CN114087915A - 水源热泵换热器污垢热阻在线监控***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水源热泵换热器污垢热阻实时在线监控***及控制方法，包括数据采集单元，模拟量模块、PLC控制单元和输出单元，其中，所述模拟量模块将所述数据采集单元采集的数据信号发送至所述PLC控制单元，所述PLC控制单元基于所述数据信号得出换热器的实时污垢热阻，并控制所述输出单元输出相应信息。本发明提供的水源热泵换热器实时监控***及其控制方法，通过数据采集单元采集需要的数据，得出换热器的实时污垢热阻，通过对实时污垢热阻的持续监测，以实时污垢热阻作为换热器清洗的指标，与预设临界值进行比较，从而得到精确的换热器清洗时间。
Description
技术领域
本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种水源热泵换热器污垢热阻在线监控***及控制方法。
背景技术
在水源热泵换热器的运行过程中，会在换热管表面沉积污垢，从而影响换热器的换热效率，严重时会因为换热面积不足引起压缩机排气温度和高压持续升高并烧毁压缩机。污垢主要有水垢、淤泥、管路杂质等，这些污垢在换热管表面的沉积会使传热恶化，导致机组效率降低造成节能效果下降，且随着强化换热技术的应用，污垢热阻对传热过程的影响更加明显。
目前，为了有效解决污垢热阻对传热过程的影响，通常采用阶段性清洗换热器的方式进行，然而，这种阶段性的清洗方式通常根据经验进行，常常会在污垢热阻很小即清洗，或污垢热阻已经严重影响传热而仍未进行清洗，过度清洗或清洗不足，都不利于水源热泵换热器的正常功能。
基于此，现有技术仍然有待改进。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提出一种水源热泵换热器污垢热阻实时监控***及其控制方法，以解决现有技术的污垢热阻清洗过多或清洗不及时的技术问题。
一方面，本发明实施例所公开的一种水源热泵换热器污垢热阻实时监控***，包括数据采集单元，模拟量模块、PLC控制单元和输出单元，其中，
所述模拟量模块将所述数据采集单元采集的数据信号发送至所述PLC控制单元，所述PLC控制单元基于所述数据信号得出换热器的实时污垢热阻，并控制所述输出单元输出相应信息。
进一步地，所述数据采集单元包括冷凝器进水温度采集机构、冷凝器出水温度采集机构、蒸发压力采集机构和冷凝压力采集机构，所述冷凝器进水温度采集机构、冷凝器出水温度采集机构、蒸发压力采集机构和冷凝压力采集机构分别连接所述模拟量模块。
进一步地，所述冷凝器进水温度采集机构和所述冷凝器出水温度采集机构为温度传感器，分别设置在冷凝器的进水侧和出水侧；
所述蒸发压力采集机构为设置在蒸发器和压缩机之间的压力传感器；
所述冷凝压力采集机构为设置在压缩机和冷凝器之间的压力传感器。
进一步地，所述输出单元包括声音警示机构和显示机构。
进一步地，所述PLC控制单元将所述实时污垢热阻与预设临界值进行比较，并基于比较结果控制输出单元输出相应信息。
进一步地，所述显示机构显示压缩机的制冷量、输入功率、能效比、实时污垢热阻数值、预设临界值和比较结果。
另一方面，本发明实施例还公开了上述的水源热泵换热器污垢热阻实时监控***的控制方法，包括，
运行机组，数据采集单元采集冷凝器进水温度、冷凝器出水温度、蒸发压力和冷凝压力数据传送给模拟量模块；
PLC基于模拟量模块传送的数据得到换热器冷却水进水温度t1、换热器冷却水出水温度t2、蒸发温度to、冷凝温度tc，并且计算出单位时间内由换热管壁传给冷却水的热量Q、换热器内冷热流体的对数平均温差Δtm，以及实时污垢热阻Rf；
