專利名稱：用于檢測熱交換器的異常的方法和裝置以及該裝置的使用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于檢測熱交換器的異常的方法和裝置，該熱交換器在流經導管的第一流體流與沿流動路徑流動的第二流體流之間交換熱量，該導管和該流動路徑均具有入口和出口，并且本發(fā)明還涉及該裝置的使用。
背景技術：
熱交換器是許多設備和系統(tǒng)特別是制冷或熱泵系統(tǒng)的重要部分。這些熱交換器及其效率在以上的系統(tǒng)中是非常重要的，并且重要的是監(jiān)控該熱交換器的功能以便可以檢測熱交換器的異常，從而采用措施以對任何缺陷進行補救。
熱交換器的異常意味著該熱交換器不能使得預期的能量進行交換，即流體不能進行應當的冷卻或加熱。這可能是由于熱交換器結垢所引起的，其中一層水垢、污物、或油脂沉積在熱交換表面從而降低熱交換，這是因為這一層物質通常作為隔熱層。另一種可能性是由于污物等阻塞或限制了經熱交換器的流動引起不充分的流體流動。兩種情況導致能耗變高，這是因為與在正常范圍內工作的熱交換器所屬系統(tǒng)相比該系統(tǒng)必須在更高的負荷下工作。另外，如果出現高的熱交換需要和在流體之間的較小的溫度差等不利的工作狀況，則不可能滿足要求，在一些系統(tǒng)中可能出現破壞性的影響。
在出現不利的工作狀況之前通常不會檢測到異常，在不利的工作狀況中需求可能得不到滿足例如導致系統(tǒng)的溫度升高，該溫度應當保持為特定的溫度。這種溫度的示例是在商店中的冷藏柜，許多國家的嚴格法規(guī)規(guī)定當食物沒有保持在最高溫度之下時，必須丟棄該食物，當然這在商業(yè)上是昂貴的和損失巨大的。類似地，大型計算機系統(tǒng)通常保持在空調房間內，過高的溫度可能導致出現計算機損壞的風險，這涉及數據損失和人力損失的高風險。
用于檢測熱交換器的異常的通常措施包括定期的基本的視覺檢測，以便檢查在熱交換器入口處的污物。通常熱交換器放置在難以進行檢測的位置處，因此這種檢測的費事的。另外，異?？赡懿欢ㄆ诘某霈F并且非常快速，例如當物料阻塞熱交換器的入口時。這意味著對于熱交換器的異常而言為了提供可靠程度的安全性，必須經常地檢查熱交換器。視覺檢查熱交換器的外部不能有效地評估熱交換內表面是否出現結垢等導致熱交換下降的情況。
檢測熱交換器異常的另一已知方法是直接的流動測量。直接的流動測量需要精確的且昂貴的設備例如熱線風速計等，需要使用多個流動測量裝置來獲得關于整個流場的有用信息。已經提出基于壓力傳感器來評估流動，但是這種壓力傳感器也是昂貴的并且需要使用多個壓力傳感器來獲得關于整個流場的有用信息。這些方法的另一缺點在于，它們的使用受到限制，如果在熱交換器內存在流動限制，不是流動正常的情況，但是熱交換下降，例如因為熱交換表面的結垢。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種可早期檢測熱交換器的異常的方法。
該目的借助以下這種方法來實現，該方法包括以下步驟建立至少一個代表該熱交換器的溫度狀況的參數；建立第二流體入口溫度；建立代表該熱交換器與該第二流體之間的預期熱交換的參數；處理該熱交換器溫度、該第二流體溫度、和該代表預期熱交換的參數，以便建立估算的第二流體出口溫度；使用該估算的第二流體出口溫度，以便通過將該估算的第二流體出口溫度或由其導出的參數與基準數值進行比較，從而求解該第一流體與該第二流體之間的熱交換。借助這種方法從而提供了主要基于第一流體的參數來評估熱交換器的功能的方便的方法，這意味著只需要最少的用于提供關于第二流體的信息的傳感器，并且可以實現熱交換器異常的自動檢測。另外，該方法使得可檢測到流動受到限制以及熱交換器結垢。
依據實施例，該基準數值是預定的第二流體出口溫度。
