Устройство поддержания температурного режима потребителя и способ его работы
DEVICE FOR MAINTAINING THE TEMPERATURE REGIME OF THE CONSUMER AND METHOD FOR ITS OPERATION

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к системам регулирования теплового режима различных установок.
Известно устройство для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры (АС №1277441, опубл. 15.12.86 г.), содержащее замкнутый контур системы циркуляции теплоносителя, включающий испаритель теплообменника, входной трубопровод которого соединен через переключающие вентили и соединительные трубопроводы с выходом бака теплоносителя и с одним из тепловых разъемов блока радиоэлектронной аппаратуры соответственно, а выходной трубопровод - с линией всасывания циркуляционного насоса, линия нагнетания которого соединена с другим тепловым разъемом блока радиоэлектронной аппаратуры и через соответствующие переключающие вентили и соединительные трубопроводы с входом бака теплоносителя, и замкнутый контур компрессионной холодильной системы, включающий компрессор с перепускной линией всасывания» конденсатор теплообменника, выходной трубопровод которого соединен через соответствующие переключающие. вентили и соединительные трубопроводы с ресивером, соединенным с терморегулирующим вентилем, при этом с целью повышения надежности в работе, снижения энергозатрат и расширения эксплуатационных возможностей путем расширения эксплуатационного диапазона температур окружающей среды, входной трубопровод конденсатора теплообменника контура компрессионной холодильной системы соединен с перепускной линией всасывания компрессора и с входным трубопроводом испарителя теплообменника контура циркуляции теплоносителя, а выходной трубопровод конденсатора теплообменника - с выходным трубопроводом испарителя теплообменника контура системы циркуляции теплоносителя.
Известна система охлаждения электронных устройств (US 2007227710 (А1), опубл. 04.10.2004), содержащая жидкостной контур циркуляции охлаждающей жидкости, насос, контур холодильной машины, содержащей компрессор, дроссель и испаритель. При этом, модуль жидкостного охлаждения подключается к серверу для обеспечения отказоустойчивого охлаждения на сервере при сбое системы охлаждения, подключенной к серверу.
Недостатками приведенных выше аналогов являются отсутствие возможности подогрева потребителя до температуры, при которой возможна его эксплуатация. Кроме того, приведенные аналоги не обеспечивают высокую точность поддержания температуры потребителя.
Также известно устройство поддержания температурного режима потребителя и способ его работы (патент РФ №2690996 С1, опубл. 07.06.2019, выбранный в качестве прототипа), содержащее первый и второй контуры циркуляции охлаждающей жидкости, контур холодильной машины, причем первый контур включает в себя насос циркуляции охлаждающей жидкости, испаритель, по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник и два запорных элемента. Второй контур включает в себя насос, выход и вход которого соединен с соединенными между собой конденсатором и по меньшей мере одним жидкостно-воздушным теплообменником. Второй контур испарителя соединен с имеющимся компрессором, выход которого соединен через конденсатор и дроссель холодильной машины с испарителем. Имеется байпасная магистраль с краном, соединяющую выход компрессора с испарителем в обход конденсатора. На компрессоре холодильной машины установлен нагревательный элемент, выполненный с возможностью подогрева масла в компрессоре. В качестве охлаждающей жидкости используется тосол.
