TWI542845B - 用於蒸發器動態控制之系統與方法 - Google Patents

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Description

用於蒸發器動態控制之系統與方法
本發明大體上係有關一種用於蒸發器之操作之動態控制的系統。此外，本發明係有關一種用於蒸發器之操作之動態控制的方法。
本發明大體上係有關包含蒸發器之系統，且詳言之，係有關呈板式熱交換器之形式的蒸發器。大體上，蒸發器經設計以用於蒸發用於各種應用(諸如，空氣調節、冷卻系統、熱泵系統等)之流體(諸如，冷卻劑)。因此，蒸發器可用於處置呈液體形式以及呈氣態或蒸發形式之流體的雙相系統中。
在蒸發器為板式熱交換器之狀況中，此蒸發器(藉由實例)包括板包裝件(plate package)，其包括數個第一熱交換器板及第二熱交換器板。該等板永久地彼此接合且以使得滿足以下情形之方式並列地配置：形成第一流體通路之第一板間隙形成於每一對鄰近之第一熱交換器板與第二熱交換器板之間，且形成第二流體通路之第二板間隙形成於每一對鄰近之第二熱交換器板與第一熱交換器板之間。該等第一板間隙與該等第二板間隙彼此分離，且以交替之次序並列地設置於板包裝件中。實質上，每一熱交換器板至少具有第一通口孔及第二通口孔，其中第一通口孔形成至第一板間隙之第一入口通道，且第二通口孔形成自第一板間隙之第一出口通道，且其中板包裝件針對該等第一板間隙中之每一者包括一分離空間，該 空間對第二板間隙關閉。
在待用於雙相系統中之此一般先前技術板式熱交換器中，諸如冷卻劑之第一流體以液體形式被引入至閥中，但在穿過閥時由於壓力下降而膨脹，在第一入口通道(亦即，第一通口孔)之一端處成為部分蒸發之流體，以供進一步沿著第一入口通道分佈，且在蒸發成蒸發形式期間進一步分佈至個別第一板間隙中之每一者中。始終存在所供應之流體的能量含量太高的風險，藉以經由入口通道之入口通口而供應至該入口通道之流的一部分將到達入口通道之後端，藉此在相反方向上折回。藉此，入口通道中之流非常混亂，且難以預測及控制。
此外，冷卻劑之壓力下降可隨自入口至第一入口通道之距離而增加，藉以第一流體在個別板間隙之間的分佈將受到影響。已知，第一流體之小液滴在自第一入口通道進入個別板間隙時所必須經歷的角流改變促成不均勻分佈。另一影響參數為個別第一板間隙之間的尺寸差異，其導致每一第一板間隙具有其唯一的效率。亦已知，個別第一板間隙之操作及效能取決於其在板包裝件中之位置。板包裝件之每一側上的最外第一板間隙傾向於表現出與板包裝件中間之彼等第一板間隙不同的行為。
由此，很難或甚至不可能最佳化整個蒸發器之操作及效率，以確保供應至蒸發器之所有流體在離開蒸發器之出口之前，尤其在到達待配置於蒸發器之出口下游的壓縮機之入口之前被完全蒸發。事實上，一出故障的第一板間隙足以導致發生整個蒸發器之不充分蒸發。藉由實例，若一單一第一板間隙被淹沒，亦即，不能夠蒸發供應至其之全部量之流體，則小液滴將出現在蒸發器之出口下游。大體上，完全蒸發意謂著經蒸發之流體必須達到過熱溫差，藉以經蒸發之流體僅包含乾燥經蒸發之流體，亦即，經蒸發之流體應具有高於佔優勢壓力下之飽和溫度的溫度。
不論操作狀態而儘可能接近過熱設定點溫度而操作蒸發器 之目的對於獲得儘可能高的利用因數而言係重要的。因此，此操作具有經濟重要性。此外，此操作會對與蒸發器協作之其他組件(諸如，壓縮機)產生影響，此係因為壓縮機通常對液體內容物敏感。經蒸發之流體中剩餘的任何小液滴在到達壓縮機之入口時可損壞該壓縮機。又，儘可能接近過熱溫差而操作蒸發器存在經濟利益，此係因為一旦流體已達到該過熱溫差，該流體便為完全乾燥的，且額外地提高溫度並無實質增益。上述過熱溫度設定點由系統製造商來判定，以併有抵禦將液體接收至壓縮機中之風險的某一所要安全邊限。當蒸發器之負荷改變時，上文所論述之問題變得更加明顯。此(藉由實例)可為自一溫度至另一溫度改變空氣調節系統之操作狀態時的狀況，意謂著待供應至蒸發器之流體的量發生改變。
文件EP2156112B1及WO2008151639A1提供一種用於以使得滿足以下情形之方式來控制至少兩個蒸發器之間的致冷劑分佈的方法：在最大可能的程度上利用經空氣加熱之蒸發器之致冷能力。此係藉由在蒸發器之共同出口處監視致冷劑之過熱來進行。此外，此係藉由在保持致冷劑穿過所有蒸發器之總質量流量實質上恆定的同時變更致冷劑穿過選定蒸發器之質量流量來進行。該流量係由為膨脹閥之一單一閥控制。因此，該兩份文件提供一種用以控制複數個經空氣加熱之蒸發器之操作的解決方案，在該方法中，將每一蒸發器作為完整單元進行評估，且在該方法中，鑒於配置於同一電路中之額外蒸發器而控制每一單元。
揭示包含多個蒸發器及/或多個熱交換器之系統的文件之其他實例為US6415519B1及EP0750166A2。在US6415519B1中，多個蒸發器用於冷卻多組件電腦系統。在EP0750166A2中，揭示了複數個室內熱交換器。又，此等兩份文件提供用以控制系統中之複數個熱交換器及/或蒸發器之操作的解決方案，其中每一蒸發器/熱交換器作為完整單元進行評估。
大體上，蒸發器及尤其處於部分負荷下之板式熱交換器的效 率問題逐漸受到關注。更多地著重於蒸發器在不同操作狀態下執行之方式，而非僅在一操作狀態下進行量測的方式。藉由實例，實驗室規模之試驗已展示，空氣調節系統可僅藉由給定銅焊板式熱交換器之處於部分負荷下的改良之蒸發器功能來節省其能量消耗之4%至10%。此外，雖然大多數蒸發器經設計且經調諧用於全能力操作，但蒸發器系統典型地僅在3%之時間中以全能力操作。
