专利名称：用于冷干燥的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于冷干燥气体的设备。更特别地，本发明涉及一种设备，所述设备包括热交換器，所述热交換器的一次侧是冷却回路的蒸发器，并且待干燥的气体流动通过所述热交換器的二次侧，所述冷却回路填充有冷却剂并且还包含压缩机和冷凝器以及在冷凝器出口和上述蒸发器的入口之间的第一膨胀装置，由此设有至少ー个旁通管将所述压缩机的排放侧连接到所述压缩机的进入侦牝由此第二膨胀装置和控制阀设在该旁通管中，所述控制阀由控制単元根据从ー个或多个测量元件接收的信号控制。
背景技术：
众所周知，冷干燥基于的原理是通过减小气体温度，气体中的湿气冷凝，然后在液体分离器中分离冷凝水，并且接着再次加热气体使得它不再饱和。例如由压缩机输送的压缩空气通常由水蒸汽饱和，或者换句话说具有100%的相对湿度。这意味着在温度下降到低于所谓的露点的情况下发生冷凝。腐蚀将由于冷凝水而发生在管道和工具中并且设备会呈现过早磨损。因此压缩空气被干燥，这可以以上述方式通过冷干燥完成。除了压缩空气以外的空气或其它气体也可以以该方式被干燥。当干燥压缩空气时，热交換器中的空气不得过多地冷却，原因是冷凝物然后将冻结。典型地，已干燥压缩空气具有零上ニ至三摄氏度或低于环境温度20摄氏度的温度。为了该目的蒸发器中的冷却剂的温度保持在15°C至_5°C之间。传统上，通过为设备配备在压缩机之上的至少ー个旁通管来保持冷却剂的温度受到控制。上述旁通管中的控制阀允许分支出来自冷却回路的一定(额外)量的冷却剤，然后被弓I导通过在压缩机之上的上述旁通管。由此控制阀由也被称为控制器的控制单元控制，所述控制单元以公知方式连接到一个或多个测量元件。一种设备是已经公知的，其中一个或多个测量元件设在热交換器的外部以测量也被称为LAT的最低气体温度。LAT是被引导通过上述热交換器的二次侧的待干燥的气体的最低出现温度。因此，LAT必须由放置在一位置的測量元件測量，在所述位置处预期温度等于冷干燥设备在操作时的气体的温度。当上述測量元件记录最低气体温度(LAT)由此可以发生冷凝物的冰冻时，控制单元将信号发送到控制阀以打开它。以该方式，一定量的冷却剂或额外量的冷却剂在压缩机之上经由上述旁通管被弓I导，使得冷却回路的冷却容量减小。如果最低气体温度(LAT)是零上ニ至三摄氏度以上，则控制阀闭合使得冷却回路的整个容量用于充分地冷却待干燥的气体。试验表明不容易将测量元件定位在热交換器上以测量最低气体温度(LAT)。然而，事实证明使用ー些热交換器不可能以上述方式測量最低气体温度(LAT)。显然在这样的情况下不能在对应于最低气体温度(LAT)的温度的基础上控制控制阀。另ー个缺点在于在某个时间点在热交換器的二次侧中在所測量温度和最低气体温度(LAT)的实际存在之间有一定的时间延迟。这意味着也以一定的时间延迟执行控制。又ー个缺点在于，在设备的高和低两种载荷下，所测量的最低气体温度(LAT)偏离气体的露点，使得仍然会发生冷凝物的冰冻。WO 2007/022604描述了ー种设备，所述设备配备有控制单元，第一测量元件连接 到所述控制単元以测量冷却剂温度并且第二測量元件连接到所述控制単元以测量最低气体温度(LAT)或露点。在该设备的ー个操作模式中，在最低气体温度的测量的基础上接通和切断冷却回路。在零载荷或小局部载荷的情况下，借助于呈流量传感器的形式的第三測量元件切断冷却回路。冷却剂温度的测量值用于控制冷却回路的旁通管中的控制阀。WO 2007/022604的这样的设备的缺点在于使用流量传感器使得成本増加并且设备更容易出故障，并且特别地取决于上述流量传感器的良好操作以能够使它适应于满负载或零载荷状态。这样设备的另ー个缺点在于测量最低气体温度(LAT)的測量元件在该情况下也布置在热交換器的外部。EP I. 103. 296描述了ー种设备，所述设备配备有两个测量元件以测量蒸发器温度和蒸发器压力，所述测量元件连接到控制单元以控制冷却回路中的压缩机的旋转速度并且控制旁通管中的控制阀。没有考虑最低气体温度(LAT)。根据EP I. 103. 296的设备的另ー个实施例，測量蒸发器温度和蒸发器压力的上述测量元件可以由用于确定最低气体温度(LAT)的測量元件代替，但是在这样的情况下没有考虑冷却回路中的冷却剂的温度。已经在上面论述了仅仅在来自测量最低气体温度(LAT)的測量元件的信号的基础上控制控制阀的这样实施例的缺点。如果控制仅仅基于冷却剂的测量温度，则控制将不是最佳的，原因是测量温度值然后不对应于露点。
