冷卻水型磁力透平節能空調機組及控制方法與流程
2023-05-26 13:50:02 1
本發明涉及製冷設備技術領域，尤其是涉及一種能回收水系統液力能做為自然冷源免費供冷時冷媒輸送動力的冷卻水型磁力透平節能空調機組及控制方法。
背景技術：
隨著數據中心單機櫃功耗增加，機房空調能耗越來越大，如何充分利用自然冷源已成為行業的一研究熱點，目前數據中心機房空調主要有風冷型，冷凍水型，水冷型三種；風冷型受室外機布置的影響，多用於小型機房；冷凍水型多用於中大型數據中心；水冷型一般用於中小型數據中心，因其布置靈活，節能效果比風冷型空調好，應用範圍越來越廣；
但是，目前水冷型空調機組均採用冷凝器與室內機分開的方式，例如，將水冷冷凝器布置在一個房間，蒸發器與壓縮機作為空調室內機布置在數據機房內，中間採用冷媒銅管連接；因水冷型空調機組只有壓縮製冷循環，過渡季節與冬季只能利用壓縮機的啟停調節供冷量，存在不能充分利用自然冷原的缺點，且能耗高。
技術實現要素：
本發明的發明目的是為了克服現有技術中的水冷型空調機組在過渡季節與冬季只能通過壓縮機的啟停調節供冷量的不足，提供了能回收水系統液力能做為自然冷源免費供冷時冷媒輸送動力的冷卻水型磁力透平節能空調機組及控制方法。
一種冷卻水型磁力透平節能空調機組，包括控制器、依次連接的進水管道，磁力透平泵，冷凝器和出水管道；進水管道和磁力透平泵的第一出液口之間設有直連管道，直連管道和進水管道上均設有電動二通調節閥；
還包括分別與冷凝器連接的儲液罐和變頻壓縮機，磁力透平泵冷媒旁路、冷媒液管、液路三通閥，電子膨脹閥，液體單向閥，蒸發器和冷媒氣管；
儲液罐分別與磁力透平泵和磁力透平泵冷媒旁路連接，磁力透平泵和磁力透平泵冷媒旁路均通過冷媒液管與液路三通閥連接，液路三通閥分別與電子膨脹閥和液體單向閥，電子膨脹閥和液體單向閥分別與蒸發器連接，蒸發器通過冷媒氣管與變頻壓縮機連接；
變頻壓縮機兩端的氣體通道上還設有變頻壓縮機旁路，磁力透平泵冷媒旁路，磁力透平泵和液路三通閥之間均設有液體單向閥；變頻壓縮機旁路和冷媒氣管上均設有氣路單向閥；兩個電動二通調節閥、液路三通閥和變頻壓縮機均與控制器電連接。
本發明增加磁力透平泵，通過回收冷卻水系統中液力能做為冷媒輸送動力，當室外溫度較低，壓縮機不工作時，磁力透平泵輸送冷媒，形成免費供冷循環，使得冷卻水機組可以利用自然冷源免費冷卻。
冷媒與水熱交換，冷媒在傳熱過程中產生相變，而水未產生相變，即傳遞同樣的熱量所需水的質量流量M1比冷媒質量流量M2要大得多，根據熱力學第一定律可列出如下方程：
M1C1ΔT＝M2Δh
其中，C1為水的比熱，ΔT為水的溫差，Δh為冷媒焓差。
質量流量比M1/M2＝Δh/C1ΔT
以R134a為例，在10℃傳遞相同熱量水與製冷劑質量流量比約為9.1∶1。
因此，只需回收很小冷卻水管內剩餘液力就能驅動冷媒流動，根據熱力學第一定律同樣可得到如下方程：
M1H1η1＝M2H2
其中，H1為冷卻水液力能水壓降，H2為冷媒所提升的高度，η1為磁力透平泵的總體效率，如果磁力透平泵的效率為100％，即M1/M2＝H2/H1，可以得知，傳遞相同的熱量，通過磁力透平泵回收1米的水壓降的液力能，可讓冷媒提升9.1米。回收很小水壓液力能即可滿足冷媒輸送動力需求。
作為優選，所述磁力透平泵包括主動泵、從動泵和磁力傳動器；主動泵包括第一殼體、設於第一殼體內的第一葉輪和設於第一殼體上的第一泵蓋；磁力傳動器包括內轉子，外轉子，設於內轉子、外轉子之間的隔離套和設於隔離套外部的密封套；從動泵包括第二殼體、設於第二殼體內的第二葉輪和設於第二殼體上的第二泵蓋；第一葉輪的轉軸穿過第一泵蓋並與外轉子與連接，內轉子的轉軸穿過第二泵蓋並與第二葉輪連接，密封套分別與第一泵蓋和第二泵蓋連接，隔離套和第二泵蓋連接，外轉子、內轉子均採用磁性材料製成，隔離套採用非導磁材料製成，第一殼體上設有第一進液口，第一出液口位於第一殼體上，第二殼體上設有第二進液口和第二出液口；進水管道的出口與第一進液口連接，出水管道的入口與第一出液口連接；第二進液口與儲液罐連接，第二出液口與磁力透平泵和液路三通閥之間的液體單向閥連接。
