Способ регулирования температуры жидкого хладоносителя на выходе из испарителя парокомпрессионной холодильной установки

Изобретение относится к парокомпрессионным холодильным установкам и может быть использовано для регулирования температуры жидкого хладоносителя в различных технологических процессах, например, в системах жидкостного термостатирования космических аппаратов при наземных испытаниях, а также в других областях промышленности (фармацевтической, химической), а также при термостатировании различного электронного и оптического оборудования при их эксплуатации, а также для систем прецизионного кондиционирования серверных залов и ЦОД (центров обработки данных) для телекоммуникационных компаний.

Широко известные способы автоматического регулирования какой-либо величины (расхода, давления и т.п.) в установке заключаются в измерении текущего значения управляемой величины, сравнению ее с заданной, выработки по предварительно установленной зависимости управляющего воздействия на исполнительный блок на регулируемый процесс или объект управления. Эти общие принципы приведены в книге автора Воронова А.А. «Основы теории автоматического управления. Автоматическое регулирование непрерывных линейных систем», М., изд. Энергия, 1980 г., 312 с.

Обычно способы регулирования температуры осуществляются с помощью измерения температуры в определенных точках системы чувствительными элементами, вырабатывающими управляющие сигналы для исполнительных органов, непосредственно воздействующих на тепловые процессы.

Современные системы тепло- и холодоснабжения для поддержания заданной температурой теплоносителя являются, как минимум, двухконтурными, с основным контуром тепло- или холодоснабжения и контуром с потребителем тепла или холода. Поэтому управлять такими системами можно путем одновременного взаимосвязанного воздействия на регулирование температуры теплоносителя в контуре потребителя и регулированием расхода в основном контуре.

Известен способ регулирования температуры теплоносителя в системе терморегулирования космического аппарата (КА) с излучательным радиатором (патент RU 2187083, опубл. 10.08.2002, бюл. №22, МПК: G01K 17/10 (2000.01)), в котором с целью повышения точности регулирования температуры теплоносителя в системе, в начальный период эксплуатации КА при режимах функционирования КА с фиксированной внутренней и внешней тепловой нагрузкой на КА измеряют установившиеся температуры на входе и выходе излучательного радиатора (выполняющего роль холодильной машины), и для каждого значения этой нагрузки задают расход в контуре излучательного радиатора, определенный по предварительно рассчитанной формуле, связывающей характеристики радиатора, диапазон регулирования температуры и тепловую нагрузку на систему и обеспечивающий необходимую температуру хладоносителя в контуре потребителя (контур охлаждения жилых и приборных отсеков КА). Фактически, таким образом, проводят тарировку положения исполнительного механизма регулятора температуры в контуре излучательного радиатора в зависимости от тепловой нагрузки на систему. После чего в дальнейшем полете для каждого значения тепловой нагрузки задают и выдерживают соответствующее значение расхода в контуре излучательного радиатора (аналог холодильной машины) путем установки экипажем или по командной радиолинии из центра управления полетом исполнительного механизма регулятора расхода в соответствующее положение. Это обеспечивает достаточную для КА точность регулирования температуры в жилых (±3)°С и приборных (±5)°С отсеках. При этом экономится ресурс работы регулятора расхода, поскольку он значительное время полета находится в фиксированных положениях, при этом ресурс его исполнительного механизма не вырабатывается.

Данный способ регулирования был использован в системе терморегулирования долговременной орбитальной станции «Мир», которая поддерживала температуру в жилых отсеках в диапазоне (+18÷+25)°С. Именно такой широкий диапазон регулирования является недостатком данного способа, при этом способ является дискретным, т.е. для каждого значения тепловой нагрузки задается свое соотношение расходов.