发明内容
本发明的目的在于通过提供一种用于冷干燥气体的设备为上述和/或其它缺点中的ー个或多个提供解决方案，所述设备包括热交換器，所述热交換器的一次侧是冷却回路的蒸发器并且待干燥的气体被引导通过所述热交換器的二次侧，以冷却所述气体并且从所述气体冷凝出水蒸汽，所述冷却回路填充有冷却剂并且还包括压缩机和冷凝器以及在所述冷凝器的出口和上述蒸发器的入口之间的第一膨胀装置，由此提供将所述压缩机的排放侧连接到所述压缩机的进入侧的至少ー个旁通管，并且由此第二膨胀装置以及控制阀设在该旁通管中，所述控制阀由控制単元根据从ー个或多个测量元件接收的信号控制，由此根据本发明的具体特征，至少ー个測量元件是用于測量所述热交換器的所述二次侧中的所述气体的最低气体温度(LAT)或露点的測量元件，由此该测量元件直接设置在所述热交換器的所述二次侧的内部，由此至少一个附加測量元件是用于測量所述蒸发器中的所述冷却剂的温度的測量元件，由此上述控制单元带有算法，所述算法基于来自用于测量冷却剂温度的測量元件的信号确定所述设备是否在零载荷还是满负载下操作，并且在零载荷的情况下，仅仅在来自用于测量冷却剂温度的測量元件的信号的基础上控制所述控制阀，并且在满负载的情况下，仅仅在来自用于测量所述热交換器的所述二次侧中的所述气体的最低气体温度(LAT)或露点的測量元件的信号的基础上控制所述控制阀。根据本发明的设备的优点在于可以精确地测量所述气体的最低气体温度(LAT)或
藤^1^( O实际上，用于测量最低气体温度或露点的上述測量元件完全地或部分地放置在通过热交換器的二次侧的气流中，使得直接測量该气体的温度或露点。另ー个优点在于可以在没有时间延迟的情况下记录热交換器中的最低气体温度 (LAT)或露点，使得可以在没有时间延迟的情况下控制控制阀。当通过热交換器的二次侧的待干燥的气流很小或完全变为零时，设备的载荷很小或无载荷。通过测量冷却剂温度可以确定是否有零载荷状态。实际上，在零载荷的情况下冷却剂的温度减小。如果例如冷却剂温度小于典型地为_5°C的某个特征值，则控制阀适当地被控制并且被布置成打开状态使得冷却回路的容量减小。由此优点在于保护设备免于冰冻。优选地，上述控制单元带有算法，所述算法用于基于来自用于测量冷却剂温度的測量元件的測量信号确定所述设备的部分载荷状态，并且用于根据第一子算法或根据第二子算法控制所述控制阀，所述第一子算法基于来自用于测量所述热交換器的所述二次侧中的所述气体的最低气体温度(LAT)或露点的測量元件的信号，所述第二子算法基于来自用于测量冷却剂温度的測量元件的信号，由此在所测量的冷却剂温度的基础上进行所述第一子算法和所述第二子算法之间的选择。这样的优点在于设备自动地自适应变化载荷。本发明也涉及ー种用于冷干燥气体的方法，由此通过将该气体引导通过热交換器的二次侧以从气体冷凝出水蒸汽而冷却该气体，由此所述热交換器的一次侧是冷却回路的蒸发器，所述冷却回路包括冷却剤，并且由此该冷却回路还配备有压缩机、冷凝器以及在所述冷凝器的出口和所述蒸发器的入口之间的第一膨胀装置，并且由此提供将所述压缩机的排放侧连接到所述压缩机的进入侧的至少ー个旁通管，由此第二膨胀装置以及控制阀设在该旁通管中，所述控制阀由控制単元根据从ー个或多个测量元件接收的信号控制，由此根据本发明，所述控制単元基于冷却剂温度确定所述设备是在零载荷还是满负载下操作，并且在满负载下在由所述热交換器的所述二次侧的内部的至少ー个測量元件测量的最低气体温度(LAT)或露点的基础上控制所述控制阀，并且在零载荷下，在由位于所述蒸发器中的至少ー个附加测量元件测量的冷却剂温度的基础上控制所述控制阀。上述方法的优点类似干与根据本发明的设备相联系的优点。优选地，根据本发明的方法包括以下步骤比较所测量的冷却剂温度与最大阈值，并且当所测量的冷却剂温度高于该最大阈值时，认为所述设备处于满负载。根据本发明的优选特征，上述最大阈值是常数值，例如等于或大约等于2V。
