АДАПТИВНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ
ADAPTIVE ENERGY TRANSFER

Уровень техники
Тепловые аккумуляторы могут быть выполнены в виде резервуара с нагретой текучей средой, например, водой. Поскольку тепло движется в направлении вверх, аккумулятор обычно имеет температуру, постепенно увеличивающуюся от днища к верхней части, и, следовательно, содержит так называемые холодную секцию, которая, как правило, находится в нижней части, и горячую секцию, которая обычно находится в верхней части. Хранимая тепловая энергия может поступать из целого ряда различных источников, например, тепла отработанных газов из охлаждающих устройств, таких как холодильники и морозильники, избыточного возвращенного тепла, устройств, использующих энергию солнца, котельных аппаратов и так далее.
Далее, сохраненная энергия может быть подана в нагревательную и/или охлаждающую систему, например, когда температура в горячей секции превышает температуру подачи, например, в системе централизованного теплоснабжения. Давления в таких системах, однако, могут существенным образом колебаться, в результате чего потребуется высокое давление перекачки для подачи текучей среды, нагретой посредством энергии из теплового аккумулятора, в нагревательную и/или охлаждающую систему, для обеспечения того, чтобы давление перекачки было выше давления в системе. В противном случае, может возникнуть «обратный поток» из нагревательной и/или охлаждающей системы. Тем не менее, наличие высокого давления нагнетания также приведет к увеличению потребления энергии и, таким образом, сведет на нет результат, достигнутый за счет передачи тепловой энергии из теплового аккумулятора.
Раскрытие сущности изобретения
Задачи настоящего изобретения решены в соответствии с признаками, раскрытыми в формуле изобретения. Оно относится к нагревательной и/или охлаждающей системе, содержащей первое соединение по текучей среде, присоединенное к теплообменнику, так что:
- горячая линия подачи имеет соединение по текучей среде с выходом второго проточного канала теплообменника,
- холодная линия имеет соединение по текучей среде с входом второго проточного канала теплообменника,
причем указанная нагревательная система дополнительно содержит тепловой аккумулятор, имеющий второе соединение по текучей среде с входом и выходом первого проточного канала теплообменника,
причем указанная система отличается тем, что регулятор потока присоединен к упомянутому первому соединению по текучей среде, соединяющему горячую линию или холодную линию со вторым проточным каналом, причем указанный регулятор потока выполнен с возможностью пропуска потока только в направлении к входу первого проточного канала и датчику расхода, выполненному с возможностью обнаружения наличия потока в указанном первом соединении по текучей среде.
Регулятор потока может представлять собой обратный клапан и/или датчик расхода представляет собой переключатель потока.
В одном из вариантов осуществления первый насос присоединен к соединению по текучей среде и выполнен с возможностью обеспечения циркуляции текучей среды из холодной линии, через первый проточный канал, в горячую линию, причем второй насос присоединен ко второму соединению по текучей среде и выполнен с возможностью обеспечения циркуляции текучей среды между вторым каналом и тепловым аккумулятором.
Датчик расхода может иметь соединение с возможностью обмена данными с блоком управления указанного первого насоса, причем указанный блок управления выполнен с возможностью постепенного увеличения давления нагнетания в отсутствие регистрации потока датчиком до регистрации потока.
мин
В одном варианте осуществления, указанный зарегистрированный поток вводится в качестве основы для минимального допустимого давления нагнетания, Р1, первого насоса.
нагр
Вторым насосом можно управлять в зависимости от измеренной температуры, Т, текучей среды, нагретой в теплообменнике.
Система согласно настоящему изобретению также позволяет реализовать способ подачи тепловой энергии в тепловом аккумуляторе в нагревательную и/или охлаждающую систему, причем указанная нагревательная и/или охлаждающая система имеет соединение по текучей среде, присоединенное к теплообменнику, так что:
- горячая линия подачи имеет соединение по текучей среде с выходом второго проточного канала теплообменника,
- холодная линия имеет соединение по текучей среде с входом второго проточного канала теплообменника, причем указанный тепловой аккумулятор имеет второе соединение по текучей среде с входом и выходом проточного канала теплообменника,
причем указанный способ содержит этап, на котором регистрируют, имеется ли поток в упомянутом соединении по текучей среде, и если поток не регистрируют, то увеличивают первое давление перекачки, P1, первого насоса, присоединенного для подачи указанного потока в указанное соединение по текучей среде, до регистрации потока.
хол.