當該方法包括使用該估算的第二流體出口溫度以建立該第二流體的第二熱流率，以便相對于該第一流體的第一熱流率求解該第二流體的第二熱流率的能量平衡時，可獲得更可靠且作為替代的方法，這是因為基于能量平衡假定的求解考慮到另外的參數的影響。
依據實施例，該方法包括通過以下方式建立該第二流體的第二熱流率，即基于該估算的第二流體出口溫度和第二流體入口溫度來建立第二流體質量流量的估算值和該熱交換器兩側的第二流體的比焓變化。
依據實施例，該方法包括通過以下方式建立該第一熱流率，即基于代表第一流體入口和出口溫度的參數以及冷凝壓力來建立該熱交換器兩側的第一流體的比焓變化。
可以對熱交換進行直接求解，但是這具有一些缺點，例如在制冷系統(tǒng)或熱泵系統(tǒng)中的參數的波動和變化，并且依據實施例，該方法包括建立作為該第一熱流率與該第二熱流率之間的差值的余量。
可以對估算的第二流體出口溫度進行直接求解從而求解熱交換，但是這具有一些缺點，例如在制冷系統(tǒng)或熱泵系統(tǒng)中的參數的波動和變化，并且依據替代實施例，該方法包括建立作為該估算的與該預定的第二流體出口溫度之間的差值的余量。
為了降低在該系統(tǒng)中參數的波動和變化的靈敏度并能夠記錄熱交換的趨勢，該方法包括借助該余量提供異常指示，該異常指示是依據以下公式獲得的 其中Sμ，i是依據以下等式計算得出的sμ,i=c1(ri-μ0+μ2)---(21)]]>其中ri是余量，c1是比例常數，μ0是第一敏感數值，μ是第二敏感數值。
本發(fā)明的另一方面涉及一種用于熱交換器的熱交換器異常檢測裝置，該熱交換器在流經管道的第一流體流與沿流動路徑流動的第二流體流之間進行熱交換，該裝置包括估算熱交換器溫度的第一估算器，存儲該熱交換器溫度的第一中間存儲器裝置，測量該第二流體入口溫度的溫度傳感器，存儲該第二流體入口溫度的第二中間存儲器裝置，建立代表該熱交換器與該第二流體之間的預期熱交換的參數的第二估算器，存儲代表該預期熱交換的該參數的第三中間存儲器裝置，基于分別來自該第一中間存儲器裝置和該第二中間存儲器裝置的熱交換器溫度和該第二流體入口溫度以及來自該第三中間存儲器裝置的該代表預期熱交換的參數從而建立估算的第二流體出口溫度的處理器，以及將該估算的第二流體出口溫度或由其基礎建立的參數與基準數值進行比較的比較器。
該裝置的實施例還包括用于存儲至少一個來自該處理器的參數的存儲器裝置，由此可獲得基于在先存儲的數據來工作的裝置。
盡管該裝置通常應用于熱交換器，但是已經發(fā)現該裝置特別適合于這樣的實施例，其中該熱交換器是蒸氣壓縮制冷或熱泵系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)包括壓縮機、冷凝器、膨脹裝置、和蒸發(fā)器，它們由管道互連以便提供用于第一流體的流動回路，該第一流體是制冷劑。
依據實施例，該熱交換器是冷凝器，由于制冷劑在冷凝器中處于三種不同的相，即過熱氣體、氣體和液體的混合、以及過冷液體，因此監(jiān)控該冷凝器是非常困難的。
依據實施例，該第二流體是空氣，這是對于上述的制冷或熱泵系統(tǒng)的第二流體的常用形式，對于空氣而言流體參數的直接測量涉及一些特殊的問題。另外，通常所使用的空氣是環(huán)境空氣，其包含可能沉積在熱交換器上的不同類型的污染物。
具體地說，該冷凝器是位于建筑物內的冷藏柜的一部分，并且該冷凝器位于建筑物的外側，其作為特殊的示例，其中本發(fā)明的裝置是特別有利的。
本發(fā)明的第三方法涉及如上所述的檢測裝置的使用，其特征在于，該檢測裝置用于檢測該熱交換器的結垢和/或檢測該第二流體的不充分流動。


參照以下附圖來詳細描述本發(fā)明，在附圖中圖1是制冷系統(tǒng)的示意圖；
圖2是熱交換器的示意截面圖；圖3是熱交換器的示意側視圖；圖4是熱交換器的溫度曲線圖；圖5是制冷劑的log p，h示意圖；圖6是冷凝器的出口溫度的估算和測量的曲線圖；圖7是殘留物的曲線圖；圖8是異常指示的曲線圖；和圖9是圖8的曲線圖的放大圖。
具體實施例方式