应用这样的算法确定载荷状态的优点在于它很简单并且它不需要带有流量传感器以防止冰冻，使得可以节省成本并且设备不太容易出故障。当根据本发明的方法包括以下步骤时可以更好地获得这些优点比较所测量的冷却剂温度与最小阈值，并且当所测量的冷却剂温度低于该最小阈值时，认为所述设备处于零载荷。根据本发明的优选特征，上述最小阈值是常数值，例如等于或大约等于_5°C。
为了更好地说明本发明的特征，在下文中通过根据本发明设备的例子而非限制參考附图描述了优选实施例，其中图I显示了根据本发明的用于冷干燥气体的设备的框图。 图2显示了根据图I的变型。
具体实施方式
·在图I中示意性显示的用于冷干燥的设备I包括热交換器2，所述热交換器的一次侧形成冷却回路4的蒸发器3，在所述冷却回路中相继地带有压缩机5、冷凝器6和在该情况下呈膨胀阀的形式的第一膨胀装置7。冷却回路4填充有冷却剂，例如R404a，所述冷却剂的流动方向由箭头A指示。在热交換器2之后有设在管8中的液体分离器9。该管8的一部分在它到达热交換器2之前可以延伸通过预冷器或回热式热交換器10，并且然后在液体分离器9之后在相对于上述一部分的逆流中再次延伸通过回热式热交换器10。在该情况下压缩机5通过ー个旁通管11或将压缩机5的排放侧连接到压缩机5的进入侧的旁路被旁通，由此该进入侧在冷却回路4中位于蒸发器3的出口和压缩机5的入口之间。旁通管11配备有用于分支出来自冷却回路4的冷却剂的控制阀12。在上述控制阀12的下游设有第二膨胀装置，在该例子中所述第二膨胀装置以热气旁路的形式被构造。控制阀12连接到控制单元14,测量元件15-16也连接到所述控制单元。在该情况下測量元件采用温度传感器的形式。第一測量元件15由此直接设置在热交換器2的二次侧的内部以测量最低气体温度(LAT)。第二測量元件16被布置在蒸发器3中以测量冷却剂温度。设备I的操作很简单并且如下。气体或待干燥的气体的混合物(在该情况下是压缩空气)通过管8，并且因此在冷却回路4的蒸发器3中在与冷却流体相反的流动方向上通过热交換器2。在该热交換器2中，湿空气被冷却，使得形成在液体分离器9中被分离的冷凝物。在该液体分离器9之后包含较少湿气、但是仍然具有100%的相対湿度的冷空气在回热式热交換器10中被加热，使得相対湿度下降到最大50%，同时在该热交換器10中的待干燥的供应空气在加入热交換器2之前部分地被冷却。在热交換器10的出ロ处的空气因此比在热交換器10的入口处更干燥。为了防止蒸发器3冻结，热交換器2中的空气没有被冷却到低于LAT，所述LAT典型地为2°C至3°C或低于环境温度20°C。如果LAT太高，则空气不充分地冷却，并且因此没有足够的湿气被冷凝以充分地
干燥空气。上述LAT条件由控制单元14满足，所述控制单元适当地控制控制阀12，使得一定量的冷却剂被引导通过在压缩机5之上的旁通管11。以该方式可以改变和调节冷却回路4 的冷却容量。控制单元14基于所测量的最低气体温度LAT、并且也优选地如图中所示的基于冷却剂温度对控制阀12进行控制。因此当待干燥的供应空气的流量最大时，换句话说，在设备的满负载下，最低气体温度LAT用于控制控制阀12。在部分载荷下，在最低气体温度(LAT)和冷却剂温度的基础上控制控制阀12。为了在零载荷下防止蒸发器3冻结，冷却剂的温度用于控制控制阀12。实际上，在零载荷下冷却剂温度变得太低，典型地小于_5°C，然后将控制阀12置于打开状态。从前述内容可以清楚知道冷却剂温度用于确定设备I在什么时候处于无载荷或处于最小载荷，并且在零载荷的情况下，在冷却剂温度的基础上控制控制阀12。本发明的特征在于温度传感器15位于热交換器2的二次侧的内部，使得在一方面，可以精确地測量最低气体温度(LAT)，并且在另一方面，可以精确且有效地并且在没有时间延迟的情况下控制控制阀和由此控制待干燥的空气的最低气体温度(LAT)。为了测量最低气体温度(LAT)，温度传感器15优选地紧邻着热交換器2的带有冷却剂的热交換器的后方放置。优选地，在蒸发器3的入口处测量冷却剂温度，原因是当冷却剂进入蒸发器3吋，冷却剂达到循环中的其最低可能温度。在该情况下压缩机5是频率控制式机器，因此压缩机速度是可调节的，但是如图I中所示的实施例也可以被构造成具有在恒定或大致恒定转速下操作的压缩机。