Claims (43)
1. Нагреватель для нагревания электропроводящей жидкости, содержащий:1. A heater for heating an electrically conductive liquid, comprising:
(a) корпусную деталь;(a) body part;
(b) множество электродов, установленных на корпусной детали с пространствами между соседними электродами, причем корпусная деталь приспособлена для направления жидкости, текущей через нагреватель в направлении ниже по потоку вдоль заранее определенного пути потока, проходящего через пространства, так что жидкость в пространствах контактирует с электродами и электрически соединяет соседние электроды друг с другом,(b) a plurality of electrodes mounted on a body with spaces between adjacent electrodes, the body being adapted to direct fluid flowing through the heater in a downstream direction along a predetermined flow path through the spaces such that the fluid in the spaces contacts the electrodes and electrically connects adjacent electrodes to each other,
(c) источник электропитания по меньшей мере с двумя полюсами, причем источник питания выполнен с возможностью подачи различных электрических потенциалов к различным полюсам;(c) a power supply with at least two poles, the power supply being configured to supply different electrical potentials to different poles;
(d) переключатели питания, электрически подсоединенные между, по меньшей мере, некоторыми электродами и полюсами, причем переключатели питания выполнены с возможностью выборочного соединения электродов с полюсами и выборочного отсоединения электродов от полюсов, чтобы образовать пути тока, каждый из которых содержит два электрода под напряжением, соединенные с различными полюсами источника питания, и жидкость по меньшей мере в одном из пространств;(d) power switches electrically connected between at least some of the electrodes and the poles, the power switches being configured to selectively connect the electrodes to the poles and selectively disconnect the electrodes from the poles to form current paths each containing two energized electrodes connected to different poles of the power source, and liquid in at least one of the spaces;
(e) контроллер, сконструированный для контроля работы переключателей питания путем циклической работы модели, в которой жидкость смоделирована как ряд жидкостных элементов, проходящих через пространства со скоростью на основе расхода через нагреватель, причем каждый цикл содержит стадии:(e) a controller designed to control the operation of the power switches by cycling the model, in which the fluid is modeled as a series of fluid elements passing through the spaces at a rate based on the flow through the heater, with each cycle containing the steps of:
(i) моделирования работы различных путей тока в течение интервала срабатывания, имеющего начало и конец, причем стадию моделирования проводят, чтобы выбрать пути тока для приведения в действие во время интервала срабатывания, так чтобы приведение в действие выбранных путей тока не нарушало набор ограничений, включающих максимальную температуру для каждого жидкостного элемента в конце интервала срабатывания и максимальный ток по каждому электроду под напряжением, причем моделирование использует оцененные начальные температуры и проводимости для отдельных жидкостных элементов в начале интервала срабатывания; и затем(i) simulating the operation of the various current paths during an operation interval having a beginning and an end, wherein the simulation step is performed to select the current paths to be actuated during the operation interval such that actuating the selected current paths does not violate a set of constraints including the maximum temperature for each fluid element at the end of the response interval and the maximum current for each energized electrode, the simulation using estimated initial temperatures and conductivities for individual fluid elements at the beginning of the response interval; and then
(ii) приведения в действие переключателей питания для соединения только электродов под напряжением выбранных путей тока с источником питания в начале интервала срабатывания; и(ii) actuating power switches to connect only the energized electrodes of the selected current paths to the power source at the beginning of the operating interval; and
(iii) использования конечно-элементной модели, прогнозирующей конечные температуры для отдельных жидкостных элементов в конце интервала срабатывания,(iii) using a finite element model that predicts the final temperatures for individual fluid elements at the end of the response interval,
причем оцененные начальные температуры жидкостных элементов, используемые в каждом цикле, определяют по меньшей мере частично на основе конечных температур для тех же жидкостных элементов, спрогнозированных в предыдущем цикле.wherein the estimated initial fluid element temperatures used in each cycle are determined at least in part based on the end temperatures for the same fluid elements predicted in the previous cycle.
