ТЕПЛООБМЕННАЯ УСТАНОВКА ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ С ОДНИМ МНОГОПРОХОДНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТАКОЙ ТЕПЛООБМЕННОЙ УСТАНОВКИ
HEAT EXCHANGE UNIT WITH AT LEAST ONE MULTI-PASS HEAT EXCHANGER AND METHOD FOR OPERATION OF SUCH A HEAT EXCHANGE UNIT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к теплообменной установке по меньшей мере с одним многопроходным теплообменником, содержащим первый и второй коллекторы, каждый из которых имеет соединительный патрубок для подключения к трубопроводу с текучей средой, а также по меньшей мере один первый разворотный коллектор и несколько труб, по которым может протекать текучая среда, в частности вода, при этом в разворотном коллекторе предусмотрено по меньшей мере одно вентиляционное отверстие (10) для выравнивания давления с окружающей средой. Кроме того, изобретение относится к способу эксплуатации такой теплообменной установки.
Уровень техники
Такие теплообменные установки по меньшей мере с одним многопроходным теплообменником могут использоваться, например, в качестве циркуляционных охладителей в системах охлаждения для охлаждения текучей среды, используемой в системе охлаждения в качестве теплоносителя. Циркуляционный охладитель обычно устанавливают снаружи охлаждаемого устройства, например снаружи здания. Если в качестве теплоносителя используется вода, существует риск замерзания теплоносителя в месте установки циркуляционного охладителя при наступлении морозов.
Поэтому из уровня техники известны системы охлаждения с теплообменными установками, позволяющие опорожнять циркуляционный охладитель в режиме защиты от замерзания. Так, например, в патентной заявке WO 2018/184908 А1 раскрыта система охлаждения с циркуляцией воды в качестве теплоносителя, содержащая циркуляционный охладитель и резервуар для воды, причем на первом концевом участке циркуляционного охладителя находится впускной коллектор и выпускной коллектор, а на втором концевом участке, противоположном первому концевому участку, находится разворотный коллектор с первой и второй ветвью, расположенными V-образно друг относительно друга. Первая и вторая ветвь разворотного коллектора соединены друг с другом соединительной ветвью, расположенной на их верхнем конце, причем в соединительной ветви предусмотрено вентиляционное отверстие, открытое в окружающую среду. Между впускным коллектором и первой ветвью разворотного коллектора проходит первый трубопровод, поднимающийся в направлении потока, а между второй ветвью разворотного коллектора и выпускным коллектором проходит второй трубопровод, опускающийся в направлении потока. Безнапорный резервуар для воды соединен с входом на впускном коллекторе и выходом на выпускном коллекторе, вследствие чего охлаждающую воду, находящуюся в резервуаре для воды, можно направлять по замкнутому контуру через циркуляционный охладитель. Для аэрации и деаэрации резервуар для воды соединен с циркуляционным охладителем линией аэрации/деаэрации, выходящей в вентиляционное отверстие на соединительной ветви разворотного коллектора. Выполненный таким образом циркуляционный охладитель содержит два последовательно соединенных однопроходных змеевика с первой трубной конструкцией, выполненной в виде подводящей линии, соединяющей впускной коллектор с разворотным коллектором и образующей первый однопроходный змеевик, и второй трубной конструкцией, образующей второй однопроходный змеевик и проходящей между разворотным коллектором и выпускным коллектором, чтобы соединить разворотный коллектор с выпускным коллектором. В режиме циркуляционного охлаждения вода, проходящая через трубные конструкции, охлаждается путем теплообмена с всасываемым окружающим воздухом. Для этого охлаждающую воду, находящуюся в резервуаре для воды, пропускают через циркуляционный охладитель с помощью циркуляционного насоса. Для опорожнения циркуляционного охладителя при опасности замерзания в этой известной системе охлаждения предусмотрено отключение циркуляционного насоса. Когда циркуляционный насос выключен, циркуляционный охладитель автоматически опорожняется в результате постоянной аэрации/деаэрации разворотного коллектора в сочетании с уклоном обеих трубных конструкций обоих однопроходных змеевиков.
Тем не менее, теплообменные установки с одним или несколькими последовательно соединенными однопроходными змеевиками (однопроходные теплообменники) имеют более низкую эффективность охлаждения по сравнению с многопроходными системами, в которых охлаждающая среда проходит через теплообменник или теплообменники несколько раз. Поэтому для повышения эффективности охлаждения и охлаждающей способности часто применяют теплообменники с многопроходными змеевиками. Это необходимо, в частности, для обеспечения охлаждающей способности от 100 до 1500 кВт.
Устройство охлаждения с двухпроходным змеевиком известно, например, из патентной заявки WO 90/15299-А. Охлаждающая вода, используемая в нем в качестве теплоносителя, дважды проходит через теплообменник системы охлаждения (двухпроходный теплообменник). Для этого теплообменник содержит впускной коллектор, расположенный на одном конце теплообменника, и выпускной коллектор, а также разворотный коллектор, расположенный на противоположном конце теплообменника, причем между впускным коллектором и разворотным коллектором проходят трубы, выполненные в виде подводящих линий, и трубами, а между разворотным коллектором и выпускным коллектором проходят трубы, выполненные в виде обратных линий. В режиме циркуляционного охлаждения охлаждающая вода в первом проходе протекает через подводящие линии, а во втором проходе - через обратные линии. Во время прохождения охлаждающей воды по трубам двухпроходного теплообменника в целях охлаждения охлаждающей воды происходит теплообмен с потоком окружающего воздуха, всасываемого вентилятором и пропускаемого через двухпроходный теплообменник.
При использовании многопроходных теплообменников в регионах, подверженных заморозкам, существует риск, что многопроходный теплообменник не удастся осушить достаточно быстро или полностью, чтобы предотвратить замерзание теплоносителя (в частности, охлаждающей воды). В частности, в случае очень быстрого снижения температуры теплоносителя в многопроходном теплообменнике вследствие быстрого снижения температуры окружающей среды или сильного воздействия ветра на теплообменник, даже при использовании многопроходных теплообменников необходимо обеспечить возможность полного осушения теплообменника за очень короткое время, чтобы предотвратить замерзание теплоносителя. Однако быстрое опорожнение многопроходного теплообменника затруднено вследствие большой длины труб, по которым теплоноситель проходит несколько раз, и обусловленной этим большой длины пути транспортировки теплоносителя по трубам многопроходного теплообменника. Длина труб (подводящей или обратной линии) может составлять от 3 до 15 метров. По этой же причине трудно быстро заполнить многопроходный теплообменник при возобновлении работы системы охлаждения после исчезновения опасности замерзания.
Раскрытие сущности изобретения
Таким образом, задачей изобретения является разработка теплообменной установки по меньшей мере с одним многопроходным теплообменником, отличающейся высокой охлаждающей способностью при максимально возможной эффективности, а также возможностью максимально быстрого и полного опорожнения при риске замерзания и максимально быстрого заполнения теплоносителем для возобновления работоспособности циркуляционного охлаждения после исчезновения риска замерзания. Следующая задача заключается в предотвращении вытекания избыточной текучей среды из теплообменника и, в частности, по меньшей мере из одного разворотного коллектора многопроходного теплообменника во время заполнения по меньшей мере одного многопроходного теплообменника.
Поставленные задачи решены предложенной изобретением теплообменной установкой с признаками, раскрытыми в пункте 1 формулы, а также способом эксплуатации теплообменной установки с признаками, раскрытыми в пункте 33 формулы. Кроме того, задача решена системой охлаждения с признаками, раскрытыми в пункте 30 формулы, в которой предложенную изобретением теплообменную установку используют в качестве циркуляционного охладителя для охлаждения текучей среды, используемой в качестве теплоносителя.
