CN108474721B

CN108474721B - 具有带可变压力水平的液体容器的、用于冷却设备的测试旁路

Info

Publication number: CN108474721B
Application number: CN201680076556.6A
Authority: CN
Inventors: J.希尔登博伊特尔; H.威廉
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2036-10-20
Also published as: JP6914253B2; DE102015013835A1; JP2019500586A; KR20180121870A; EP3368876B1; EP3368876A1; US20180321115A1; WO2017072023A1; CN108474721A; US10801925B2

Abstract

本发明涉及一种用于模拟由消耗装置(V)引入到冷却设备(1)的过程介质(M)中的等温和非等温加热负载的方法，所述模拟借助于测试旁路(2)；并且本发明还涉及此类测试旁路(2)以及具有此类测试旁路的冷却设备。

Description

具有带可变压力水平的液体容器的、用于冷却设备的测试旁路

技术领域

本发明涉及一种用于模拟冷却设备中的热负载的方法，并且还涉及一种测试旁路以及一种具有此类测试旁路的冷却设备。

背景技术

过去采用以下方法来模拟冷却设备中的热负载：

(1)从至消耗装置的进入流至来自消耗装置的返回流的旁路设有加热器件，过程介质流动穿过该加热器件，以便执行以下功能中的一个：

(i)模拟非等温负载。利用该布置，在任何时候都不为介质两相范围内的过程；

(ii)模拟等温负载。利用该布置，在加热器件上游的进入流中的比焓必须低于临界点处的比焓。此外，加热之后的比焓必须等于饱和蒸汽的比焓。饱和蒸汽的过程压力接着对应于返回流中的过程压力；

(iii)模拟包括等温负载和非等温负载的累积负载。利用该布置，在加热器件上游的进入流中的比焓必须低于临界点处的比焓。此外，加热之后的比焓必须大于饱和蒸汽的比焓。饱和蒸汽的过程压力接着对应于待模拟的消耗装置中的过程压力，该压力高于返回流中的压力。

在旁路中设置在上游或下游的调节阀调节进入流压力、返回流压力，或测试旁路中的质量流量，或者设定至固定位置。

(2)加热器件安装在过程中提供的液体容器中，以便借助于过程介质的蒸发焓来模拟等温负载。利用该布置，在加热器件上游的进入流中的比焓必须低于临界点处的比焓。此外，加热之后的比焓必须等于饱和蒸汽的比焓。此处，饱和蒸汽的过程压力对应于液体容器和返回流中的过程压力，这是由于在容器与返回流之间没有安装调节阀。如果调节阀安装在进入流与容器之间的旁路中，则该调节阀将调节进入流压力、返回流压力，或测试旁路中的质量流量。

为了采用加热器件来模拟等温和非等温负载的静态过程，(1)(iii)，在进入流(“向前流”)与返回流之间的测试旁路中，必要的是知道以下四个过程数据中的三个，以便计算缺乏的值(考虑到能量守恒)：

(1)进入流中的过程介质的“状态点”；

(2)返回流中的过程介质的“状态点”；

(3)引入的热负载(等温加非等温)；

(4)过程介质的质量流量。

这些“状态点”例如借助于温度和压力传感器来确定，并且质量流量例如由孔口或科里奥利测量来测量。

冷却设备的一种应用用于借助于液体浴来冷却腔。此处，使用过程介质的蒸发焓来补偿腔中的热输入。

为了维持浴中的恒定水平(即，为了提供准静态过程)，在蒸发质量与经由冷却设备液化的质量流量之间必须存在平衡。

为了该目的，过程介质在输送管线中从冷却装置运输至消耗装置，并且闪蒸气体返回(至冷却设备，或加热器件，其将过程介质加热至周围温度)。利用该布置，闪蒸气体可作用为同轴管线中的屏蔽气体，以便使内部进入流上的热负载最小化。屏蔽流上的热负载(该热负载由热辐射组成)和对流传导热传递导致到返回流中的非等温热输入。

为了模拟测试旁路中的等温和非等温热负载的该组合，需要许多次测量(见上文)。然而，在低温应用中，获得过程介质的状态值和质量流量的测量为非常昂贵的，并且测量容差经常显著地高于在较高温度下的测量。因为经受容差的所有测量结果在计算待确定的过程变量时采用，所以结果对应地不准确。