Способ работы прототипа - поддержание температурного режима потребителя, заключающийся в том, что определяют температуру потребителя по температуре охлаждающей жидкости в первом контуре циркуляции охлаждающей жидкости: - если температура потребителя составляет менее -40°С, то предварительно осуществляют прогрев компрессора с помощью нагревательного элемента, затем осуществляют запуск компрессора, при этом регулируют положение крана байпасной магистрали таким образом, чтобы обеспечить заданное давление хладагента на входе в компрессор. После запуска компрессора осуществляется включение насоса второго контура циркуляции охлаждающей жидкости, далее при достижении температуры охлаждающей жидкости во втором контуре заданного значения компрессор и нагревательный элемент выключаются, насос первого контура циркуляции охлаждающей жидкости включается, при этом запорный элемент, расположенный на линии подачи охлаждающей жидкости в насос первого контура через по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник, открыт, другой запорный элемент, расположенный на линии, соединяющей выход потребителя с входом насоса и параллельной линии подачи охлаждающей жидкости через по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник, закрыт, циркуляция охлаждающей жидкости в первом и втором контурах за счет работы насосов обеспечивает в по меньшей мере одном жидкостно-воздушном теплообменнике смешение потоков, соответственно, первого и второго контура циркуляции, при этом по меньше мере один вентилятор выключен, при поступлении в потребитель охлаждающей жидкости с заданной температурой, при которой возможна работа потребителя, и далее способ работы устройства осуществляют запуском по меньшей мере одного вентилятора.
Недостатком приведенного выше аналога является отсутствие возможности подогрева потребителя до температуры, при которой возможна его эксплуатация из-за недостаточного тепловыделения в контуре хладагента при работе компрессора. Кроме того, использование компрессора для разогрева тосола приводит к быстрому исчерпыванию ресурса компрессора.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных выше недостатков прототипа.
Технический результат заключается в улучшении поддержания рабочей температуры потребителя тепла в заданных пределах, за счет обеспечения предварительного подогрева потребителя и вывода его на рабочий режим при отрицательных температурах, и, как следствие, повышение надежности установки.
Технический результат достигается устройством поддержания температурного режима потребителя, содержащим первый и второй контуры циркуляции охлаждающей жидкости и контур холодильной машины, при этом первый контур циркуляции включает насос, по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник с по меньшей мере одним вентилятором, датчики температуры, запорные элементы, второй контур циркуляции включает насос, а контур холодильной машины включает компрессор, конденсатор, дроссель и испаритель, при этом испаритель является общим элементом для контура холодильной машины и первого контура, конденсатор - для контура холодильной машины и второго контура, а теплообменник - для первого и второго контуров, при этом насос первого контура соединен с потребителем через испаритель и нагреватель, установленные таким образом, что выход испарителя соединен со входом нагревателя, а выход нагревателя соединен со входом потребителя.
Дополнительно на компрессоре холодильной машины установлен нагревательный элемент, выполненный с возможностью подогрева масла в компрессоре.
Дополнительно содержит блок управления, соединенный с датчиками температуры первого контура, установленные на входе и выходе потребителя, насосами первого и второго контуров, нагревателем, по меньшей мере одним вентилятором, компрессором и дросселем холодильной машины, а также запорными элементами.
Кроме того, технический результат достигается способом работы приведенного выше устройства поддержания температурного режима потребителя заключающимся в том, что определяют температуру потребителя по температуре охлаждающей жидкости в первом контуре циркуляции охлаждающей жидкости, в зависимости от температуры выбирают один из по меньшей мере трех режимов работы устройства, один из которых при температуре потребителя, находящейся в третьем диапазоне температур, включает запуск насоса первого контура циркуляции, открывают запорные элементы, один из которых расположен между выходом потребителя и входом по меньшей мере одного жидкостно-воздушного теплообменника, а другой - между выходом потребителя и входом насоса первого контура, и включают нагреватель, через который охлаждающую жидкость насосом первого контура циркуляции подают на вход потребителя, далее при достижении температуры охлаждающей жидкости в первом контуре заданного значения, при котором возможна эксплуатация потребителя, нагреватель выключают и закрывают запорный элемент.
Второй режим работы включает то, что при температуре потребителя, находящейся в первом диапазоне температур, осуществляют запуск насоса первого контура циркуляции и по меньшей мере одного вентилятора, при этом запорный элемент находится в открытом положении, другой запорный элемент - в закрытом, компрессор холодильной машины выключен и, соответственно, теплообменных процессов в испарителе не происходит, а температуру потребителя поддерживают за счет регулирования температуры по меньшей мере одного жидкостно-воздушного теплообменника путем изменения частоты вращения по меньшей мере одного вентилятора, на основании показаний датчиков температуры.