U
R
Предложенная изобретением теплообменная установка содержит по меньшей мере один многопроходный теплообменник, содержащий первый коллектор, второй коллектор и по меньшей мере один разворотный коллектор трубчатой конструкции с заданным поперечным сечением (A) трубы, а также трубную конструкцию с несколькими трубами, ориентированными по меньшей мере по существу параллельно друг другу и имеющими заданное поперечное сечение (A) трубы, по которым предусмотрена возможность протекания текучей среды, в частности воды, и которые расположены в трубной конструкции в виде заданного количества столбцов (n), причем первый коллектор и второй коллектор расположены на одном конце теплообменной установки, а разворотный коллектор расположен на противоположном конце, причем трубы проходят от одного конца до противоположного конца и соединены с разворотным коллектором, а также с первым или вторым коллектором, причем в наиболее высокой точке или по меньшей мере вблизи наиболее высокой точки разворотного коллектора предусмотрено по меньшей мере одно вентиляционное отверстие для выравнивания давления с окружающей средой. При этом согласно изобретению предусмотрено следующее:
a) по меньшей мере в одном вентиляционном отверстии расположен клапан, выполненный с возможностью открытия и закрытия, причем при полностью открытом клапане проходное сечение (d) свободно пропускает воздух,
U
min
b) поперечное сечение (A) трубы разворотного коллектора и проходное сечение (d) клапана равны или превышают минимальное поперечное сечение (D),
min
R
min
R
с) минимальное поперечное сечение (D) вычислено как произведение количества столбцов в трубной конструкции и поперечного сечения (A) труб (D=n⋅A).
Под наиболее высокой точкой коллектора понимают геодезически наивысшую точку соответствующего коллектора. Под наиболее низкой точкой в каждом случае понимают геодезически наинизшую точку соответствующего устройства (коллектора), в частности, наинизшую точку в вертикальном направлении. При этом в каждом случае в понятие включена точка, расположенная по меньшей мере вблизи геодезически наивысшей или геодезически наинизшей точки.
U
min
R
min
R
Расположение клапана по меньшей мере в одном вентиляционном отверстии разворотного коллектора позволяет предотвратить вытекание текучей среды из вентиляционного отверстия и, таким образом, из теплообменника во время заполнения многопроходного теплообменника. Выбор предложенных изобретением размеров, при которых поперечное сечение (A) трубы разворотного коллектора и проходное сечение (d) клапана равно или превышает минимальное поперечное сечение (D), вычисленное как произведение количества столбцов в трубной конструкции и поперечного сечения (A) труб (D=n⋅A), также гарантирует, что при заполнении многопроходного теплообменника весь объем текучей среды, заполняющий трубы за единицу времени через первый и второй коллекторы, может быть забран по меньшей мере одним разворотным коллектором, а воздух, находящийся в разворотном коллекторе, может при этом полностью выйти через вентиляционное отверстие, освобождая разворотный коллектор.
Предпочтительно, клапан выполнен в виде самозакрывающегося регулирующего клапана, который закрывается автоматически (то есть без внешнего привода), когда текучая среда попадает в клапан. Это позволяет реализовать автоматическое закрытие вентиляционного отверстия сразу после того, как разворотный коллектор по меньшей мере в основном будет полностью заполнен текучей средой. Поскольку вентиляционное отверстие целесообразно расположить в наиболее высокой точке разворотного коллектора, автоматическое закрытие клапана происходит только тогда, когда разворотный коллектор будет заполнен текучей средой полностью, то есть до своего верхнего конца, в котором расположено вентиляционное отверстие. Это позволяет полностью заполнить теплообменник, не допуская вытекания текучей среды из теплообменника.
Клапан может также иметь гидравлическое, пневматическое или электрическое управление. В случае гидравлического, пневматического или электрического управления клапаном управляющий сигнал для открытия или закрытия клапана целесообразно генерируется устройством управления в зависимости от вычисленного времени заполнения или измеренного гидростатического давления текучей среды в теплообменной установке и передается на клапан. Это позволяет, например, закрыть клапан в конце операции наполнения, чтобы предотвратить вытекание текучей среды из теплообменников и, в частности, из их разворотных коллекторов после полного заполнения теплообменной установки. Клапан закрывается, например, по истечении времени заполнения, вычисленного устройством управления на основании параметров теплообменной установки, или после того, как гидростатическое давление текучей среды в теплообменниках, зарегистрированное датчиком давления, превысит заданное предельное значение давления.
В предпочтительном варианте осуществления клапан содержит камеру и поплавок, установленный в ней с возможностью перемещения, причем поплавок закрывает клапан, когда текучая среда попадает в камеру, в частности, когда текучая среда достигает или превышает заданный уровень в камере.
В особенно предпочтительном варианте применяют многоступенчатый клапан, в частности двухступенчатый клапан, который при поступлении текучей среды закрывается поэтапно (ступенчато). Таким образом, при заполнении теплообменника текучей средой, с одной стороны, можно обеспечить полное удаление воздуха из теплообменника, пока в нем (и, в частности, в разворотном коллекторе) еще есть воздух, а с другой стороны, полное закрытие клапана сразу после того, как теплообменник будет полностью заполнен текучей средой.
Поэтапное (ступенчатое) закрытие клапана целесообразно спроектировать таким образом, чтобы вентиляционное отверстие было полностью и герметично закрыто клапаном, как только текучая среда в камере клапана достигнет заданного уровня. Для этого корпус клапана установлен в камере с возможностью перемещения, причем корпус клапана при поступлении текучей среды в камеру сначала перемещается в направлении седла клапана, после чего прижимается к седлу клапана, причем проходное сечение (d) клапана на первом этапе закрытия будет закрыто лишь частично, благодаря чему сохраняется возможность выхода воздуха из клапана. Герметичное закрытие клапана (впоследствии на втором этапе) может быть обеспечено несколькими отверстиями в корпусе клапана, причем отверстия образуют часть проходного сечения (d) клапана, а корпус клапана соединен с поплавком, установленным с возможностью перемещения, вследствие чего отверстия плавно (бесступенчато) закрываются по мере увеличения внутреннего давления в камере, пока проходное сечение (d) клапана не будет полностью и герметично закрыто на втором этапе закрытия.
min
R
min
R
2
2
2
В предпочтительном варианте осуществления теплообменной установки, предложенной изобретением, трубная конструкция многопроходного теплообменника содержит от 4 до 10, предпочтительно от 5 до 7 столбцов, то есть количество столбцов n составляет от 4 до 10, предпочтительно от 5 до 7. Внутренний диаметр труб составляет, например, 15 мм. Полученное минимальное поперечное сечение (D=n⋅A,) составляет соответственно от 5 до 20 см, в частности от 10 до 15 см. При внутреннем диаметре труб 20 мм минимальное поперечное сечение (D=n⋅A) составляет от 10 до 35 см (при n от 4 до 10).
U
U
2
2
Поперечное сечение (A) трубы разворотного коллектора может превышать проходное сечение (d) клапана. Это позволяет полностью принять объем текучей среды, поступающей из труб в разворотный коллектор во время заполнения, и при этом обеспечить полное удаление воздуха из разворотного коллектора через (по меньшей мере частично открытый) клапан. В предпочтительных вариантах осуществления диаметр (D) разворотного коллектора составляет от 30 мм до 200 мм. Проходное сечение (d) клапана целесообразно составляет от 10 до 30 см, предпочтительно от 15 до 25 см.
Чтобы обеспечить возможность полного закрытия разворотного коллектора для проведения технического обслуживания и инспекции даже без (полного) заполнения теплообменника, в дополнение к клапану целесообразно предусмотреть управляемый вручную ревизионный клапан, позволяющий закрывать вентиляционное отверстие.