图2显示了根据本发明的设备的变型实施例，由此与如图I中所示的设备I的唯一区别在于设有第二旁通管17，在所述第二旁通管中设有第三膨胀装置18。第二旁通管17确保在蒸发器3的出ロ处的压カ不下降到低于某个最小值，从而防止了冻结。在该情况下，上述第三膨胀装置18采用热气旁路的形式。如图2中所示的实施例利用在恒定或大致恒定的速度下操作的压缩机5。这使压缩机5的复杂控制变得没有必要。尽管在图中热交換器2和10、管8和液体分离器9被显示为独立部件，但是它们也可以被包含到在图中被显示为虚线的单个部件19中，并且测量元件15和16放置在其中。热交換器2和液体分离器9之间的管部分8在这样的情况下实际上是非必要的，原因是液体分离器9可以被结合到热交換器2中。本发明决不被限制到作为例子被描述的且在图2中被显示的实施例，而是根据本发明的用于冷干燥的设备和方法可以在各种变型中实现而不脱离本发明的范围。
权利要求
1.一种用于冷干燥气体的设备，所述设备包括热交换器(2)，所述热交换器的一次侧是冷却回路(4)的蒸发器(3)，并且待干燥的气体被引导通过所述热交换器(2)的二次侧以冷却所述气体并且从所述气体冷凝出水蒸汽，所述冷却回路(4)填充有冷却剂并且还包括压缩机(5)、冷凝器(6)以及在所述冷凝器(6)的出口和所述蒸发器(3)的入口之间的第一膨胀装置(7)，并且至少一个旁通管(11)被设置用于将所述压缩机(5)的排放侧连接到所述压缩机(5 )的进入侧，并且第二膨胀装置(13 )以及控制阀(12 )设在所述旁通管(11)中，所述控制阀由控制单元(14)根据从一个或多个测量元件接收的信号控制， 其特征在于，至少一个测量元件是用于测量所述热交换器(2)的所述二次侧中的所述气体的最低气体温度(LAT)或露点的测量元件(15)，所述测量元件(15)直接位于所述热交换器(2)的所述二次侧的内部；至少一个附加测量元件是用于测量所述蒸发器(3)中的所述冷却剂的温度的测量元件(16);所述控制单元(14)带有算法，所述算法基于来自用于测量冷却剂温度的所述测量元件(16)的信号确定所述设备(I)是否在零载荷还是满负载下操作，并且在零载荷的情况下，仅仅在来自用于测量冷却剂温度的所述测量元件(16)的信号的基础上控制所述控制阀(12)，并且在满负载的情况下，仅仅在来自用于测量所述热交换器(2)的所述二次侧中的所述气体的最低气体温度(LAT)或露点的所述测量元件(15)的信号的基础上控制所述控制阀。
2.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，所述控制单元(14)带有算法，所述算法用于基于来自用于测量冷却剂温度的测量元件(16)的测量信号确定所述设备(I)的部分载荷状态，并且用于根据第一子算法或根据第二子算法控制所述控制阀(12)，所述第一子算法基于来自用于测量所述热交换器(2)的所述二次侧中的所述气体的最低气体温度(LAT)或露点的测量元件(15)的信号，所述第二子算法基于来自用于测量冷却剂温度的测量元件(16)的信号，在所测量的冷却剂温度的基础上进行所述第一子算法和所述第二子算法之间的选择。
3.根据权利要求I或2所述的设备，其特征在于，用于测量所述气体的最低气体温度(LAT)或露点的所述测量元件(15)紧接着位于所述热交换器(2)的所述二次侧中的具有冷却剂的热交换部分后方。
4.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，用于测量所述蒸发器中的冷却剂温度的所述测量元件(16)位于所述蒸发器(3)的入口处。
5.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述压缩机(5)是具有恒定转速或大致恒定转速的压缩机。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，第二旁路管(17)被设置用于将所述压缩机(5)的排放侧连接到所述压缩机(5)的进入侧，并且第三膨胀装置(18)设在所述第二旁路管(17)中。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第三膨胀装置(18)以热气体旁路的形状实现。
