TWI506277B - 冷卻液體沸騰狀態之判斷方法 - Google Patents

Description

冷卻液體沸騰狀態之判斷方法

本發明是有關於一種冷卻液體沸騰狀態之判斷方法。

熱交換器係一種提供熱能交換的裝置。在現今的工業中，熱交換器普遍地使用於冷卻設備中，以將熱能攜帶至外界來降低目標工件的溫度。然而，當目標工件具有很高的溫度時，熱交換器所使用的冷卻液體(例如，水)可能會在熱交換的過程當中沸騰而產生兩相流(即氣體和液體)。

在兩相式熱交換器中，冷卻液體之沸騰狀況(即液體/氣體的比例)與熱交換器的冷卻效率息息相關。因為兩相流的變化很多，不同的液體/氣體比例會造成不同的流譜，進而使得冷卻液體的冷卻效率產生很大的差別。然而，目前的兩相流理論在評估沸騰狀況十分繁瑣且適用性有限。

故，需要一種新的方法來判斷冷卻液體的沸騰狀況，以供使用者以量測方式評估冷卻液體的冷卻效率。

本發明之一方面是在提供一種冷卻液體沸騰狀態之判斷方法，其可利用冷卻液體的沸騰狀況來評估冷卻液體的冷卻效率，如此使用者便能即時了解冷卻液體的冷卻 效率，並進行適當的處理。

根據本發明之一實施例，此冷卻液體沸騰狀態之判斷方法包含模型建立階段和線上工作階段。在模型建立階段中，首先提供冷卻液體。接著，利用熱交換裝置來加熱冷卻液體，以使冷卻液體沸騰。然後，重複進行突波頻率計算步驟，以獲得複數個突波頻率以及冷卻液體之複數個沸騰強度指標。在突波頻率計算步驟中，首先利用聲音擷取裝置來擷取冷卻液體所發出的聲音，以獲得聲音振幅曲線。然後，進行第一突波頻率計算步驟，以根據聲音振幅曲線於單位時間內交越振幅閥值線之次數，以獲得突波頻率之一者。此一頻率計算亦可使用習知快速傅利葉轉換(FFT)計算而得，但FFT計算方式僅限於規則週期訊號，對隨機發生突波之訊號適用性較低。接著，根據冷卻液體之沸騰狀態來計算上述沸騰強度指標之一者。在此，可利用高速攝影機來觀察管體內氣泡流的狀態，或利用其他方式如電容式量測來獲得沸騰狀態。在獲得複數個突波頻率以及複數個沸騰強度指標之後，接著利用回歸分析演算法來分析計算上述突波頻率以及沸騰強度指標，以獲得沸騰強度指標對突波頻率模型。

在線上工作階段中，首先利用冷卻液體來冷卻目標工件。然後，利用聲音擷取裝置來擷取冷卻液體所發出的聲音，以獲得目標聲音振幅曲線。接著，進行第二突波頻率計算步驟，計算目標聲音振幅曲線於單位時間內交越振幅閥值線之次數，以獲得目標突波頻率。然後，根據沸騰 強度指標對突波頻率模型與目標突波頻率來計算獲得冷卻液體之沸騰強度指標。

由上述說明可知，本發明實施例之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法係利用聲音突波的頻率值來判斷冷卻液體的沸騰狀態，以提供更為準確的冷卻效率評估方法。

100‧‧‧冷卻液體沸騰狀態之判斷方法

110‧‧‧模型建立階段

111‧‧‧加熱步驟

112‧‧‧突波頻率獲得步驟

113‧‧‧模型建立步驟

120‧‧‧線上工作階段

121‧‧‧冷卻步驟

122‧‧‧聲音擷取步驟

123‧‧‧突波頻率計算步驟

124‧‧‧沸騰強度指標計算步驟

200‧‧‧熱交換裝置

210‧‧‧管體

220‧‧‧泵浦

230‧‧‧加熱裝置

240‧‧‧聲音擷取裝置

300‧‧‧突波頻率計算步驟

310‧‧‧聲音擷取步驟

320‧‧‧頻率計算步驟

330‧‧‧沸騰強度指標計算步驟

L‧‧‧振幅閥值線

W‧‧‧冷卻液體

C1‧‧‧聲音振幅曲線

CP‧‧‧波峰

ES‧‧‧包絡線

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，上文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：第1圖係繪示根據本發明實施例之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法的流程示意圖。

第2圖係繪示根據本發明實施例之熱交換裝置的架構示意圖。

第3圖係繪示根據本發明實施例之突波頻率計算步驟的流程示意圖。

第3a圖係繪示根據本發明實施例之聲音強度對時間之關係曲線的示意圖。

第3b圖係繪示根據本發明實施例之聲音強度對時間關係曲線之包絡線的示意圖。

請參照第1圖，其係繪示根據本發明實施例之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法100的流程示意圖。冷卻液體沸 騰狀態之判斷方法100包含模型建立階段110和線上工作階段120。模型建立階段110係用以建立沸騰強度指標對突波頻率之模型，而線上工作階段120則運用此模型來評估線上上作業所使用之冷卻液體的冷卻效率。