PLC将得到的实时污垢热阻与预设临界值进行比较，得到比较结果，并基于所述比较结果控制输出单元输出相应信息。
进一步地，所述比较结果包括：实时污垢热阻不大于预设临界值；实时污垢热阻大于预设临界值，且小于第二临界值；以及实时污垢热阻不小于第二临界值。
进一步地，基于所述比较结果控制输出单元输出相应信息包括：
实时污垢热阻不大于预设临界值，输出单元提示运行正常，继续监测；
实时污垢热阻大于预设临界值，且小于第二临界值，输出单元提示需要对换热器进行清洗，且继续监测；
实时污垢热阻不小于第二临界值，输出单元提示需要对换热器进行清洗，并强制停机。
进一步地，所述预设临界值为GB/T 151-2014《热交换器》附录E中的污垢热阻值，所述第二临界值为预设临界值的两倍。
另外，本发明实施例还公开了一种水源热泵换热器，其包括上述的水源热泵换热器污垢热阻实时监控***。
进一步地，所述水源热泵换热器中，所述冷凝器的进水口和出水口处分别设置冷凝器进水温度采集机构和冷凝器出水温度采集机构，所述蒸发器和压缩机之间，以及所述压缩机和冷凝器之间分别设置压力传感器。
进一步地，所述输出单元为触摸显示屏。
进一步地，冷凝器的末端通过膨胀阀连通蒸发器的首端，蒸发器的末端通过压缩机连通冷凝器首端。
采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的水源热泵换热器及污垢热阻实时监控***，以及控制方法，通过数据采集单元采集需要的数据，得出换热器的实时污垢热阻，通过对实时污垢热阻的持续监测，以实时污垢热阻作为换热器清洗的指标，与预设临界值进行比较，从而得到精确的换热器清洗时间。
进一步地，通过设置预设临界值和第二临界值，在预设临界值和第二临界值之间，均可进行清洗操作，便于生产安排。同时在第二临界值之上时，为了避免能源浪费或其他核心部件如压缩机的损坏，采用了强制停机的措施，对制冷***进行了保护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例所公开的一种水源热泵换热器及其污垢热阻实时监控***的结构示意图；
图2为本发明一实施例所公开的水源热泵换热器污垢热阻实时监控***控制原理图。
图3为本发明一实施例所公开的水源热泵换热器污垢热阻实时监控***的控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
如图1-图3所示，本发明一些实施例公开了一种水源热泵换热器污垢热阻实时监控***，包括数据采集单元，模拟量模块50、PLC控制单元60和输出单元70，其中，
所述模拟量模块50将所述数据采集单元采集的数据信号发送至所述PLC控制单元60，所述PLC控制单元60基于所述数据信号得出换热器的实时污垢热阻，并控制所述输出单元70输出相应信息。其中，数据采集单元采集得出实时污垢热阻所必需的数据。
基于如下计算公式：
式中Rf—结垢状态下的污垢热阻，(m2·k)/w；
Kf—结垢状态下的总传热系数，w/(m2·k)；
Kc—清洁状态下的总传热系数，w/(m2·k)。
洁净状态下：
结垢状态下：
式中R1c、R2c—分别为洁净状态下换热管壁制冷剂侧、冷却水侧的对流换热热阻(m2·k)/w；
R1f、R2f—分别为结垢状态下换热管壁制冷剂侧、冷却水侧的对流换热热阻(m2·k)/w；
Rf1、Rf2—分别为结垢状态下换热管壁制冷剂侧、冷却水侧的污垢热阻(m2·k)/w；
Rw—为换热管壁面的导热热阻(m2·k)/w；
由(1)、(2)、(3)式可得：
Rf＝(R1f-R1c)+(R2f-R2c)+Rf1+Rf2 (4)