8.一种用于冷干燥气体的方法，通过将气体引导通过热交换器(2)的二次侧以从气体冷凝出水蒸汽而冷却该气体，所述热交换器(2)的一次侧是冷却回路(4)的蒸发器(3)，所述冷却回路(4)包括冷却剂，并且所述冷却回路(4)还配备有压缩机(5)、冷凝器(6)以及在所述冷凝器的出口和所述蒸发器(3)的入口之间的第一膨胀装置(7)，并且至少一个旁通管(11)被设置用于将所述压缩机(5)的排放侧连接到所述压缩机(5)的进入侧，第二膨胀装置(13)以及控制阀(12)设在所述旁通管中，所述控制阀由控制单元(14)根据从一个或多个测量元件接收的信号控制， 其特征在于，所述控制单元(14)基于冷却剂温度确定所述设备(I)是在零载荷下还是在满负载下操作，并且在满负载下在最低气体温度(LAT)或露点的基础上控制所述控制阀(12)，所述最低气体温度或露点由位于所述热交换器(2)的所述二次侧的内部的至少一个测量元件(15)测量，并且在零载荷下在冷却剂温度的基础上控制所述控制阀，所述冷却剂温度由位于所述蒸发器(3)中的至少一个附加测量元件(16)测量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤比较所测量的冷却剂温度与最大阈值，并且当所测量的冷却剂温度高于所述最大阈值时，则认为所述设备(I)处于满负载下。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述最大阈值是常数值。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述最大阈值等于或几乎等于2°C。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤比较所测量的冷却剂温度与最小阈值，并且当所测量的冷却剂温度低于所述最小阈值时，则认为所述设备(I)处于零载荷下。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述最小阈值是常数值。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述最小阈值等于或几乎等于-5°C。
15.根据权利要求8至14中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述设备(I)的部分载荷下，根据来自测量所述热交换器(2)的所述二次侧中的所述气体的最低气体温度(LAT)或露点的测量元件(15)的信号或根据来自测量冷却剂温度的测量元件(16)的信号来控制所述控制阀(12)，在所测量的冷却剂温度的基础上进行上述两个控制之间的选择。
16.根据权利要求8至15之一所述的方法，其特征在于，所述压缩机(5)在大致恒定速度下运转。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，设有将所述压缩机(5)的排放侧连接到所述压缩机(5 )的进入侧的第二旁路管(17)，在所述第二旁路管(17 )中设有第三膨胀装置(18)。
全文摘要
一种用于冷干燥气体的设备，所述设备包括热交换器(2)，所述热交换器的一次侧是冷却回路(4)的蒸发器(3)，并且待干燥的气体被引导通过所述热交换器(2)的二次侧以冷却所述气体，并且从所述气体冷凝出水蒸汽，由此至少一个旁通管(11)设有(5)控制阀(12)，所述控制阀由控制单元(14)根据从用于测量所述热交换器(2)的所述二次侧中的所述气体的最低气体温度(LAT)或露点的测量元件(15)中接收的信号控制，由此该测量元件(15)直接定位在所述热交换器(2)的所述二次侧的内部，测量元件(16)用于测量所述蒸发器(3)中的所述冷却剂的温度。
文档编号F25B49/02GK102686299SQ201080047986
公开日2012年9月19日 申请日期2010年11月8日 优先权日2009年11月24日
发明者F·C·A·巴尔蒂, F·J·E·鲁兰茨, J·H·R·德赫特 申请人:阿特拉斯·科普柯空气动力股份有限公司