换热器中温度分布的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及换热器中温度分布的控制方法。
【背景技术】
[0002] 这类换热器由现有技术已知且用于在至少两种流体媒介之间的间接换热。在换热 器形式为螺旋缠绕型换热器的情况下，形成管束的多个管道围绕芯管螺旋地缠绕，包封管 束的承压壳体限定围绕管束的壳体空间以用于接收一种媒介，而另一媒介在所述管束中携 载，以使得两种媒介能够进入所述间接换热。芯管尤其沿纵向轴线延伸，所述纵向轴线相对 于按期望设置的换热器或壳体的状态与竖直线重合。这种螺旋缠绕型换热器例如从文献 W02007/014617 和TO2007/009640 已知。
[0003] 此外，换热器也可以形成为直管型换热器。在这种情况下，管束的所述管道沿换热 器的壳体的纵向轴线（该纵向轴线优选水平定向）直线地或U形地延伸，并且锚固在换热 器的管板中。
[0004] 此外，这种换热器也可以是板式换热器，所述板式换热器具有并联于彼此设置的 多个板，散热片相应地设置在两个邻近板之间，以使得能够被媒介流过的多个并联通道形 成在邻近板之间。散热片被已知为侧杆（也称为边缘条杆）的杆界定到侧部，所述杆被焊 接到相邻板（和散热片）。以这种方式，形成板式换热器的多个并联换热通道，以使得例如 各种媒介能够配置成在换热通道中逆流地穿过彼此，以实施间接换热。
[0005]此外，已知存在形式为蓄热器（regenerator)的换热器，在所述换热器中，旨在进 入热交换的媒介被相继地引入换热器，即，在此，例如由第一媒介给予换热器的热量被传递 到随后的第二媒介。
[0006] 就前述设备而言，尤其关注能够在能量方面以最佳方式操作所述设备。例如，在使 用螺旋缠绕型换热器的情况下，期望的是实现液相或媒介遍及所述管束的分布，该分布在 壳体空间中尽可能均匀，以能够尽可能高效地操作换热器。直管型或板式换热器也有类似 问题，在这种情况下同样地应该避免可能的夹点（pinchpoint)(在换热器中携载的两种媒 介之间的最小温差）和不均匀载荷，以及最佳地使用加热表面。
【发明内容】
[0007]本发明对应地处理提供用于控制换热器中的温度的方法的问题，所述方法使得相 应的设备可以在能量方面以最佳方式操作。
[0008]这个问题通过具有权利要求1的特征的换热器中温度分布的控制方法解决。
[0009]在使用根据本发明的方法的情况下，这使得换热器中的实际温度分布借助于设置 在换热器中、尤其形式为玻璃纤维或一些其他光学纤维的至少一个光波导件测量，光被射 入至少一个光波导件并且在所述至少一个光波导件中散射的光被评估以用于确定实际温 度分布，并且在换热器中携载的流体媒介的至少一个流被控制以使得实际温度分布配置成 近似预先设定的目标温度分布。
[0010] 为了评估散射光，优选测量装置连接到至少一个光波导件，所述测量装置被安装 且旨在借助于所述光波导件测量换热器中的实际温度分布。
[0011] 为此目的，所述测量装置优选设计成或被用于将光或光学信号引入所述至少一个 光波导件且以已知方式评估波导件中后向散射的光。这利用射入光波导件且后向散射的光 学信号是高度地随温度变化的事实，并且因此适用于测量光波导件附近区域的温度。允许 温度以充分高的精确度在波导件的任何期望点处确定的多个程序存在以用于评估波导件 的这种光学信号。
[0012] 在根据本发明的方法的优选实施方式中，测量装置被安装且旨在评估通过至少一 个光波导件后向散射的光，所述光通过引入波导件的光的拉曼（Raman)散射而生成。这利 用光波导件一般由掺杂石英玻璃（非晶质固态结构，主要由二氧化硅构成）生成的事实。在 这些非晶质固态结构中，晶格振动由热效应引发。这种晶格振动是随温度变化的。对波导 件中的分子或颗粒撞击的光因此进入与分子的电子的相互作用。这种相互作用也称为拉曼 散射。后向散射的光能够被分成三个光谱组。除了对应于入射光波长的瑞利（Rayleigh) 散射，还存在已知的斯托克斯分量（Stokescomponent)和反斯托克斯分量（anti-Stokes component)。与朝向较高波长转移且仅稍微随温度变化的斯托克斯分量相反，朝向较小波 长转移的反斯托克斯分量是高度地随温度变化的。测量装置因此优选设计成计算在斯托克 斯和反斯托克斯分量之间的强度比，测量装置为此目的优选设计成计算这两个后向散射分 量的傅里叶变换（Fouriertransform)且将之与参考信号的傅里叶变换比较。这给出在光 波导件长度上的两个分量的强度。因此，对于光波导件的每个点的温度能够通过比较两个 强度确定。
