を得
るために、ｆｌＩｍか計算ユニットを各々有するモジュ
ールを複数個利用する性能監視器を提供することである
。

本発明のさらに他の目的は、構造が簡単かつ堅牢しかも
製造費用の安い熱交換器用性能監視器を提供することで
ある。

〔好ましい実施例の詳細な説明〕

図は、熱交換器、特定すると蒸発器におけるファウリン
グの程度を監視するに特に有用な性能監視器の一実施例
である。

先に述べたように、熱交換器の効率低下の一原因はファ
ウリングである。この他に例えは流量減少等があシ、こ
れは熱伝達能力を減少させる。ところで、本発明は、熱
交換器効率低下の原因によるファウリングを取シ上げ、
速度の影會は切υ離している。熱伝達方程式は、 ｑ＝Ｕ−Ａ−Ｔｍ　（１） であシ、ここで、 ｑ（ＢＴυ／ｈ）は熱流、 Ｕ　（ＢＴＵ／ｈ　−ｆ　ｔ”・Ｔ〕は全熱伝達率、Ａ
（ｆｔ”）は表面積、 Ｔｍは対数平均温度差 である。

測定される熱伝達率すなわち実際の熱伝達率Ｕ＠ｃｌ　
は、ファウリングの程度を決定するためにその標準値と
比較される。実際の熱伝達率ＵＢＣｔは、下式のように
測定値から見出せる。

ｕａｃ、＝Ｑ／（Ａ−’ｒ　）　（２）ここで、この式
（２）の右辺の各位は測定されるかもしくは既知である
。

一般に、２つの異種流体、たとえは水と冷媒、が熱を交
換する。対数平均温度差変化ΔＴｍＦｉ、、熱交換媒体
の入力湿度Ｔｈｏｔと熱交換媒体の出力温度Ｔｃｏｌｄ
および冷媒（すなわち熱伝達流体）の入力温度”ｃｏｌ
ｄと冷媒の出力温度Ｔ、′、。、の関数として表わされ
、この関数は、 である。

第１図に示すように、温度Ｔは冷水温度に関し、温度Ｔ
′は冷媒すなわち流体温度に関し、そしてこの場合、熱
交換器は蒸発器であシ、水は熱交換媒体である。温度Ｔ
′は一定とすることができ、なお式（３）が適用される
。熱流値ｑは、水が得る熱として測定できる。この熱流
値ｑは、熱交換媒体の出力温度Ｔｃｏｌｄと入力温度Ｔ
ｈｏｔとｉｎ流ＮＭｖ　の測定値から ｑ−Ｃｐ　Ｍｗ　（Ｔｈｏｔ　−ＴＣｏｌｄ　）　（４
）として見出される。ここでＣｐ　は水の比熱であシ既
知である。熱交換器の表面積も簡様に既知である。

実際熱伝達率値Ｕａｃｔは、式（２）と式（４）を結合
して、測定値から見出される。初熱伝達率値すなわち公
称熱伝達率値ＵａＹａは、所与の流体速度と温度条件を
計算することによって見出される。Ａ、　Ｓ　ＨＲＡ　
Ｅガイドブックに熱伝達率値Ｕをｄｒ算するための関数
が示されている。

管内に冷水がある蒸発器では、 であシ、ここで、 ｏｒはフィン形状ファクタ、 ｈｗ、ｂｒけそれぞれ水の境膜係数と冷媒の境膜係数、 Ｘは壁厚、 Ｋは管材料の熱伝導率、 Ａ　は平均面積、 Ａｏ、Ａ、は外側面積と内側面積、 ｒ（はファウリング率 である。

熱伝達率値Ｕａｖａが蒸発器の製造業者によシ与えられ
ている場合は、式（５）はこの製造業者値に対してチェ
ックされるべきであ）、もし必要ならば乗算７アクタに
、によル修正されるべきである。

境膜係数り１．６ｗ０値は速度と温度に依存、し、管材
料の熱伝導率値には温度依存とし得る。それゆえ、以上
の値は計算されるべきであり、実験デ’Ｊｉ１ｍ［１８
ＧＯ−２０７９００（４）−夕と比較するだめに熱伝達
率Ｕは更新されるべきである。