2. Нагреватель по п. 1, в котором по меньшей мере один из путей тока содержит один или более изолированных электродов, отсоединенных от полюсов, и жидкость по меньшей мере в двух из пространств, так что электроды под напряжением такого пути тока электрически соединены друг с другом через пространства и один или более изолированных электродов.2. The heater of claim. 1, in which at least one of the current paths contains one or more insulated electrodes disconnected from the poles, and liquid in at least two of the spaces, so that the energized electrodes of such a current path are electrically connected to each other other through spaces and one or more insulated electrodes.
3. Нагреватель по п. 2, в котором моделирование для каждого пути тока включает установку максимального напряжения для каждой пары соседних электродов, включенных в путь тока путем рассмотрения каждого жидкостного элемента, расположенного в пространстве между парой электродов, и определения максимального напряжения, которое можно приложить к такому жидкостному элементу без повышения температуры этого жидкостного элемента выше максимальной температуры, и установку максимального напряжения для пары на основе самого низкого максимального напряжения, определенного для любого из жидкостных элементов, расположенных в пространстве между парой.3. The heater of claim 2, wherein the simulation for each current path includes setting a maximum voltage for each pair of adjacent electrodes included in the current path by considering each fluid element located in the space between the pair of electrodes and determining the maximum voltage that can be applied. to such a fluid element without raising the temperature of the fluid element above the maximum temperature, and setting the maximum voltage for the pair based on the lowest maximum voltage determined for any of the fluid elements located in the space between the pair.
4. Нагреватель по п. 3, в котором определение, можно ли каждый путь тока привести в действие в интервале срабатывания, содержит определение того, что путь тока нельзя привести в действие, если приведение в действие пути тока будет приводить к применению напряжения в любой паре соседних электродов, включенных в путь тока, которое выше, чем максимальное напряжение для этой пары.4. The heater of claim 3, wherein determining whether each current path can be actuated within an operation interval comprises determining that the current path cannot be actuated if actuating the current path would cause voltage to be applied to either pair. neighboring electrodes included in the current path, which is higher than the maximum voltage for this pair.
5. Нагреватель по п. 4, в котором моделирование для каждого пути тока включает расчет электрического сопротивления в пространстве между каждой парой соседних электродов, включенных в путь тока, на основе сопротивлений жидкостных элементов, расположенных в пространстве, рассматриваемых параллельно.5. The heater of claim 4, wherein the simulation for each current path includes calculating the electrical resistance in space between each pair of adjacent electrodes included in the current path, based on the resistances of fluid elements located in space considered in parallel.
6. Нагреватель по п. 5, в котором для каждого пути тока, включающего один или более изолированных электродов, моделирование включает определение напряжения в каждом из изолированных электродов, включенных в путь тока.6. The heater of claim 5, wherein for each current path including one or more insulated electrodes, the simulation includes determining the voltage at each of the insulated electrodes included in the current path.
7. Нагреватель по п. 2, в котором электроды расположены в штабеле, проходящем в первом и втором направлениях в штабеле, и в котором в каждом цикле стадия моделирования работы различных путей тока включает определение одного из электродов в качестве первого исходного электрода и выполнение процедуры поиска повторяющегося моделирования работы путей тока, содержащих исходный электрод в качестве электрода под напряжением и другой из электродов, находящийся со смещением от исходного электрода в выбранном направлении в штабеле, в качестве предполагаемого электрода под напряжением, используя другой предполагаемый электрод, находящийся далее от электрода в штабеле, при каждом повторении, пока или (1) успешный результат не будет достигнут, при котором путь тока между исходным электродом и предполагаемым электродом выбирается как соответствующий ограничениям, или (2) неуспешный результат не будет достигнут, при котором моделирование пути тока, содержащего исходный электрод и электрод, самый дальний от исходного электрода в выбранном направлении в штабеле, в качестве предполагаемого не укажет, что такой путь тока не соответствует ограничениям.7. The heater according to claim. 2, in which the electrodes are located in a stack extending in the first and second directions in the stack, and in which in each cycle the stage of simulating the operation of various current paths includes determining one of the electrodes as the first source electrode and performing a search procedure iteratively simulating the operation of current paths comprising the source electrode as the energized electrode and the other of the electrodes offset from the source electrode in the selected direction in the stack as the energized candidate electrode, using the other candidate electrode further from the stacked electrode, at each iteration, until either (1) a successful result is reached, in which the current path between the source electrode and the intended electrode is chosen to meet the constraints, or (2) an unsuccessful result is reached, in which the simulation of the current path containing the source electrode and electrode, furthest from the source electrode in the chosen direction in the stack, as intended, will not indicate that such a current path is not within the limits.