本發明之目標為提供一種補救上文所提及之問題的改良之蒸發器系統。本發明尤其係針對一種蒸發器及方法，其允許更好地控制及分佈第一流體(諸如，冷卻劑)在流體通路之間的供應，藉此不管運行條件而改良板式熱交換器之效率。
此目標係藉由一種用於一蒸發器之操作之動態控制的系統來實現，該系統包含一蒸發器、複數個噴射器配置、一感測器配置及一控制器，其中該蒸發器包含一出口、複數個流體通路及至少一入口，以供在一流體之蒸發期間，經由該複數個流體通路而將該流體供應至該出口，每一噴射器配置包含至少一噴射器及至少一閥，且每一噴射器配置經配置以經由該蒸發器之該至少一入口而將該流體的一流供應至該等流體通路中之至少一者，該感測器配置經配置以量測該經蒸發之流體的溫度及壓力，或該經蒸發之流體中的任何液體內容物的存在，且該控制器經配置以與該等噴射器配置之該等閥通信，以用於該等閥基於自該感測器配置接收之資訊而控制待由每一噴射器配置供應至該蒸發器中之每一流體通路的流體之量，以便使該蒸發器朝向一設定點過熱值操作。
藉由具有此組態之一系統，可監視每一流體通路或較少量之流體通路的操作，藉以可調整自每一個別流體通路對該蒸發器之總效能的貢獻，以便使該蒸發器朝向設定點過熱值操作。
術語「液體內容物(liquid content)」在下文中定義為處於液相或混合液相/蒸發相的流體。藉由實例，流體可呈小液滴之形式。
若該感測器配置經配置以量測溫度及壓力，則該設定點過熱值可(藉由實例)由系統之製造商決定，以預防液體進入壓縮機之風險。在該感測器配置經配置以替代地量測該經蒸發之流體中的任何液體內容物之存在的狀況中，可以「數位」方式處置該設定點過熱值，其中存在任何液體內容物為供應至經評估之流體通路之流體的量對於完全蒸發而言過高的指標，或替代地，不存在任何液體內容物為供應至該流體通路之流體的量不足且可增加的指標。
藉由連續操作本發明之系統，相繼針對每一流體通路，可鑒於所要操作狀態而反覆地最佳化該蒸發器之操作。此情形允許最佳化該蒸發器之大小/尺寸。又，並非至少可減少操作包含該蒸發器作為組件之系統所需的能量消耗。其亦允許有可能使用較小壓縮機以配置於該蒸發器下游。
噴射器配置中之每一噴射器可經配置以與一閥連通，或替代地，噴射器配置中之複數個噴射器可經配置以與一閥連通。因此，同一閥可基於自該控制器接收之指令而控制供應至每一流體通路之流體的量。
每一噴射器配置可經配置以與一流體通路連通，或替代地，每一噴射器配置可經配置以與至少兩個流體通路連通。此情形允許控制每一流體通路或較小數目個流體通路之操作，藉以可調整且最佳化每一個別流體通路對該蒸發器之總效能的貢獻。
該感測器配置可配置於連接該蒸發器之該出口與壓縮機之入口的管道系統中。藉此，該管道系統之固有溫度可用以在該蒸發器之該出口之後進一步促成流體中之任何剩餘液體內容物的蒸發。
該控制器可為P調節器、PI調節器或PID調節器。此等調節器類型為自動控制工程領域中所熟知的。該PID調節器可用以在不造成 該系統之任何自振盪的情況下相對快速地找到該設定點。其他類型之調節器亦可為合適的。
該蒸發器可為板式熱交換器。該板式熱交換器可(藉由實例)為具有第一流體通路及第二流體通路以及四個通口孔以允許兩個流體流動的板式熱交換器。將理解，本發明同樣適用於在流體通路之數目、通口孔之數目及待處置之流體之數目方面具有不同組態的板式熱交換器。
該感測器配置可包含至少一溫度感測器及至少一壓力感測器。該兩個感測器不能具有同一位置。
或者，在該感測器配置經配置以量測該經蒸發之流體中的任何液體內容物之存在的狀況中，該感測器配置可為至少一溫度感測器。該溫度感測器可用於判定如在量測週期中所見的減小溫度之趨勢，或可用於判定如在量測週期中所見的不穩定溫度。減小溫度之趨勢及不穩定溫度兩者均可用作至該控制器之輸入，以確定該經蒸發之流體中的任何液體內容物之存在，此係因為該液體內容物(亦即，處於液相或混合液相/蒸發相之流體流)將比經完全蒸發、乾燥經蒸發之流體流在該溫度感測器上指示更低溫度。
根據另一態樣，本發明係關於一種用於一蒸發器之操作之動態控制的方法，該蒸發器包含至少一入口、複數個流體通路及一出口，且該蒸發器包括於進一步包含一感測器配置、一控制器及複數個噴射器配置之一系統中，每一噴射器配置包含至少一噴射器及至少一閥，藉以該方法包含以下步驟：a)藉由一第一噴射器配置經由該蒸發器之一入口而將一預定量之流體供應至一第一流體通路，以供該流體在其通過至該蒸發器之該出口期間蒸發，b)藉由該感測器配置量測該經蒸發之流體的溫度及壓力，及該經蒸發 之流體中的任何液體內容物之存在，c)藉由該控制器判定一設定點過熱值與該經蒸發之流體的該溫度及該壓力之該等經量測值之間的差，或判定該經蒸發之流體中的由該預定量之所供應流體引起之任何液體內容物的該存在，d)藉由該控制器判定達到該設定點過熱值所需的待由該第一噴射器配置之該閥供應至該第一流體通路的流體之一經調整之量，及e)出於提供對該蒸發器之該操作的一連續控制的目的，對該蒸發器之每一連續噴射器配置及每一流體通路連續地重複步驟a)至d)，以便使該蒸發器朝向一設定點過熱值操作，。
藉由該方法，可監視每一流體通路或較小數目個流體通路之操作，藉以可繼續調整每一個別流體通路對該蒸發器之總效能的貢獻，以便使該蒸發器朝向一設定點過熱值操作，其中經最佳化之流穿過每一流體通路。該最佳化可為所供應流體之量的最大化。
若該感測器配置經配置以量測溫度及壓力，則該設定點過熱值可(藉由實例)為該系統中所使用之特定流體的過熱溫度。