為實現對冷凝劑的輸送，本發明將外轉子的轉軸與第一葉輪連接，隔離套與第二泵蓋連接，內轉子與第二葉輪連接，根據磁場能穿透空氣隙和非磁性介質的原理，當第一葉輪帶動外轉子旋轉時，通過磁力線的作用耦合了內轉子作同步旋轉，實現了力矩的非接觸式傳遞，由常規的一根軸加設軸封部件改為兩根軸加設隔離套結構，將動密封轉化為靜密封，從而徹底解決了介質的洩漏問題。
本發明解決了冷凝劑洩漏問題，擴大應用範圍，提高能源利用效率，節省運行能耗。
作為優選，進水管道和第一殼體之間設有用於導流液體的連通管，從第一進液口和連通管出口流出的液體使第一葉輪同向旋轉。
作為優選，第一殼體內包括進液通道、腔體和出液通道；第一進液口位於進液通道上，第一葉輪位於腔體中，第一出液口位於出液通道上，進液通道和出液通道的軸心線相互垂直，進液通道和第一葉輪的軸心線相互垂直。
作為優選，第一葉輪包括轉盤和設於轉盤上的若干個葉片；每個葉片中均設有L形磁力透平泵冷媒旁路；外轉子呈一端開口的圓筒狀，隔離套的剖面呈幾字形。
一種冷卻水型磁力透平節能空調機組的控制方法，包括如下步驟：
進水管道中設有溫度傳感器，溫度傳感器與控制器電連接；控制器中設有設蒸發溫度為T2，冷凝溫度為T1，T2小於T1；控制器控制溫度傳感器檢測水溫信號S(t)，控制器根據水溫信號S(t)計算得到水溫T；
(6-1)當T≥T1時，控制器控制2個電動二通調節閥均打開，控制控制變頻壓縮機工作；
水側：冷卻水由進水管道經電動二通調節閥進入冷凝器，從冷凝器流出的水從出水管道流出，進入冷卻水循環管路；
冷媒側：變頻壓縮機壓出的高溫高壓氣體經冷凝器冷凝後，氣體變為液體進入儲液罐，液態冷凝劑進入電子膨脹閥節流降壓後進入蒸發器，從蒸發器出來的低溫氣體經由冷媒氣管進入變頻壓縮機，完成整過製冷過程；
(6-2)當T1＞T≥T2時，控制器控制直連管道的電動二通調節閥關閉，出水管道的電動二通調節閥打開，控制變頻壓縮機變頻運行；
水側：冷卻水由進水管道經磁力透平泵的主動泵至冷凝器，冷卻水經冷凝器後從出水管道流出，進入冷卻水循環管路；
冷媒側：變頻壓縮機壓出的高溫高壓氣體經冷凝器冷凝，冷凝劑進入儲液罐後，經磁力透平泵的從動泵進入冷媒液管，冷凝劑由電子膨脹閥節流降壓後進入蒸發器，從蒸發器出來的低溫氣體經由冷媒氣管進入變頻壓縮機，完成整過製冷過程；
(6-3)當T2＞T時，控制器控制直連管道的電動二通調節閥關閉，出水管道的電動二通調節閥打開，控制變頻壓縮機停止運行，控制液路三通閥與液體單向閥導通；
水側：冷卻水由進水管道經磁力透平泵的主動泵至冷凝器，冷卻水經換熱後從出水管道進出，進入冷卻水循環管路；
冷媒側：冷凝器冷凝後的液體進入儲液罐，經磁力透平泵的從動泵加壓後由液路三通閥切換至液體單向閥後，進入蒸發器，從蒸發器出來的低溫氣體經由冷媒氣管進入變頻壓縮機旁路後回到冷凝器，完成整過製冷過程。
步驟(6-1)對應的本發明的模式1：高溫季節以變頻壓縮機為動力的製冷壓縮機供冷模式；
步驟(6-2)對應的本發明的模式2：磁力透平泵+變頻壓縮機聯合運行的半自然免費供冷模式；
步驟(6-3)對應的本發明的模式3：磁力透平泵為動力的自然免費冷卻供冷模式。
作為優選，還包括對S(t)進行修正的步驟：
控制器在S(t)中選取若干個時間間隔為Δt的採樣值，各個採樣值按照時間先後順序排列構成檢測信號I(t)；
對於I(t)中第一個採樣值和最後一個採樣值之外的每個採樣值ES(t1)，利用公式計算平穩係數ratio；
