Способ обеспечения бесперебойного охлаждения в чиллерных системах с замкнутым контуром жидкостного охлаждения
Владельцы патента RU 2698148:
Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" (RU)
Изобретение относится к области теплоэнергетики и предназначено для применения в системах жидкостного охлаждения при помощи холодильных машин - чиллеров (далее - чиллерных системах) с замкнутым контуром, от которых требуется высокая надежность и бесперебойная работа, в том числе в чиллерных системах, изначально не предназначенных для бесперебойного охлаждения. Технической проблемой изобретения является создание простого, надежного, с малыми массогабаритными показателями способа бесперебойного охлаждения в чиллерных системах с замкнутым контуром жидкостного охлаждения при прогнозируемых перебоях электропитания, отказе, остановке чиллера или циркуляционного насоса, в том числе в уже существующих чиллерных системах, изначально не предназначенных для бесперебойного охлаждения, без изменения заводской конструкции таких систем. Для способа обеспечения бесперебойного охлаждения в чиллерных системах с замкнутым контуром жидкостного охлаждения выявлены основные общие с прототипом существенные признаки, такие как: чиллер, расширительный бак, гидроаккумулятор, насосная группа, состоящая по меньшей мере из двух циркуляционных насосов, охлаждаемое оборудование и соединяющие их трубопроводы, в которых по замкнутому контуру циркулирует теплоноситель. Поставленная техническая проблема решается благодаря тому, что по замкнутому контуру поддерживают циркуляцию теплоносителя по меньшей мере двумя циркуляционными насосами, охлаждение оборудования в случае прогнозируемых перебоев в работе системы в течение заданного времени производят за счет тепловой инерции общей массы циркулирующего в системе теплоносителя, которую подают из буферной емкости без охлаждения чиллером, при этом циркуляционные насосы запитывают от источника бесперебойного электропитания, а чиллер от источника бесперебойного электропитания не запитывают. Согласно заявляемому изобретению управляют циркуляционными насосами встроенным в электрические цепи управляющим модулем, который запитывают от источника бесперебойного электропитания, а в качестве буферной емкости используют все последовательно соединенные гидравлические элементы замкнутого контура жидкостного охлаждения. При решении задачи указанным способом не происходит разделения контура охлаждения на основную и дополнительную части, как в прототипе, при помощи дополнительных гидравлических элементов, например, переключающих, отсечных клапанов и необходимого для их работы управляющего оборудования. Техническим результатом изобретения является использование общей массы циркулирующего в системе теплоносителя в последовательно соединенных гидравлических элементах вместо параллельного подключения буферной емкости, что, в свою очередь, позволило обойтись без дополнительного оборудования, например, переключающих или отсечных клапанов и необходимого для их работы управляющего оборудования. 2 ил.
Изобретение относится к области теплоэнергетики и предназначено для применения в системах жидкостного охлаждения при помощи холодильных машин - чиллеров (далее - чиллерных системах) с замкнутым контуром, от которых требуется высокая надежность и бесперебойная работа, в том числе в чиллерных системах, изначально не предназначенных для бесперебойного охлаждения.
Основными компонентами указанных чиллерных систем, как правило, являются охлаждаемое оборудование, чиллер, насосная группа, состоящая, по меньшей мере, из двух циркуляционных насосов, работающих попеременно и управляемых от программируемого контроллера чиллера в режиме резервирования, расширительный бак, гидроаккумулятор и трубопроводы, соединяющие перечисленные компоненты в единый замкнутый контур охлаждения, по которому циркулирует теплоноситель.
Общеизвестен способ, когда для защиты перебоев в электропитании чиллер и циркуляционные насосы подключают через источник бесперебойного электропитания (ИБП), где электрическая энергия запасается в аккумуляторах, или используют альтернативный источник энергии, в частности, по принципу, описанному в заявке на патент US 2007/0132317. Расчетное время работы системы при отключении электропитания определяется параметрами ИБП.
Главным недостатком описанного способа является необходимость применения дорогостоящего специализированного ИБП большой мощности со значительными габаритами и массой, поскольку электродвигатель компрессора чиллера имеет высокое энергопотребление и значительный пусковой ток. Кроме этого, описанный способ не обеспечивает бесперебойное охлаждение в случае выхода из строя или остановки чиллера.