以下參照簡單制冷系統(tǒng)中的熱交換器來進行描述，但是本發(fā)明的原理可等同地應用于其它熱交換器系統(tǒng)中的熱交換器，并且本領域的技術人員應當理解，本發(fā)明不限于制冷系統(tǒng)。
在圖1中示出了簡單的制冷系統(tǒng)1，其包括壓縮機2、冷凝器3、膨脹裝置4、和蒸發(fā)器5，它們由管道6連接起來，制冷劑在管道中循環(huán)。在蒸氣壓縮制冷或熱泵系統(tǒng)中，制冷劑在該系統(tǒng)中循環(huán)并且經歷相變和壓力改變。在系統(tǒng)1中制冷劑氣體在壓縮機2中被壓縮以便獲得高壓的制冷劑氣體，該制冷劑氣體供應到冷凝器3(熱交換器)，其中制冷劑氣體被冷卻且冷凝，因此制冷劑在離開冷凝器3時處于液態(tài)，以便使得制冷劑在膨脹裝置4中膨脹為低壓并在蒸發(fā)器5(熱交換器)中蒸發(fā)，以便獲得低壓的制冷劑氣體，該制冷劑氣體供應到壓縮機2從而繼續(xù)該過程。
對于熱交換器的特定示例為商店的用于冷凍食品儲藏柜或冷藏柜的制冷系統(tǒng)的冷凝器3。在圖2中示出了交叉流式熱交換器的示意截面圖，其具有在管道6中的第一流體流7以及在流動路徑9中的第二流體流8。在如上所述的制冷系統(tǒng)1的冷凝器3的示例中，第一流體是制冷劑，第二流體通常是空氣。制冷劑作為過熱氣體進入冷凝器3，在冷凝器3的通道中制冷劑借助在熱的管道6附近流過的空氣來冷卻，該管道保持有制冷劑，因此制冷劑氣體被冷卻到冷凝溫度并冷凝并且作為過冷液體離開冷凝器3。為了獲得和保持流過冷凝器3的空氣流，冷凝器3通常設置有(未示出的)風扇，其以開-關模式或可變速模式恒定地運轉。
這種系統(tǒng)的冷凝器3通常放置在商店之外，通常放置在屋頂上，這是因為如果其放置在室內，可能導致商店內的溫度升高，并且室外的溫度一般低于室內的溫度。然而，將冷凝器3放置在室外具有以下缺點，即冷凝器3是暴露的易于阻塞或結垢，這是因為污物、油脂、樹葉、報紙等限制空氣流8或使得從制冷劑向空氣的熱傳遞下降，并且還使得難以觸及和檢查熱交換器。由于例如降雨、風向等的氣候狀況、污染、季節(jié)變化、例如落葉等使得難以獲得適當檢查時間間隔，由此阻塞的時間間隔是不規(guī)則的。
圖3是熱交換器的側視示意圖，在給定的示例中熱交換器是冷凝器3，其入口由樹葉部分地覆蓋。這意味著流經冷凝器3的流動路徑9的空氣流受到限制，因此熱交換下降。為了檢測到這種異常，提出通過利用空氣流相關的導熱率α的空氣出口溫度估算器。導熱率的數值取決于給定的熱交換器，并且可在熱交換器開始工作時建立。發(fā)現該參數的數值不是關鍵的，并且該數值可依據經驗數值或由熱交換器制造商提供的數值來建立。導熱率是與流動相關的，并且對于包括風扇以便迫使空氣流過熱交換器的熱交換器而言，該導熱率α可以表示為α＝α0ω0.8，(1)其中ω是風扇的速度，α0是在不流動條件下的導熱率。
對于流經冷凝器3的空氣溫度的估算可通過使用導熱率α來限定，對于恒定的空氣流可給出dtair(y)＝α(tcond，surf(y)-tair(y))dy(2)其中y表示離開空氣入口的距離，并且y代表了歸一化參數，即y是相對于流動路徑的總長度的距離，因此出口處于1，tcond，surf(y)是冷凝器的熱交換表面在位置y的表面溫度，并且tair(y)是在位置y的空氣溫度。tcond，surf可以通過使用溫度傳感器的直接測量來建立。然而，這種傳感器是昂貴的，特別是當它們放置在室外時容易出現誤差。因此優(yōu)選的是，基于制冷劑的參數的估算來建立冷凝器的表面溫度的估算。在冷凝器中，制冷劑存在三種不同的相在制冷劑入口的區(qū)域中，制冷劑處于氣相并多少有些過熱，在制冷劑以恒定溫度進行冷凝的另一區(qū)域中，制冷劑處于氣態(tài)和液態(tài)的混合形式，并且在第三區(qū)域中，制冷劑是液態(tài)的并且多少有些過冷。