мин,стар
мин,нов,
мин,
мин
В одном из вариантов осуществления, если давление в холодной линии, Р, превышает заданное допустимое наименьшее возможное давление перекачки, Р1, то запускают процедуру инициализации, при которой продолжается наращивание темпов увеличения первого сигнала нагнетания, S1, до регистрации потока датчиком расхода. Обновленное наименьшее допустимое возможное давление перекачки, Р1может представлять собой сумму первого давления нагнетания, P1, при регистрации потока, и добавочной разницы давлений, ΔР1или, соответственно, добавочной разницы первого сигнала настройки, ΔS1
нагр
В одном из вариантов осуществления, вторым насосом управляют в зависимости от температуры, Т, в указанном соединении по текучей среде, причем указанный второй насос присоединен ко второму соединению по текучей среде и выполнен с возможностью обеспечения циркуляции текучей среды между первым каналом и тепловым аккумулятором.
нагр
нагр
Вторым насосом можно управлять посредством зависимости регулирования Т за счет управления с обратной связью типа PI или PI(D) для сохранения Т на заданном уровне.
мин
макс
мин,
макс
мин
макс
В одном из вариантов осуществления второй насос настраивают работать с настройкой, S2, которая находится между минимальным вторым сигналом настройки, S2, и максимальным вторым сигналом настройки, S2, так что, если вторая настройка нагнетания, S2, попадает в пределы заданного интервала минимального второго сигнала настройки, S2или максимального второго сигнала настройки, S2, то первую настройку, S1, первого насоса увеличивают или, соответственно, уменьшают до уровня, соответствующего настройкам Р1 и P2.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана нагревательная и/или охлаждающая система согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения с тепловым аккумулятором.
На фиг. 2 показана нагревательная и/или охлаждающая система согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения с тепловым аккумулятором.
На фиг. 3 показана нагревательная и/или охлаждающая система согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения с тепловым аккумулятором.
На фиг. 4А,B показана процедура наращивания для нахождения наименьшего требуемого давления нагнетания.
На фиг. 5 показано основное соотношение управления давлением нагнетания первого насоса к температуре в тепловом аккумуляторе и управление вторым давлением нагнетания.
Осуществление изобретения
Следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, отражающие варианты осуществления настоящего изобретения, приведены исключительно в иллюстративных целях, поскольку специалистам в данной области техники, после ознакомления с подробным описанием, станут очевидными различные изменения и модификации, не выходящие за рамки объема правовой охраны и сущности настоящего изобретения.
На фиг. 1 показан основной вариант осуществления нагревательной и/или охлаждающей системы (1) согласно настоящему изобретению. В нижеследующем описании настоящего изобретения нагревательная система используется в качестве одного из примеров, при этом любой из вариантов осуществления может быть также применен в отношении охлаждающей системы, или комбинированной охлаждающей и нагревательной системы. Система (1) содержит горячую линию (2) подачи, обеспечивающую подачу нагревательной текучей среды из источника тепловой энергии в потребляющие устройства (ни одно из них не показано), и холодную линию (3) для возврата нагревательной текучей среды после использования. Это может быть, например, обычная система централизованного теплоснабжения, котельная система, система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) и т.д.
Между линиями (2, 3) и тепловым аккумулятором (4) расположен теплообменник (5) с первым проточным каналом (5а) (также именуемым его первичной стороной) и вторым проточным каналом (5b) (также именуемым его вторичной стороной). В одном из вариантов тепловой аккумулятор (4) представляет собой резервуар, или контейнер, с текучей средой, например, водой, нагретой, например, посредством системы с использованием солнечной энергии, посредством системы утилизации тепла или с помощью любых других средств. Поскольку тепло поднимается верх, тепловой аккумулятор (4) обычно имеет постепенно увеличивающуюся температуру от днища к верхней части. Далее по тексту, без потери общности, тепловой аккумулятор (4) рассматривается как имеющий холодную секцию, которая, как правило, находится в нижней части, и горячую секцию, которая обычно находится в верхней части.
Первое соединение (6, 7) по текучей среде соединяет линии (2, 3) со вторым проточным каналом (5b) теплообменника (5) так, что холодная линия (3) имеет соединение (7) по текучей среде с входом второго проточного канала (5b), а горячая линия (2) подачи имеет соединение (6) по текучей среде с выходом второго проточного канала (5b). Первый насос (10) присоединен к одному из соединений (6, 7) по текучей среде для продвижения потока, и может быть выполнен с возможностью его управления в пределах управляющего сигнала 0-100%, где 0% соответствует отсутствию нагнетания, а 100% соответствует работе на его максимуме.