Известен свободный от указанных недостатков способ (Патент RU 2592883 С2), когда для выполнения указанного результата в замкнутый жидкостный контур встраивают резервное устройство охлаждения, которое включает в себя компактный резервуар охлаждения, включающий в себя множество автономных аккумуляторов холода небольшого размера, вспомогательный блок охлаждения выполнен с возможностью охлаждения множества аккумуляторов холода небольшого размера во время фазы подзарядки, клапан, выполненный с возможностью выборочного соединения резервуара охлаждения с основным устройством охлаждения во время фазы отдачи таким образом, чтобы множество аккумуляторов холода небольшого размера обеспечивало теплоотвод для охлаждения охлаждающей жидкости для основного устройства охлаждения. При этом охлаждение оборудования в аварийном режиме происходит за счет холода, запасенного в аккумуляторах холода, а для бесперебойного охлаждения требуется ИБП малой мощности.
Недостатком данного способа является высокая сложность конструкции, выражающаяся в большом количестве дополнительных элементов, сложном алгоритме работы, необходимости управления при помощи программируемого контроллера, что повышает вероятность отказа и общую стоимость системы.
В качестве ближайшего аналога выбран способ (Патент US 6,334,331 В1), состоящий в том, что управляемыми отсечными клапанами разделяют контур охлаждения на основную часть и дополнительную часть, относящуюся к охлаждаемому оборудованию; параллельно дополнительной части контура подключают буферную емкость с запасом теплоносителя, встраивают в дополнительную часть контура дополнительные циркуляционные насосы, которые запитывают от ИБП, а чиллер от ИБП не запитывают.
При прогнозируемых перебоях электропитания или остановке чиллера часть контура, относящаяся к охлаждаемому оборудованию, отделяется отсечными клапанами от основного контура, после чего циркуляция при помощи дополнительных циркуляционных насосов происходит через буферную емкость, а оборудование охлаждается за счет тепловой инерции теплоносителя, находящегося в трубопроводах дополнительной части контура и буферной емкости. Расчетное время бесперебойного охлаждения в этом случае зависит от общей массы теплоносителя и без учета тепловых потерь может быть примерно определено по формуле:
где t - расчетное время, мин;
m - общая масса теплоносителя в контуре, кг;
с - удельная теплоемкость теплоносителя, для воды равная 4200 
Т1 - исходная температура теплоносителя, К;
Т2 - предельно допустимая температура теплоносителя, К;
Р - мощность тепловыделения охлаждаемого оборудования, Вт.
Поскольку энергопотребление циркуляционных насосов значительно ниже энергопотребления чиллера, для их питания применяют ИБП малой мощности.
Этот способ принят за прототип изобретения.
Недостатками описанного способа являются: подключение буферной емкости параллельно дополнительной части контура охлаждения, что в штатном режиме снижает проток через охлаждаемое оборудование; дополнительные массогабаритные показатели из-за буферной емкости; необходимость управления отсечными клапанами и дополнительными циркуляционными насосами при помощи программируемого контроллера или действий оператора, что увеличивает вероятность отказа.
Технической проблемой изобретения является создание простого, надежного, с малыми массогабаритными показателями способа бесперебойного охлаждения в чиллерных системах с замкнутым контуром жидкостного охлаждения при прогнозируемых перебоях электропитания, отказе, остановке чиллера или циркуляционного насоса; в том числе в уже существующих чиллерных системах, изначально не предназначенных для бесперебойного охлаждения, без изменения заводской конструкции таких систем.
Для способа обеспечения бесперебойного охлаждения в чиллерных системах с замкнутым контуром жидкостного охлаждения выявлены основные общие с прототипом существенные признаки, такие как: чиллер, расширительный бак, гидроаккумулятор, насосная группа, состоящая, по меньшей мере, из двух циркуляционных насосов, охлаждаемое оборудование и соединяющие их трубопроводы, в которых по замкнутому контуру циркулирует теплоноситель.
Поставленная техническая проблема решается благодаря тому, что по замкнутому контуру поддерживают циркуляцию теплоносителя насосной группой, состоящей из, по меньшей мере, двух циркуляционных насосов, охлаждение оборудования в случае прогнозируемых перебоев в работе системы в течение заданного времени производят за счет тепловой инерции общей массы циркулирующего в системе теплоносителя, которую подают из буферной емкости без охлаждения чиллером, при этом циркуляционные насосы запитывают от источника бесперебойного электропитания, а чиллер от источника бесперебойного электропитания не запитывают. Согласно заявляемому изобретению управляют циркуляционными насосами встроенным в электрические цепи управляющим модулем, который запитывают от источника бесперебойного электропитания, а в качестве буферной емкости используют все последовательно соединенные гидравлические элементы замкнутого контура жидкостного охлаждения.