以下描述中，tcond，surf(y)處于兩相和液態(tài)區(qū)域中，其假定等于制冷劑的冷凝溫度。對于氣相區(qū)域，tcond，surf(y)假定為制冷劑氣體溫度和冷凝溫度的平均值。
對于制冷劑作為過冷液體存在的熱交換器的區(qū)域，其中y＝0到y(tǒng)＝y(tǒng)1，假定溫度以梯度k1線性地增加，已經發(fā)現對于絕大部分的用途而言可獲得足夠準確的溫度曲線。如上所述的估計冷凝器表面溫度等于冷凝溫度，該溫度增加可以是dtair(y)＝α(tliquid+k1y-tair(y))dy(3)其中k1是常數，表示在過冷區(qū)域中的溫度梯度，并且tliquid是在制冷劑出口的制冷劑溫度。
對于從y＝y(tǒng)1到y(tǒng)＝y(tǒng)2的兩相的第二區(qū)域，如上所述的估計冷凝器表面溫度等于冷凝溫度(tcond，surf＝tcond)，dtair(y)＝α(tcond-tair(y))dy (4)對于過熱氣體區(qū)域即從y＝y(tǒng)2到y(tǒng)＝y(tǒng)3＝1的區(qū)域，該溫度假定為以梯度k2線性地變化，并且該等式估算為dtair(y)＝α(tcond+k2(y-y2)-tair(y))dy (5)其中y2表示兩相區(qū)域的結束，并且k2表示對于過熱的氣體區(qū)域的平均溫度梯度。
為了獲得冷凝器中的空氣溫度，以上的等式(3)、(4)、(5)聯立并由此獲得對于過冷區(qū)域(0＜y＜y1)tair(y1)=tliquid+k1y1-k1α+(αtair(0)+k1-αtliquid)αe-αy1---(6)]]>
其中tair(0)是在進入流動路徑9的入口處的空氣溫度，即環(huán)境溫度。
對于兩相區(qū)域(y1＜y＜y2)tair(y2)=tcond+(tair(y1)-tcond)e-α(y2-y1)---(7)]]>對于過熱氣體區(qū)域(y2＜y＜1＝(y3))tair(y3)=tcond+k2(y3-y2)-k2α+(αtair(y2)+k2-αtcond)αe-α(y3-y2)---(8)]]>因此可以使用這些等式來估算空氣出口溫度。估算空氣出口溫度的參數是空氣入口溫度、在入口和出口的制冷劑溫度、制冷劑的冷凝溫度、對于的y1、y2、k1、k2估算值。所發(fā)現的是，對于許多冷凝器而言，熱交換的大約5％處于第一區(qū)域，其中制冷劑作為過冷液體存在，熱交換的大約75％發(fā)生在第二區(qū)域，即其中制冷劑從氣體到液體的相變的冷凝器部分，熱交換的其余的大約20％發(fā)生在制冷劑作為過熱氣體存在的冷凝器區(qū)域。k1的數值可以或多或少地基于y1、tliquid、和tcond由經驗來建立，然而k2的數值可以或多或少地基于y2、制冷劑出口溫度、tcond、和流動路徑的總長度由經驗來建立。由此可以主要地基于制冷劑的參數來獲得空氣出口溫度，并且這些制冷劑參數通常已經是已知的，這是因為現今的絕大多數的制冷系統(tǒng)都包括制冷系統(tǒng)控制器，其帶有持續(xù)地測量這些參數的傳感器。圖4示出了交叉流式冷凝器的溫度曲線的示例。如果不太精確的響應也是滿意的，則可以使用例如僅涉及兩相區(qū)域的過熱氣體區(qū)域的簡化模型，或者甚至僅僅涉及進行絕大部分的熱交換的兩相區(qū)域。
隨后估算的空氣出口溫度可以與測量的空氣出口溫度進行比較，測量的空氣出口溫度是由溫度傳感器在空氣出口獲得的。當熱交換器出現異常時，將出現明顯的估算誤差，這可用于觸發(fā)報警信號。
盡管這種空氣出口溫度與測量的溫度進行直接比較的方法在一些系統(tǒng)中是方便的且適當的，但是當估算基于熱交換器的能量平衡的假定時可獲得更穩(wěn)定和可靠的結果。然而，直接的出口溫度很少是方便的，而且?guī)缀醪辉O置測量空氣出口溫度的溫度傳感器，因此存在著對于替代方法的需求。
冷凝器的能量平衡可以表述為Q·Air=Q·Ref---(9)]]>其中 是每單位時間由空氣獲得的熱量，即傳遞給空氣的熱流率， 是每單位時間從制冷劑排散的熱量，即由制冷劑傳出的熱流率。