或者，該過熱值可為如藉由預定安全邊限而調整之該系統中所使用之特定流體的經計算之過熱溫度。在該感測器配置經配置以替代地量測該蒸發器中之任何液體內容物之存在的狀況中，可以「數位」方式處置該設定點過熱值，其中存在任何液體內容物為供應至經評估之流體通路之流體的量對於完全蒸發而言過高的指標，或替代地，不存在任何液體內容物為供應至該流體通路之流體的量不足且可增加的指標。
此外，藉由該方法，連續地監視且調整該等個別流體通路或流體通路之群組的操作，可鑒於所要操作狀態而反覆地最佳化該蒸發器之操作。更精確而言，藉由對每一連續噴射器配置及每一流體通路重複方法步驟，可清除該整個蒸發器中的在複數個流體通路之間的任何不平衡。此 情形允許該蒸發器之大小/尺寸得以減小，此又允許成本降低。並非至少可減少操作包含該蒸發器作為組件之系統所需的能量消耗。
在起始步驟a)之前，該系統可以預定操作狀態在一時間段期間操作。在該蒸發器54形成空氣調節系統之部分的狀況中，此操作狀態可(藉由實例)為在正常工作時間期間對應於辦公室的之操作狀態(諸如，20℃)。藉此，該系統之所有組件將有機會在起始最佳化程序之前進行調節。
在該感測器配置經配置以量測該經蒸發之流體的溫度及壓力的狀況中，該方法可進一步包含以下步驟：藉由該控制器將經量測之壓力Pm轉換成飽和溫度Ts，藉由比較經量測之溫度Tm與飽和溫度Ts，判定在量測該溫度及壓力時之特定時間點佔優勢的實際過熱溫差TshA；判定以下兩者之間的溫差△T：為設定點過熱溫度TshT之設定點過熱值，及實際過熱溫差TshA；且基於該溫差判定對由第一噴射器配置之閥供應至第一流體通路之流體之量的任何調整之需要，且指示該第一噴射器配置之該閥以相應地調整待由該第一噴射器配置供應至該第一流體通路之流體之量。
可由該控制器使用對蒸發器中所使用之流體特定的經預先程式化之資訊來將經量測之壓力轉換成飽和溫度。此資訊可容易地在繪製特定流體之蒸氣壓對溫度的曲線圖或表中得到。
在感測器配置為濕度感測器之狀況中，該方法可進一步包含以下步驟：若在感測器產生由控制器接收之指示經蒸發之流體中存在任何液體內容物的信號，則指示第一噴射器配置之閥以減少供應至第一流體通路之流體之量；或若感測器產生由控制器接收之指示經蒸發之流體中不存在任何液體內容物的信號，則指示該第一噴射器配置之該閥以增加供應至該第一流體通路之流體之量。
此指示可藉由為溫度感測器之濕度感測器判定如在量測週期中所見之降低溫度之趨勢，或判定如在量測週期中所見之不穩定溫度來進行。降低溫度之趨勢及不穩定溫度兩者可用作至該控制器之輸入，以確定該經蒸發之流體中的任何液體內容物之存在，此係因為液相或混合液相/蒸發相流體將具有比經完全蒸發、乾燥經蒸發之流體流低的溫度。
在感測器配置包含至少兩個濕度感測器之狀況中，該方法可進一步包含以下步驟：比較由控制器自該至少兩個感測器接收之信號，該等信號指示經蒸發之流體中存在或不存在任何液體內容物，以便判定指示第一噴射器配置之閥以增加、減小抑或維持供應至第一流體通路之流體之量，且指示該第一噴射器配置之該閥以相應地調整待由該第一噴射器配置供應至該第一流體通路之流體之量。
又，此指示可藉由使用呈溫度感測器之形式的濕度感測器判定如在量測週期中所見之降低溫度之趨勢，或判定如在量測週期中所見的不穩定溫度來進行。藉由比較由該控制器自該至少兩個感測器接收之信號，有可能藉由該控制器判定自連接蒸發器之出口與壓縮機之入口的管道系統對蒸發的貢獻。該管道系統典型地為熱的，藉以在蒸發器之出口下游的經蒸發之流體中的任何剩餘液體內容物在去往該管道系統下游之壓縮機途中與該管道系統接觸時，此液體內容物之間的接觸可能導致蒸發。
該方法可在繼續步驟e)之前進一步包含以下步驟：將所判定的經調整之量的流體傳送至第一噴射器配置之閥，且調整該閥以供應經調整之量的流體。
因此，根據此具體實例，在繼續評估及調整後續流體通路之操作之前，評估第一流體通路之操作且調整其流體供應。
或者，該方法可進一步包含以下步驟：將所判定的經調整之量的流體傳送至每一噴射器配置之閥，且調整該等閥以將經調整之量的流 體供應至蒸發器之所有流體通路。因此，根據此具體實例，在調整所有閥及其流體供應之前，評估每一流體通路之操作。
當蒸發器之操作已操作至滿足設定點過熱值之操作狀態時，該方法可進一步包含以下步驟：在出於重新提供對蒸發器之操作的連續控制的目的而重複方法步驟之前調整設定點過熱值，以便使蒸發器朝向經調整之設定點過熱值操作。根據此具體實例，有可能連續改進蒸發器及其個別第一流體通路之操作。
1‧‧‧板式熱交換器
3‧‧‧第一流體通路
3a‧‧‧第一流體通路
3b‧‧‧第一流體通路
4‧‧‧第二流體通路
6‧‧‧上端板
7‧‧‧下端板
8‧‧‧通口孔
9‧‧‧第一入口通道
10‧‧‧第一出口通道
11‧‧‧第二入口通道
12‧‧‧第二出口通道
13‧‧‧蒸發器之出口
14‧‧‧壓縮機之入口
15‧‧‧管道系統
16‧‧‧壓縮機之出口
17‧‧‧管道系統
18‧‧‧冷凝器之入口
19‧‧‧冷凝器之出口
22a‧‧‧閥
22b‧‧‧閥
23a‧‧‧噴射器
23b‧‧‧噴射器
25a‧‧‧噴射器配置
25b‧‧‧噴射器配置
26a‧‧‧入口
26b‧‧‧入口
27a‧‧‧噴嘴
27b‧‧‧噴嘴
28‧‧‧感測器配置
30‧‧‧溫度感測器
30a‧‧‧溫度感測器
30b‧‧‧溫度感測器
51‧‧‧壓縮機
52‧‧‧冷凝器
53‧‧‧膨脹閥
54‧‧‧蒸發器
55‧‧‧壓力感測器
56‧‧‧溫度感測器
57‧‧‧控制器
A‧‧‧第一熱交換器板
B‧‧‧第二熱交換器板
P‧‧‧板包裝件