При решении задачи указанным способом не происходит разделения контура охлаждения на основную и дополнительную части, как в прототипе, при помощи дополнительных гидравлических элементов, например, переключающих, отсечных клапанов и необходимого для их работы управляющего оборудования.
Из формулы (1) следует, что общей массы теплоносителя в замкнутом контуре системы должно быть достаточно для обеспечения расчетного времени бесперебойного охлаждения, необходимого для устранения неисправности или безопасной остановки охлаждаемого оборудования. Если это условие не выполняется, общая масса теплоносителя может быть увеличена до необходимой путем встраивания в контур дополнительной буферной емкости.
Принцип работы представлен на гидравлической (Фиг. 1) и электрической (Фиг. 2) схемах:
Чиллерная система жидкостного охлаждения содержит следующие гидравлические элементы: чиллер 1; расширительный бак 2; гидроаккумулятор 3; насосную группу 4, состоящую, по меньшей мере, из двух циркуляционных насосов; охлаждаемое оборудование 5, соединяющие их в замкнутый контур трубопроводы 6 и, при необходимости, - дополнительную емкость 7, в которых циркулирует теплоноситель. В разрыв электрических цепей управляющих сигналов от чиллера 1 к циркуляционным насосам встроен управляющий модуль 8. Насосная группа 4 и модуль 8 запитаны от источника бесперебойного питания малой мощности 9, а чиллер 1 от источника бесперебойного электропитания 9 не запитан. Модуль 8 представляет из себя простейшее электронное устройство, обладающее в связи с этим высокой надежностью, и работает в двух режимах: штатном и бесперебойного охлаждения
Работа осуществляется следующим образом: В штатном режиме работы модуль 8 не участвует в работе системы и передает без изменений управляющие сигналы от контроллера чиллера 1 к циркуляционным насосам. В случае прогнозируемой остановки чиллера 1 по причинам неисправности, возникновения внутренней ошибки или перебоев в электропитании, общим признаком которых является исчезновение управляющих сигналов от контроллера чиллера 1, модуль 8 автоматически переходит в режим бесперебойного охлаждения и имитирует управляющие сигналы контроллера чиллера 1, самостоятельно выполняя, таким образом, управление циркуляционными насосами. Охлаждение оборудования происходит за счет тепловой инерции общей массы теплоносителя, находящегося в гидроаккумуляторе 3, расширительном баке 2, трубопроводах 6 и других гидравлических элементах чиллерной системы.
В случае неисправности работающего циркуляционного насоса модуль 8 самостоятельно определяет неисправность, используя установленный в потоке теплоносителя дополнительный или штатный датчик 10, например, реле протока, и включает другой циркуляционный насос. Возврат модуля 8 в штатный режим также происходит автоматически при появлении управляющих сигналов.
Техническим результатом изобретения является использование общей массы циркулирующего в системе теплоносителя в последовательно соединенных гидравлических элементах вместо параллельного подключения буферной емкости, что, в свою очередь, позволило обойтись без дополнительного оборудования, например, переключающих или отсечных клапанов и необходимого для их работы управляющего оборудования.
Способ обеспечения бесперебойного охлаждения в чиллерных системах с замкнутым контуром жидкостного охлаждения, заключающийся в том, что по замкнутому контуру поддерживают циркуляцию теплоносителя по меньшей мере двумя циркуляционными насосами, охлаждение оборудования в случае прогнозируемых перебоев в работе системы в течение заданного времени производят за счет тепловой инерции общей массы циркулирующего в системе теплоносителя, которую подают из буферной емкости без охлаждения чиллером, при этом циркуляционные насосы запитывают от источника бесперебойного электропитания, а чиллер от источника бесперебойного электропитания не запитывают, отличающийся тем, что управляют циркуляционными насосами встроенным в электрические цепи управляющим модулем, который запитывают от источника бесперебойного электропитания, а в качестве буферной емкости используют все последовательно соединенные гидравлические элементы замкнутого контура жидкостного охлаждения.