用于建立制冷劑的熱流率 即每單位時間從制冷劑排散的熱量的依據是以下等式Q·Ref=m·Ref(hRef,in-hRef,out)---(10)]]>其中 是制冷劑的質量流量。hRef，out是制冷劑在冷凝器出口的比焓，hRef，in是制冷劑在冷凝器入口的比焓。制冷劑的比焓是制冷劑的物質特性和狀態(tài)特性，并且可確定比焓。制冷劑的制造商可以提供對于制冷劑的如圖5所示的類型的log p，h圖，其中大致示出了制冷系統(tǒng)的熱力循環(huán)。從I到II，制冷劑氣體在壓縮機中壓縮，從II到III，制冷劑在冷凝器中從過熱氣體狀態(tài)冷卻到冷凝狀態(tài)并進一步冷卻到過冷液體狀態(tài)。從III到IV，制冷劑在膨脹裝置中膨脹成低壓，其中制冷劑以液態(tài)和氣態(tài)的混合形式存在。從IV到I，制冷劑在蒸發(fā)器內被加熱，以便在點I處進入壓縮機，該制冷劑是完全氣態(tài)的。
借助該圖，可以建立在冷凝器兩側的比焓差。例如為了借助log p，h圖來建立hRef，in，只是必需已知在冷凝器入口的制冷劑的溫度和壓力(分別為TRef，in和PCond)。這些參數可以借助溫度傳感器和壓力傳感器來測量。
類似地，為了建立在冷凝器出口的比焓，需要兩個測量數值在冷凝器出口的制冷劑溫度(TRef，out)和在冷凝器出口的壓力(PCond)，它們可以分別用溫度傳感器和壓力傳感器來測量。
為了代替log p，h圖，當然還可以使用圖表和表格的數值，這可以利用處理器來簡化計算。制冷劑制造商通常還可提供用于制冷劑的狀態(tài)的等式，以便可進行直接的計算。
通過只是假定在進入膨脹裝置的位置處是液相的制冷劑，可建立制冷劑的質量流量。在具有電子控制的膨脹閥的制冷系統(tǒng)中，當膨脹閥兩側的絕對壓力差和在膨脹閥入口處的過冷度(TV，in)是已知的時，例如通過使用脈沖寬度調制，可以基于膨脹閥的孔口通道和/或打開時間段在理論上確定制冷劑質量流量。類似地，在使用具有公知的開口通道例如固定孔板或毛細管的膨脹裝置的制冷系統(tǒng)中可建立制冷劑質量流量。在絕大多數系統(tǒng)中，上述參數已經是已知的，這是由于測量壓力的壓力傳感器設置在冷凝器3中。在許多情況下，過冷度是大致恒定的，并且較小且可以估算，因此不需要進行測量。隨后可以借助閥特征、壓力差、過冷度、和閥開口通道和/或打開時間段來計算流經膨脹閥的制冷劑質量流量。對于許多的脈沖寬度調制的膨脹閥，所發(fā)現的是對于恒定的過冷度，理論的制冷劑質量流量基本上與閥之前和之后的絕對壓力差和打開時間段成比例。在這種情況下，理論的制冷劑質量流量可以依據以下的等式來計算m·Ref=kexp·(Pcond-PEvap)·OP---(11)]]>其中PCond是冷凝器中的絕對壓力，PEvap是蒸發(fā)器中的壓力，OP是打開時間段，kExp是比例常數，其取決于該膨脹閥和過冷度。在一些情況下制冷劑的過冷度非常大，以至于必需測量該過冷度，這是流經膨脹閥的制冷劑受到過冷度的影響。然而在大多數情況下，只需要建立在閥之前和之后的絕對壓力和開口通道和/或打開時間段的數值，這是因為過冷度較小并且基本上是常數，并且隨后可以在閥特征或比例常數中涉及到過冷度，并且另一可能性是基于經驗數值來建立來自壓縮機的質量流量，該經驗數值例如是由壓縮機的制造商提供的數據和壓縮機之前和之后的絕對壓力。
類似地，依據以下等式可以建立空氣的熱流率 即每單位時間由空氣獲得的熱量，Q·Air=m·Air(hAir,out-hAir,in)---(12)]]>其中 是每單位時間的空氣質量流量，hAir，in是在進入冷凝器之前空氣的比焓，hAir，out是空氣在冷凝器之后的比焓。
空氣的比焓可以基于以下等式來計算