境膜係数りの一般式は であシ、ここで、 ｄは管の直径、 ＭＩＪｂ、４ｇ・ｆｔ”））は質量速度、μは粘度、 ｍ−、ｎ−、Ｃは定数 である。

ｍ、ｎ、Ｃの値は熱交換器の用途本しくけ型に依存する
。式（６）の形は、粘性流体のような特別の場合に異な
ることがあシ得るが、同じ項が使用される。

後続の熱伝達率Ｕの展開として、境腰係′ｌ＆ｈＷ１ｈ
ｒ　ｈ温度と速度の一般非線形関数として試験される。

温度と速度の変化による修正が公称値ｈＩ。、ｈＷｏに
ついて行われる。

以下では、第１図ないし第６図に例示されている蒸発器
監視器の一例について扱う。本発明は、番号１２で略示
されている管内に水が満たされている蒸発器１０に対し
て適用される。冷媒速度は、別型の蒸発器と比較すると
小さい。ところで、冷媒の′Ｒｉ速度が、圧縮器１４の
入口１６での圧縮器入口流量の測定値から採られ得るか
もしくは凝縮器１８の凝縮器出口１７から直接的に測定
され得る。ここでは、圧縮器の入口１６での測定値が利
用される。

改善されている蒸発器監視器と共に使用される蒸発器シ
ステムは、第１図に例示されている。ファウリング制御
論理は第２図に示されてお）、これは４つのモジュール
を有する。第６図に詳細に示されているように、境膜係
数！ＩＷ　値とｈｒ　値は水面境膜モジュール３０にフ
ィードバックされて、管の表面温度Ｔ８　が計算される
ことに注意されたい。同様に、冷媒表面境膜モジュール
４ｏは第４図に例示されている。境膜係数５ｗ値とｂｒ
値は熱伝達解析モジュール５０（第５１１！Ｊ）に構造
データと共に送シ込まれ、式（５）の熱伝達率の有効値
Ｕａｖ＆が計算される。実際の熱伝達率値Ｕａｃｔ　は
、第６図のユニット（実際の熱伝達モジュール）６０で
決定される。第２図に戻って、ファウリング率ＦＦは熱
伝達率Ｕの実際値と初値の比として決定され、ａｖａ Ｆ　Ｆ　＝　−（７） ａＣｔ である。

７アウリング率ＦＦの値は、他の変数に依存しない熱交
換表面の清浄度に関する示唆を与える。

このファウリング制御論理は汎用であシ、他の交換器に
応用できる。第５図と第４図の構造によシ、水の境膜係
数ｈＷ　と冷媒の境膜係数ｈｒ　が式（６）によシそれ
ぞれに決定される。第３卸、第４図において、どのオプ
ショナルモジュールも、Ｋ１−１かつに２＝０と設定す
ることによシ、成る特定の変数の影響を除去するように
付勢できる。そうしなければ、Ｋｌ＝０かつに２−１で
各境膜係数値等が設定されて、この影響を含む。第３図
、第４図の関数“ｆｏは式（６）において、成る特定の
変数を変化させることによシ生成される。関数“ｆ”を
生成する方法は以下の通シである。数種の熱交換器応用
における水境膜係数ｈＷと冷媒境膜係数ｈｒの関係はＡ
　Ｓ　ＩＩ　ＲＡ　Ｅガイドブックにおいて与えられて
いる。

式（６）で与えられる水境膜係数ｈｗを温度と質量流ｉ
ｋの非線形関数と考えると、 〜＝Ｇ（Ｔ、、、へ、Ｔ、）（８） であ）、公称状態では ｈＷＯ＝０（ＴｗＯ１Ｍｗ。、Ｔ：）（９）が成シ立つ
。そこで、 。ｈｗ 嫁＝　ｈＷ−（１ｏ） 叩 と書く。ここで である。

分子’１（Ｔｙ）の値は、ＴＶ以外の変数をその公称値
Ｍ　ｗ’とＴ、ｏに保持しながら、様々なＴｙ値に対し
て式（６ンよシ水境膜係数ｈＷを計算することによシ（
６）式よシ決定される。この関数“ｆｏは第５図と第４
図に使用されている。