現將參看隨附示意性圖式藉由實例來描述本發明之具體實例，其中：圖1示意性地說明先前技術致冷電路，其為機械蒸氣壓縮系統。
圖2示意性地揭示典型板式熱交換器之側視圖。
圖3示意性地揭示圖1之板式熱交換器的正視圖。
圖4示意性地揭示沿著先前技術板式熱交換器之邊緣的橫截面。
圖5揭示與本發明系統有關之致冷電路。
圖6示意性地揭示沿著應用本發明系統之板式熱交換器之邊緣的橫截面。
圖7揭示使用用於偵測溫度及壓力之感測器的本發明方法之步驟。
圖8揭示使用用於偵測任何液體內容物之感測器的本發明方法之步驟。
熱交換器1可典型地作為蒸發器包括於致冷電路中。參見圖1，先前技術致冷系統(其為機械蒸氣壓縮系統)典型地包含壓縮機51、冷凝器52、膨脹閥53及蒸發器54。該電路可進一步包含配置於蒸發器之出口與壓縮機之入口之間的壓力感測器55及溫度感測器56。此類系統之致冷電路在冷卻劑以具有低壓及低溫之蒸發形式進入壓縮機51時啟動。冷卻劑在 進入冷凝器52之前由壓縮機51壓縮至高壓及高溫蒸發狀態。冷凝器52藉由將熱量轉移至溫度較低之介質(諸如，水或空氣)來將高壓且高溫氣體沉澱為高溫液體。高溫液體接著進入膨脹閥53，其中膨脹閥允許冷卻劑進入蒸發器54。膨脹閥53具有將冷卻劑自高壓側膨脹至低壓側之功能，且細調流量。為冷卻較高溫度，必須限制進入至蒸發器之流量，以使壓力保持為低的且允許膨脹回蒸發形式。膨脹閥53可藉由控制器57基於自壓力感測器55及溫度感測器56接收之信號而操作。資訊可用以基於所謂的過熱溫度而指示蒸發器54之總體操作，該過熱溫度指示在離開蒸發器54之後流體中剩餘有任何液體內容物。
現轉向圖2至圖4，揭示呈板式熱交換器1之形式的典型蒸發器。將理解，熱交換器1可為任何類型，諸如板式熱交換器、管殼式熱交換器、螺旋式熱交換器等。然而，本發明在下文中將論述為應用於板式熱交換器1，但本發明並不限於此。
板式熱交換器1包括板包裝件P，其由並列地設置之數個熱交換器板A、B形成。在具體實例中，熱交換器板包括所揭示之兩個不同板，該等板在下文中稱為第一熱交換器板A及第二熱交換器板B。熱交換器板A、B以使得滿足以下情形之方式並列地設置：第一流體通路3形成於每一對鄰近之第一熱交換器板A與第二熱交換器板B之間，且第二流體通路4形成於每一對鄰近之第二熱交換器板B與第一熱交換器板A之間。板包裝件P進一步包括設置於板包裝件P之各別側上的上端板6及下端板7。
如尤其自圖3及圖4所顯現，實質上每一熱交換器板A、B具有四個通口孔8。第一通口孔8形成至第一流體通路3之第一入口通道9，該第一入口通道9延伸穿過實質上整個板包裝件P，亦即，所有板A、B及上端板6。第二通口孔8形成自第一流體通路3之第一出口通道10，該第一出口通道10亦延伸穿過實質上整個板包裝件P，亦即，所有板A、B及上 端板6。第三通口孔8形成至第二流體通路4之第二入口通道11，且第四通口孔8形成自第二流體通路4之第二出口通道12。又，此等兩個通道11及12延伸穿過實質上整個板包裝件P，亦即，所有板A、B及上端板6。
現轉向圖5，將揭示本發明系統之第一具體實例。該系統包含呈板式熱交換器之形式的蒸發器54。蒸發器54之出口13經由管道系統15而連接至壓縮機51之入口14。此外，壓縮機51之出口16經由另一管道系統17而連接至冷凝器52之入口18。又此外，冷凝器52之出口19連接至複數個噴射器配置25a、25b，每一噴射器配置25a、25b包含閥22a、22b及噴射器23a、23b，該等噴射器配置25a、25b連接至蒸發器54之每一第一流體通路3a、3b的入口。因此，提供了閉合循環系統。
參見圖6，複數個噴射器配置25a、25b經配置以經由入口26a、26b將第一流體流供應至第一流體通路3a、3b中，以供第一流體在經由蒸發器之出口13離開蒸發器54之前進行蒸發。每一入口配置25a、25b包含一噴射器23a、23b及一閥22a、22b。閥22a、22b較佳定位於蒸發器54之外部，而具有噴嘴27a、27b(若存在)之噴射器23a、23b經定位以經由入口26a、26b而延伸至蒸發器54之內部。
入口26a、26b呈通孔之形式，該等通孔自板包裝件P之外部延伸至板包裝件之內部，且更精確而言，延伸至個別第一流體通路3a、3b中。該等通孔可藉由塑性重塑形、藉由切割或藉由鑽孔來形成。術語「塑性重塑形(plastic reshaping)」指代諸如熱鑽孔之非切割式塑性重塑形。切割或鑽孔可由切割工具進行。切割或鑽孔亦可由雷射或電漿切割來進行。圖6中揭示可能用於本發明系統中之蒸發器之入口區域的橫截面。圖4之具體實例的入口通道9已由經由入口26a、26b收納噴射器配置25a、25b之每一第一流體通路3代替。
將理解，每一入口配置25a、25b可包含複數個噴射器23a、 23b，其中該複數個噴射器與一閥連通。
在最簡單之形式中，可省略噴嘴27a、27b，藉以每一噴射器23a、23b可由用於第一流體之分佈的通孔(未揭示)或管路(未揭示)形成。或者，至少一噴射器23a、23b可由閥之孔口形成。因此，該閥之孔口充當提供噴霧樣式之噴嘴。
將理解，噴射器23a、23b之數目可小於第一流體通路3之數目。藉此，每一噴射器23a、23b可經配置以將其第一流體流供應至第一流體通路3中之一者以上。此供應可藉由將每一噴射器配置於具有延伸跨越兩個或兩個以上流體通路之直徑的通孔中而成為可能，藉以同一噴射器可將流體供應至一個以上流體通路。