Чтобы максимально ускорить заполнение и опорожнение теплообменной установки, первый соединительный патрубок, предпочтительно, располагают в наиболее низкой точке или по меньшей мере вблизи наиболее низкой точки первого коллектора, а второй соединительный патрубок располагают в наиболее низкой точке или по меньшей мере вблизи наиболее низкой точки второго коллектора. В наиболее высокой точке или по меньшей мере вблизи наиболее высокой точки второго коллектора, предпочтительно, располагают третий соединительный патрубок. Кроме того, трубы трубной конструкции, предпочтительно, наклонены к горизонтальной плоскости, предпочтительно, к переднему концу теплообменной установки, где расположены первый и второй коллекторы. Это позволяет быстро опорожнять и заполнять многопроходный теплообменник или теплообменники текучей средой, используемой в качестве теплоносителя, причем в случае риска замерзания текучая среда в режиме опорожнения может поступать одновременно из всех труб в первый и второй коллектор под действием силы тяжести благодаря наклону труб относительно горизонтали, и далее через соединительный патрубок, расположенный в наиболее низкой точке первого и второго коллектора (первый и второй соединительный патрубок, соответственно), в линию передачи текучей среды, соединенную с соединительными патрубками. Соответственно, в режиме заполнения текучую среду можно очень быстро вводить в направлении, противоположном направлению силы тяжести, из первого и второго коллектора одновременно во все трубы многопроходного теплообменника. Это значительно ускоряет опорожнение или заполнение теплообменника, так как текучую среду не поступает в многопроходный теплообменник или теплообменники в соответствии с направлением ее движения во время циркуляционного охлаждения теплообменной установки, а может одновременно поступать через первый и второй коллектор во все трубы многопроходного теплообменника или вытекать из всех труб многопроходного теплообменника.
Быстрый отток текучей среды из труб многопроходного теплообменника в режиме опорожнения обеспечивается наклоном труб относительно горизонтальной плоскости. Трубы, целесообразно проложенные в трубной конструкции параллельно друг другу, предпочтительно, располагаются под углом от 0,5° до 5° к горизонтали, особенно предпочтительно под углом от 2° до 4°, в частности 3°.
Многопроходный теплообменник может представлять собой, например, двухпроходный теплообменник, в котором текучая среда дважды проходит через трубы теплообменника и, таким образом, участвует в теплообмене с охлаждающим воздухом, направленно всасываемым из окружающей среды одним или несколькими вентиляторами и пропускаемым через теплообменник.
При этом трубы каждого многопроходного теплообменника разделены на первую и вторую группу труб, при этом первая группа труб служит подводящими линиями, а вторая группа труб - обратными линиями. В режиме циркуляционного охлаждения текучую среду можно вводить в первый коллектор, например, через первый соединительный патрубок, выполненный в виде впускного коллектора, и текучая среда будет протекать по подводящим линиям (первой группе труб) двухпроходного теплообменника первым потоком в первый разворотный коллектор и далее в обратные линии (вторую группу труб) с тем, чтобы впоследствии текучая среда могла протекать обратно вторым потоком по обратным линиям во второй коллектор (выпускной коллектор). Текучая среда вытекает из двухпроходного теплообменника через третий соединительный патрубок, расположенный в наиболее высокой точке второго коллектора. При этом два коллектора (первый коллектор и второй коллектор) можно менять местами, то есть возможен вариант, в котором текучая среда будет сначала поступать во второй коллектор, выполненный в виде впускного коллектора, и вытекать из первого коллектора, выполненного в виде выпускного коллектора.
Многопроходный теплообменник также может представлять собой четырехпроходный теплообменник, в котором текучая среда четыре раза проходит через трубы теплообменника, участвуя при этом в теплообмене с охлаждающим воздухом. В четырехпроходном теплообменнике, помимо первого и второго коллекторов и первого разворотного коллектора, предусмотрены второй и третий разворотные коллекторы, причем первый и второй коллекторы и третий разворотный коллектор расположены на одном конце теплообменной установки, а первый и второй разворотные коллекторы расположены на противоположном конце, и трубы проходят от одного конца до противоположного конца, соединяя первый и второй коллекторы с одним из разворотных коллекторов. При этом, в свою очередь, соединительные патрубки расположены в наиболее низкой точке или по меньшей мере вблизи наиболее низкой точки первого коллектора и второго коллектора (первый и второй соединительный патрубок), а третий соединительный патрубок расположен в наиболее высокой точке или по меньшей мере вблизи наиболее высокой точки второго коллектора. Четвертый соединительный патрубок целесообразно расположен в наиболее низкой точке или по меньшей мере вблизи наиболее низкой точки третьего разворотного коллектора.
В режиме циркуляционного охлаждения четырехпроходного теплообменника текучая среда может поступать в первый коллектор, например, через первый соединительный патрубок, выполненный в виде впускного коллектора, и текучая среда будет протекать по подводящим линиям (первая группа труб) четырехпроходного теплообменника первым потоком к первому разворотному коллектору и далее в обратные линии (вторая группа труб), то есть текучая среда далее поступает вторым потоком в трубы к третьему разворотному коллектору на первом конце теплообменной установки и далее из третьего разворотного коллектора обратно в трубы первой группы (подводящие линии), и поступает третьим потоком во второй разворотный коллектор и далее снова в трубы второй группы (обратные линии), после чего, наконец, возвращается четвертым потоком во второй коллектор (выпускной коллектор). При этом текучая среда вытекает из многопроходного теплообменника через третий соединительный патрубок, расположенный в наиболее высокой точке второго коллектора. При этом оба коллектора (первый коллектор и второй коллектор) также можно менять местами, то есть возможен вариант, в котором текучая среда будет поступать во второй коллектор, выполненный в виде впускного коллектора, и вытекать из первого коллектора, выполненного в виде выпускного коллектора.
Чтобы гарантировать полное заполнение многопроходного теплообменника текучей средой в любое время в режимах заполнения и циркуляционного охлаждения (что позволяет повысить эффективность), для двухпроходного и четырехпроходного теплообменника предпочтителен вариант, в котором текучая среда поступает в теплообменник через первый соединительный патрубок (в наиболее низкой точке первого коллектора) и вытекает из теплообменника через второй соединительный патрубок (в наиболее высокой точке второго коллектора).
Коллекторы, то есть первый и второй коллекторы, а также каждый разворотный коллектор, могут быть выполнены в виде трубчатых многосекционных коллекторов. Трубы коллекторов могут быть расположены таким образом, чтобы их продольная ось была ориентирована по вертикали или под углом к вертикали.
Высокая эффективность теплообмена и компактная конструкция теплообменной установки могут быть достигнуты в том случае, если теплообменное устройство содержит два расположенных друг напротив друга многопроходных теплообменника, причем оба многопроходных теплообменника наклонены к вертикали и расположены в виде буквы V друг относительно друга. При таком наклонном расположении теплообменников трубчатые коллекторы (первый и второй коллекторы, а также разворотные коллекторы) также расположены под углом к вертикали.
Особенно компактная конструкция может быть достигнута в том случае, если первый и второй разворотные коллекторы находятся в общей сборной трубе с расположенной в ней разделительной стенкой, причем разделительная стенка делит общую сборную трубу на область притока, образующую первый коллектор, и область оттока, образующую второй коллектор. Аналогичным образом, в случае четырехпроходного теплообменника первый и второй разворотные коллекторы, расположенные друг рядом с другом на другом конце теплообменной установки, также могут быть расположены в общей сборной трубе с разделительной стенкой, причем разделительная стенка делит сборную трубу по меньшей мере на две области, причем первая область образует первый разворотный коллектор, а вторая область - второй разворотный коллектор.