8. Нагреватель по п. 7, в котором в каждом цикле стадия моделирования работы различных путей тока включает определение предполагаемого электрода, который дает положительный результат в процедуре поиска в качестве нового исходного электрода, и повторение процедуры поиска, используя то же направление в штабеле.8. The heater of claim 7, wherein in each cycle, the step of simulating the operation of different current paths includes identifying a candidate electrode that gives a positive result in the search procedure as a new source electrode, and repeating the search procedure using the same direction in the stack.
9. Нагреватель по п. 7, в котором в каждом цикле стадия моделирования работы различных путей тока включает повторение процедуры поиска, используя первый исходный электрод и выбранное направление в штабеле, противоположное ранее выбранному направлению в штабеле.9. The heater of claim 7, wherein in each cycle the step of simulating the operation of the different current paths includes repeating the search procedure using the first reference electrode and a selected stack direction opposite to the previously selected stack direction.
10. Нагреватель по п. 7, в котором контроллер сконструирован для определения различных электродов в качестве первого исходного электрода в различных циклах.10. The heater of claim. 7, in which the controller is designed to determine the various electrodes as the first source electrode in various cycles.
11. Нагреватель по п. 1, в котором контроллер сконструирован для выбора путей тока в каждом цикле, так чтобы прогнозируемый общий ток, протекающий между полюсами источника питания во время интервала срабатывания, не превышал максимальный общий ток.11. The heater of claim 1, wherein the controller is designed to select current paths in each cycle such that the predicted total current flowing between power supply poles during the operating interval does not exceed the maximum total current.
12. Нагреватель по п. 1, в котором контроллер содержит вход для получения заданного значения температуры, причем контроллер сконструирован для использования заданного значения температуры в качестве максимальной температуры, используемой в каждом цикле.12. The heater of claim. 1, in which the controller contains an input for obtaining a temperature setpoint, and the controller is designed to use the temperature setpoint as the maximum temperature used in each cycle.
13. Нагреватель по п. 1, дополнительно содержащий расходомер, соединенный с контроллером, причем контроллер сконструирован для установки расхода жидкости в ответ на данные, поданные расходомером.13. The heater of claim. 1, further comprising a flow meter connected to the controller, and the controller is configured to set the flow of fluid in response to data supplied by the flow meter.
14. Нагреватель по п. 1, дополнительно содержащий термометр во впускном канале, выполненный с возможностью измерения температуры во впускном канале жидкости, входящей в путь потока, причем контроллер сконструирован для оценки начальных температур жидкостных элементов частично на основе температуры во впускном канале.14. The heater of claim 1, further comprising an inlet thermometer configured to measure the inlet temperature of fluid entering the flow path, the controller being configured to estimate initial temperatures of the fluid elements based in part on inlet temperature.
15. Нагреватель по п. 14, дополнительно содержащий дополнительный термометр, выполненный с возможностью измерения температуры жидкости в местоположении вдоль пути потока ниже по потоку относительно по меньшей мере одного из пространств, причем контроллер выполнен с возможностью регулирования по меньшей мере одного параметра, используемого при моделировании жидкостных элементов, реагирующего на температуру жидкости, измеренную дополнительным термометром.15. The heater of claim 14, further comprising an additional thermometer configured to measure the temperature of the liquid at a location along the downstream flow path with respect to at least one of the spaces, wherein the controller is configured to adjust at least one parameter used in the simulation fluid elements that respond to the temperature of the fluid, measured by an additional thermometer.
16. Нагреватель по п. 1, дополнительно содержащий прибор измерения проводимости, выполненный с возможностью измерения электропроводности жидкости, проходящей по пути потока, причем контроллер сконструирован для оценки проводимости жидкости по меньшей мере частично на основе измеренной проводимости.16. The heater of claim 1, further comprising a conductivity meter configured to measure the electrical conductivity of the fluid passing along the flow path, the controller being configured to estimate the fluid's conductivity based at least in part on the measured conductivity.