Известен способ автоматического регулирования температуры в аппарате с обогревающей рубашкой по патенту RU 2167449, опубл. 20.05.2001, бюл. №14, МПК: G05D 23/19 (2000.01). Способ заключается в том, что по количеству потребляемой электроэнергии вычисляют эквивалентную мощность источника тепла, принимая ее в качестве заданной величины, измеряют температуры массы вещества внутри аппарата и жидкого теплоносителя в обогреваемой рубашке, внутренних и наружных поверхностей всех стенок аппарата, температуру воздуха вокруг аппарата, определяют коэффициенты теплоотдачи поверхностей стенок аппарата, вычисляют тепловые потоки и фактические значения тепловой мощности, сопоставляют с заданной величиной мощности, сопоставляют значение текущей температуры с заданной величиной температуры, а сигналы, пропорциональные разностям фактических величин эквивалентной мощности и температуры вещества и их заданных значений, подают на регуляторы мощности и температуры, вырабатывающие сигналы, воздействующие на источник тепла по заданным законам. Недостатками данного способа являются трудность его практической реализации вследствие сложных математических вычислений, при этом принимаются определенные расчетные допущения, снижающие достоверность полученных расчетным путем данных, которые, в свою очередь, снижают точность регулирования температуры. Поэтому этот способ регулирования можно использовать только в высокотемпературных процессах, где даже точность ±10°С является хорошим результатом.

Известен также патент RU №2325591, опубл. 27.05.2008, бюл. №15, МПК: F24D 19/10 (2006.01) под названием «Способ автоматического регулирования расхода тепла в тепловой сети при двухконтурной системе отопления», в котором, требуемая температура в тепловой сети при двухконтурной системе отопления обеспечивается путем поддержания заданных соотношений между давлениями и температурами в прямом и обратном трубопроводах сети. При этом сигналы с датчиков давления и температур подаются в микропроцессорные контроллеры, а изменение расхода теплоносителя и его регулирование осуществляется побудителями расхода с частотными преобразователями.

Недостаток способа - невысокая точность поддержания температуры (±3÷4)°С, приемлемая для систем тепло-водоснабжения с положительными температурами теплоносителей в гидравлических контурах, но недостаточная технологических процессов, требующих более высокой точности поддержания температуры на входе в охлаждаемое оборудование.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ регулирования температуры хладоносителя в холодильной установке по а.с. СССР №397721, опубл. 17.09.1973, бюл. №37, МПК: F25B 49/00, выбранный за прототип.

Способ заключается в том, что в холодильной установке с испарителем и потребителем, поддерживают температуру хладоносителя на выходе из испарителя изменением расхода хладоносителя, циркулирующего через испаритель.

Недостатком данного способа является низкая энергоэффективность и его недостаточная точность поддержания температуры в охлаждаемом объекте, поскольку производительность холодильного компрессора регулируется только путем его пуска и остановки по сигналу двухпозиционного реле температуры, установленного на выходе хладоносителя из испарителя. А частые включения холодильного компрессора вследствие высоких значений пускового тока, в 1,5-2 раза превышающего рабочий ток компрессора, ведет к повышенному энергопотреблению при использовании этого способа регулирования. Что касается точности регулирования температуры хладоносителя, то способ-прототип отличается достаточной инерционностью и поэтому может применяться, когда требуется поддерживать температуру охлаждаемого объекта в достаточно широком диапазоне регулирования температуры, например, +5±2°С. Включение происходит, когда температура охлаждаемого объекта достигает верхнего предела срабатывания, выключение, соответственно, когда эта температура достигает нижнего предела, что не позволяет получать точность регулирования температуры хладоносителя на выходе из испарителя с точностью до ±0,5°С, которая нужна для термостатирования оптических и электронных устройств в различных условиях, а также нужна при термостатировании приборного оборудования летательных аппаратов и для прецизионного кондиционирования центров обработки данных (ЦОД) телекоммуникационных компаний.

Использование предлагаемого способа регулирования температуры жидкого хладоносителя позволяет получить точность регулирования температуры хладоносителя на выходе из испарителя с точностью 0,5°С и выше.