Соответственно, в случае четырехпроходного теплообменника первый коллектор, второй коллектор и третий разворотный коллектор, расположенные друг рядом с другом на одном конце теплообменника, также могут быть помещены в общую сборную трубу, причем сборная труба снова содержит разделительный элемент, который делит сборную трубу по меньшей мере на область притока (образующую первый коллектор), область оттока (образующую второй коллектор) и область разворота (образующую третий разворотный коллектор). При этом первый, второй, третий и четвертый соединительные патрубки расположены в общей сборной трубе, причем первый соединительный патрубок расположен в области притока в наиболее низкой точке общей сборной трубы, второй соединительный патрубок расположен в области оттока в наиболее высокой точке общей сборной трубы, третий соединительный патрубок расположен в области оттока в наиболее низкой точке общей сборной трубы, а четвертый соединительный патрубок расположен в наиболее низкой точке области разворота.
Чтобы иметь возможность открывать или закрывать первый и второй соединительные патрубки, а также, если применимо, четвертый соединительный патрубок в четырехпроходном теплообменнике, расположенные в наиболее низкой точке соответствующего коллектора (первого коллектора и второго коллектора, если применимо, третьего разворотного коллектора), в зависимости от режима эксплуатации теплообменной установки, к каждому из этих соединительных патрубков, предпочтительно, присоединяют управляемый клапан. При этом управляемый клапан, в частности, может быть установлен в соответствующем соединительном патрубке (первом, втором или четвертом). Управляемые клапаны могут иметь, например, гидравлическое, пневматическое или электрическое управление.
В целесообразном варианте осуществления теплообменной установки первый и второй коллекторы, а также третий разворотный коллектор расположены на переднем торцевом конце теплообменной установки, а первый и второй разворотные коллекторы расположены на противоположной, задней торцевой стороне теплообменной установки. В четырехпроходном теплообменнике третий разворотный коллектор расположен на передней торцевой стороне рядом с первым и вторым коллекторами, а второй разворотный коллектор расположен на задней торцевой стороне рядом с первым разворотным коллектором. Это позволяет обеспечить компактную конструкцию и размеры теплообменной установки, соответствующие требованиям к охлаждающей способности.
Теплообменная установка, предложенная изобретением, может эксплуатироваться в двухпроходном и четырехпроходном исполнении в различных режимах, в частности режиме циркуляционного охлаждения, режиме опорожнения при риске замерзания, режиме заполнения при первичном заполнении теплообменника или повторном заполнении после окончания периода с рисками замерзания, а также режиме ожидания после опорожнения теплообменной установки при риске замерзания или сохраняющихся низких температурах. Для переключения теплообменной установки из одного режима эксплуатации в другой режим эксплуатации предусмотрено устройство управления теплообменной установкой. Управление теплообменной установкой и, в частности, установка подходящего режима эксплуатации осуществляется в зависимости от параметров окружающей среды, например температуры наружного воздуха и скорости ветра в месте установки теплообменной установки. Датчики, в частности термометр для регистрации наружной температуры и анемометр для регистрации скорости ветра, в целесообразном варианте предусмотрены и соединены с устройством управления для регистрации параметров окружающей среды. Измеренные датчиками параметры окружающей среды поступают на устройство управления. В дополнение к таким параметрам окружающей среды, как температура наружного воздуха и скорость ветра, целесообразно регистрировать температуру текучей среды на входе в теплообменную установку с помощью дополнительных датчиков, в частности термометров. Кроме того, объемный расход текучей среды, поступающей в теплообменную установку или вытекающей из нее, можно измерять с помощью датчиков давления или расхода и передавать на устройство управления. Устройство управления вычисляет прогнозируемую температуру текучей среды на выходе из теплообменной установки на основании переданных измеренных значений, в частности, с учетом наружной температуры и температуры текучей среды на входе. Если вычисленная температура на выходе больше или равна заданному предельному значению, устройство управления переключает теплообменную установку из режима циркуляционного охлаждения в режим опорожнения. По вычисленной температуре текучей среды на выходе из теплообменной установки можно определить риск замерзания текучей среды при температурах наружного воздуха ниже температуры замерзания текучей среды (предпочтительно, воды). В такой ситуации для предотвращения замерзания текучей среды в трубах или коллекторах теплообменной установки устройство управления максимально быстро переключается в режим опорожнения, в котором текучую среду можно одновременно сливать из всех труб в подверженной замерзанию зоне в первый и второй коллекторы и при наличии (в случае четырехпроходного теплообменника) в третий разворотный коллектор и далее через соединительные патрубки, расположенные в наиболее низких точках этих коллекторов (первый, второй и четвертый соединительные патрубки), в линию передачи текучей среды, соединенную с этими соединительными патрубками.
Краткое описание чертежей
Эти и другие признаки, а также преимущества изобретения следуют из варианта осуществления, подробно раскрытого ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых изображено:
Фигура 1: вид передней торцевой стороны предпочтительного варианта осуществления теплообменной установки согласно изобретению с двумя двухпроходными теплообменниками, расположенными в виде буквы V друг относительно друга.
Фигура 2: вид сбоку двухпроходной теплообменной установки, изображенной на фиг. 1.
Фигура 3: вид задней торцевой стороны двухпроходной теплообменной установки, изображенной на фиг. 1.
Фигура 4: схематичное обзорное изображение варианта осуществления теплообменной установки согласно изобретению, изображенной на фиг. 1-3, с двумя двухпроходными теплообменниками, расположенными в виде буквы V друг относительно друга, вид передней торцевой стороны теплообменной установки (фиг. 4а), вид задней торцевой стороны двухпроходной теплообменной установки (фиг. 4b) и вид сбоку (фиг. 4с).
Фигура 5: схематичное изображение различных режимов эксплуатации двухпроходной теплообменной установки, изображенной на фиг. 4, причем на фиг. 5а показан режим циркуляционного охлаждения, на фиг. 5b - режим заполнения и на фиг. 5с - режим опорожнения двухпроходного теплообменника.
Фигура 6: изображение различных режимов эксплуатации двухпроходной теплообменной установки, изображенной на фиг. 4, с помощью чертежей поперечного сечения двухпроходного теплообменника в горизонтальной плоскости, причем на фиг. 6а показан режим циркуляционного охлаждения, на фиг. 6b - режим заполнения, на фиг. 6с - режим опорожнения двухпроходного теплообменника, на фиг. 6d - чертеж поперечного сечения трубной конструкции теплообменной установки в плоскости сечения, перпендикулярной трубам.
Фигура 7: схематичное изображение системы охлаждения, содержащей теплообменную установку согласно изобретению с двумя расположенными друг напротив друга двухпроходными теплообменниками, причем на фиг. 7а показана система охлаждения в целом и используемая в ней теплообменная установка как на виде передней стороны, так и на виде сбоку, а на фиг. 7b показан фрагмент фиг. 7а в области теплообменной установки.
Фигура 8: схематичное изображение различных режимов эксплуатации теплообменной установки системы охлаждения, изображенной на фиг. 7, причем на фиг. 8а показана теплообменная установка в режиме циркуляционного охлаждения, на фиг. 8b - в режиме опорожнения, а на фиг. 8с - в режиме заполнения.
Фигура 9: схематичное изображение следующего варианта осуществления системы охлаждения с комбинацией двух теплообменных установок согласно изобретению.
Фигура 10: схематичное изображение возможных режимов эксплуатации комбинации теплообменных установок согласно фиг. 9.