因此，本发明的潜在问题在于设计一种方法，该方法实现等温热负载和非等温热负载的组合在具有相对少量的所需测量结果的冷却设备的过程介质上的模拟，并且实现测量结果的全局容差的最小化。

发明内容

该问题由具有本文中阐述的特征的方法来解决。

发明的方法的有利改进在本文中阐述，并且将在下文中描述。

本发明的附加方面在本文中要求权利，并且将在下文中进一步描述。

根据本发明，提供了一种用于借助于测试旁路模拟由消耗装置强加在冷却设备的过程介质中的等温或非等温加热负载的方法，该旁路提供了在冷却设备的“向前流”与冷却设备的“返回流”之间的流连接，该“向前流”设计和提供成使过程介质从冷却设备经过至消耗装置，该返回流设计和提供成使过程介质从消耗装置经过至冷却设备，其中所述测试旁路具有至少一个调节阀、用于将等温加热负载引入到过程介质中的第一加热器件、容器，以及用于将非等温加热负载引入到过程介质中的第二加热器件，其中，在该方法中，过程介质经由测试旁路(因此绕过消耗装置)从进入流(“向前流”)经过至返回流，其中在测试旁路中，借助于第一加热器件，预限定的等温加热负载引入到过程介质中，并且借助于第二加热器件，预限定的非等温加热负载引入到过程介质中，其中借助于至少一个调节阀，过程压力建立在等温加热负载引入到其中的容器中，以使在容器中维持过程介质的恒定水平的液相，其中在测试旁路中，过程介质的状态在特定点处测量，并且其中，使用等温加热负载的状态的值和过程压力的值，计算在所述点处的过程介质的质量流量。

如果消耗装置或测试旁路连接于冷却设备，则过程介质用于将冷却设备中产生的冷却运输至消耗装置或测试旁路。在消耗装置或测试旁路中加热的冷却剂(或过程介质)传回至冷却设备，以使冷却剂环路建立。

借助于发明的测试旁路，连接于或待连接于冷却设备的消耗装置可以以有利的方式模拟。可能的是，在执行该方法期间，消耗装置连接于冷却设备。然而，这不是必要的。

根据本发明，使用在布置中获得的信息，以使饱和蒸汽将在容器上游和下游流动。换句话说，至少一个调节阀用于调节过程介质的压力，使得在容器的入口处和在容器的出口处，呈饱和蒸汽形式的过程介质流动。

在本上下文中，在测试旁路中的点处的过程介质的“状态”理解为意指在所述点处的过程介质的热力学状态，其例如通过指定在给定点处的过程介质的压力和温度而完全地确定。

根据发明的方法的优选实施例，进一步提供，在描述的点处的过程介质的状态的测量包括在所述点处的过程介质的温度的测量和过程介质的压力的测量。

根据发明的方法的优选实施例，进一步提供，在测试旁路中的第二点处，测量了过程介质的压力或温度，并且借助于该压力或该温度并借助于计算的质量流量和已知的非等温加热负载Q_5-6，确定了测试旁路中的第二点处的过程介质的状态(例如，压力和温度)。

根据发明的方法的另一优选实施例，进一步提供，第一加热器件设置在容器上游或在容器中，并且第二加热器件设置在容器下游。

根据发明的方法的再一优选实施例，进一步提供，至少一个调节阀设置在第一加热器件上游，或者设置在第一加热器件下游和在容器上游，如果第一加热器件不设置在容器中。

根据发明的方法的又一优选实施例，进一步提供，至少一个调节阀设置在第二加热器件下游，或者设置在第二加热器件上游和在容器下游。因此，各种地点对于至少一个调节阀的设置而言为可能的。

根据发明的方法的优选实施例，可提供多个调节阀。因此，除了设在容器上游的至少一个调节阀(见上文)之外，为了调节容器中的压力，测试旁路可具有附加的调节阀，其设置在例如第二加热器件下游，或者设置在例如容器下游和在第二加热器件上游。

此外，测试旁路的上述点(在该点处，测量了过程介质的状态)可为以下点中的一个(取决于(多个)调节阀的(多个)设置)：设置在至少一个调节阀上游和/或在第一加热器件上游的点；设置在至少一个调节阀下游和在第一加热器件上游的点；设置在至少一个调节阀下游和/或在第二加热器件下游的点；设置在至少一个调节阀上游和在第二加热器件下游的点；设置在第二调节阀下游和在第二加热器件下游的点；设置在第二调节阀上游和在第二加热器件下游的点。