本發明系統進一步包含感測器配置28。在所揭示之具體實例中，感測器配置28包含一壓力感測器29及一溫度感測器30。感測器配置28可配置於連接蒸發器54之出口13與壓縮機51之入口14的管道系統15中，且更精確而言，位於蒸發器之出口13中或位於其之後，但位於壓縮機51之入口14之前。兩個感測器29、30不能在該系統內具有同一位置。亦有可能將感測器配置或其一部分配置於蒸發器54之出口通道(未揭示)中。
壓力感測器29較佳配置於蒸發器54之出口13之後的連接蒸發器54與壓縮機51之管道系統15的大致筆直之區段中。取決於管道系統15之組態，根據經驗，壓力感測器29可較佳配置於管道彎曲部之後的對應於管道之內徑之至少十倍的距離處，且配置於管道彎曲部之前的對應於管道之內徑之五倍以上的距離處。
壓力感測器29經配置以量測經蒸發之第一流體的壓力，該壓力在下文中識別為經量測之壓力Pm。
壓力感測器29可(藉由實例)為範圍為0至25巴之4至 20mA壓力感測器。
溫度感測器30較佳配置於管道系統15中在管道彎曲部之後。溫度感測器30較佳配置成比蒸發器54之出口13更接近壓縮機51之入口14。藉由將溫度感測器30定位於管道彎曲部之後，更有可能經蒸發之流體中的任何剩餘液體內容物在遇到管道彎曲部之壁之後進行蒸發，且藉此被強制改變其流動方向。藉由剩餘液體內容物自周圍過熱之流體流吸收熱量，亦發生蒸發。
溫度感測器30可為量測溫度之標準溫度感測器，該溫度在下文中識別為經量測之溫度Tm。
該系統進一步包含控制器57，其經配置以與感測器配置28及噴射器配置25a、25b之個別閥22a、22b通信。控制器57可(藉由實例)為PID調節器。
將關於壓力Pm及溫度Tm之經量測之值傳送至控制器57，該控制器經配置以基於所謂的過熱溫度而調節系統。
過熱溫度(技術中所熟知之物理參數)定義為目前溫度與佔優勢壓力下之飽和溫度(亦即，流體中未剩餘任何液體內容物)之間的溫差。過熱溫差對於給定流體及給定溫度及壓力而言係唯一的，且過熱溫度可在曲線圖或表中找到。
大體上，經量測之溫度Tm愈接近飽和溫度，系統愈有效率。亦即，供應至蒸發器之量的流體完全蒸發，且不進行不必要的過熱。
然而，經量測之溫度Tm愈接近飽和溫度，未經蒸發之流體愈接近於淹沒系統，亦即，蒸發器不能夠蒸發所供應之量的流體。僅出於說明性目的，可將過熱溫度視為數位的一存在不具有任何液體內容物之完全蒸發，或存在不完全蒸發，其中蒸發器下游之經蒸發之流中含有液體內容物。
為最佳化蒸發器之操作，需要具有儘可能低之過熱溫差。然而，由於壓縮機對液體內容物敏感且可被損壞，藉此在設計蒸發系統時使用一些程度的安全邊限係常見實踐。典型地，先前技術蒸發器之正常安全邊限為5°K，亦即，過熱溫差為5°K。然而，將理解，可選擇安全邊限之另一值。在其最簡單的形式中，安全邊限被視為藉由蒸發器之所意欲之用途而決定的常數。然而，將理解，亦需要使用儘可能低之安全邊限，此係因為儘可能接近飽和溫度而操作蒸發器具有經濟利益。在本發明系統之操作期間，此常數將用作設定點過熱溫度TshT(亦即，目標值)，將朝向該值而動態地控制蒸發器54之操作。此控制將藉由最佳化自每一第一流體通路3a、3b對蒸發器54之總效能的貢獻來進行。更精確而言，基礎的發明概念為藉由每流體通路3a、3b使用一閥22a、22b及一噴射器23a、23b來控制供應至每一流體通路3a、3b之流體的量，以便藉此最佳化每一流體通路之蒸發，且亦最大化供應至每一流體通路之流體量。此情形可藉由以下文將描述之方式個別地操作及評估每一流體通路3a、3b來進行。
在下文中，將參看圖7描述用於確定操作條件(亦即，是否過熱)之一般原理。為促進理解，以下實例將基於包含蒸發器54之系統，其中該蒸發器僅具有經由包含一噴射器23a及一閥22a之噴射器配置25a而供應有第一流體的第一流體通路3a。此外，該實例係基於以下假設：系統已以預定操作狀態在一時間段期間操作。在該蒸發器54形成空氣調節系統之一部分的狀況中，此操作狀態可(藉由實例)為在正常工作時間期間對應於辦公室的操作狀態(諸如，20℃)。
向第一流體通路供應(100)已知流量之第一流體。假設此已知流量對應於待在離開第一流體通路之前或之後不久完全蒸發的量，亦即，假設其對應於滿足所決定之設定點過熱溫度TshT所需的量。
蒸發器之出口下游的感測器配置量測(200)佔優勢溫度Tm 及壓力Pm。此等值由控制器57接收。
控制器57將經量測之壓力Pm轉換(300)為飽和溫度Ts。飽和溫度Ts對於預定冷卻劑(亦即，系統中所使用之第一流體)為特定的。藉由實例，若所使用之第一流體為稱作R410A之冷卻劑，則飽和溫度Ts可藉由使用對於R410A特定之以下公式進行計算：Ts=0.0058Pm3-0.3141Pm2+7.8908Pm-46.0049。
上文給出之公式反映相對於壓力繪製飽和溫度之圖之曲線。將理解，飽和壓力可以數種方式計算，此取決於(例如)不同內插方法、不同準確度等。此外，將理解，僅可評估曲線之有限區段。進一步將理解，可設定控制器以藉由使用含有對應值之表來得到對應值，而非計算飽和溫度Ts。
在藉由比較經量測之溫度Tm與經計算之飽和溫度Ts來進行量測時，控制器57藉由使用以下公式來確定(400)在特定時間點佔優勢之實際過熱溫差TshA：TshA=Tm-Ts。
因此，控制器57現已確定佔優勢的實際過熱差TshA，且知曉設定點過熱溫度TshT。下一步驟為，藉由使用以下公式決定設定點過熱溫度TshT與實際過熱溫差TshA之間的溫差△T(500)：△T=TshT-TshA