水冷凝縮器や予冷却器も又、本発明による蒸発器と同様
の方法で監視され得る。熱伝達ｑは、凝縮器水パラメー
ターを測定して式（４）を使用するかもしくは冷媒側測
定値を使用して計算され得る。

この場合、凝縮器の熱伝達値ｑは、 ｑ＝Ｍｒ（ｈｇａｓ−ｈ＋１４）　（１２）であシ、こ
こで、 Ｍ、（Ｊｂ／ｈｒ）は、冷媒の質ｍａｎ、ｈｇａ、は、
入ってくる冷媒のエンタルピー、ｈｌｉｑは、出てゆく
冷媒のエンタルピー、である。

蒸気化凝縮器や空冷凝縮器に対しては、熱伝達ｑについ
て式（１２）を使用することが望ましい。

空冷凝縮器では、水は空気によル置き換えられ同じ式が
当てはまる。対数平均温度差変化ｌＴｍは同様に計算さ
れる。

蒸気化凝縮器では、冷媒と空気間に中間流体の水がある
。実際熱伝達率Ｕａｃｔは他の場合と同様に決定される
。対数平均温度差変化ｌＴｍとして、水に対する冷媒の
対数平均温度差変化ΔＴｍの平均値と空気に対する冷媒
の対数平均温度差変化ＪＴｍの平均値が使用される。

熱伝達率を解析するために、３つの表面境膜係数が計算
されねばならない。これらの計算は式（６）に包含され
る。式（５）について修正される関係は、であり、ここ
で、ｈａ　は空気に関する境膜係数である。

過度の複雑さを避けるために、可能ならは、製造業者の
データが使用されるべきである。式（１ｏ）における関
数関係は、解析計算が不可能になる場合、製造業者のデ
ータから生成できる。

本発明をよシ詳細に説明すると、第１図に示されている
ように、５つの温度トランスミッタＴＴ１、ＴＴ２、Ｔ
Ｔ３が蒸発器１ｏに結合されている。温度トランスミッ
タＴＴ１は熱交換媒体、この場合温度Ｔｃｏｌｄを有す
る冷水、の出力温度を測定する。温度トランスミッタＴ
Ｔ２は水の入力温度Ｔｈｏｔを測定する。温度トランス
ミッタＴＴ３は蒸発器内の平均温度を測定するために使
用される。

それゆえ、式（３）における冷媒の入・出力温度につい
ては単一の温度値が使用される。冷媒の入・出力温度も
しくは別の熱交換器環境においては他の熱交換流体の入
・出力温度に関して、別設に温度トランスミッタを使用
することによって、精度を増すことができる。

蒸発器を辿る冷媒の流ｆｆ１ＦＴ２は、圧縮器１４の圧
縮器人口１６で、周知の構造の質量流Ｍ＆理ユニット１
９によル得られる。この流ｆｆ１ＦＴ２は７アラリング
制御論理回路２ｏに印加される。

蒸発器内の冷媒量はレベルトランスミッタＬＴ１によシ
測定される。この値Ｌ１第４図の回路において、初期す
なわち公称熱伝達率値を得るために使用される。

熱交換媒体の質量流量は流量トランスミッタＦＴＩによ
シ測定される。

冷媒は、冷媒回路において、圧縮器１４によシ蒸発器１
０を通じて供給される。周知の構造である制御可能弁が
図示されている。

冷媒は、周知の形態の冷却ユニット１１によシ冷却され
る凝縮器を通じて供給される。

第２図は、本発明による効率監視器を形成するファウリ
ング監視論理回路２０を例示している。

実際熱伝達モジュール６０が、温度トランスミッタＴＴ
１、ＴＴ２、ＴＴ５および簀坦流ｉｉ論理ユニット１９
に接続されている。第６図に詳細に示されているように
、実際熱伝達モジュール６０は実際熱伝達率ＵａＣｔに
対応する値を発生する。