控制器中預先設有依次增大的權重閾值0.6，1和1.7；
對於ratio位於[1-A1，1+A1]範圍內的採樣值，將採樣值修正為B1 ES(t1)，B1為小於0.5的實數；
對於ratio位於(0.6，1-A1)或(1+A1，1.7)範圍內的採樣值，將採樣值修正為B2 ES(t1)，
用修正過的各個採樣值代替I(t)中的對應採樣值，得到經過修正的檢測信號I(t)，用檢測信號I(t)替換S(t)。
為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
因此，本發明具有如下有益效果：能回收水系統液力能做為自然冷源免費供冷時冷媒輸送動力，冷凝劑不會洩漏，應用範圍廣，提高了能源利用效率，節省空調運行能耗。
附圖說明
圖1是本發明的一種結構示意圖；
圖2是本發明的磁力透平泵的一種剖視圖；
圖3是本發明的連通管的一種結構示意圖；
圖4是本發明的實施例1的一種流程圖。
圖中：進水管道 2、冷凝器 3、出水管道 4、電動二通調節閥 5、磁力透平泵 6、儲液罐 7、變頻壓縮機 8、磁力透平泵冷媒旁路 9、液路三通閥 10，電子膨脹閥 11、蒸發器 13、冷媒氣管 14、變頻壓縮機旁路 15、液體單向閥 16、氣路單向閥 17、直連管道 18、冷媒液管 19、連通管 20、排氣隔液裝置 21、蝶閥 22、主動泵 31、從動泵 32、磁力傳動器 33、第一殼體 311、第一葉輪 312、第一泵蓋 313、內轉子 321、外轉子 322、隔離套 323、密封套 324、第二殼體 331、第二葉輪 332、第二泵蓋 333、第一進液口 3111、第一出液口 3112、第二進液口 3113、第二出液口 3114、轉盤 121、葉片 122、L形磁力透平泵冷媒旁路 1221。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步的描述。
實施例1
如圖1所示的實施例是一種冷卻水型磁力透平節能空調機組，包括控制器、依次連接的進水管道2，磁力透平泵6，冷凝器3和出水管道4；進水管道和磁力透平泵的第一出液口之間設有直連管道18，直連管道和進水管道上均設有電動二通調節閥5；
還包括分別與冷凝器連接的儲液罐7和變頻壓縮機8，磁力透平泵冷媒旁路9、冷媒液管19、液路三通閥10，電子膨脹閥11，液體單向閥16，蒸發器13和冷媒氣管14；
儲液罐分別與磁力透平泵和磁力透平泵冷媒旁路連接，磁力透平泵和磁力透平泵冷媒旁路均通過冷媒液管與液路三通閥連接，液路三通閥分別與電子膨脹閥和液體單向閥，電子膨脹閥和液體單向閥分別與蒸發器連接，蒸發器通過冷媒氣管與變頻壓縮機連接；
變頻壓縮機兩端的氣體通道上還設有變頻壓縮機旁路15，磁力透平泵冷媒旁路，磁力透平泵和液路三通閥之間均設有液體單向閥；變頻壓縮機旁路和壓縮機排氣管上均設有氣路單向閥17；兩個電動二通調節閥、液路三通閥和變頻壓縮機均與控制器電連接。
圖1中還設有排氣隔液裝置21和蝶閥22。
如圖2所示，磁力透平泵包括主動泵31、從動泵32和磁力傳動器33；主動泵包括第一殼體311、設於第一殼體內的第一葉輪312和設於第一殼體上的第一泵蓋313；磁力傳動器包括內轉子321，外轉子322，設於內轉子、外轉子之間的隔離套323和設於隔離套外部的密封套324；從動泵包括第二殼體331、設於第二殼體內的第二葉輪332和設於第二殼體上的第二泵蓋333；第一葉輪的轉軸穿過第一泵蓋並與外轉子與連接，內轉子的轉軸穿過第二泵蓋並與第二葉輪連接，密封套分別與第一泵蓋和第二泵蓋連接，隔離套和第二泵蓋連接，外轉子、內轉子均採用磁性材料製成，隔離套採用非導磁材料製成，第一殼體上設有第一進液口3111，第一出液口3112位於第一殼體上，第二殼體上設有第二進液口3113和第二出液口3114；進水管道的出口與第一進液口連接，出水管道的入口與第一出液口連接；第二進液口與儲液罐連接，第二出液口與磁力透平泵和液路三通閥之間的液體單向閥連接。