基於溫差△T之值，評估(600)流體通路3a之佔優勢效能。若△T為負，則流體通路饋送有不足量之流體，藉以控制器可指示閥以增加供應至流體通路之流體的量。在另一方面，若△T為正，則流體通路饋送有過多流體，藉以控制器可指示閥以減小供應至流體通路之流體的量。若△T=0，則流體通路之效能得以最佳化，且不需要改變所供應之流量。
已知，△T與待供應之第一流體的所需量之間不存在相關 性。影響參數之非限制性實例為流體通路3a之設計、流體通路3a之大小，及流體通路3a內之尺寸變化。根據一般經驗，較大△T指示較大調整之可能性，而較小△T指示較小調整之可能性。控制器可(藉由實例)取決於溫差之絕對值而經程式化以使用不同百分比校正。
基於所判定之調整，操作(700)閥22a以相應地調整流量。
上述程序係基於僅包含一流體通路3a之蒸發器5而加以描述。然而，將理解，對於通常包含複數個第一流體通路3a、3b之蒸發器54，藉由使每一連續流體通路3b及其相關噴射器配置25b經歷同一程序來重複(800)上文所描述之循環，以藉此漸漸地逐步最佳化整個蒸發器54之效能，且亦最大化由整個蒸發器所處置之流體量。
將理解，在評估一流體通路3a時，可以已知方式操作剩餘的流體通路3b及其相關噴射器配置25b，以便能夠評估經評估之流體通路的效能。在結束完整蒸發器54之後，可針對第一流體通路3a重新開始該程序。
亦將理解，蒸發系統本身為相當慢的系統，此係因為組件(亦即，蒸發器54、壓縮機51、冷凝器52及待冷卻之環境水/液體/空氣)中之每一者自身均對系統的總效能產生影響。因此，對於實際上將發生之流量的任何改變，不必做出迅速改變。
在上文給出的實例中，在繼續評估後續流體通路3b之前調整供應至經評估之第一流體通路3a的流量。在一替代性具體實例中，控制器57經配置以將針對每一經評估之流道3a、3b的所需流量調整之經判定之值儲存於其記憶體中。一旦所有流道3a、3b已以相同方式進行評估，控制器57便可指示每一個別閥22a、22b以進行所需流量調整。因此，所有流量調整必須同時進行。
作為對包含壓力感測器29及溫度感測器30之感測器配置 28的替代，感測器配置28可包含經配置以用於偵測任何液體內容物之存在的至少一感測器。液體內容物可呈液體形式，或可呈混合液相/蒸發相。合適感測器之一實例為溫度感測器30。
任何液體內容物之存在表明蒸發不充分，且應減少第一流體之流量。如上文所論述，愈接近過熱溫度，未經蒸發之流體愈可能淹沒系統。由於過熱溫度可視為數位的一因此存在僅有乾燥氣體之完全蒸發，或存在不完全蒸發，其中蒸發器下游的流體中存在液體內容物。
在感測器配置28包含用於偵測經蒸發之流體中的任何液體內容物之存在的感測器之狀況中，此類一或多個感測器較佳應配置於連接蒸發器之出口與壓縮機之入口的管道系統中。因此，該位置可與上文關於圖5所描述之系統中的相同。唯一區別在於，可省略壓力感測器29。對於經調適以偵測任何液體內容物之存在的一或多個感測器(例如，溫度感測器30)而言，配置於相比蒸發器54之出口13更接近壓縮機51之入口14的位置中係較佳的。此外，對於此溫度感測器30而言，定位於管道系統15中的至少一管道彎曲部之後係較佳的，以便允許至少一些剩餘液體內容物在與管道系統15之內壁接觸期間蒸發，或在與周圍熱的經蒸發之流體流接觸時蒸發。因此，若直接在蒸發器54之出口13之後量測，則可偵測到少量的液體內容物，而若在進一步下游處量測，則此液體內容物可沿著管道系統蒸發，藉以到達壓縮機之經蒸發之流係乾燥的。因此，基於偵測任何液體內容物之存在的感測器配置28較佳包含配置於沿著管道系統之不同位置中的至少兩個感測器30a、30b。
在下文中，將參看圖8描述用於確定系統之操作條件(亦即，過熱)的一般原理，該系統使用基於偵測任何液體內容物之存在的感測器配置。該蒸發系統本身具有與先前參看圖6所描述之系統相同的一般設計，藉以對圖6之系統進行參考。
為促進理解，以下實例將基於包含蒸發器54之系統，該蒸發器54僅具有經由包含一噴射器23a及一閥22a之噴射器配置25a而供應有第一流體的一流體通路3a。此外，該實例係基於以下假設：系統已以預定操作狀態在一時間段期間操作。
向第一流體通路3a供應已知流量之第一流體(1000)。假設此已知流量對應於待在離開第一流體通路3a之前或之後不久完全蒸發的量，亦即，假設其對應於滿足所決定之設定點過熱溫度TshT所需的量。
蒸發器之出口下游的感測器配置28量測任何液體內容物之存在(1100)。藉由控制器57接收(1200)由感測器配置28所產生之信號。該控制器可為PID調節器。
控制器評估(1300)所接收之信號。以最簡單的形式，該信號可為數位信號：1-未偵測到液體內容物；0-偵測到液體內容物。更精確而言，具有值1之信號指示，經蒸發之流體具有對應於或高於過熱溫度Tsh之經量測之溫度Tm。同樣地，具有值0之信號指示，經蒸發之流體具有低於過熱溫度之溫度。
在感測器配置28包含配置於沿著管道系統15之縱向延伸部分之不同位置中的兩個溫度感測器30a、30b的狀況中，該兩個感測器30a、30b可指示不同值。若兩個溫度感測器30a、30b均指示0，則此意謂氣體具有液體內容物，且蒸發不充分。由於系統被淹沒，因此必須限制供應至經評估之流體通路3a之第一流體的量。
若最接近蒸發器之溫度感測器30a指示0，但位於溫度感測器30a下游之第二感測器30b指示1，則此意謂由於所有所供應之流體完全蒸發，因此經評估之流體通路3a操作良好。此亦為以下情形之很好的指標：若應進行任何流量調整，則相比增加所供應之流量，反而應減少所供應之流量以避免淹沒。
若兩個感測器30a、30b均指示1，則此意謂著供應至經評估之流體通路3a的所有流體均被蒸發。此意謂著經評估之流體通路3a並非最佳地工作，且有可能增加供應至經評估之流體通路的第一流體之量。