近似认为R1f＝R1c，R2f＝R2c，并且制冷剂侧的污垢热阻变化很小可以忽略，即Rf1＝0。
所以结垢状态下的污垢热阻：
Rf＝Rf2即冷却水侧污垢热阻 (5)
由公式(1)、(5)可知，想要计算出冷却水侧污垢热阻，必须知道清洁状态下的总传热系数Kc和污垢状态下的总传热系数Kf。首先测量清洁状态下的总传热系数Kc，然后在相同工况下，测得结垢状态的的总传热系数Kf，监测Kf的实时变化关系，就可以得到冷却水侧的污垢热阻随时间的变化关系。
式中Q—单位时间内由换热管壁传给冷却水的热量，W；
A—换热管的总面积，m2；
Δtm—换热器内冷热流体的对数平均温差，℃；
可采用用于拟合压缩机输入功率和制冷量的“三阶十系数”的拟合方法系数法进行压缩机的性能模拟，从而计算出机组的制冷量和功率。
多项式方程为：
y＝c1+c2*to+c3*tc+c4*to 2+c5*to*tc+c6*tc 2+c7*to 3+c8*tc*to 2+c9*to*tc 2+c10*tc 3 (7)
式中，C—方程系数，代表压缩机的性能；
to—蒸发温度，℃；
tc—冷凝温度，℃；
y—表示下述项目：压缩机的制冷量Q，W；压缩机的输入功率p，W；
表示不同的物理量方程系数不同，方程系数可由压缩机制造厂商提供。
换热器选定后A自然就确定了。
式中，t1、t2分别为换热器的冷却水进出水温度，℃；
tc—冷凝温度，℃；
由公式(6)、(7)、(8)可得出洁净状态下的总传热系数Kc，同理可得结垢状态下的总传热系数Kf从而得出冷却水侧的污垢热阻Rf2。
因此需要测量的物理量有：换热器冷却水进出水温度t1、t2、蒸发温度to、冷凝温度tc。
本发明一些实施例所公开的水源热泵换热器及其污垢热阻实时监控***，为了实现实时污垢热阻的计算，在上述实施例的基础上，所述数据采集单元包括冷凝器进水温度采集机构302、冷凝器出水温度采集机构301、蒸发压力采集机构402和冷凝压力采集机构401，所述冷凝器进水温度采集机构302、冷凝器出水温度采集机构301、蒸发压力采集机构402和冷凝压力采集机构401分别连接所述模拟量模块。
在一些具体的实施方案中，所述冷凝器进水温度采集机构302和所述冷凝器出水温度采集机构301为温度传感器，分别设置在冷凝器30的进水侧和出水测；所述蒸发压力采集机构402为设置在蒸发器10和压缩机40之间的压力传感器；所述冷凝压力采集机构401为设置在压缩机40和冷凝器30之间的压力传感器。
本发明一些实施例所公开的水源热泵换热器及其污垢热阻实时监控***，所述输出单元70包括声音警示机构和显示机构。可通过声音警示提醒工作人员，或者通过显示机构进行显示，工作人员可以随时知晓即时的实时污垢热阻，便于对后续的生产运行进行合理规划。同时实时污垢热阻数值可在一定程度上帮助工作人员进行故障确认或排除。
本发明一些实施例所公开的水源热泵换热器及其污垢热阻实时监控***，所述PLC控制单元60将所述实时污垢热阻与预设临界值进行比较，并基于比较结果控制输出单元70输出相应信息。所述显示机构可显示压缩机的制冷量、输入功率、能效比、实时污垢热阻数值、预设临界值和比较结果，也可用于显示其他数据和参数等。
如图3所示，本发明实施例还公开了上述的水源热泵换热器污垢热阻实时监控***的控制方法，包括，
运行机组，数据采集单元采集冷凝器进水温度、冷凝器出水温度、蒸发压力和冷凝压力数据传送给模拟量模块；
PLC基于模拟量模块传送的数据得到换热器冷却水进水温度t1、换热器冷却水出水温度t2、蒸发温度to、冷凝温度tc，并且计算出单位时间内由换热管壁传给冷却水的热量Q、换热器内冷热流体的对数平均温差Δtm，以及实时污垢热阻Rf。