Фигура 11: схематичное изображение различных функциональных положений автоматически закрывающегося клапана для использования в теплообменной установке согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 и 2 показан вариант осуществления теплообменной установки согласно изобретению, который можно использовать в качестве циркуляционного охладителя R для охлаждения текучей среды, используемой в качестве теплоносителя в системе охлаждения. В частности, в качестве теплоносителя можно использовать воду. Когда в дальнейшем говорят о воде, подразумевают текучую среду, используемую в качестве теплоносителя, причем вместо воды в качестве теплоносителя можно использовать другую текучую среду.
Теплообменная установка, изображенная на фиг. 1 и 2, содержит два двухпроходных теплообменника, содержащих плоские теплообменники, расположенных под углом к вертикали и друг напротив друга. При этом оба теплообменника расположены в виде буквы V друг относительно друга, как показано на фиг. 1. Структура теплообменника, показанного в левой части фигуры 1, раскрыта ниже. Противоположный теплообменник, расположенный на правой стороне теплообменной установки, имеет соответствующую конструкцию. При этом оба теплообменника закреплены на корпусе 21 теплообменной установки. Каждый теплообменник содержит первый коллектор 1, выполненный в виде впускного коллектора, второй коллектор 2, выполненный в виде выпускного коллектора, а также первый разворотный коллектор 4 и несколько труб 5. Первый коллектор 1 и второй коллектор 2 расположены на переднем торцевом конце А теплообменной установки. Разворотный коллектор 4 расположен на противоположном конце В теплообменной установки, то есть на задней торцевой стороне. Трубы 5 проходят в продольном направлении L теплообменной установки от одного конца А до противоположного конца В. При этом трубы 5 разделены на первую группу труб 5а и вторую группу труб 5b, причем первая группа труб 5а служит подводящими линиями, а вторая группа труб 5b - обратными линиями. Трубы 5 первой группы труб 5а (подводящие линии) соединяют первый коллектор 1 (впускной коллектор) с разворотным коллектором 4. Трубы 5 второй группы труб 5b (обратные линии) соединяют разворотный коллектор 4 со вторым коллектором 2 (выпускным коллектором), что также показано на фиг. 6. Трубы 5 подводящих и обратных линий ориентированы по меньшей мере по существу параллельно друг другу и под небольшим углом к горизонтали, как показано на фиг. 2 и 4 с. Угол наклона труб 5 к горизонтали, предпочтительно, составляет от 0,5° до 5°, особенно предпочтительно от 2° до 4°, и в предпочтительном варианте осуществления угол между трубами и горизонтальной плоскостью составляет 3°.
В наиболее низкой точке Т первого коллектора 1 (впускного коллектора) расположен первый соединительный патрубок 1а. В соответствующем месте, то есть в наиболее низкой точке Т второго коллектора 2 (выпускного коллектора) расположен второй соединительный патрубок 2а. В наиболее высокой точке Н второго коллектора 2 (выпускного коллектора) расположен еще один соединительный патрубок, называемый третьим соединительным патрубком 3.
В наиболее высокой точке Н разворотного коллектора 4, расположенного на противоположном конце В теплообменной установки, предусмотрено вентиляционное отверстие 10, показанное на фиг. 2. При этом вентиляционное отверстие 10, целесообразно, располагают на верхнем конце разворотного коллектора 4, выполненного в виде трубчатого многосекционного коллектора. Противоположный нижний конец трубчатого разворотного коллектора 4 закрыт. В каждом вентиляционном отверстии 10, целесообразно, устанавливают клапан 11, позволяющий открывать или закрывать вентиляционное отверстие 10. Для предотвращения утечки текучей среды из вентиляционных отверстий 10, когда теплообменник полностью заполнен текучей средой, в вентиляционных отверстиях 10, целесообразно, устанавливают автоматически закрывающийся клапан 11. Клапан 11 автоматически закрывает вентиляционное отверстие 10, когда в клапане под действием поступающей текучей среды возникает внутреннее давление.
На фиг. 11 показан многоступенчатый клапан 11, который может быть установлен в вентиляционном отверстии 10 для этой цели, причем различные этапы закрытия клапана 11 показаны на фиг. 11а, 11b и 11с.
Клапан 11 выполнен в виде автоматически закрывающегося клапана, который автоматически закрывается при поступлении текучей среды в клапан. При этом клапан 11 не закрывается полностью, пока разворотный коллектор не будет заполнен текучей средой полностью, то есть до своего верхнего конца, где расположено вентиляционное отверстие. Это позволяет полностью заполнить теплообменник, не допуская вытекания текучей среды из теплообменника.
В варианте осуществления, изображенном на чертеже фиг. 11, клапан 11 содержит камеру 14 и поплавок 13, установленный в ней с возможностью перемещения. При этом поплавок 13 соединен с корпусом 16 клапана. На нижнем и верхнем концах камеры предусмотрены, соответственно, отверстия 18, 19, причем верхнее отверстие 19 может быть герметично закрыто поплавком 13, когда выполненный с возможностью перемещения поплавок 13 поднимется под действием подъемной силы жидкости, попадающей в камеру 14 и действующей на поплавок 13, настолько, что поплавок 13 прижмет корпус 16 клапана к седлу 15 клапана.
В корпусе 16 клапана предусмотрено несколько отверстий 17. Эти отверстия 17 сообщаются, с одной стороны, с нижним отверстием 18 камеры 14, а с другой - с боковыми отверстиями 20 в камере 14 и, тем самым, обеспечивают обмен воздуха между нижним отверстием 18 и боковыми отверстиями 20. Несколько отверстий 17, таким образом, образует часть общего проходного сечения (d) клапана 11, получаемого суммой поперечных сечений всех отверстий 17 и поперечного сечения верхнего отверстия 19 в камере 14. В открытом положении клапана 11, показанном на фиг. 11с, воздух может поступать в камеру 14 через нижнее отверстие 18 и выходить из камеры как через боковые отверстия 20, так и через верхнее отверстие 19. В этом положении все проходное сечение (d) клапана 11 открыто для прохождения воздуха.
Когда жидкость поступает в камеру 14 через нижнее отверстие 18, поплавок 13 поднимается. При этом поплавок 13 сначала перемещается относительно корпуса 16 клапана и, в зависимости от уровня жидкости в камере 14, закрывает некоторые отверстия 17 в корпусе клапана (фиг. 11b). Таким образом, по мере повышения уровня жидкости в камере, проходное сечение клапана 11 частично закрывается и постепенно уменьшается, пока поплавок 13 не перекроет все отверстия 17 в корпусе клапана 16, как показано на фиг. 11b. В этом состоянии избыточный воздух, вытесняемый вверх поступающей жидкостью, может выходить из верхнего отверстия 19 через еще открытое седло 15 клапана. По мере повышения уровня жидкости в камере 14 поплавок 13 толкает вверх корпус 16 клапана и прижимает его к седлу 15 клапана. В этом положении клапана 11 все проходное сечение d клапана 11 герметично закрыто (фиг. 11а).
Такая конструкция клапана 11 позволяет поплавку 13 поэтапно (ступенчато) закрывать клапан 11, когда текучая среда поступает в камеру 14 клапана 11, причем сначала на одном этапе, в зависимости от уровня текучей среды, поступающей в камеру 14, проходное сечение клапана 11 будет закрыто лишь частично, и только по достижении заданного предельного уровня на втором этапе проходное сечение d клапана 11 будет полностью герметично закрыто. Таким образом, при заполнении теплообменника текучей средой, с одной стороны, можно обеспечить полное удаление воздуха из теплообменника, еще остающегося в разворотном коллекторе, а с другой стороны, полное закрытие клапана, как только теплообменник будет полностью заполнен текучей средой.
По меньшей мере во второй соединительном патрубке 2а, расположенном на нижнем конце второго коллектора 2 (выпускного коллектора), установлен еще один клапан (не показанный на чертеже) для открытия и закрытия соединительного патрубка 2а. Этот клапан, выполненный с возможностью управления устройством управления, может быть также размещен в другом месте, например в линии текучей среды, соединенной со вторым соединительным патрубком 2а.