Тепловой аккумулятор (4) имеет соединение (8, 9) по текучей среде с входом и выходом первого проточного канала (5а), так что горячая секция теплового аккумулятора (4) присоединена к входу первого проточного канала (5а) посредством соединения (8) по текучей среде, а холодная секция теплового аккумулятора (4) присоединена к выходу теплового аккумулятора (4) посредством соединения (9) по текучей среде. Благодаря этому горячая текучая среда из горячей секции может быть направлена посредством соединения (8) в качестве входного потока в первый проточный канал (5а), где он передает тепловую энергию нагревательной текучей среде, протекающей во второй проточный канал (5b). Далее, охлажденная таким образом текучая среда направляется через выход первого проточного канала (5а) через соединение (9) в холодную секцию. Второй насос (11) присоединен к одному из соединений (8, 9) по текучей среде для продвижения этого потока, и может быть выполнен с возможностью его управления в пределах управляющего сигнала 0-100%, где 0% соответствует отсутствию нагнетания, а 100% соответствует работе на его максимуме.
нагр
хран.
В показанном варианте осуществления, первый датчик (14) температуры присоединен к соединению (6) по текучей среде между горячей линией (2) и выходом второго канала (5b) и измеряет температуру Ттекучей среды, нагретой в теплообменнике (5). В других вариантах осуществления, он может быть расположен в другом месте, так чтобы измерять температуру нагретой текучей среды, поданной в одну или обе линии (2, 3). Таким образом, некоторая доля текучей среды в холодной линии (3) повторно пропускается в линию (2) горячей воды после передачи тепла или тепловой энергии из теплового аккумулятора (4) к текучей среде в теплообменнике (5). Кроме того, возможный второй датчик (15) температуры присоединен с указанным тепловым аккумулятором (4), для измерения температуры хранения, T, например, в горячей секции.
гор.
гор
Регулятор (12) потока соединен с одним из соединений (6, 7) по текучей среде, соединяющим горячую линию (2) или холодную линию (3) со вторым проточным каналом (5b), например, как показано на чертежах, с соединением (7) по текучей среде. Регулятор (12) потока выполнен с возможностью пропуска потока только в одном направлении, которое в показанном варианте представляет собой направление от холодной линии (3) к горячей линии (2). Также предусмотрен датчик (13) расхода, определяющий наличие потока в указанном первом соединении (6, 7) по текучей среде. Другими словами, если давление в горячей линии (2) составляет P, то для обеспечения возможности подачи нагревательной текучей среды, нагретой в теплообменнике (5), в горячую линию (2), необходимо, чтобы первый насос (10) создавал более высокое давление Р1 по сравнению с P. Благодаря регулятору (12) потока поток возможен только и проходит относительно беспрепятственно от холодной линии (3) к горячей линии (2). В одном из вариантов, регулятор (12) потока представляет собой обратный клапан и/или датчик (13) расхода представляет собой переключатель потока.
Хотя регулятор (12) потока и датчик (13) расхода на фиг. 1 показаны в виде отдельных элементов, как альтернатива, они могут быть выполнены в виде единого устройства.
Датчик (13) расхода может иметь соединение (21) с возможностью обмена данными с блоком (20) управления указанного первого насоса (10) и/или второго насоса (11), например, посредством проводной или беспроводной связи, причем контроллер (20) может быть встроен, например, в датчик (13) расхода, один из насосов (10, 11) или другие устройства, или может быть расположен снаружи.
В одном из вариантов осуществления, контроллер (20) выполнен с возможностью постепенного увеличения давления Р1 нагнетания первого насоса (10) в отсутствие регистрации потока датчиком (13) расхода, до регистрации потока. Альтернативно или дополнительно, такая же процедура может быть применена в отношении давления Р2 нагнетания второго насоса (11).
хран.
гор.
хран.
доб.
мин
доб.
мин
доб.