此外，根据本发明的另一方面，提出了具有根据本文中所述的特征的测试旁路。

根据本发明，该旁路构造成使冷却设备的过程介质从冷却设备的“向前流”经过至冷却设备的返回流，并且优选地用于执行发明的方法。描述的旁路具有至少一个调节阀、用于将等温加热负载引入到在测试旁路中经过的过程介质中的第一加热器件，用于容纳过程介质的容器，和用于将非等温加热负载引入到过程介质中的第二加热器件，以及用于测量在测试旁路的点处的过程介质的状态的器件，和用于测量在测试旁路的第二点处的过程介质的压力或温度的器件。

根据发明的测试旁路的优选实施例，提供，第一加热器件设置在容器上游或在容器中，并且第二加热器件设置在容器下游。

根据发明的测试旁路的另一优选实施例，提供，至少一个调节阀设置在第一加热器件上游，或者至少一个调节阀设置在第一加热器件下游和在容器上游(如果第一加热器件不设置在容器中)。

根据发明的测试旁路的再一优选实施例，提供，至少一个调节阀设置在第二加热器件下游，或者至少一个调节阀设置在容器下游和在第二加热器件上游。

根据发明的测试旁路的又一优选实施例，提供，测试旁路具有第二调节阀，用于调节容器中的压力，该阀设置在第二加热器件下游，或者设置在第二加热器件上游和在容器下游。

根据发明的测试旁路的优选实施例，提供，测量过程介质的状态的点为以上结合该方法描述的点中的一个。

此外，根据本发明的另一方面，公开了一种具有根据本文中所述的特征的冷却设备。

冷却设备用于借助于过程介质提供冷却，该冷却设备具有发明的测试旁路，该发明的测试旁路提供了冷却装置的“向前流”与冷却装置的返回流之间的流连接(见上文)。

附图说明

本发明的附加特征和优点将在下文中借助于本发明的示例性实施例和附图来描述。

图1为根据本发明的实施例的冷却设备中的测试旁路的示意图。

具体实施方式

图1示出了冷却设备1，其中将模拟等温和非等温加热负载的组合，该负载可例如由消耗装置V(也在图1中示出)产生。为了模拟加热负载，根据本发明采用测试旁路2，其提供冷却设备1的“向前流”A与冷却设备1的返回流B之间的流连接。

其中过程介质M围绕消耗装置V经过或者越过消耗装置V(以便绕过消耗装置V)并且发送至返回流B的测试旁路2具有第一加热器件H1，第一加热器件H1将确定的等温负载Q_2-3引入到过程中。在第一加热器件H1下游提供用于容纳过程介质M的容器G，并且在容器G下游提供第二加热器件H2。借助于设置在第一加热器件H1上游(调节阀CV1)或在第二加热器件H2下游(调节阀CV2)的调节阀CV1或CV2，过程压力p4在液体容器G中建立(调节)，其中引入了等温负载Q_2-3。

借助于在点Z1处的过程状态测量器件(由合适的器件4测量例如温度和压力)，并且了解施加的负载Q_2-3和压力p4，并且考虑到能量平衡，可确定点Z1处的质量流量m。关于这一切假定，准静态过程为有效的，并且因此液体容器G中的水平测量器件LI4显示恒定的水平。就此而论，采用热力学约束：过程压力p4下的饱和蒸汽在点Z3和Z5处流动。一旦质量流量m为已知的，则测试旁路2中的各个状态点处的状态可经由已知的加热负载Q_5-6确定，如果压力测量结果对于各个位置而言为可获得的(例如[经由]器件5)。大体上，用于测量压力和/或温度的器件可设在测试旁路2的点中的各个(例如，点Z1至Z7)处。

在考虑中的准静态情况下(在容器G中具有恒定的液相水平)，接着对于在点Z1至Z7处质量流量相对于时间的导数而言，事实如下：

dm/dt(1)= dm/dt(2)= dm/dt(3)= dm/dt(5)= dm/dt(6)= dm/dt(7)

LI4 =常数。

此外，对于在独立的点Z1至Z7处的比焓而言：

h₁ = h₂

h₃ = h₅ =h_{saturated vapor} (在p4处)

h₆ = h₇；以及

Q_2-3 = dm/dt *(h₃-h₂)= dm/dt *( h_{saturated vapor} (在p₄处)-h₂)