Третий режим работы включает то, что при температуре потребителя, находящейся во втором диапазоне температур, осуществляют запуск насосов первого и второго контуров циркуляции, по меньшей мере одного вентилятора и компрессора холодильной машины, при этом запорный элемент находится в закрытом положении, а другой запорный элемент - в открытом, при этом тепло, вырабатываемое в контуре холодильной машины, через конденсатор передают во второй контур циркуляции охлаждающей жидкости и через по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник передают в окружающую среду, и регулируют частоту вращения по меньше мере одного вентилятора.
Дополнительно включает четвертый режим работы, при котором при температуре потребителя, находящейся в третьем диапазоне температур, дополнительно прогревают компрессор холодильной машины нагревательным элементом и включают насос второго контура циркуляции.
Первый заданный диапазон температур составляет от -40°С до +15°С.
Второй заданный диапазон температур составляет от +15 до +50°С.
Третий заданный диапазон температур составляет менее -40°С.
На представленном чертеже показана схема устройства поддержания температурного режима потребителя.
1 - Насос первого контура циркуляции охлаждающей жидкости;
2 - Испаритель;
3 - Потребитель тепла;
4 - Жидкостно-воздушный теплообменник;
5 - Запорный элемент подачи охлаждающей жидкости в насос 1 через жидкостно-воздушный теплообменник 4;
6 - Запорный элемент подачи охлаждающей жидкости в насос 1;
7 - Вентилятор;
8 - Компрессор холодильной машины;
9 - Датчик температуры охлаждающей жидкости на входе в потребитель 3 тепла;
10 - Датчик температуры охлаждающей жидкости на выходе из потребителя 3 тепла;
11 - Насос второго контура циркуляции охлаждающей жидкости;
12 - Конденсатор;
13 - Дроссель холодильной машины;
14 - Нагревательный элемент;
15 - Нагревательный элемент холодильной машины.
Заявленное устройство поддержания температурного режима потребителя содержит первый и второй контур циркуляции охлаждающей жидкости, а также контур холодильной машины.
Первый контур включает в себя насос 1, выход которого соединен через испаритель 2 с потребителем 3. В свою очередь, выход потребителя 3 соединен с входом насоса 1 через по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник 4, выполненный с возможностью охлаждения потоком воздуха от по меньшей мере одного вентилятора 7, при этом количество жидкостно-воздушных теплообменников 4 может определяться, исходя из количества тепла, выделяемого потребителем 3. Первый контур также содержит два датчика температуры 9 и 10, которые установлены на входе и выходе из потребителя 3, и два запорных элемента 5 и 6. Один из запорных элементов 5 установлен на линии подачи охлаждающей жидкости в насос 1 первого контура через по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник 4, а другой запорный элемент 6 - на линии, соединяющей выход потребителя 3 с входом насоса 1 и параллельной линии подачи охлаждающей жидкости через по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник 4. Насос (1) первого контура соединен с потребителем (3) через испаритель (2) и нагреватель (14), установленные таким образом, что выход испарителя (2) соединен со входом нагревателя (14), а выход нагревателя (14) соединен со входом потребителя (3), что повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры потребителя тепла в заданных пределах.
Второй контур также включает в себя насос 11. Причем выход насоса 11 второго контура циркуляции охлаждающей жидкости соединен через конденсатор 12 со входом по меньшей мере одного жидкостно-воздушного теплообменника 4. При этом выход теплообменника 4 также соединен с насосом 11, что повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры потребителя тепла в заданных пределах.
Контур холодильной машины включает в себя компрессор 8, выход которого соединен через конденсатор 12 и дроссель 13 холодильной машины с испарителем 2. При этом выход испарителя 2 соединен со входом компрессора 8. Кроме того, на компрессоре установлен нагревательный элемент 15 таким образом, чтобы обеспечить подогрев масла в компрессоре 8, что дополнительно повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки в заданных пределах.