доб
Это можно использовать по-разному. В одном из вариантов осуществления передача тепловой энергии из теплового аккумулятора (4) в подачу (2, 3), то есть, процесс теплопередачи инициируется, когда температура хранения Т находится на некотором уровне, например, когда она выше температуры, измеренной в горячей линии (2), Т, на некоторую заданную разницу температур (которая может быть равна нулю), и/или когда температура хранения, Т, попадает в пределы некоторого данного интервала для заданного порогового значения температуры хранения. В этом или других вариантах осуществления, далее система сначала запускает первый насос (10) (и/или второй насос (11)) путем нахождения наименьшего возможного допустимого давления нагнетания, Р1, что обеспечит возможность подачи потока из теплообменника (5) в подачу (2, 3), например, в горячую линию (2). Наименьшее возможное допустимое давление перекачки Р1, в одном из вариантов осуществления задано в качестве наименьшего давления, определенного посредством датчика (13) расхода, плюс добавочная разница давлений, ΔР1, так что Р1покрывает ожидаемые отклонения давления в подаче (2, 3), в результате чего Р1 будет оставаться выше ожидаемого наибольшего давления в подаче (2, 3) или в одном из вариантов осуществления в горячей линии (2). В одном из вариантов осуществления, добавочная разница давлений, ΔР1, равна нулю.
мин
мин
В дополнительном или альтернативном варианте осуществления, когда датчик (13) расхода регистрирует отсутствие потока, даже если предполагается, что процесс теплопередачи выполняется, происходит запуск вышеописанного процесса инициализации, для нахождения нового наименьшего возможного допустимого давления нагнетания, Р1, которое, соответственно, может быть выше предыдущего значения Р1 для преодоления новых давлений в подаче (2, 3), например, горячей линии (2).
доб.
хол.
В одном из вариантов осуществления, добавочная разница давлений, ΔР1, может являться фиксированной заданной величиной, или может задаваться в виде функции давлений в подаче (2, 3), например, давление в холодной линии (3) представляет собой Р, или оно может представлять собой адаптивный процесс, управление PI или PI(D), и т.д.
хран.
гор
Альтернативные варианты осуществления включают в себя показанный на фиг. 2 вариант, в котором соединение (7) извлекает текучую среду из первого местоположения горячей линии (2) и нагревает ее дополнительно в теплообменнике (2) перед подачей ее обратно во второе местоположение горячей линии (2), то есть, ниже по потоку от первого местоположения. В одном из вариантов осуществления, процесс теплопередачи может быть инициирован, когда температура хранения, Т, становится выше температуры, измеренной в горячей линии (2), Т.
хран.
гор
хран.
гор.
гор.
хран.
гор.
На фиг. 3 показана комбинация вариантов осуществления с фиг. 1 и фиг. 2, причем проточное соединение (7) соединяется и с холодной линией (3), и с первым местоположением горячей линии (2), причем средства (30) управления потоком, например, показанный трехходовой клапан, предназначены для управления относительными потоками из, соответственно, холодной линии (3) и горячей линии (3) в теплообменник (5). Таким образом, в одном из вариантов осуществления входной поток во второй канал (5b) может являться смесью этих текучих сред, или он может представлять собой одну или другую из текучих сред. Зависимость от выбора текучих сред, или относительных долей в смеси, может при этом основываться на, соответственно, температуре хранения, T, и температуре, измеренной в горячей линии (2), Т. Например, если T выше Т на некоторую заданную разницу, текучую среду отбирают из первого местоположения в горячей линии (2) в отсутствие потока из холодной линии (3), а если она находится в некотором диапазоне ниже Т с некоторой заданной разницей, то текучую среду отбирают из холодной линии (3). В альтернативном варианте осуществления, напротив, отношение Т к Т задает относительную долю, отбираемую, соответственно, из горячей линии (2) и холодной линии (3).
хол.
мин,стар
a,
b
c
d
мин
доб.
мин
На фиг. 4А и 4В показана ситуация, когда давление в холодной линии (3), Р, колеблется, при этом в момент времени t1 оно превышает текущее заданное наименьшее давление перекачки, Р1. В результате, происходит запуск процедуры инициализации, при которой последовательность, или наращивание, увеличений ΔS1 первого сигнала S1 нагнетания, соответствующих шагам, ΔР1, первых давлений нагнетания (P1P1, P1, P1), продолжится до тех пор, пока в момент времени t2 посредством датчика (13) расхода не будет зарегистрировано наличие потока, что указывает на то, что давление является достаточным для подачи текучей среды из теплообменника (5), например, в холодную линию (3). Новое наименьшее допустимое давление перекачки, Р1, при этом равно сумме давления Р1 первого насоса (10) в момент времени t2 и добавочной разницы давлений, ΔР, или, соответственно, добавочной разницы первого сигнала ΔS1 настройки.
доб.