在模型建立階段110中，首先進行加熱步驟111，以利用熱交換裝置200來加熱冷卻液體W。如第2圖所示，在本實施例中，熱交換裝置200包含管體210、泵浦220以及加熱裝置230，而冷卻液體W為水。管體210係用以容置冷卻液體W，泵浦220係用以使冷卻液體W於管體210中流動。加熱裝置230係用以加熱管體210中流動的冷卻液體W，以使冷卻液體W沸騰而形成兩相流。另外，熱交換裝置200可包含溫度計(未繪示)，其可量測管體210出口之冷卻液體W的溫度，以供使用者評估冷卻液體W的受熱狀態。

然後，進行突波頻率獲得步驟112，以重複進行突波頻率計算步驟300來獲得冷卻液體W的複數個突波頻率以及複數個沸騰強度指標。請參照第3圖，其係繪示根據本發明實施例之突波頻率計算步驟300的流程示意圖。在突波頻率計算步驟300中，首先進行聲音擷取步驟310，以利用聲音擷取裝置240(例如，水下麥克風)來擷取冷卻液體W所發出的聲音，而獲得聲音強度對時間之聲音振幅曲線C1，如第3a圖所示。

然後，進行頻率計算步驟320，以根據聲音振幅曲線C1於單位時間內交越振幅閥值線L之次數，來獲得聲音 振幅曲線C1之突波頻率。在本實施例中，所謂的突波頻率係指統計上的頻率，而非代表聲音振幅曲線C1必須具有固定的變化週期。在第3a圖中，聲音振幅曲線C1具有複數個波峰CP，而本實施例藉由判斷聲音振幅曲線C1在單位時間內超過預設振幅閥值線L之次數來計算出聲音振幅曲線C1之波峰CP的個數，以據此來決定聲音振幅曲線C1的突波頻率。

在本發明之實施例中，亦可利用包絡線來計算出聲音振幅曲線C1之波峰CP的個數。例如，取聲音訊號之希爾伯特轉換(Hilbert transform)及其絕對值，以獲得聲音振幅曲線C1之包絡線ES，如第3b圖所示。然後，根據聲音振幅曲線C1之包絡線與預設振幅閥值線L在單位時間內之交點數量(即交越次數)來計算出波峰CP的個數。

然後，進行沸騰強度指標計算步驟330，以根據冷卻液體W之沸騰狀態來計算冷卻液體W之沸騰強度指標。在本實施例中，可透過高速攝影機來觀察管體210內氣泡流的狀態，以得到熱傳係係數H，接著再根據wolverine Engineering data book III,Wolvernine Tube,Inc第12-6頁以及第12-7頁所揭露之內容可計算出冷卻液體W之沸騰強度指標。然而，本發明並未受限於此。在本發明之其他實施例中亦可使用其他方式來定義或計算冷卻液體W之沸騰強度指標。然而，本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，亦可透過電容式感測器來感測氣泡流的狀態，以獲得熱傳係數H，再進而計算出沸騰強度指標。

在突波頻率獲得步驟112中，每進行一次突波頻率計算步驟300，即可獲得一筆沸騰強度指標對應突波頻率資料。藉由進行多次突波頻率計算步驟300，即可獲得足夠的沸騰強度指標對應突波頻率資料來供後續建模步驟使用。

在突波頻率獲得步驟112之後，接著進行模型建立步驟113，以根據突波頻率獲得步驟112所獲得之沸騰強度指標和突波頻率來計算出沸騰強度指標對突波頻率模型。在本實施例中，模型建立步驟113係利用回歸分析演算法來分析計算突波頻率獲得步驟112所獲得之沸騰強度指標和突波頻率，以獲得沸騰強度指標對突波頻率模型。

由上述說明可知，本發明實施例之模型建立階段110係先行利用實驗設備來建立冷卻液體W的沸騰強度指標對突波頻率模型，以供後續線上工作階段120使用。

請回到第1圖，在線上工作階段120中，首先進行冷卻步驟121，以透過熱交換裝置來利用冷卻液體W冷卻線上作業之目標工件。此目標工件可為固體、液體或是氣體，而熱交換裝置可為習知的各種熱交換器。在本發明之實施例中，當冷卻液體W流過熱交換裝置後，冷卻液體會沸騰而產生兩相流。在冷卻步驟121後，接著進行聲音擷取步驟122，以利用聲音擷取裝置來擷取冷卻液體W所發出的聲音，以獲得目標工件所對應的聲音振幅曲線(以下稱為目標聲音振幅曲線)。接著，進行突波頻率計算步驟123，以計算目標聲音振幅曲線於前述單位時間內交越振幅閥值線L之次數來獲得目標突波頻率。然後，進行沸騰強度指 標計算步驟124，以根據模型建立階段110所建立之沸騰強度指標對突波頻率模型，計算出冷卻液體W之沸騰強度指標，如此即可利用冷卻液體W之沸騰強度指標來計算出冷卻液體W之沸騰狀態，進而得知冷卻液體W在冷卻目標工件時的冷卻效率，並根據此一數據來調整冷卻液體W之流量/壓力，以達到使用者預設的冷卻效率。