В настоящее время возрастают требования к современным системам термостатирования оборудования для космических аппаратов, оптикоэлектронных устройств, системам прецизионного кондиционирования серверных залов и ЦОД телекоммуникационных компаний в части точности поддержания температуры жидких хладоносителей, при этом в качестве хладоносителей для таких систем рекомендуется использовать воду и нетоксичные водные растворы. Работа систем термостатирования с использованием таких хладоносителей всегда связаны с опасностью их замерзания внутри испарителя при работе вблизи температуры их замерзания с последующим разрушением теплообменной поверхности испарителя, поскольку при снижении температуры кипения хладагента в испарителе на 3÷5°С ниже температуры его замерзания, хладоноситель начинает примерзать к стенкам труб и если этот процесс оперативно не остановить, теплообменная батарея замерзнет и потеряет герметичность, поскольку превращаясь в лед вода и водные растворы увеличиваются в объеме.

Поэтому при работе с системами прецизионного термостатирования задача повышения точности поддержания температуры хладоносителя в очень узком температурном диапазоне имеет два аспекта, во-первых обеспечить требования разработчиков к точности поддержания температуры, а во-вторых, при работе с хладоносителями на основе воды и водных растворов обеспечивая до ±0,5°С, можно надежно контролировать охлаждение хладоносителя вблизи его температуры замерзания и гарантированно не допускать намерзания льда внутри испарителя холодильной установки.

Задачей изобретения является повышение точности регулирования температуры хладоносителя на выходе из испарителя путем измерения давления кипения хладагента и поддержание его в заданном расчетом диапазоне, соответствующем требуемому диапазону поддержания температуры путем соответствующего изменения объемной производительности компрессора холодильной установки.

Техническим результатом изобретения является повышение точности регулирования температуры хладоносителя на выходе из испарителя свыше ±0,5°С, что позволяет получать непосредственно в испарителях парокомпрессионных холодильных установок хладоноситель с заданной стабильной температурой для систем жидкостного термостатирования космических аппаратов при наземных испытаниях, а также поддержание заданного температурного режима различного электронного и оптического оборудования при их эксплуатации или наземной отработке.

Технический результат достигается тем, что в способе регулирования температуры жидкого хладоносителя на выходе из испарителя парокомпрессионной холодильной установки, включающим измерение температуры хладоносителя на выходе из испарителя и регулирование объемной производительности, при этом фиксируют номинальное значение температуры хладоносителя на выходе из испарителя и диапазон ее регулирования, для фиксированного значения номинальной температуры и диапазона ее регулирования расчетным путем определяют и фиксируют номинальное значение давления кипения хладагента в испарителе и диапазон его регулирования, контролируют текущие значения температуры хладоносителя на выходе из испарителя, давления кипения хладагента и объемной производительности компрессора, сравнивают полученные значения упомянутых температуры хладоносителя и давления кипения хладагента с их фиксированными соответствующими номинальными значениями, при этом номинальное значение температуры хладоносителя на выходе из испарителя поддерживают изменением объемной производительности компрессора в диапазоне номинальных значений давлений хладагента в испарителе, соответствующих фиксированному номинальному диапазону регулирования температуры хладоносителя на выходе из испарителя с учетом расчетной зависимости:

где:

t_{вых.ном.} - номинальные температуры хладоносителя на выходе из испарителя;

Р_{кип.ном.} - номинальные значения давления кипения хладагента в испарителе;

ƒ - функция, зависящая от типа хладагента, хладоносителя и конструкции испарителя, получаемая в результате расчетов испарителя при различных величинах тепловой нагрузки на него.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Способ позволяет регулировать процесс теплообмена внутри испарительного теплообменника парокомпрессионной холодильной установки, предназначенного для получения в испарителе хладоносителя заданной температуры с точностью выше 0,5°С для термостатирования оборудования. Для этого используют расчетную зависимость (1) теплообмена в испарителе, связывающую температуру хладоносителя на выходе из испарителя с давлением кипения хладагента в испарителе, контролируя эти параметры при работе холодильной установки. Таким образом, температуру кипения хладагента в испарителе, обеспечивающую требуемую точность поддержания температуры хладоносителя на выходе из испарителя, регулируют с помощью электронного контроллера, управляя объемной производительностью компрессора в соответствии с расчетной зависимостью (1) и измеренными значением температуры хладоносителя на выходе из испарителя и давлением кипения хладагента в испарителе. При отклонении температуры хладоносителя на выходе из испарителя от номинальной, изменяя объемную производительность компрессора предложенный способ регулирования позволяет изменить температуру кипения хладагента в испарителе - вернуть температуру хладагента на выходе из испарителя к своему номинальному значению. Реализация предложенного способа на изготовленной установке наземного термостатирования доказала возможность получения хладоносителя с заданной температурой и точностью поддержания не менее ±0,5°С, что гарантированно исключит замерзание хладоносителей на основе воды и водных растворов внутри испарителя при работе с температурами вблизи точки их замерзания.