В одном из вариантов осуществления добавочная разница давлений, ΔР, просто равна нулю. Это означает, что добавочная разница давлений не прибавляется.
мин
Таким образом, вышеприведенные варианты осуществления способствуют снижению энергии, потребляемой первым насосом (10). Установка наименьшего допустимого давления нагнетания, Р1, обеспечивает не только то, что первый насос (10) может работать с относительно низким давлением Р1 нагнетания, но также гарантирует, что он не будет работать без содействия нагреванию, лишь за счет отсутствия возможности подачи текучей среды из теплообменника (5) в подачу (2, 3).
мин,стар
На фиг. 4А показана ситуация, когда наращивание первого давления Р1 нагнетания начинается с нуля, а на фиг. 4В ситуация, когда оно начинается с текущего минимального первого давления нагнетания, Р1.
В одном из вариантов осуществления, нагревательная и/или охлаждающая система (1) через регулярные промежутки времени подвергается схожим процедурам инициализации, например, система каждый раз запускается после остановки, каждый час, день, неделю и т.д.
хран.
хран.
На фиг. 5 показано дополнительное управление нагревательной и/или охлаждающей системы (1) согласно настоящему изобретению для обеспечения достаточного выхода теплового аккумулятора (4). На левом графике показана основная настройка давления нагнетания, Р1, первого насоса (10) в виде линейной функции от температуры хранения, T, хотя также можно предположить уравнения более высокого порядка, или экспоненциальную или логарифмическую функцию и т.д. Основная настройка давления нагнетания первого насоса (10) представляет собой регулирование заданного опорного уровня зависимости первого насоса (10) от температуры хранения, T, которая может быть установлена любым способом, например, посредством испытаний или измерений, путем вычисления, определения размеров и данных компонентов нагревательной и/или охлаждающей системы (1), таких как трубки, клапаны, насосы (10, 11) и т.д.
нагр
нагр
нагр
мин
макс.
мин
макс
мин
хран
мин
макс.
мин
макс.
мин
макс
В дополнение и помимо основной настройки давления нагнетания может быть предусмотрено управление в зависимости от измеренной температуры, Т, текучей среды, нагретой в теплообменнике (5). Вторым насосом (11) управляют за счет зависимости регулирования Т, например, за счет управления с обратной связью типа PI(D), для сохранения Т, на некотором заданном уровне. Второй насос (11) настраивают работать с настройкой, S2, которая находится между минимальным вторым сигналом настройки, S2, и максимальным вторым сигналом настройки, S2, которые соответствуют значениям между минимальным вторым давлением, P2, и максимальным вторым давлением, Р2. Если вторая настройка нагнетания, S2, (соответствующая второму давлению Р2 нагнетания) достигает или попадает в пределы заданного интервала минимального второго сигнала настройки, S2, настройка S1 давления Р1 нагнетания первого насоса (10) будет увеличиваться до уровня выше основной настройки давления нагнетания первого насоса (10), например, на заданную дополнительную постоянную или значение, в зависимости от некоторого отношения, например, к температуре, такой как температура хранения, T. Благодаря управлению с обратной связью, второй насос (11) далее переводится обратно в пределы от минимального второго сигнала настройки, S2, до максимального второго сигнала настройки, S2, в противном случае, процедура может повторяться множество раз последовательно до тех пор, пока не произойдет возврат в диапазон от S2до S2 (соответствующий диапазону между давлениями P2 и Р2).
мин
хран
мин
макс.
мин
макс.
мин
макс.
Аналогично, если второй сигнал настройки насоса S2 достигает или попадает в пределы заданного интервала максимального второго сигнала настройки, S2, настройка S1 первого сигнала нагнетания первого насоса (10) уменьшится до уровня ниже основной настройки давления нагнетания первого насоса (10), например, на заданную добавочную постоянную величину, или значение в зависимости от некоторого отношения, например, к температуре, такой как температура хранения, Т. Благодаря управлению с обратной связью, второй насос (11) переводится обратно в пределы от минимального второго сигнала настройки, S2, до максимального второго сигнала настройки, S2, в противном случае процедура может повторяться множество раз последовательно до тех пор, пока не произойдет возврат в диапазон от S2 до S2 (соответствующий диапазону между давлениями P2 и P2).
мин
макс
В любом из этих случаев может быть по-прежнему обеспечено, что ни увеличения, ни уменьшения не приведут к смещению первого давления Р1 нагнетания выше или ниже его пределов, Р1 и P1.