PLC将得到的实时污垢热阻与预设临界值进行比较，得到比较结果，并基于所述比较结果控制输出单元输出相应信息。
比较结果包括：实时污垢热阻不大于预设临界值；实时污垢热阻大于预设临界值，且小于第二临界值；以及实时污垢热阻不小于第二临界值。
当实时污垢热阻不大于预设临界值，输出单元提示运行正常，继续监测；
当实时污垢热阻大于预设临界值，且小于第二临界值，输出单元提示需要对换热器进行清洗，且继续监测；
当实时污垢热阻不小于第二临界值，输出单元提示需要对换热器进行清洗，并强制停机。
预设临界值可以采用GB/T 151-2014《热交换器》附录E中的污垢热阻值，所述第二临界值可为预设临界值的两倍。
本发明实施例还公开了一种水源热泵换热器，其包括上述的水源热泵换热器污垢热阻实时监控***。所述实时监控***中，所述冷凝器30的进水口和出水口处分别设置冷凝器进水温度采集机构302和冷凝器出水温度采集机构301，所述蒸发器10和压缩机40之间，以及所述压缩机40和冷凝器30之间分别设置压力传感器。所述输出单元70可为触摸显示屏，可以实现控制显示功能。冷凝器30的末端通过膨胀阀20连通蒸发器10的首端，蒸发器10的末端通过压缩机40连通冷凝器30首端。
本发明一些实施例所公开的水源热泵换热器污垢热阻实时监控控制***包括压缩机、节流装置；监控***至少需要一个用于分析计算的PLC，2个温度传感器，2个压力传感器，一个用于接收压力和温度的模拟量模块，和一个用于显示和报警的触摸屏。
具体地，如图3所示，两个温度传感器(冷凝器出水温度采集机构301和冷凝器进水温度采集结构302)分别装在冷凝器30的进出水水管上；一个压力传感器(冷凝压力采集机构401)装在压缩机与冷凝器之间的排气管路上，另外一个压力传感器(蒸发压力采集机构401)装在压缩机与蒸发器间的吸气管路上；温度传感器和压力传感器分别采集模拟量信号并将信号传递给模拟量模块50，模拟量模块50再把采集到的信号转换成二进制数传递给PLC控制单元60。
PLC控制单元60通过模拟量模块传递的二进制数可以得到冷凝器进出水温度t1、t2、蒸发压力Po、冷凝压力Pc，PLC控制单元通过计算将饱和压力转换为对应的饱和蒸发温度to和饱和冷凝温度tc，再通过公式(6)、(7)、(8)计算得出洁净状态下的总传热系数Kc，同理可得结垢状态下的总传热系数Kf从而得出冷却水侧的污垢热阻Rf。将压缩机的制冷量、输入功率以及能效比通过触摸屏(输出单元70)显示直观的反映机组运行状态；
将计算得出的污垢热阻Rf与临界值RS进行比较如果Rf＜RS热泵机组正常运行，重新进行采样、计算、比较。当Rs＜Rf＜2Rs PLC 60向触摸屏(输出单元70)发出信号显示污垢热阻超限提醒并建议用户需要对换热器进行清洗。当Rf＞2Rs时PLC 60向触摸屏(输出单元70)发出报警信号并关闭运行的所有压缩机，待换热器清洗后方能消除故障，否则还会继续产生故障。
运行步骤如下：
步骤一、运行机组，温度传感器和压力传感器采集数据传送给模拟量模块。
步骤二、PLC通过模拟量模块传送的数据得到需要测量的物理量换热器冷却水进出水温度t1、t2、蒸发温度to、冷凝温度tc，并且计算出单位时间内由换热管壁传给冷却水的热量Q、换热器内冷热流体的对数平均温差Δtm以及污垢热阻Rf。
步骤三、判断污垢热阻是否超过临界值(详见GB/T 151-2014《热交换器》附录E:污垢热阻)，如果未超过临界值继续执行步骤一、步骤二；如果超过临界值执行步骤四；如果超过2倍临界值执行步骤五。
步骤四、PLC发出信号在触摸屏上显示提醒用户应对换热器进行清洗。
步骤五、PLC发出信号在触摸屏上显示报警用户应对换热器进行清洗，并强制停机。