Q_5-6 = dm/dt *(h₆-h₅)= dm/dt *(h₆-h_{saturated vapor} (在p₄处))。

此处，h_x表示在测试旁路2的点x处的比焓，p_x表示在点x处的静态压力，Q_x-x+1表示在点x与点x+1之间引入至过程的加热负载，并且LI4表示液体容器G中的测量水平。

使用以上等式，期望的量可容易地计算。

因此，借助于引入的热、Q_2-3以及在“状态点”Z4和(原文如此)已知的“状态点”Z1处的已知压力p4，人们可确定质量流量。

以下为已知的：

h₁(p1,T1)= h₂，

h₅ = h_{saturated vapor} (p4)。

将确定以下：

dm/dt = Q_2-3/(h₅-h₂)= Q_2-3/(h_{saturated vapor}(p4)-h₁(p1,T1))。

使用发明的布置和方法，有利地，使所需的测量次数和测量的总体容差最小化为可能的。关于布置获得的信息利用成使得饱和蒸汽在液体容器G上游和下游流动。

此外，利用附加调节阀CV2(例如，在第二加热器件H2下游)的引入，可设定容器中的p1和p7之间的任何压力，其中p1为Z1处的压力并且p7为Z7处的压力，并且由此不同模式的等温负载可在对应的不同温度水平下模拟。此外，在等温负载Q_2-3(来自加热器件H1)与非等温负载Q_5-6(来自加热器件H2)之间存在明显的差异，这可在验收测试期间且对于设备的调节而言为有利的。加热器件H1和H2可为例如电加热器件。

代替在“状态点”Z1处进行的测量，可在另一点处(在“状态点”Z2,Z6或Z7处)进行测量，或者可测量质量流量m，并且接着在其它“状态点”的值可从其导出。

代替压力测量，可进行温度测量，从中可针对确切“状态点”获得任何点处的值。

在备选实施例(未示出)中，第一加热器件H1可设置在调节阀CV1上游或在液体容器G中。备选地或此外，第二加热器件H2可设置在第二调节阀CV2下游(图中未示出)。

部件列表

1冷却设备

2测试旁路

4用于测量过程介质的状态的器件

5用于测量压力或温度的器件

CV1,CV2调节阀

G容器

H1第一加热器件

H2第二加热器件

LI4容器中的过程介质的水平

M过程介质

Z1至Z7测试旁路的点

A进入流(“向前流”)

B返回流

V消耗装置。

Claims

1.一种用于借助于测试旁路(2)模拟由消耗装置(V)强加在冷却设备(1)的过程介质(M)中的等温或非等温加热负载的方法，其中提供所述冷却设备(1)的“向前流”(A)与所述冷却设备(1)的返回流(B)之间的流连接，其中所述测试旁路(2)包括至少一个调节阀(CV1,CV2)、用于引入所述等温加热负载的第一加热器件(H1)、容器(G)以及用于引入所述非等温负载的第二加热器件(H2)，其中在所述过程中，所述过程介质(M)通过所述测试旁路(2)从所述“向前流”(A)经过至所述返回流(B)，其中在所述测试旁路(2)中，借助于所述第一加热器件(H1)，预限定的等温加热负载引入到所述过程介质(M)中，并且借助于所述第二加热器件(H2)，预限定的非等温加热负载引入到所述过程介质(M)中，其中借助于所述至少一个调节阀(CV1,CV2)，过程压力(p4)建立在所述等温加热负载引入到其中的所述容器(G)中，以使在所述容器(G)中，维持所述过程介质(M)的恒定水平(LI4)的液相(F)，其中在所述测试旁路(2)中，所述过程介质(M)的状态在一个点(Z1,Z2,Z6,Z7)处测量，并且其中，使用所述等温加热负载的所述状态的值，和所述点(Z1,Z2,Z6,Z7)处的所述过程压力(p4)的值，计算所述(Z1,Z2,Z6,Z7)点处的所述过程介质(M)的质量流量(m)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在描述的点(Z1,Z2,Z6,Z7)处的所述过程介质(M)的所述状态的测量结果包括在所述点(Z1,Z2,Z6,Z7)处的所述过程介质(M)的温度的测量结果和所述过程介质(M)的压力的测量结果。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述测试旁路(2)中的第二点处，测量所述过程介质(M)的压力或温度，并且借助于该压力或该温度，确定所述计算的质量流量(m)和已知的非等温加热负载(Q_5-6)、所述测试旁路(2)中的所述第二点处的所述过程介质(M)的状态。