初すなわち公称熱伝達率Ｕａｖａは既知の値として採用
してもよいし、第２図、より詳しくは第５図〜ｔｈ５図
各々において示されている３つのモジュール５Ｏ１４０
，５０を使って確かめることもできる。

公称すなわち初熱伝達率ＵａＶ＆は第１の除算器ユニッ
ト６１において実際の値ＴＪａｃ！にょ）割篇されて、
式（７）で述べたように、ファウリング率ＦＦが生成す
る。

第３図は、簡単な機能ユニット、たとえば加算ユニット
３２や乗算ユニット３４や第２の除算器ユニット３６や
追加のやや複雑なユニット、を使用して、式（６）と式
（８）ないし式（１りを使って式（６）による水境膜係
ＷｌｈＷ　と管の表面温度Ｔ８　の値を発生する水面境
膜モジュール３ｏを示している。モジュール３８は、％
Ｎ　４　ＴＢの影響を除去するために任意に使用され得
る。

関数発生器５１がよシ複雑な関数を発生するために利用
されるが、これらもまたモジュール形式である。これら
の関数発生器は、式（１つにおいて必要とされる関数を
発生するために利用される。

第４図は、冷媒の境膜係数ｈｒ　を計算するための冷媒
表面境膜モジュール４ｏを示している。ここで再び、Ｆ
！４′ｉ１１．発生器４１が、例えは式（１１）におい
て必要とされる様々な関数を発生するために利用され、
さらに乗算器４４や加算ユニット４２が利用される。第
３図のモジュール３８と同様のモジュール４３がやはシ
任意に用いられる。

第５図は、熱伝達解析モジュール５０を例示しておシ、
これは水面境膜モジュール３Ωや冷媒表面境膜モジュー
ル４０に接続されておシ、単純な機能≧ニット、たとえ
ば加算ユニット５２や乗算器５４や除算器ユニット５６
のようなものから何成されている。熱伝達解析モジュー
ル５ｏは、公称すなわち初熱伝達率Ｕａｖａをユニット
３０．４゜各々から提供される境膜係Ｗｉｈｗ、ｈｒの
関数として計算するように式（５）を実行する。式（５
）において述べられている構造データも又利用される。

第６図は、式（２）〜式（４）を実行して、実際熱伝達
率Ｕａｃ、を計算するために使用される実線熱伝達モジ
ュール６０を例示している。減算ユニット６３が、温度
トランスミッタＴＴ１、ＴＴ２、ＴＴ３によシ供給され
る潟＆間の様々な差を得る。周知の構造の負量流亙メー
タ６７が、質量流ＮＭＷを乗算器６４に与え、乗算器６
５において、熱交換媒体（この場合は水）の比熱と熱交
換表面の表面積との比を掛ける。除算器６６が、減算ユ
ニットと一緒に使用されて、その比を得る。この比の自
然対数１　が関数ユニット６２において得られる。

さらに数個の除算器６６は、ｋｌ終的に現実熱伝達率値
ＵａＣｔを発生するために使用される。

様々なモジュールや分割機能や簡単な数学的演算ブロッ
クは全て、ＮＥＴＷＯＲＫ９０装置によシ用意できる。

ＮＥＴＷＯＲＫ９０は、マクダーモット・インコーホレ
イテッドのベイリー・コントロール社の商標である。以
上のようなモジュール配列の使用によって、同一目的を
達成するために、高級プログラミング言語を使用するコ
ンピュータを使用することが避けられる。監視目的も又
より一層速く達成される。