综上所述，本发明实施例所公开的水源热泵换热器污垢热阻实时监控***及其控制方法，能够智能准确的监测、计算并比较污垢热阻值提醒客户及时进行清洗保证换热器在一个稳定的环境下运行，避免因换热器结垢造成的高压及排气温度偏高对压缩机的损坏，确保机组能力能够得到最大的发挥。计算换热器换热量、压缩机输入功率时，“三阶十系数”法的应用对于传统监控方案减少了流量计的使用，节约了监控***的成本。
需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水源热泵换热器污垢热阻实时在线监控***，其特征在于，包括数据采集单元，模拟量模块、PLC控制单元和输出单元，其中，
所述模拟量模块将所述数据采集单元采集的数据信号发送至所述PLC控制单元，所述PLC控制单元基于所述数据信号得出换热器的实时污垢热阻，并控制所述输出单元输出相应信息。
2.根据权利要求1所述的在线监控***，其特征在于，所述数据采集单元包括冷凝器进水温度采集机构、冷凝器出水温度采集机构、蒸发压力采集机构和冷凝压力采集机构，所述冷凝器进水温度采集机构、冷凝器出水温度采集机构、蒸发压力采集机构和冷凝压力采集机构分别连接所述模拟量模块。
3.根据权利要求2所述的在线监控***，其特征在于，
所述冷凝器进水温度采集机构和所述冷凝器出水温度采集机构为温度传感器，分别设置在冷凝器的进水侧和出水侧；
所述蒸发压力采集机构为设置在蒸发器和压缩机之间的压力传感器；
所述冷凝压力采集机构为设置在压缩机和冷凝器之间的压力传感器。
4.根据权利要求1所述的在线监控***，其特征在于，所述输出单元包括声音警示机构和显示机构。
5.根据权利要求1或4所述的在线监控***，其特征在于，所述PLC控制单元将所述实时污垢热阻与预设临界值进行比较，并基于比较结果控制输出单元输出相应信息。
6.根据权利要求4所述的在线监控***，其特征在于，所述显示机构显示压缩机的制冷量、输入功率、能效比、实时污垢热阻数值、预设临界值和比较结果。
7.权利要求1-6任意一项所述的水源热泵换热器在线监控***的控制方法，其特征在于，
运行机组，数据采集单元采集冷凝器进水温度、冷凝器出水温度、蒸发压力和冷凝压力数据传送给模拟量模块；
PLC基于模拟量模块传送的数据得到换热器冷却水进水温度t1、换热器冷却水出水温度t2、蒸发温度to、冷凝温度tc，并且计算出单位时间内由换热管壁传给冷却水的热量Q、换热器内冷热流体的对数平均温差Δtm，以及实时污垢热阻Rf；
PLC将得到的实时污垢热阻与预设临界值进行比较，得到比较结果，并基于所述比较结果控制输出单元输出相应信息。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述比较结果包括：实时污垢热阻不大于预设临界值；实时污垢热阻大于预设临界值，且小于第二临界值；以及实时污垢热阻不小于第二临界值。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，基于所述比较结果控制输出单元输出相应信息包括：
实时污垢热阻不大于预设临界值，输出单元提示运行正常，继续监测；
实时污垢热阻大于预设临界值，且小于第二临界值，输出单元提示需要对换热器进行清洗，且继续监测；
实时污垢热阻不小于第二临界值，输出单元提示需要对换热器进行清洗，并强制停机。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述预设临界值为GB/T 151-2014《热交换器》附录E中的污垢热阻值，所述第二临界值为预设临界值的两倍。
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