hAir＝1.006·t+x(2501+1.8·t)，[h]＝kJ/kg (13)其中t是空氣的溫度，即在冷凝器之前的溫度hAir，in和在冷凝器之后的溫度hAir，out。X表示空氣的絕對濕度?？諝獾慕^對濕度可基于以下等式來計算x=0.62198·PWPAmb-PW---(14)]]>其中Pw是在空氣中的水蒸氣的分壓力，PAmb是空氣壓力。PAmb可以是測量的或者可簡單地使用標準大氣壓。標準大氣壓與真實壓力之間的偏差在計算每單位時間由空氣獲得的熱量中不是非常重要的。水蒸氣的分壓力借助空氣的相對濕度和飽和水蒸氣壓力來確定，并且可基于以下等式來計算pW＝pW，Sat·RH (15)其中RH是空氣的相對濕度，Pw，Sat是水蒸氣的飽和壓力。Pw，Sat僅取決于溫度，并且可以在熱力參考手冊中查找?？諝獾南鄬穸瓤蛇M行測量，或者可在該計算中使用典型數值。當等式(10)和(12)設定為相等時，在等式(9)中意味著發(fā)現以下等式m·Air(hAir,out-hAir,in)=m·Ref(hRef,in-hRef,out)---(16)]]>從其中可分離出 從而獲得空氣質量流量 m·Air=m·Ref·(hRef,in-hRef,out)(hAir,out-hAir,in)---(17)]]>假定空氣流是無錯誤的，該等式可以用于估算該系統(tǒng)的運行。在許多情況下，推薦在該系統(tǒng)中記錄空氣質量流量。作為示例，該空氣質量流量記錄為在特定時間段內的平均值，在該時間段內制冷系統(tǒng)在穩(wěn)定和無錯誤的運行狀況下工作。該時間段可以例如是100分鐘。該估算的空氣質量流量認為是在穩(wěn)定和無錯誤的運行狀況下的平均值，其表示為 特定的困難在于以及事實，即來自不同傳感器(溫度計、壓力傳感器)的信號具有明顯的偏差。這些偏差處于相反的相位，因此可獲得估算的空氣出口溫度或能量平衡，這在分析中提出了特定的困難。這些偏差或波動是制冷系統(tǒng)中的動態(tài)條件引起的。因此有利的是，基于依據等式(9)的能量平衡，有規(guī)則地例如每分鐘一次建立一在以下表示為“余量”的數值r=Q·Air-Q·Ref---(18)]]>因此基于等式(10)和(12)，余量可確定為r=m·‾Air(hAir,Out-hAir,In)-m·Ref(hRef,In-hRef,Out)---(19)]]>其中 是估算的空氣質量流量，其按上述方式建立，即作為在無錯誤運行的時間段內的平均值。另一可能性是假定 是恒定常數，其可以在具有恒定工作的風扇的冷凝器的非常簡單的示例中來建立。甚至在具有可變流動能力的系統(tǒng)中，例如具有多個可獨立運轉的風扇的系統(tǒng)，或者在設置一個或多個例如使用變頻器以便變速運行的風扇的系統(tǒng)中，可建立該質量流量的清楚的估算值。該估算的質量流量可以通過建立導電連接的風扇的數量來獲得，即多少風扇被連接，和/或風扇的速度，由此建立所連接的風扇的流量，例如通過使用經驗數值。
該估算的空氣出口溫度可以類似地求解，即提供作為估算的空氣出口溫度與預定的空氣出口溫度之間的差值。該預定的空氣出口溫度可以直接測量或者作為經驗數值而獲得。
在無錯誤運行的制冷系統(tǒng)中，余量r的平均值為零，但是其可以具有相當大的偏差。為了早期檢測到故障，該故障表示為余量的趨勢，假定對于余量r記錄的數值在平均值附近形成高斯分布并且是獨立的，無論制冷系統(tǒng)是無錯誤地運行或出現錯誤與否。
在原則上，余量應當為零，無論在系統(tǒng)中存在故障與否，這是因為能量守衡或能量平衡定理的永恒的。當不屬于以上等式的情況時，正是因為在系統(tǒng)出現故障的情況下，不能實現使用該等式的先決條件。
在冷凝器表面出現結垢的情況下，導熱率改變，因此α變小幾倍。這在計算中沒有考慮到，因此在等式中使用的空氣的估算熱流率 明顯大于實際情況。對于制冷劑的熱流率 計算是正確的(假定是正確的)，這意味著對于在熱交換器兩側的制冷劑的熱流率 而言所計算的數值等于實際情況的制冷劑的熱流率。因此在冷凝器表面出現結垢的情況下余量的平均值是正的。