由以上說明可知，本發明實施例之冷卻液體沸騰狀 態之判斷方法100係提供一種利用冷卻液體沸騰狀態之聲音突波頻率值來判斷冷卻液體沸騰狀態的方法。對於使用者而言，只需要在實驗室中建立出沸騰強度指標對突波頻率模型，即可使線上作業的程控電腦自動地評估熱交換器之冷卻液體的冷卻效率。例如，使用者可將沸騰強度指標對突波頻率模型輸入至程控電腦中，使程控電腦根據熱交換器中冷卻液體的聲音自動化地判斷冷卻液體的冷卻效率。

另外，值得一提的是，本實施例之突波頻率計算步驟可更包含高通率波步驟，以移除聲音中的直流訊號，以使突波頻率計算步驟能更順利的進行。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧冷卻液體沸騰狀態之判斷方法

110‧‧‧模型建立階段

111‧‧‧加熱步驟

112‧‧‧突波頻率獲得步驟

113‧‧‧模型建立步驟

120‧‧‧線上工作階段

121‧‧‧冷卻步驟

122‧‧‧聲音擷取步驟

123‧‧‧突波頻率計算步驟

124‧‧‧沸騰強度指標計算步驟

Claims (10)

1. 一種冷卻液體沸騰狀態之判斷方法，包含：進行一模型建立階段，包含：提供一冷卻液體；利用一熱交換裝置來加熱該冷卻液體，以使該冷卻液體沸騰；重複進行一突波頻率計算步驟，以獲得複數個突波頻率以及該冷卻液體之複數個沸騰強度指標，其中該模型建立步驟包含：利用一聲音擷取裝置來擷取該冷卻液體所發出的聲音，以獲得一聲音振幅曲線；進行一第一突波頻率計算步驟，以根據該聲音振幅曲線於一單位時間內交越一振幅閥值線之次數，獲得該些突波頻率之一者；以及根據該冷卻液體之沸騰狀態來計算該些沸騰強度指標之一者；利用一回歸分析演算法來分析計算該些突波頻率以及該些沸騰強度指標，以獲得一沸騰強度指標對突波頻率模型；以及進行一線上工作階段，包含：利用該冷卻液體來冷卻一目標工件；利用該聲音擷取裝置來擷取該冷卻液體所發出的聲音，以獲得一目標聲音振幅曲線；進行一第二突波頻率計算步驟，計算該目標聲音振 幅曲線於該單位時間內交越該振幅閥值線之次數，以獲得一目標突波頻率；以及根據該沸騰強度指標對突波頻率模型與該目標突波頻率來計算獲得該冷卻液體之沸騰強度指標。
2. 如請求項第1項所述之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法，其中該第一突波頻率計算步驟包含：計算該聲音振幅曲線之一包絡線；以及計算該聲音振幅曲線於該單位時間內交越該振幅閥值線之次數，以獲得該些突波頻率之該者。
3. 如請求項第2項所述之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法，其中該第一突波頻率計算步驟更包含一高通濾波步驟，以移除直流訊號。
4. 如請求項第2項所述之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法，其中計算該包絡線之步驟係利用希爾伯特轉換(Hilbert transform)來完成。
5. 如請求項第1項所述之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法，其中該第二突波頻率計算步驟包含：計算該聲音振幅曲線之一包絡線；以及計算該聲音振幅曲線於該單位時間交越該振幅閥值線之次數，以獲得該目標突波頻率。
6. 如請求項第5項所述之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法，其中該第二突波頻率計算步驟更包含一高通濾波步驟，以移除直流訊號。
7. 如請求項第5項所述之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法，其中計算該包絡線之步驟係利用希爾伯特轉換(Hilbert transform)來完成。
8. 如請求項第1項所述之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法，其中該冷卻液體為水。
9. 如請求項第1項所述之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法，其中該熱交換裝置包含：一管體，用以容置該冷卻液體；一泵浦，用以使該冷卻液體於該管體中流動；以及一加熱裝置，用以透過該管體來加熱該冷卻液體。
10. 如請求項第1項所述之冷卻液體沸騰狀態之判斷方法，其中該聲音擷取裝置為麥克風。