4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述第一加热器件(H1)设置在所述容器(G)上游或在所述容器(G)中；并且其中所述第二加热器件(H2)设置在所述容器(G)下游。

5.根据权利要求1至权利要求3中的一项所述的方法，其特征在于，第一调节阀(CV1)设置在所述第一加热器件(H1)上游，或者其中所述第一调节阀(CV1)设置在所述第一加热器件(H1)下游和在所述容器(G)上游。

6.根据权利要求1至权利要求3中的一项所述的方法，其特征在于，第二调节阀(CV2)设置在所述第二加热器件(H2)下游，或者其中所述第二调节阀(CV2)设置在所述容器(G)下游和在所述第二加热器件(H2)上游。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述测试旁路(2)具有第二调节阀(CV2)，用于调节所述容器(G)中的所述压力(p4)，所述第二调节阀设置在所述第二加热器件(H2)下游，或者设置在所述容器(G)下游和在所述第二加热器件(H2)上游。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述点(Z1,Z2,Z6,Z7)为所述测试旁路(2)的以下点中的一个：

点(Z1)，其设置在所述第一调节阀(CV1)上游和/或在所述第一加热器件(H1)上游；

点(Z2)，其设置在所述第一调节阀(CV1)下游和在所述第一加热器件(H1)上游；

点(Z7)，其设置在第二调节阀(CV2)下游和/或在所述第二加热器件(H2)下游；

点(Z6)，其设置在第二调节阀(CV2)上游和在所述第二加热器件(H2)下游。

9.一种用于使冷却设备(1)的过程介质(M)从所述冷却设备(1)的“向前流”(A)经过至所述冷却设备(1)的返回流(B)的测试旁路(2)，其中所述测试旁路(2)具有呈串联连接关系的、至少一个调节阀(CV1,CV2)、用于引入等温加热负载的第一加热器件(H1)、容器(G)，和用于引入非等温加热负载的第二加热器件(H2)，以及用于在所述测试旁路的一个点(Z1,Z2,Z6,Z7)处测量所述过程介质(M)的状态的器件(4)，和用于在所述测试旁路(2)的第二点处测量所述过程介质(M)的压力或温度的器件(5)，其中借助于所述至少一个调节阀(CV1,CV2)，过程压力(p4)建立在所述等温加热负载引入到其中的所述容器(G)中，以使在所述容器(G)中，维持所述过程介质(M)的恒定水平(LI4)的液相(F)。

10.根据权利要求9所述的测试旁路，其特征在于，所述第一加热器件(H1)设置在所述容器(G)上游或在所述容器(G)中；并且其中所述第二加热器件(H2)设置在所述容器(G)下游。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的测试旁路，其特征在于，第一调节阀(CV1)设置在所述第一加热器件(H1)上游，或者所述第一调节阀(CV1)设置在所述第一加热器件(H1)下游和在所述容器(G)上游。

12.根据权利要求9至权利要求10中的一项所述的测试旁路，其特征在于，第二调节阀(CV2)设置在所述第二加热器件(H2)下游；或者其中所述第二调节阀(CV2)设置在所述容器(G)下游和在所述第二加热器件(H2)上游。

13.根据权利要求11所述的测试旁路，其特征在于，所述测试旁路(2)具有第二调节阀(CV2)，用于调节所述容器(G)中的所述压力(p4)，所述第二调节阀(CV2)设置在所述第二加热器件(H2)下游，或者设置在所述容器(G)下游和在所述第二加热器件(H2)上游。

14.根据权利要求11所述的测试旁路，其特征在于，所述点(Z1,Z2,Z6,Z7)为所述测试旁路(2)的以下点中的一个：

15.根据权利要求9所述的测试旁路，其特征在于，所述测试旁路(2)用于根据权利要求1至权利要求8中的一项所述的方法中。

16.一种用于提供冷却的冷却设备(1)，其中所述冷却设备(1)具有根据权利要求9至权利要求15中的一项所述的测试旁路(2)，其中所述测试旁路(2)提供所述冷却设备的“向前流”(A)与所述冷却设备(1)的返回流(B)之间的流连接。