在出現導致流經冷凝器的空氣減少的故障的情況下(風扇故障或者例如污物覆蓋了熱交換器的空氣入口)，空氣的質量流量小于在計算中所使用的空氣質量流量 的估算數值。這意味著在計算中使用的空氣的熱流率大于實際情況的空氣的熱流率，即每單位時間由空氣排散的熱量小于預期。(假定制冷劑的熱流率是正確的)其結果為在出現導致經過冷凝器的空氣流減小的故障的情況下余量是正的。
為了濾掉余量信號的任何波動和震蕩，借助研究該余量來進行統(tǒng)計運算。
通過依據以下等式來計算異常指示從而進行該研究 其中Sμ，i是依據以下等式計算得出的sμ,i=ci(ri-μ0+μ2)---(21)]]>其中c1是比例常數，μ0是第一敏感數值，μ是第二敏感數值，并且是正的。
在等式(20)中，當然可預先假定異常指示Sμ，i即在時間第一點設定為零。對于時間上的后一點，依據等式(21)使用Sμ，i，并且該數據和在時間上的前一點的異常指示Sμ，i的總和可計算。當該總和大于零時，該異常指示設定為該新的數值。當該總和等于或小于零時，該異常指示設定為零。在最簡單的情況下，μ0設定為零。μ是選定的數值，其例如建立出現的故障。該參數μ是每隔多久接收關于熱交換器異常檢測的故障信號的標準。
當例如出現故障時，其中冷凝器的空氣入口被例如樹葉覆蓋，隨后異常指示增長，這是由于周期性記錄的Sμ，i的數值的平均值大于零。當異常指示達到預定數值時，促動報警，該報警表示空氣質量流量減小。如果μ選擇的數值越大，則發(fā)生的故障報警越少，但是這存在降低檢測故障的靈敏度的風險。
依據等式(20)和(21)的過濾運算的原理借助圖7和8來描述，基于由能量平衡即基于等式(18)獲得的余量來使用過濾。在圖7中，時間以分鐘在X軸上表示，余量r在Y軸上表示。圖7示出了故障的出現，其中商店的冷凝器在t＝2900分鐘時突然結垢。然而，可以看出信號非常明顯地波動和變化，這使得估計較困難，在大約t＝5500分鐘之前問題的存在不明顯。
在圖8中示出了借助等式(20)的異常指示來進行圖7的數據的過濾，時間以分鐘在X軸上表示，異常指示S在Y軸上表示。可以看出，熱交換器在大約t＝2900分鐘之前正常地運行，當結垢突然發(fā)生之后，異常指示S出現。這可容易地在圖8的放大圖即圖9中看到。在圖9中，在大約t＝2900分鐘時的異常可以通過使用異常指示S與所使用的余量或空氣出口溫度來比較從而容易地檢測到。
該裝置的另一優(yōu)點在于，在對于制冷系統(tǒng)不進行任何主要影響的情況下，可實現對任何的制冷系統(tǒng)或熱泵系統(tǒng)進行改裝。該裝置使用來自傳感器的信號，該傳感器通常已經設置在制冷系統(tǒng)中，或者可以以非常低的成本來改裝該傳感器。
權利要求
1.一種用于檢測熱交換器(3、5)的異常的方法，該熱交換器在流經管道(6)的第一流體流(7)與沿流動路徑(9)流動的第二流體流(8)之間進行熱交換，該管道(6)和該流動路徑(9)均具有入口和出口，其特征在于包括以下步驟建立至少一個代表該熱交換器(3、5)的溫度狀況的參數；建立第二流體入口溫度；建立代表該熱交換器與該第二流體之間的預期熱交換的參數；處理該熱交換器溫度、該第二流體溫度、和該代表預期熱交換的參數，以便建立估算的第二流體出口溫度；使用該估算的第二流體出口溫度，以便通過將該估算的第二流體出口溫度或由其導出的參數與基準數值進行比較，從而求解該第一流體與該第二流體之間的熱交換。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，該基準數值是預定的第二流體出口溫度。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，使用該估算的第二流體出口溫度以建立該第二流體的第二熱流率，以便相對于該第一流體的第一熱流率求解該第二流體的第二熱流率的能量平衡。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，通過以下方式建立該第二流體的第二熱流率，即基于該估算的第二流體出口溫度和第二流體入口溫度以及冷凝壓力來建立第二流體質量流量的估算值和該第二流體在熱交換器兩側的比焓變化。