如圖3所示的進水管道和第一殼體之間設有用於導流液體的連通管20，從第一進液口和連通管出口流出的液體使第一葉輪同向旋轉。
第一殼體內包括進液通道、腔體和出液通道；第一進液口位於進液通道上，第一葉輪位於腔體中，第一出液口位於出液通道上，進液通道和出液通道的軸心線相互垂直，進液通道和第一葉輪的軸心線相互垂直；
第一葉輪包括轉盤121和設於轉盤上的若干個葉片122；每個葉片中均設有L形磁力透平泵冷媒旁路1221；外轉子呈一端開口的圓筒狀，隔離套的剖面呈幾字形。
如圖4所示，一種冷卻水型磁力透平節能空調機組的控制方法，包括如下步驟：
進水管道中設有溫度傳感器，溫度傳感器與控制器電連接；控制器中設有設蒸發溫度為T2，冷凝溫度為T1，T2小於T1；
步驟100，檢測水溫
控制器控制溫度傳感器檢測水溫信號S(t)，控制器根據水溫信號S(t)計算得到水溫T；
步驟200，按照模式1工作
當T≥T1時，控制器控制2個電動二通調節閥均打開，控制控制變頻壓縮機工作；
水側：冷卻水由進水管道經電動二通調節閥進入冷凝器，從冷凝器流出的水從出水管道流出，進入冷卻水循環管路；
冷媒側：變頻壓縮機壓出的高溫高壓氣體經冷凝器冷凝後，氣體變為液體進入儲液罐，液態冷凝劑進入電子膨脹閥節流降壓後進入蒸發器，從蒸發器出來的低溫氣體經由冷媒氣管進入變頻壓縮機，完成整過製冷過程；
步驟300，按照模式2工作
當T1＞T≥T2時，控制器控制直連管道的電動二通調節閥關閉，出水管道的電動二通調節閥打開，控制變頻壓縮機變頻運行；
水側：冷卻水由進水管道經磁力透平泵的主動泵至冷凝器，冷卻水經冷凝器後從出水管道流出，進入冷卻水循環管路；
冷媒側：變頻壓縮機壓出的高溫高壓氣體經冷凝器冷凝，冷凝劑進入儲液罐後，經磁力透平泵的從動泵進入冷媒液管，冷凝劑由電子膨脹閥節流降壓後進入蒸發器，從蒸發器出來的低溫氣體經由冷媒氣管進入變頻壓縮機，完成整過製冷過程；
步驟400，按照模式3工作
當T2＞T時，控制器控制直連管道的電動二通調節閥關閉，出水管道的電動二通調節閥打開，控制變頻壓縮機停止運行，控制液路三通閥與液體單向閥導通；
水側：冷卻水由進水管道經磁力透平泵的主動泵至冷凝器，冷卻水經換熱後從出水管道進出，進入冷卻水循環管路；
冷媒側：冷凝器冷凝後的液體進入儲液罐，經磁力透平泵的從動泵加壓後由液路三通閥切換至液體單向閥後，進入蒸發器，從蒸發器出來的低溫氣體經由冷媒氣管進入變頻壓縮機旁路後回到冷凝器，完成整過製冷過程。T2為15攝氏度，T1為25℃。
實施例2
實施例2包括實施例1中的所有結構和方法部分，實施例2還包括對S(t)進行修正的步驟：
控制器在S(t)中選取若干個時間間隔為Δt的採樣值，各個採樣值按照時間先後順序排列構成檢測信號I(t)；
對於I(t)中第一個採樣值和最後一個採樣值之外的每個採樣值ES(t1)，利用公式計算平穩係數ratio；
控制器中預先設有依次增大的權重閾值0.6，1和1.7；
對於ratio位於[1-A1，1+A1]範圍內的採樣值，將採樣值修正為B1 ES(t1)，A1為0.2，B1為小於0.5的實數；
對於ratio位於(0.6，1-A1)或(1+A1，1.7)範圍內的採樣值，將採樣值修正為B2 ES(t1)，
用修正過的各個採樣值代替I(t)中的對應採樣值，得到經過修正的檢測信號I(t)，用檢測信號I(t)替換S(t)。
應理解，本實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。