Реализацию предложенного способа регулирования температуры жидкого хладоносителя на выходе из испарителя парокомпрессионной холодильной установки рассмотрим на примере установки, схема которой показана на фиг. 1, где обозначено:

1 - контур хладагента;

2 - компрессор;

3 - регулятор объемной производительности компрессора (частотный привод);

4 - конденсатор воздушного охлаждения;

5 - расширительное устройство;

6 - испаритель;

7 - полость хладагента;

8 - полость хладоносителя;

9 - датчик давления хладагента в испарителе;

10 - электронный контроллер;

11 - контур хладоносителя;

12 - насос;

13 - охлаждаемый объект;

14 - датчик температуры.

На фиг. 2 представлен график расчетной зависимости, введенный в электронный контроллер, связывающий давление кипения хладагента в испарителе с температурой хладоносителя на выходе из испарителя.

Парокомпрессорная холодильная установка содержит контур хладагента 1 и контур хладоносителя 11, связанные в тепловом отношении испарителем 6. В контуре хладагента 1 установлен датчик давления 9, в контуре хладоносителя датчик температуры 14 соответственно, электрически связанные с электронным контроллером 10. Контур хладагента 1 состоит из последовательно соединенных компрессора 2 с регулятором объемной производительности 3, выполненным, например, в виде частотного привода, который электрически связан с электронным контроллером 10, конденсатора воздушного охлаждения 4, расширительного устройства 5, полости хладагента 7 испарителя 6. Контур хладоносителя 11 включает в себя последовательно соединенные полость хладоносителя 8 испарителя 6, насос 12, охлаждаемый объект 13.

Способ регулирования температуры жидкого хладоносителя на выходе из испарителя парокомпрессионной холодильной установки осуществляется следующим образом. Предположим, что холодильная установка работает в стационарном режиме, при котором температура хладоносителя на выходе из испарителя 6 составляет +1,5°С. Номинальный диапазон значений температур хладоносителя на выходе из полости хладоносителя 8 испарителя 6, введенный в электронный контроллер 10, соответствует номинальной температуре хладоносителя +1,5°С±0,5°С на выходе из испарителя. Номинальной температуре хладоносителя +1,5°С на выходе из испарителя 6 соответствует температура кипения хладагента в испарителе минус 2°С и давление кипения хладагента 4,8 бар в полости хладагента 7 испарителя 6. Номинальный диапазон температуры хладоносителя Δt_{вых.ном.}, с которой он должна поступать к потребителю 13 составляет +1,5±0,5°С, т.е. +1÷+2°С. Тепловой расчет конкретного испарителя 6 при различных величинах тепловой нагрузки на хладагенте R507A (ГОСТ Р ИСО 17584-2015) по программе производителя испарителя, показывает, что температуры кипения хладагента для заданного температурного диапазона хладоносителя составляет -1÷-3°С. По термодинамическим таблицам хладагентов определяют давление кипения хладагента R507A (ГОСТ Р ИСО 17584-2015) в испарителе 6: при температуре кипения хладагента минус 1°С давление кипения составляет 5,0 бар, а при температуре кипения минус 3°С давление кипения должно быть 4,6 бар, т.е. поддерживая изменением объемной производительности компрессора 2 в полости 7 испарителя 6 давление хладагента в диапазоне от 5,0 бар до 4,6 бар холодильная установка будет гарантированно поддерживать температуру хладоносителя на выходе из полости хладоносителя 8 испарителя 6 в заданном номинальном диапазоне +1÷+2°С. На фиг. 2 представлена расчетная зависимость полученная для конкретного испарителя 6, связывающая необходимый номинальный диапазон температур хладоносителя на выходе из полости 8 испарителя Δt_{вых.ном.} с номинальным давлением кипения Р_{кип.ном.} хладагента в полости 7 испарителя 6 и соответствующими этому диапазону температурами кипения хладагента t_кип.. Изменение объемной производительности компрессора 2 с регулятором производительности 3 в виде частотного привода осуществляется следующим образом.