На фиг. 4 изображен обзор варианта осуществления теплообменной установки согласно изобретению, на котором схематично показана передняя торцевая сторона двухпроходной теплообменной установки (фиг. 4а), задняя торцевая сторона (фиг. 4b) и вид сбоку (фиг. 4с). На фиг. 4, в частности, показано расположение соединительных патрубков 1а, 2а и 3 на первом и втором коллекторе 1, 2 (фиг. 4а), а также наклон конструкции и, соответственно, труб 5, проходящих в продольном направлении L по направлению к переднему концу А (фиг. 4с).
На фиг. 5 и 6 показаны различные режимы эксплуатации теплообменной установки. В режиме циркуляционного охлаждения, показанном на фиг. 5а и 6а, например, вода в качестве теплоносителя протекает по трубам 5 (подводящим линиям 5а и обратным линиям 5b) теплообменной установки. Одновременно (холодный) окружающий воздух всасывают из окружающей среды по меньшей мере одним вентилятором 12, расположенным на верхней стороне теплообменной установки, как показано на фиг. 2 и 4с, и пропускают через теплообменники теплообменной установки для осуществления теплообмена между теплоносителем (водой), протекающим по трубам 5, и всасываемым воздухом. Как показано на фиг. 6, для повышения эффективности теплопередачи к трубам 5 прикреплены ребра 22, увеличивающие эффективную площадь теплопередачи. В показанном варианте осуществления теплообменники представляют собой, соответственно, ребристые теплообменники или теплообменники с оребренными трубами. Вместо обычных ребристых теплообменников или теплообменников с оребренными трубами в теплообменной установке согласно изобретению можно использовать микроканальные теплообменники.
В режиме циркуляционного охлаждения, схематично показанном на фиг. 5а и 6а, текучую среду, используемую в качестве теплоносителя, вводят через первый соединительный патрубок 1а в первый коллектор 1 (впускной коллектор) и далее по трубам 5 первой группы труб 5а (подводящие линии) в разворотный коллектор 4, по которому ее отводят в трубы второй группы труб 5а (обратные линии). По обратным линиям текучая среда поступает во второй коллектор 2 (выпускной коллектор). Текучую среду отбирают из выпускного коллектора 2 через третий соединительный патрубок 3, расположенный на верхнем конце выпускного коллектора 2, и по трубе 9 текучей среды, соединенной с третьим соединительным патрубком 3, в качестве охлаждающей среды подают в резервуар охлаждающей среды (резервуар В) или непосредственно к охлаждаемому потребителю.
В режиме циркуляционного охлаждения, согласно фиг. 5а и 6а, второй соединительный патрубок 2а закрыт расположенным в нем клапаном.
На фиг. 5b и 6b схематично показана теплообменная установка в режиме заполнения, в котором теплообменник может быть заполнен текучей средой первично или повторно после опорожнения. В режиме заполнения нижний соединительный патрубок 2а (второй соединительный патрубок) второго коллектора 2 открыт. В результате текучую среду можно одновременно вводить в первый и второй коллектор 1, 2 через соединительные патрубки 1а, 2а, расположенные на нижнем конце двух коллекторов 1, 2 соответственно. После этого текучая среда, как показано на фиг. 5b и 6b, одновременно протекает по всем трубам 5 (то есть как по подводящим линиям 5а, так и по обратным линиям 5b) в одном направлении потока от одного конца А теплообменной установки к противоположному концу В. Благодаря наклону труб 5 к переднему концу А текучая среда в трубах 5 течет вверх в направлении, противоположном направлению силы тяжести, к разворотному коллектору 4, расположенному на заднем торцевом конце В. При этом воздух в разворотном коллекторе 4 вытесняют через вентиляционное отверстие 10 на верхнем конце разворотного коллектора 4, удаляя тем самым воздух из разворотного коллектора 4. Для предотвращения утечки текучей среды из вентиляционного отверстия 10, когда теплообменник полностью заполнен поступающей текучей средой, в вентиляционном отверстии 10, целесообразно, устанавливают автоматически закрывающийся клапан 11. При этом клапан 11 автоматически закрывает вентиляционное отверстие 10, когда поступающая текучая среда создает внутреннее давление в клапане.
Чтобы определить полное заполнение теплообменника текучей средой, регистрируют гидростатическое давление текучей среды в теплообменнике с помощью датчика (р) давления. Как только гидростатическое давление, зарегистрированное датчиком (р) давления, превысит заданное предельное давление, теплообменную установку переключают из режима заполнения в режим циркуляционного охлаждения. В альтернативном варианте устройство S управления теплообменной установки может вычислить ожидаемое время заполнения на основании своих параметров и завершить режим заполнения, как только истечет вычисленное время заполнения теплообменной установки текучей средой.
В соответствии с заполнением теплообменной установки текучей средой быстрое опорожнение теплообменной установки может быть также осуществлено путем открытия клапана во втором соединительном патрубке 2а или на нем. На фиг. 5с и 6с показан режим опорожнения теплообменной установки, в котором при открытом клапане во втором соединительном патрубке 2а текучая среда может вытекать одновременно из всех труб 5 (то есть как из подводящих линий 5а, так и из обратных линий 5b) под действием силы тяжести и в одном направлении потока вдоль уклона труб 5 от заднего конца В к переднему концу А в первый и второй коллекторы 1, 2. При этом движению текучей среды способствует, с одной стороны, наклон труб 5 к переднему концу А, а с другой стороны, вентиляция разворотного коллектора 4 через вентиляционное отверстие 10. Для вентиляции разворотного коллектора 4 открывают клапан 11 в вентиляционном отверстии 10, в результате чего окружающий воздух может поступать в разворотный коллектор 4 через вентиляционное отверстие 10. В конечном итоге текучая среда может вытекать через нижние соединительные патрубки 1а, 2а (первый и второй соединительные патрубки) в не показанную на фигуре трубу текучей среды, соединенную с этими соединительными патрубками 1а, 2а.
Предложенная изобретением конструкция теплообменников позволяет осуществлять как быстрое заполнение текучей средой, так и (в случае опасности замерзания) быстрое опорожнение теплообменной установки, поскольку текучую среду можно вводить и выводить через все трубы 5 теплообменной установки одновременно и в одном направлении как при заполнении, так и при опорожнении.
При этом при опорожнении теплообменной установки теплообменники и, в частности, разворотный коллектор 4 можно опорожнять максимально полно благодаря изгибу концов труб 5, выходящих в разворотный коллектор 4. На фиг. 6a-6c показан изгиб труб 5 на концах 5' труб, выходящих в разворотный коллектор 4. Как показано на фиг. 6а-6с, конец 5' части трубы 5, выходящий в разворотный коллектор 4, согнут в направлении разворотного коллектора 4 на коротком (по сравнению с общей длиной трубы 5) участке 6 изгиба. При этом участок изгиба направлен внутрь от внешней приточной поверхности F, как показано на фиг. 6а, на которой изображен левый теплообменник теплообменной установки, изображенной на фиг. 1-3. При этом участок 6 изгиба имеет по меньшей мере частично переменный угол α изгиба для отдельных труб 5. Угол α изгиба, под которым участок 6 изгиба смещен относительно продольной оси, целесообразно составляет от 5° до 90°, в частности составляет 20°<α<70°. Как показано на фиг. 6а, угол (α) изгиба меньше для расположенных внутри (в направлении потока газа от приточной поверхности F через теплообменник) труб (в показанном примере это подводящие линии 5а), чем для расположенных далее наружу труб (то есть труб, обращенных к приточной поверхности, в данном случае обратных линий 5b).