17. Нагреватель по п. 16, в котором в каждом цикле контроллер сконструирован для оценки проводимости жидкости в каждом жидкостном элементе частично на основе оцененной начальной температуры этого жидкостного элемента.17. The heater of claim 16, wherein at each cycle, the controller is configured to estimate fluid conductivity in each fluid element based in part on that fluid element's estimated initial temperature.
18. Нагреватель по п. 1, в котором контроллер сконструирован для оценки оцененных начальных температур жидкостных элементов для каждого цикла частично на основе прогнозируемых конечных температур жидкостных элементов для предыдущего цикла и частично на оценке диффузии тепла между соседними жидкостными элементами с различными температурами.18. The heater of claim 1, wherein the controller is configured to estimate estimated initial fluid element temperatures for each cycle based in part on predicted end fluid element temperatures for the previous cycle and in part on an estimate of heat diffusion between adjacent fluid elements of different temperatures.
19. Способ нагревания электропроводящей жидкости в нагревателе, причем способ включает:19. A method for heating an electrically conductive liquid in a heater, the method comprising:
(a) пропускание жидкости по заранее определенному пути потока, проходящему через пространства между соседними электродами, так что жидкость в пространствах контактирует с электродами и электрически соединяет соседние электроды друг с другом;(a) passing the liquid along a predetermined flow path through the spaces between adjacent electrodes so that the liquid in the spaces contacts the electrodes and electrically connects the adjacent electrodes to each other;
(b) циклическую работу модели, в которой жидкость смоделирована как ряд жидкостных элементов, проходящих через пространства со скоростью на основе расхода через нагреватель, причем каждый цикл содержит стадии:(b) cycling the model, in which the fluid is modeled as a series of fluid elements passing through the spaces at a velocity based on the flow through the heater, with each cycle containing the steps:
(i) моделирования работы различных путей тока, причем каждый такой проводящий путь содержит два электрода в качестве электродов под напряжением, соединенных с различными электрическими потенциалами, и жидкость по меньшей мере в одном из пространств в течение интервала срабатывания, имеющего начало и конец, для выбора путей тока для приведения в действие в интервале срабатывания, так что приведение в действие выбранных путей тока не будет мешать набору ограничений, включающему максимальную температуру для каждого жидкостного элемента и максимальный ток по каждому электроду под напряжением, причем моделирование использует оцененные начальные температуры и проводимости для отдельных жидкостных элементов; и затем(i) simulating the operation of various current paths, each such conductive path having two electrodes as energized electrodes connected to different electrical potentials, and liquid in at least one of the spaces during a response interval having a start and end, for selection current paths to actuate within the firing interval so that actuation of the selected current paths will not interfere with a set of constraints including the maximum temperature for each fluid element and the maximum current for each energized electrode, with the simulation using estimated initial temperatures and conductivities for individual liquid elements; and then
(ii) соединения электродов под напряжением только выбранных путей тока с источником питания в начале интервала срабатывания; и(ii) connecting the energized electrodes of only the selected current paths to the power source at the start of the response interval; and
(iii) использование конечно-элементной модели, прогнозирующей конечные температуры для отдельных жидкостных элементов в конце интервала срабатывания;(iii) using a finite element model that predicts the final temperatures for individual fluid elements at the end of the response interval;
причем оцененные начальные температуры жидкостных элементов, используемые в каждом цикле, определяют по меньшей мере частично на основе конечных температур для тех же жидкостных элементов, спрогнозированных в предыдущем цикле.wherein the estimated initial fluid element temperatures used in each cycle are determined at least in part based on the end temperatures for the same fluid elements predicted in the previous cycle.
20. Способ по п. 19, в котором по меньшей мере один из путей тока содержит один или более изолированных электродов, отсоединенных от полюсов, и жидкость по меньшей мере в двух из пространств, так что электроды под напряжением такого пути тока электрически соединены друг с другом через пространства и один или более изолированных электродов.20. The method of claim 19, wherein at least one of the current paths comprises one or more insulated electrodes disconnected from the poles and fluid in at least two of the spaces such that the energized electrodes of such current path are electrically connected to each other. other through spaces and one or more insulated electrodes.