При работе холодильной установки фиксируют номинальную температуру хладоносителя на выходе из испарителя 6 Δt_{вых.ном}=1,5°С и диапазон ее регулирования ±0,5°С. Для указанной выше номинальной температуры и диапазона ее регулирования расчетным путем определяют и фиксируют номинальное давление кипения хладагента в испарителе и диапазон его регулирования 4,8±0,2 бар. Таким образом, получают расчетное соотношение между значениями температурой хладоносителя t_{вых.ном} на выходе из испарителя 6 и значениями давления кипения Р_{кип.ном.} хладагента в полости 7 испарителя 6. Это соотношение вводят в электронный контроллер 10, с помощью которого осуществляют регулирование температуры жидкого хладоносителя на выходе из испарителя. В процессе работы холодильной установки контролируют текущие значения температур хладоносителя t_{вых.ном.} на выходе из полости 8 испарителя 6 с помощью датчика температуры 14 и давления кипения хладагента Р_{кип.ном.} в полости 7 испарителя 6 с помощью датчика давления 9. Полученные текущие значения указанных выше параметров сравнивают с фиксированными значением номинальной температуры хладоносителя +1,5°С на выходе из полости 8 испарителя 6 и давления кипения 4,8 бар хладагента в полости 7 испарителя 6, заложенными в память электронного контроллера 10.

При повышении температуры температуры хладоносителя t_{вых.ном.} на выходе из полости 8 испарителя 6, фиксируемого датчиком температуры 14 например, на 0,5°С относительно номинальной температуры в контроллере +1,5°С, давление кипения хладагента в полости 7 испарителя 6 будет уменьшаться относительно номинального давления кипения 4,8 бар и достигнет значения 4,6 бар. С помощью электронного контроллера 10 формируют управляющий сигнал на регулятор объемной производительности 3 (частотный привод) компрессора 2, который увеличивает объемную производительность компрессора за счет увеличения частоты вращения его коленчатого вала. Тем самым, в полость 7 испарителя 6 поступает большее количество хладагента, что ведет к росту его давления кипения Р_{кип.ном.}, измеряемого датчиком давления 9, и, соответственно, к возврату температуры кипения к значению t_кип.=-2°С, соответствующей номинальной температуре температуры хладоносителя на выходе из испарителя +1,5°С.

Если с помощью датчика температуры 14 фиксируют понижение температуры хладоносителя t_{вых.ном.} на выходе из полости 8 испарителя 6, например, на 0,5°С относительно номинальной температуры +1,5°С и опуститься до +1°С (при этом давление кипения хладагента в полости 7 испарителя 6 будет увеличиваться относительно номинального значения 4,8 бар и достигнет значения 5,0 бар), то с помощью электронного контроллера 10 формируют управляющий сигнал на регулятор объемной производительности 3 (частотный привод) компрессора 2, который уменьшает объемную производительность компрессора за счет уменьшения частоты вращения его коленчатого вала. Тем самым, в полость 7 испарителя 6 поступает меньшее количество хладагента, что ведет к понижению его давления кипения Р_{кип.ном.}, измеряемого датчиком давления 9 до значения 4,8 бар, и, соответственно, к возврату температуры кипения к значению t_кип.=-2°С, соответствующей номинальной температуре хладоносителя на выходе из испарителя +1,5°С.

Таким образом, осуществляется регулирование температуры жидкого хладоносителя в испарителе парокомпрессионной холодильной машины, что позволяет повысить точность термостатирования различных объектов как при наземной отработке, так и при натурных испытаниях.