Благодаря изгибу части труб 5 на их концах 5', обращенных к разворотному коллектору 4, изогнутые трубы 5 по меньшей мере приблизительно радиально выходят внутрь трубчатого разворотного коллектора 4. Это позволяет текучей среде беспрепятственно вытекать из разворотного коллектора 4, в частности, при опорожнении теплообменной установки. Беспрепятственный отток текучей среды из разворотного коллектора 4 обеспечивает, с одной стороны, быстрое, а с другой - полное опорожнение разворотного коллектора 4. Наклон трубы разворотного коллектора 4 относительно вертикальной плоскости также может способствовать полному опорожнению разворотного коллектора 4, так как в этом случае текучая среда может беспрепятственно вытекать из наклоненного разворотного коллектора 4 вниз на участок 6 изгиба изогнутых труб 5, соединенных с разворотным коллектором 4. Благодаря наклону разворотного коллектора 4 участок 6 изгиба изогнутых труб 5, закрепленный на трубе разворотного коллектора 4, также ориентирован под углом к горизонтальной плоскости, что обеспечивает беспрепятственный отток текучей среды в трубы 5.
Другой конец 5'' трубы 5, противоположный участку 6 изгиба и соединенный с первым или вторым коллектором 1, 2, целесообразно выходит прямолинейно (то есть без изгиба) в соответствующий коллектор 1, 2 либо по центру продольной центральной оси соответствующего коллектора 1, 2 (и, таким образом, радиально в коллектор), либо со смещением относительно продольной центральной оси (и, таким образом, тангенциально), как показано на фиг. 6а.
min
R
На фиг. 6d показан чертеж трубной конструкции 25 теплообменной установки в плоскости сечения, перпендикулярной трубе 5. Как показано на фиг. 6d, трубы 5 трубной конструкции 25 расположены в столбцах. В левой части фиг. 6d показано первое возможное расположение труб 5 трубной конструкции 25 в матричной форме (то есть с параллельным расположением рядов труб и столбцов n1, n2, n3, n4, n5, n6), а в правой части фиг. 6d показан второй возможный вариант расположения, в котором трубы рядов труб (в каждом втором столбце, n2, n4, n6) расположены со смещением. В обоих вариантах количество столбцов (от n1 до n6) составляет n=6. По количеству n столбцов (от n1 до n6) в трубной конструкции 25 получают минимальное поперечное сечение (D), для чего вычисляют произведение количества n столбцов в трубной конструкции и поперечного сечения (A) труб 5:
min
R
D=n⋅A.
U
U
min
При этом в соответствии с изобретением поперечное сечение (A) трубы разворотного коллектора 4 и проходное сечение (d) клапана 11 выбирают таким образом, чтобы как поперечное сечение (A) трубы разворотного коллектора 4, так и проходное сечение (d) клапана 11 были равны или превышали минимальное поперечное сечение (D), то есть:
U
min
A≥D, и
min
d>D.
R
min
2
2
2
Внутренний диаметр труб 5 может составлять, например, 15 мм, то есть поперечное сечение (A) трубы составляет 1,7671 см. Предпочтительно, n составляет от 4 до 10, особенно предпочтительно от 5 до 7. В результате предпочтительное минимальное поперечное сечение (D) составляет примерно от 7 до 18 см, в частности от 9 до 12 см.
На фиг. 7 показан пример системы охлаждения, в которой может быть использована теплообменная установка, предложенная изобретением. Система охлаждения, схематично изображенная на фиг. 7, содержит контур K, в котором в качестве теплоносителя протекает текучая среда, в частности вода, резервуар В, соединенный с контуром K и содержащий запас текучей среды, источник Q тепла, подводящий тепло к текучей среде в месте расположения источника тепла, и по меньшей мере одна теплообменная установка согласно изобретению, используемая в системе охлаждения в качестве циркуляционного охладителя R для охлаждения текучей среды путем теплообмена с окружающим воздухом. В примере, показанном на фиг. 7, в качестве циркуляционного охладителя R используют теплообменную установку с двумя двухпроходными теплообменниками, изображенную на фиг. 1-3.
При этом циркуляционный охладитель R системы охлаждения соединен с резервуаром В линиями 9 передачи текучей среды. Резервуар В, предпочтительно, открыт в окружающую среду в месте расположения резервуара. От резервуара В к источнику Q тепла ведет линия 19 передачи текучей среды, позволяющая транспортировать текучую среду, находящуюся и охлаждаемую в резервуаре В, к источнику Q тепла в качестве охлаждающей среды. Для транспортировки текучей среды из резервуара В к источнику Q тепла предусмотрен первый насос Р1. В месте расположения источника Q тепла текучая среда нагревается за счет теплообмена и отводится обратно в циркуляционный охладитель R по дополнительной линии 29. Второй насос Р2 целесообразно расположен в линии 29 и перекачивает текучую среду из источника Q тепла обратно в циркуляционный охладитель R. От линии 29 ответвляется ответвляющаяся линия 30 к резервуару В. Для открытия и закрытия ответвляющейся линии 30 предусмотрен клапан V4. Другой клапан V3 расположен ниже по течению от ответвляющейся линии 30 в линии 29. Линия 29 разветвляется в месте Z разветвления на обратную линию 31 к резервуару В и подающую линию 32 к циркуляционному охладителю R. В обратной линии 31 расположен еще один клапан V2 для открытия и закрытия этой линии. Подающая линия 32 разветвляется на центральную подающую линию и две вспомогательные линии, в каждой из которых расположен трехходовой клапан V1. При этом центральная подающая линия снова разветвляется на две ветви, причем первая ветвь соединена с первым соединительным патрубком 1а левого теплообменника, а вторая ветвь - с правым соединительным патрубком 1а правого теплообменника. Вспомогательные линии ведут ко второму соединительному патрубку 2а левого и правого теплообменников, как показано на фиг. 7b. Таким образом, подающая линия 32 соединена с нижними соединительными патрубками 1а и 2а теплообменной установки через трехходовые клапаны VI. К (верхнему) третьему соединительному патрубку 3 теплообменной установки подсоединена отводящая линия 33, ведущая к линии 9 и соединяющаяся с ней.
На фиг. 8 показаны различные режимы эксплуатации теплообменной установки в системе охлаждения, изображенной на фиг. 7. При этом текучая среда обозначена пунктирной линией в теплом состоянии и сплошной линией в холодном состоянии. Для пунктирной линии поток текучей среды отсутствует.
На фиг. 8а показана система охлаждения, изображенная на фиг. 7, в режиме циркуляционного охлаждения. Клапаны V2 и V4 закрыты, поэтому линии 30 и 31 закрыты. Клапан V3 открыт, чтобы текучая среда, нагретая источником Q тепла, могла протекать по линиям 29 и 32 к циркуляционному охладителю R. При этом трехходовые клапаны VI закрыты, то есть текучая среда может протекать из линии 32 в первый соединительный патрубок 1а первого коллектора 1 (впускного коллектора) обоих многопроходных теплообменников и, тем самым, в теплообменную установку. После того, как текучая среда несколько раз пройдет через многопроходные теплообменники циркуляционного охладителя R, охлажденная текучая среда выходит из циркуляционного охладителя R через третий соединительный патрубок 3 и протекает по линии 33, соединенной с третьим соединительным патрубком 3, в линию 9 и далее в резервуар В, в котором хранится охлажденная текучая среда.