儘管上文描述了一溫度感測器30或兩個溫度感測器30a、30b，但將理解，可配置兩個以上溫度感測器，該等感測器用相同原理工作。
控制器57可經配置以在接收到指示存在或不存在任何液體內容物的信號時，判定(1400)對待由個別噴射器配置25a中之閥22a提供至經評估之流體通路3a的第一流體之流量的合適調整，以便最佳化該經評估之流體通路3a之效能。基於此所判定之調整，可操作(1500)閥22a以相應地調整流量。
控制器57可取決於接近過熱溫度的所判定之可能性而使用不同範圍的調整。
上述程序係基於僅包含一流體通路3a之蒸發器54而加以描述。然而，將理解，對於通常包含複數個第一流體通路3a之蒸發器54，藉由使每一連續流體通路3b、3c及其相關噴射器配置25b、25c經歷同一程序來重複(1600)上文所描述之循環，以藉此漸漸地逐步最佳化整個蒸發器之效能。
將理解，在評估一流體通路3a時，應以已知方式操作剩餘的流體通路3b、3c及其相關噴射器配置25b、25c，以便能夠評估經評估之流體通路3a的效能。在結束完整蒸發器之後，可針對第一流體通路重新開始該程序。
在上文給出的實例中，在繼續評估後續流體通路3b之前，調整供應至經評估之第一通路3a的流量。在一替代性具體實例中，控制器經配置以將針對每一經評估之流道3a、3b的所需流量調整之經判定之值儲存於其記憶體中。一旦所有流道3a、3b已以相同方式進行評估，控制器57 便可指示每一個別閥22a、22b以進行該所需流量調整。因此，所有流量調整必須同時進行。
因此，藉由本發明，每一第一流體通路3a、3b可基於其固有條件(諸如，位於板包裝件P內之位置或劃定第一流體通路3之界限之兩個熱交換器板A、B之間的尺寸差異)而以最佳化方式操作。此情形允許最佳化整個蒸發器54之操作。又，此情形允許對蒸發器為形成部分之完整系統的更好程度之利用。
控制器57可將所有所接收之量測資料儲存於記憶體中，以供在判定流量調整時使用。此外，控制器57可經配置以在判定所需流量調整時使用來自此所儲存之資訊的歷史記錄。
不管噴射器配置如何進行配置，將流動基本上指向平行於穿過蒸發器之流動方向的方向係較佳的。藉此可避免流體流動之任何不當的重導向。在蒸發器為板式熱交換器的狀況中，此意謂著與第一熱交換器板及第二熱交換器板之一般平面平行。
本發明已描述為應用於蒸發器(其為板式熱交換器)。然而，將理解，本發明可應用於任何形式之蒸發器。
噴射器配置之噴射器可揭示為配置於自板包裝件之外部延伸至個別流體通路中的通孔中。將理解，此僅為一可能的具體實例。藉由實例，噴射器配置之噴射器可取決於蒸發器之設計而延伸至任何入口通口或類似者中。此延伸可(藉由實例)藉由沿著入口通道***來進行。
本發明大體上係基於板式熱交換器而進行描述，該板式熱交換器具有第一板間隙及第二板間隙以及四個通口孔以允許兩個流體流動。將理解，本發明亦適用於在板間隙之數目、通口孔之數目及待處置之流體之數目方面具有不同組態的板式熱交換器。
將理解，控制器亦可用於其他目的，諸如致冷電路本身之控 制。
本發明並不限於所揭示的具體實例，而是可在已於上文部分地描述之以下申請專利範圍之範疇內進行變化及修改。
1‧‧‧板式熱交換器
51‧‧‧壓縮機
52‧‧‧冷凝器
53‧‧‧膨脹閥
54‧‧‧蒸發器
55‧‧‧壓力感測器
56‧‧‧溫度感測器
57‧‧‧控制器

Claims (16)

  1. 一種用於一蒸發器之操作之動態控制的系統，該系統包含一蒸發器(54)、複數個噴射器配置(25a、25b)、一感測器配置(28)及一控制器(57)，其中該蒸發器(54)包含一出口(13)、複數個流體通路(3)及至少一入口(26a、26b)，以供在一流體之蒸發期間，經由該複數個流體通路(3)而將該流體供應至該出口(13)，各個噴射器配置(25a、25b)包含至少一噴射器(23a、23b)及至少一閥(22a、22b)，且每一噴射器配置(25a、25b)經配置以經由該蒸發器(54)之該至少一入口(26a、26b)而將該流體之一流供應至該等流體通路(3)中之至少一者，該感測器配置(28)經配置以量測該經蒸發之流體的溫度(Tm)及壓力(Pm)，或該經蒸發之流體中的任何液體內容物之存在，且該控制器(57)經配置以與該等噴射器配置(25a、25b)之該等閥(22a、22b)通信，以用於該等閥(22a、22b)基於自該感測器配置(28)接收之資訊而控制待由每一噴射器配置(25a、25b)供應至該蒸發器(54)中之每一流體通路(3)的流體之量，以便使該蒸發器(54)朝向一設定點過熱值(TshT)操作。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中一噴射器配置(25a、25b)中之每一噴射器(23a、23b)經配置以與一閥(22a、22b)連通，或其中一噴射器配置(25a、25b)中之複數個噴射器(23a、23b)經配置以與一閥(22a、22b)連通。
  3. 如申請專利範圍第1項之系統，其中每一噴射器配置(25a、25b)經配置以與一流體通路(3)連通，或其中每一噴射器配置(25a、25b)經配置以與至少兩個流體通路(3)連通。
  4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該感測器配置(28)係配置於一管道系統(15)中，該管道系統(15)連接該蒸發器之該出口(13)與一壓縮機之一入口(14)。