21. Способ по п. 20, в котором стадия (b)(i) включает для каждого пути тока установление максимального напряжения для каждой пары соседних электродов, включенных в путь тока, путем рассмотрения отдельных жидкостных элементов, расположенных в пространстве между парой электродов, и определения максимального напряжения, которое можно прикладывать к каждому такому жидкостному элементу без повышения температуры этого жидкостного элемента выше максимальной температуры, и установление максимального напряжения для пары на основе самого низкого максимального напряжения, определенного для любого одного из жидкостных элементов, расположенных в пространстве между парой.21. The method of claim 20, wherein step (b)(i) comprises, for each current path, establishing a maximum voltage for each pair of adjacent electrodes included in the current path by considering individual fluid elements located in the space between the pair of electrodes, and determining the maximum voltage that can be applied to each such fluid element without raising the temperature of that fluid element above the maximum temperature; and setting the maximum voltage for the pair based on the lowest maximum voltage determined for any one of the fluid elements located in the space between the pair.
22. Способ по п. 21, в котором стадия (b)(i) включает определение того, что путь тока не будет выбран, если приведение в действие пути тока будет приводить к применению напряжения в любой паре соседних электродов, включенных в путь тока, которое выше, чем максимальное напряжение для этой пары.22. The method of claim 21, wherein step (b)(i) comprises determining that no current path will be selected if actuation of the current path would result in a voltage being applied to any pair of adjacent electrodes included in the current path, which is higher than the maximum voltage for this pair.
23. Способ по п. 22, в котором стадия (b)(i) включает расчет электрического сопротивления в пространстве между каждой парой соседних электродов на основе сопротивлений жидкостных элементов, расположенных в пространстве, рассматриваемых параллельно.23. The method of claim 22, wherein step (b)(i) comprises calculating an electrical resistance in the space between each pair of adjacent electrodes based on the resistances of the spaced fluidic elements considered in parallel.
24. Способ по п. 23, в котором стадия (b)(i) включает, для каждого пути тока, содержащего один или более изолированных электродов, определение напряжения в каждом из изолированных электродов, включенных в путь тока.24. The method of claim 23, wherein step (b)(i) comprises, for each current path comprising one or more insulated electrodes, determining the voltage at each of the insulated electrodes included in the current path.
25. Способ по п. 19, в котором максимальная температура, используемая в каждом цикле, соответствует заданному значению температуры, представляющему желаемую температуру жидкости, выходящей из нагревателя.25. The method of claim 19, wherein the maximum temperature used in each cycle corresponds to a temperature setpoint representing the desired temperature of the fluid exiting the heater.
26. Способ по п. 19, дополнительно включающий измерение температуры жидкости в местоположении вдоль пути потока ниже по потоку относительно по меньшей мере одного из пространств и регулирование по меньшей мере одного параметра конечно-элементной модели, реагирующего на измеренную температуру.26. The method of claim 19, further comprising measuring the temperature of the fluid at a location along the downstream flow path with respect to at least one of the spaces and adjusting at least one finite element model parameter responsive to the measured temperature.
27. Способ по п. 19, дополнительно включающий измерение электропроводности жидкости, проходящей по пути потока, и оценку проводимости жидкости, и в каждом цикле оценку проводимости жидкости в каждом отдельном жидкостном элементе частично на основе измеренной проводимости и частично на оцененной начальной температуре каждого отдельного жидкостного элемента.27. The method of claim 19, further comprising measuring the electrical conductivity of the fluid along the flow path and estimating the conductivity of the fluid, and at each cycle estimating the conductivity of the fluid in each individual fluid element based in part on the measured conductivity and in part on the estimated starting temperature of each individual fluid element. element.
28. Способ по п. 19, в котором оцененные начальные температуры жидкостных элементов для каждого цикла частично основаны на прогнозируемых конечных температурах жидкостных элементов для предыдущего цикла и частично на оценке диффузии тепла между соседними жидкостными элементами с различными температурами.28. The method of claim 19, wherein the estimated initial fluid element temperatures for each cycle are based in part on predicted final fluid element temperatures for the previous cycle and in part on an estimate of heat diffusion between adjacent fluid elements of different temperatures.