[0013] 根据本发明的方法另一变型，其设置成温度确定通过评估瑞利散射发生。为此目 的，测量装置优选具有相干频域反射计（也称为c-OFDR，即，coherentOpticalFrequency DomainRef1ectometer)，在所述相干频域反射计中，可调谐激光的光被射入Mach-Zehnder 干涉仪，所述干涉仪将光分成两个路径，光波导件形成一个路径且另一路径是长度已知的 参考路径。来自光波导件的瑞利散射光与来自参考路径的光分量叠加且被检测。当调谐激 光波长时，周期信号由此在检测器处生成，所述周期信号的频率取决于光波导件的相应散 射位置。能够通过傅里叶变换获取的这个信号的各个频率因此对应于光波导件中的散射位 置；其频率含量的幅度指明相应反射的强度。< 〇. 1_的分辨率能够在此实现。
[0014]光波导件（诸如，例如，玻璃纤维）中的瑞利散射通过在光波导件的局部效应/干 扰处的弹性散射过程而生成。如果这种玻璃纤维借助于c-OFDR扫描，则获得沿玻璃纤维的 作为玻璃纤维特征的瑞利散射的波动强度特征曲线，当存在温度改变（纤维的空间范围的 改变）时，特征曲线在空间上被伸展或压缩，由此沿玻璃纤维的温度能够被计算。测量装置 对应地优选配置成将信号沿玻璃纤维分成邻近节段（例如多1mm)且使对应的信号变换成 频域。由此，对于每个节段，波动的反射图案依据频率获得。玻璃纤维的温度或应变的改变 引起频移，所述频移尤其与相应节段中的玻璃纤维温度的改变成正比。测量装置对应地优 选设计成基于相应频移确定玻璃纤维或光波导件的（局部）温度。
[0015] 在根据本发明的方法的另一实施方式中，温度测量通过评估光学信号发生，诸如 通过光波导件的布里渊（Brillouin)散射生成。在这种情况下，温度测量基于在引入光波 导件的主要光波和由于布里渊散射到波导件中且后向散射引发的波之间的参考频率的空 间解析确定，所述波在其频率上相较于主要波依据温度减小。测量装置因此优选设计成将 脉冲主要光波引入波导件且对于不同频差以时间解析方式检测后向散射光，以及利用脉冲 转换时间的信息以空间解析的方式确定基于温度改变的频移。因此，同样在本发明的这个 构型中，在光波导件的任何期望点处的温度能够通过评估后向散射的光学信号确定。
[0016] 在本发明的另一实施方式中，设想到通过评估诸如通过在Bragg光栅处的散射而 生成的光学信号测量温度。Bragg光栅是在光波导件中记录的光学带通过滤器，所述光学 带通过滤器能够以几乎任何期望的次数放置在光波导件中。带阻过滤器的中央波数在此通 过Bragg条件指明。带阻过滤器的光谱宽度不仅取决于光栅的长度和折射率、而且取决于 温度。测量装置于是对应地设计成以在光波导件上变化的给定光栅长度和给定折射率、通 过带阻过滤器的宽度确定Bragg光栅的相应位置处的温度。
[0017] 由于根据本发明的温度测量方法的高分辨率，实际温度分布能够优选作为三维实 际温度分布或作为三维实际温度特征曲线被测量。这尤其意味着温度能够对于空间中三维 分布的多个测量位置精确指定。为此目的，所述至少一个光波导件或多个这种光波导件沿 期望的测量位置放置，以使得所述至少一个光波导件或多个这种光波导件从一个测量位置 延伸到另一测量位置。光波导件中的测量位置在这种情况下非常靠近在一起地放置，因为 前述评估方法具有相对高的空间分辨率。
[0018] 在根据本发明的方法的变型中，其设置成换热器具有管束，所述管束具有多个管 道，所述多个管道设置在换热器的承压壳体空间中，所述实际温度分布优选借助于设置在 换热器的管道的内部空间中的至少一个光波导件或借助于替换性地或附加地在换热器的 壳体空间中设置在换热器的管道外侧上的光波导件确定，所述换热器优选形成为螺旋缠绕 型换热器或直管型换热器（见上）。在此当然可以给换热器的管束的管道中的每个设置在 相应管道中和/或相应管道上延续的光波导件，光波导件继而优选被带到一起且联接到上 述测量装置中。
[0019] 换热器的管束的所述管道优选形成管束的能够被所述媒介分开地填充的多个区 段，各个区段分别被媒介流如此填充以使得实际温度分布配置成近似目标温度分布。所述 区段优选是径向区段，即，管束的管道围绕被配给的芯管如此缠绕以便至少形成管束的围 绕芯管延续的第一区段和管束的与第一区段分离且围绕芯管延续的第二区段，第二区段包 围第一区段或至少局部地穿过第一区段，两个区段均具有至少一个配给入口，以使得两个 区段能够被所述媒介分开地填充（已知为管道侧控制）。管束当然能够以这种方式被分成 能够分开填充的任何期望个数的各个区段，所述区段以沿管束的径向方向一个在另一个之 上或至少部分地穿过彼此的方式放置。
[0020] 借助于控制器，所述媒介经由第一区段的入口的供应继而优选与媒介经由第二区 段的入口的供应分开地控制。在此，控制器优选包