本発明の技術思想から逸脱することなく様々な応用・変
更が可能であることは当業者には明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の効率監視器と組み合わされた熱交換
器の一例である蒸発器を例示する概略ブロック図である
。 第２図は、熱交換器の７７ウリング率に対応する信号を
発生するファウリンク゛率監視論理回路を示すブロック
図である。 第３図は、第２図の回路中に使用されている水面境膜モ
ジュールを例示するブロック図である。 第４図は、第２図の回路中に使用されている冷媒表面境
膜モジュールを示すブロック図である。 第５図は第２区の回路中に使用される熱伝達解析モジュ
ールのブロック図である。 第６図は、第２図の回路中に使用、される実際熱伝達モ
ジュールのブロック図である。 １０：蒸発器 １１：冷却ユニット １２：管 １４：圧縮器 １６：圧縮器入口 １７：凝縮器出口 １８　：ｉｉ縮器 １９：質量流産論理（ユニット） ２０：ファウリング制御（監視）論理 ３０：水面境膜モジュール ３１：関数発生器 ３２ニカＧ算ユニツト ３４：乗算ユニット ３６：第２の除算器ユニット ３８：オプショナルモジュール ４０：冷媒表面境膜モジュール ４ｆ：ｇ４最発住器 ４２：加算ユニット ４３：オプショナルモジュール ４４：乗算器 ５０：熱伝達解析モジュール ５２：加算ユニット ５４：乗算器 ５６：除算器ユニット ６０：現実熱伝達モジュール ６１：第１の除算器ユニット ６２：関数ユニット ６３：減算ユニット ６４．６５：乗算器 ６６：除算器 ６７：質量流量メータ ＦＴＩ：原理トランスミッタ（熱交換媒体）ＦＴ２：冷
η養流愈 ＬＴ１ニレベルトランスミッタ（冷媒量）ＴＴｌ、ＴＴ
２、ＴＴ３　：温度トランスミッタ：Ｉｊ・ 代理人の氏名　倉　丙　基　喫３．、−７］：同　凪　
間　弘　；て′〕） ・ノ ＼−ン７ ＦＪＧ、　２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）成る比熱値を有する熱交換媒体が一側を通る熱交
   換表面を有する、熱交換器のファウリング率を発生する
   性能監視器において、 熱交換器からの熱交換媒体の出力温度に対応する信号を
   提供する第１の温度トランスミッタ手段と、 熱交換器への熱交換媒体の入力温度に対応する信号を提
   供する第２の温度トランスミッタ手段と、 熱交換表面域の他側での熱交換器の温度に対応する信号
   を提供する第３の温度トランスミッタ手段と、 熱交換器を通る熱交換媒体の質量流量に対応する信号を
   提供する質量流量手段と、 第１・第２・第３の温度トランスミッタ手段と質量流量
   手段に接続し、実際熱伝達率ＵＢｃ　ｔを、前記入力温
   度や出力温度や熱交換器温度や質量流量や比熱値や熱交
   換表面積の関数として計算する実際熱伝達モジュールと
   、 公称熱伝達率ＬＪａｖａ　に対応する信号を提供する公
   称熱伝達率手段と、 実際熱伝達モジュールと公称熱伝達率手段に接続し、フ
   ァウリング率に相当する公称熱伝達率と実際熱伝達率と
   の比を得るための第１の除算器と を有する性能監視器。 （２）公称熱伝達率手段は、熱交換媒体の境膜係数をこ
   の媒体の入・出力温度と熱交換器を通るこの媒体の質量
   流量との関数として計算するだめの熱交換媒体表面境膜
   モジュールと、 熱交換器は、熱交換表面域の反対の側を通る熱交換流体
   を有してお夛、この熱交換流体の境膜係数を、その質量
   流量や熱交換器温度や熱交換器を通る流体の流量の関数
   として計算するための流体表面境膜モジュールと、 熱交換媒体と熱交換流体の境膜係数の関数として公称熱
   伝達率を計算するための熱交換解析モジュールと を鳴する特許請求の範囲第１項記載の性能監視器。 （５）実際熱伝達モジュールは、複数の減算ユニットと
   複数の乗算ユニットと一層の除算ユニットと自然対ｌ＆
   関故ユニットな０：ｕえ、これらユニットはすべて一緒
   に接続されて、 但し、ここで、 Ｃｐは熱交換媒体の比熱、 Ｍｗは熱交換媒体の質量流量、 Ｔｈｏｔは熱交換媒体の入力温度 Ｔｃｏｌｄは熱交換媒体の出力温度 Ａは熱交換表面積 Ｔ３は熱交換表面の反対側での熱交換器温度 である、関数にょシ熱交換器の実際熱伝達率を計算する
   特許請求の範囲第２項記載の性能監視器。