Заявленное устройство также содержит блок управления. При этом датчики температуры 9, 10, насосы 1, 11 первого и второго контуров, нагреватели 14, 15, по меньшей мере один вентилятор 7, компрессор 8 и дроссель 13 холодильной машины, а также запорные элементы 5, 6. соединены с блоком управления, а сам блок - выполнен с возможностью регулирования, в зависимости от показаний вышеупомянутых датчиков температуры 9, 10, работы насосов 1 и 11 первого и второго контуров циркуляции охлаждающей жидкости, компрессора 8 холодильной машины, по меньшей мере одного вентилятора 7 и нагревательного элемента 14, что дополнительно повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки и потребителя в заданных пределах. Блок управления также выполнен с возможностью управления положением запорных элементов 5 и 6, нагревателя 15 и дросселем 13 холодильной машины, что дополнительно повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки и потребителя в заданных пределах.
В качестве охлаждающей жидкости может быть использован тосол, а в качестве запорных элементов 5 и 6 могут быть применены электромагнитные клапаны или шаровые с электрическими приводными устройствами.
Устройство работает следующим образом.
В зависимости от температуры воздуха на входе в потребитель 3, а равно и температуре потребителя 3, можно выделить по меньшей мере три режима работы устройства поддержания теплового режима.
Первый режим работы устройства при температуре потребителя 3 тепла менее -40°С, например, от -50°С до -40°С, включает в себя запуск насоса 1 первого контура, открывают запорные элементы 5, 6 и включают нагреватель 14, через который охлаждающая жидкость насосом 1 первого контура подается на вход потребителя, что повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки и потребителя в заданных пределах. Далее из потребителя 3 тепла охлаждающая жидкость по меньшей мере частично поступает в по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник 4, в котором потоки охлаждающей жидкости первого и второго контуров по меньшей мере частично смешиваются, при этом запорные элементы 5, 6 открыты, а по меньшей мере один вентилятор 7 выключен. Далее из по меньшей мере одного жидкостно-воздушного теплообменника 4 охлаждающая жидкость поступает на вход насоса 1. Далее включается насос 11 второго контура. Далее при достижении температуры охлаждающей жидкости в первом контуре заданного значения, при котором возможна эксплуатация потребителя 3, нагреватель 14 выключают и закрывают запорный элемент 6, что повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки и потребителя в заданных пределах, а далее устройство поддержания теплового режима переходит на второй режим работы, при котором включается по меньшей мере один вентилятор 7 и выключается насос 11 второго контура циркуляции охлаждающей жидкости.
Второй режим работы устройства при температуре потребителя 3 тепла, находящейся в диапазоне от -40°С до +15°С, включает в себя запуск насоса 1 первого контура циркуляции охлаждающей жидкости, который прокачивает охлаждающую жидкость, например, тосол, через испаритель 2 к потребителю 3, которым может являться антенна радиоэлектронной аппаратуры. Из потребителя 3 тепла охлаждающая жидкость подается в по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник 4, где она охлаждается потоком воздуха, обеспечиваемым по меньшей мере одним вентилятором 7. При этом, запорный элемент 5 подачи охлаждающей жидкости в насос 1 через жидкостно-воздушный теплообменник 4 находится в открытом положении, а запорный элемент 6 подачи охлаждающей жидкости в насос 1 закрыт.Далее из по меньшей мере одного жидкостно-воздушного теплообменника 4 охлаждающая жидкость поступает на вход насоса 1, что дополнительно повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки и потребителя в заданных пределах. На втором режиме компрессор 8 холодильной машины не работает и, как следствие, в испарителе 2 теплообменных процессов не происходит. Охлаждающая жидкость разогревается в потребителе 3 в соответствии с режимом работы потребителя 3 и поступает в по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник 4 с повышенной температурой. Блок управления (на схеме не показан) управляет частотой вращения по меньшей мере одного вентилятора 7 на основании показаний датчиков 9, 10 температуры охлаждающей жидкости, установленных на входе в потребитель 3 и на выходе из потребителя 3, что дополнительно повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки и потребителя в заданных пределах.