5.如權利要求3或4所述的方法，其特征在于，通過以下方式建立該第一熱流率，即基于代表第一流體入口和出口溫度的參數來建立該熱交換器兩側的第一流體的比焓變化。
6.如權利要求3-5中任一項所述的方法，其特征在于，建立作為該第一熱流率與該第二熱流率之間的差值的余量。
7.如權利要求2所述的方法，其特征在于，建立作為該估算的與該預定的第二流體出口溫度之間的差值的余量。
8.如權利要求6或7所述的方法，其特征在于，借助該余量提供異常指示，該異常指示是依據以下公式獲得的 其中Sμ，i是依據以下等式計算得出的sμ,i=c1(ri-μ0+μ2)----(21)]]>其中ri余量c1比例常數μ0第一敏感數值μ第二敏感數值。
9.一種用于熱交換器(3、5)的熱交換器異常檢測裝置，該熱交換器在流經管道(6)的第一流體流(7)與沿流動路徑(9)流動的第二流體流(8)之間進行熱交換，其特征在于，該裝置包括估算熱交換器溫度的第一估算器，存儲該熱交換器溫度的第一中間存儲器裝置，測量該第二流體入口溫度的溫度傳感器，存儲該第二流體入口溫度的第二中間存儲器裝置，建立代表該熱交換器(3、5)與該第二流體(8)之間的預期熱交換的參數的第二估算器，存儲代表該預期熱交換的該參數的第三中間存儲器裝置，基于分別來自該第一中間存儲器裝置和該第二中間存儲器裝置的熱交換器溫度和該第二流體入口溫度以及來自該第三中間存儲器裝置的該代表預期熱交換的參數從而建立估算的第二流體出口溫度的處理器，以及將該估算的第二流體出口溫度或由其基礎建立的參數與基準數值進行比較的比較器。
10.如權利要求9所述的檢測裝置，其特征在于，該檢測裝置還包括用于存儲至少一個來自該處理器的參數的存儲器裝置。
11.如權利要求9或10所述的檢測裝置，其特征在于，該熱交換器(3、5)是蒸氣壓縮制冷或熱泵系統(tǒng)(1)的一部分，該系統(tǒng)包括壓縮機(2)、冷凝器(3)、膨脹裝置(4)、和蒸發(fā)器(5)，它們由管道(6)互連以便提供用于第一流體(7)的流動回路，該第一流體(7)是制冷劑。
12.如權利要求11所述的檢測裝置，其特征在于，該熱交換器(3、5)是冷凝器(3)。
13.如權利要求9-12中任一項所述的檢測裝置，其特征在于，該第二流體是空氣。
14.如權利要求11-13中任一項所述的檢測裝置，其特征在于，該冷凝器(3)是位于建筑物內的冷藏柜的一部分，并且該冷凝器(3)位于建筑物的外側。
15.一種如權利要求9-14中任一項所述的檢測裝置的使用，其特征在于，該檢測裝置用于檢測該熱交換器(3、5)的結垢和/或檢測該第二流體(8)的不充分流動。
全文摘要
一種用于檢測熱交換器(3、5)的異常的方法和裝置，該熱交換器在流經管道(6)的第一流體流(7)與沿流動路徑(9)流動的第二流體流(8)之間進行熱交換，該管道(6)和該流動路徑(9)均具有入口和出口，該方法包括以下步驟建立至少一個代表該熱交換器(3、5)的溫度狀況的參數；建立第二流體入口溫度；建立代表該熱交換器與該第二流體之間的預期熱交換的參數；處理該熱交換器溫度、該第二流體溫度、和該代表預期熱交換的參數，以便建立估算的第二流體出口溫度；使用該估算的第二流體出口溫度，以便通過將該估算的第二流體出口溫度或由其導出的參數與基準數值進行比較，從而求解該第一流體與該第二流體之間的熱交換。
文檔編號G01M99/00GK1705868SQ200380101440
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月14日 優(yōu)先權日2002年10月15日
發(fā)明者C·蒂波, C·本德特森 申請人:丹福斯有限公司