В режиме опорожнения, показанном на фиг. 8b, клапаны V2 и V4 открыты, а клапан V3 закрыт. Трехходовые клапаны VI переключены таким образом, чтобы текучая среда могла протекать из нижних соединительных патрубков 1а, 2а (первого и второго соединительных патрубков) в линию 9 передачи текучей среды, соединенную с этими соединительными патрубками, и далее непосредственно в резервуар В. Во время опорожнения циркуляционного охладителя R текучую среду, нагретую источником Q тепла, возвращают в резервуар В через ответвляющуюся линию 30 при открытом клапане V4, не пропуская текучую среду через циркуляционный охладитель R.
В режиме заполнения, показанном на фиг. 8с, клапаны V2 и V4 закрыты, а клапан V3 открыт. При этом трехходовые клапаны VI переключены таким образом, чтобы текучая среда, нагретая источником Q тепла, протекала по линиям 29 и 32 в нижние соединительные патрубки 1а, 2а (первый и второй соединительные патрубки) многопроходных теплообменников и далее в циркуляционный охладитель R. После полного заполнения теплообменников циркуляционного охладителя R циркуляционный охладитель переключают в режим циркуляционного охлаждения (фиг. 8а).
На фиг. 9 изображен вариант осуществления системы охлаждения, в которой две предложенные изобретением теплообменные установки можно использовать в качестве циркуляционных охладителей R1, R2 в параллельном или последовательном режиме. Два циркуляционных охладителя R1, R2 можно соединить, например, последовательно или параллельно и использовать одновременно для охлаждения текучей среды, используемой в качестве теплоносителя в системе охлаждения. При одновременном использовании обоих циркуляционных охладителей R1, R2 достигается максимальная охлаждающая способность системы охлаждения. Если для достаточного охлаждения текучей среды требуется меньшая мощность охлаждения, один из двух циркуляционных охладителей R1 или R2 можно отключить устройством S управления системы охлаждения.
При параллельной эксплуатации, при которой оба циркуляционных охладителя R1, R2 эксплуатируют одновременно для охлаждения текучей среды, клапаны V2 и V4 закрыты, а клапан V3 открыт, что позволяет вводить текучую среду, нагретую источником Q тепла, в оба циркуляционных охладителя R1, R2 через первый соединительный патрубок 1а. Текучая среда, охлажденная в циркуляционных охладителях R1, R2, вытекает из циркуляционных охладителей R1, R2 через третий соединительный патрубок 3 и протекает по линии 9 передачи текучей среды, соединенной с третьим соединительным патрубком 2а, в резервуар В (как показано на фиг. 9).
В режиме эксплуатации системы охлаждения, показанном на фиг. 10а, клапаны V3 и V4 закрыты, а клапан V2 открыт. Это означает, что в режиме циркуляционного охлаждения эксплуатируют только второй циркуляционный охладитель R2. Первый циркуляционный охладитель R1 находится в режиме ожидания, в котором текучая среда не проходит через трубы первого циркуляционного охладителя R1.
В режиме эксплуатации, показанном на фиг. 10b, второй циркуляционный охладитель R2 эксплуатируют при открытом клапане V3 и закрытых клапанах V2 и V4 в режиме циркуляционного охлаждения, в котором текучую среду, нагретую источником Q тепла, вводят в теплообменники второго циркуляционного охладителя R2 через первый соединительный патрубок 1а и охлаждают в нем, после чего выводят из второго циркуляционного охладителя R2 через второй соединительный патрубок 2а по линии 9 передачи текучей среды, соединенной с третьим соединительным патрубком 3, и направляют в резервуар В. Одновременно первый циркуляционный охладитель R1 эксплуатируют в режиме заполнения, в котором текучую среду одновременно вводят во все трубы 5 первого циркуляционного охладителя R1 через первый соединительный патрубок 1а и второй соединительный патрубок 2а теплообменника, чтобы полностью заполнить циркуляционный охладитель R1 текучей средой.
U
ein
Для управления теплообменной установкой согласно изобретению в различных режимах эксплуатации целесообразно использовать несколько датчиков S1, S2, позволяющих регистрировать параметры окружающей среды, в частности температуру наружного воздуха (T) и/или скорость (v) ветра, и передавать их для обработки на устройство S управления. Помимо параметров окружающей среды, дополнительные датчики Т1, Т2, Р целесообразно регистрируют температуру (T) текучей среды на входе теплообменной установки, температуру текучей среды в разворотных коллекторах 4, 6 и давление или расход текучей среды во впускном коллекторе 1.
aus
aus
aus
min
aus
aus
min
Устройство управления со ссылочным обозначением S на схеме системы охлаждения, изображенной на фиг. 7а, соединено с клапанами V, V1, V2, V3 и V4 и управляет ими. Значения, измеренные датчиками S1, S2; Т1, Т2, Р, передают на устройство управления, и устройство управления вычисляет температуру (T) текучей среды на выходе из теплообменной установки на основании измеренных значений. При расчете температуры (T) на выходе также учитывают параметры теплообменной установки, в частности ее тепловую мощность, размеры теплообменников, количество проходов текучей среды через трубы, текучую среду, используемую в качестве теплоносителя, и объемный расход текучей среды через трубы, чтобы определить (максимальное) охлаждение текучей среды при опорожнении теплообменной установки. Устройство управления управляет клапанами теплообменной установки таким образом, чтобы теплообменная установка эксплуатировалась в режиме циркуляционного охлаждения, пока вычисленная температура (T) на выходе больше или равна заданному предельному значению (T). Как только вычисленная температура (T) на выходе опустится ниже предельного значения (то есть при T<T), теплообменную установку переключают в режим опорожнения. Переключение осуществляют, например, путем электрического или пневматического управления клапанами V, V1, V2, V3 и V4.
min
Заданное предельное значение (T), целесообразно, принимают равным значению Δ, превышающему температуру замерзания текучей среды, используемой в качестве теплоносителя (то есть 0°С в случае воды), причем значение А имеет безопасный зазор от температуры замерзания.
min
Это гарантирует, что текучая среда не замерзнет даже при быстром опорожнении. Предпочтительно, значение Δ (и, соответственно, при использовании воды в качестве теплоносителя, предельное значение T=0°С+Δ) составляет от 1°С до 7°С.
aus
aus
min
aus
После полного опорожнения теплообменная установка остается в режиме ожидания, в котором теплообменники не заполнены текучей средой. В режиме ожидания проверяют, сохраняется ли опасность замерзания, путем расчета прогнозируемой температуры (T) на выходе на основании измеренных параметров окружающей среды и ее сравнения с предельным значением. Как только вычисленная температура (T) на выходе становится больше или равна заданному предельному значению (T), устройство управления переключает теплообменную установку из режима ожидания в режим заполнения. После полного заполнения теплообменной установки ее переключают в режим циркуляционного охлаждения и эксплуатируют до тех пор, пока вычисленная температура (T) на выходе не окажется ниже предельного значения.
ein
В варианте осуществления, изображенном на фиг. 9, устройство управления управляет теплообменной установкой, содержащей несколько теплообменников, таким образом, чтобы отдельные многопроходные теплообменники могли эксплуатироваться независимо друг от друга в различных режимах эксплуатации. При этом устройство управления контролирует количество теплообменников, эксплуатируемых в режиме циркуляционного охлаждения, в зависимости от обнаруженных параметров окружающей среды и/или обнаруженной температуры (T) текучей среды на входе, чтобы иметь возможность обеспечить требуемую охлаждающую способность. Объем текучей среды, проходящей через теплообменную установку за единицу времени, целесообразно остается постоянным независимо от количества теплообменников, эксплуатируемых в режиме циркуляционного охлаждения. При этом устройство управления отслеживает, находится ли температура текучей среды, охлажденной в теплообменной установке и находящейся в резервуаре, в предпочтительном диапазоне между минимальной и максимальной температурой. Предпочтительный диапазон температур текучей среды, находящейся в резервуаре В, может составлять, например, от 15°С до 22°С.