  5. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該控制器(57)為一PI調節器或一PID調節器。
  6. 如前述申請專利範圍中任一項之系統，其中該蒸發器(54)為一板式熱交換器(1)。
  7. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該感測器配置(28)包含至少一溫度感測器(30)及至少一壓力感測器(29)。
  8. 如申請專利範圍第1項之系統，其中經配置以量測該經蒸發之流體中的任何液體內容物之該存在的該感測器配置(28)為至少一溫度感測器(30)。
  9. 一種用於操作一蒸發器(54)之動態控制的方法，該蒸發器包含至少一入口(26a、26b)、複數個流體通路(3)及一出口(13)，且該蒸發器(54)包括於進一步包含一感測器配置(28)、一控制器(57)及複數個噴射器配置(25a、25b)的一系統中，每一噴射器配置包含至少一噴射器(23a、23b)及至少一閥(22a、22b)，藉以該方法包含以下步驟：a)透過一第一噴射器配置(25a)經由該蒸發器(54)之一入口(26a、26b)而將一預定量之流體供應至一第一流體通路(3)，以供該流體在其通 過至該蒸發器之該出口(13)期間蒸發，b)藉由該感測器配置(28)量測該經蒸發之流體的溫度及壓力(Tm、Pm)，及該經蒸發之流體中的任何液體內容物之存在，c)藉由該控制器(57)判定一設定點過熱值(TshT)與該經蒸發之流體之該溫度(Tm)及該壓力(Pm)的該等經量測之值之間的差△T，或判定該經蒸發之流體中的由該預定量之所供應流體引起之任何液體內容物的該存在，d)藉由該控制器判定達到該設定點過熱值(TshT)所需的待由該第一噴射器配置(25a)之該閥(22a)供應至該第一流體通路(3)的流體之一經調整之量，及e)出於提供對該蒸發器(54)之該操作的一連續控制的目的，對該蒸發器(54)之每一連續噴射器配置(25b)及每一流體通路(3)連續地重複步驟a)至d)，以便使該蒸發器朝向該設定點過熱值(TshT)操作。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中在起始步驟a)之前，該系統係以一預定操作狀態在一時間段期間操作。
  11. 如申請專利範圍第9項之方法，其進一步包含以下步驟：藉由該控制器(57)將該經量測之壓力(Pm)轉換為一飽和溫度(Ts)，藉由比較該經量測之溫度(Tm)與該飽和溫度(Ts)來判定在量測該溫度及該壓力時之特定時間點佔優勢的實際過熱溫差(TshA)，判定以下兩者之間的溫差(△T)且基於該溫差(△T)判定對由該第一噴射器配置(25a)之該閥(22a)供應至該第一流體通路(3)之流體之量的任何調整之需要：為一設定點過熱溫度(TshT)之一設定點過熱值， 及該實際過熱溫差(TshA)，及指示該第一噴射器配置(25a)之該閥(22a)以相應地調整待由該第一噴射器配置(25a)供應至該第一流體通路(3)之流體的該量。
  12. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該感測器配置(28)為一濕度感測器(28；30)，藉以該方法進一步包含以下步驟，若該感測器(28；30)產生由該控制器(57)接收之指示該經蒸發之流體中存在任何液體內容物的一信號，則指示該第一噴射器配置(25a)之該閥(22a)以減少供應至該第一流體通路(3)之流體之該量，或若該感測器(28；30)產生由該控制器(57)接收之指示該經蒸發之流體中不存在任何液體內容物的一信號，則指示該第一噴射器配置(25a)之該閥(22a)以增加供應至該第一流體通路(3)之流體之該量。
  13. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該感測器配置(28)包含至少兩個濕度感測器(28；30)，藉以該方法進一步包含以下步驟：比較由該控制器(57)自該至少兩個感測器(28；30)接收之信號，該等信號指示該經蒸發之流體中存在或不存在液體內容物，以便判定指示該第一噴射器配置(25a)之該閥(22a)以增加、減小抑或維持供應至該第一流體通路(3)之流體之該量，及指示該第一噴射器配置(25a)之該閥(22a)以相應地調整待由該第一噴射器配置(25a)供應至該第一流體通路(3)之流體之該量。
  14. 如申請專利範圍第9項之方法，該方法在繼續步驟e)之前進一步包含以下步驟：將該所判定的經調整之量的流體傳送至該第一噴射器配置(25a)之該閥(22a)，且調整該閥(22a)以供應一經調整之量的流體。
  15. 如申請專利範圍第9項之方法，其進一步包含以下之一步驟：將該所判定的經調整之量的流體傳送至每一噴射器配置(25a、25b)之該等閥(22a、22b)，及調整該等閥(22a、22b)以將一經調整之量的流體供應至該蒸發器(54)之所有流體通路(3)。
  16. 如申請專利範圍第9項至第15項中任一項之方法，當該蒸發器(54)之該操作已操作至滿足該設定點過熱值(TshT)之一操作狀態時，該方法進一步包含以下步驟：調整該設定點過熱值(TshT)，且接著出於提供對該蒸發器(54)之該操作的一連續控制的目的而重複如申請專利範圍第9項之方法，以便使該蒸發器朝向該經調整之設定點過熱值(TshT)操作。
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