Третий режим работы устройства при температуре потребителя 3 тепла, находящейся в диапазоне от +15°С до +50°С, включает в себя запуск насоса 1 первого контура, который прокачивает охлаждающую жидкость, например, тосол, через испаритель 2 к потребителю 3, которым может являться антенна радиоэлектронной аппаратуры. Из потребителя 3 тепла охлаждающая жидкость подается на вход насоса 1. При этом запорный элемент 5 находится в закрытом положении, а запорный элемент 6 открыт.Также запускается насос 11 второго контура циркуляции охлаждающей жидкости. Насосом 11 второго контура охлаждающая жидкость подается через конденсатор 12 в по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник 4 и возвращается на вход насоса 11 второго контура. По сигналу от блока управления включается по меньшей мере один вентилятор 7, что дополнительно повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки и потребителя в заданных пределах. В контуре холодильной машины начинает циркулировать фреон за счет включения компрессора 8 холодильной машины. Таким образом, нагретая охлаждающая жидкость в потребителе 3 прокачивается через испаритель 2, в котором она охлаждается до требуемой температуры за счет теплообмена с фреоном, циркулирующим в контуре холодильной машины, и охлаждающая жидкость подается на вход в потребитель 3, что дополнительно повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки и потребителя в заданных пределах. Во втором контуре циркуляции охлаждающей жидкости отбирается тепло, вырабатываемое холодильной машиной, в конденсаторе 12 и далее уже подогретая охлаждающая жидкость подается насосом 11 второго контура в по меньшей мере один жидкостно-воздушный теплообменник 4, в котором тепло холодильной машины сбрасывается в окружающую среду за счет прохождения потока воздуха, обеспечиваемого по меньшей мере одним вентилятором 7, что дополнительно повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки и потребителя в заданных пределах. При этом частота вращения по меньшей мере одного вентилятора 7 регулируется блоком управления (на схеме не показан). Компрессор 8 холодильной машины создает в испарителе 2 и конденсаторе 12 давления фреона, необходимые, соответственно, для протекания процессов испарения и конденсации. Холод, полученный при испарений фреона, передается в первый контур циркуляции охлаждающей жидкости для охлаждения потребителя 3, а тепло конденсации фреона через второй контур циркуляции охлаждающей жидкости рассеивается в атмосферу жидкостно-воздушным теплообменником 4, что дополнительно повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки и потребителя в заданных пределах.
Четвертый режим работы устройства при температуре потребителя менее -40°С в дополнение к работе на описанном выше первом режиме, производится предварительный подогрев компрессора 8 холодильной машины нагревательным элементом 15 для подогрева масла и включают насос 11 второго контура циркуляции, что дополнительно повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры компрессора 8 холодильной машины в заданных пределах.
Приведенные выше режимы работы устройства поддержания теплового режима потребителя 3, а также каждый элемент конструкции устройства в отдельности, направлены на улучшение поддержания рабочей температуры потребителя 3 тепла в заданных пределах, за счет обеспечения предварительного подогрева потребителя и вывода его на рабочий режим при отрицательных температурах.
Кроме того, для обеспечения более точного поддержания теплового режима потребителя 3 тепла, блок управления устройством соединен с датчиками температуры 9, 10 по сигналам с которых блок управления регулирует работу насосов 1, 11, по меньшей мере одного вентилятора 7, работу нагревателя 14 и нагревательного элемента 15, работу компрессора 8 холодильной машины, а также управляет запорными элементами 5, 6 и дросселем 13 холодильной машины, что дополнительно повышает надежность устройства за счет улучшения поддержания рабочей температуры установки и потребителя в заданных пределах.