CN106403097B - 冷却水型磁力透平节能空调机组及控制方法 - Google Patents

冷却水型磁力透平节能空调机组及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冷却水型磁力透平节能空调机组及控制方法，包括控制器、依次连接的进水管道，磁力透平泵，冷凝器和出水管道；进水管道和磁力透平泵的第一出液口之间设有直连管道，直连管道和出水管道上均设有电动二通调节阀；还包括分别与冷凝器连接的储液罐和变频压缩机，磁力透平泵冷媒旁路、冷媒液管、液路三通阀，电子膨胀阀，液体单向阀，蒸发器和冷媒气管；本发明具有能回收水系统液力能做为自然冷源免费供冷时冷媒输送动力，冷凝剂不会泄漏的特点。

Description

冷却水型磁力透平节能空调机组及控制方法
技术领域
本发明涉及制冷设备技术领域，尤其是涉及一种能回收水系统液力能做为自然冷源免费供冷时冷媒输送动力的冷却水型磁力透平节能空调机组及控制方法。
背景技术
随着数据中心单机柜功耗增加，机房空调能耗越来越大，如何充分利用自然冷源已成为行业的一研究热点，目前数据中心机房空调主要有风冷型，冷冻水型，水冷型三种；风冷型受室外机布置的影响，多用于小型机房；冷冻水型多用于中大型数据中心；水冷型一般用于中小型数据中心，因其布置灵活，节能效果比风冷型空调好，应用范围越来越广；
但是，目前水冷型空调机组均采用冷凝器与室内机分开的方式，例如，将水冷冷凝器布置在一个房间，蒸发器与压缩机作为空调室内机布置在数据机房内，中间采用冷媒铜管连接；因水冷型空调机组只有压缩制冷循环，过渡季节与冬季只能利用压缩机的启停调节供冷量，存在不能充分利用自然冷原的缺点，且能耗高。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的水冷型空调机组在过渡季节与冬季只能通过压缩机的启停调节供冷量的不足，提供了能回收水系统液力能做为自然冷源免费供冷时冷媒输送动力的冷却水型磁力透平节能空调机组及控制方法。
一种冷却水型磁力透平节能空调机组，包括控制器、依次连接的进水管道，磁力透平泵，冷凝器和出水管道；进水管道和磁力透平泵的第一出液口之间设有直连管道，直连管道和出水管道上均设有电动二通调节阀；
还包括分别与冷凝器连接的储液罐和变频压缩机，磁力透平泵冷媒旁路、冷媒液管、液路三通阀，电子膨胀阀，液体单向阀，蒸发器和冷媒气管；
储液罐分别与磁力透平泵和磁力透平泵冷媒旁路连接，磁力透平泵和磁力透平泵冷媒旁路均通过冷媒液管与液路三通阀连接，液路三通阀分别与电子膨胀阀和液体单向阀，电子膨胀阀和液体单向阀分别与蒸发器连接，蒸发器通过冷媒气管与变频压缩机连接；
变频压缩机两端的气体通道上还设有变频压缩机旁路，磁力透平泵冷媒旁路，磁力透平泵和液路三通阀之间均设有液体单向阀；变频压缩机旁路和冷媒气管上均设有气路单向阀；两个电动二通调节阀、液路三通阀和变频压缩机均与控制器电连接。
本发明增加磁力透平泵，通过回收冷却水系统中液力能做为冷媒输送动力，当室外温度较低，压缩机不工作时，磁力透平泵输送冷媒，形成免费供冷循环，使得冷却水机组可以利用自然冷源免费冷却。
冷媒与水热交换，冷媒在传热过程中产生相变，而水未产生相变，即传递同样的热量所需水的质量流量M1比冷媒质量流量M2要大得多，根据热力学第一定律可列出如下方程：
M1C1ΔT＝M2△h
其中，C1为水的比热，ΔT为水的温差，Δh为冷媒焓差。
质量流量比M1/M2＝△h/C1ΔT
以R134a为例，在10℃传递相同热量水与制冷剂质量流量比约为9.1∶1。
因此，只需回收很小冷却水管内剩余液力就能驱动冷媒流动，根据热力学第一定律同样可得到如下方程：
M1H1η1＝M2H2
其中，H1为冷却水液力能水压降，H2为冷媒所提升的高度，η1为磁力透平泵的总体效率，如果磁力透平泵的效率为100％，即M1/M2＝H2/H1，可以得知，传递相同的热量，通过磁力透平泵回收1米的水压降的液力能，可让冷媒提升9.1米。回收很小水压液力能即可满足冷媒输送动力需求。
作为优选，所述磁力透平泵包括主动泵、从动泵和磁力传动器；主动泵包括第一壳体、设于第一壳体内的第一叶轮和设于第一壳体上的第一泵盖；磁力传动器包括内转子，外转子，设于内转子、外转子之间的隔离套和设于隔离套外部的密封套；从动泵包括第二壳体、设于第二壳体内的第二叶轮和设于第二壳体上的第二泵盖；第一叶轮的转轴穿过第一泵盖并与外转子与连接，内转子的转轴穿过第二泵盖并与第二叶轮连接，密封套分别与第一泵盖和第二泵盖连接，隔离套和第二泵盖连接，外转子、内转子均采用磁性材料制成，隔离套采用非导磁材料制成，第一壳体上设有第一进液口，第一出液口位于第一壳体上，第二壳体上设有第二进液口和第二出液口；进水管道的出口与第一进液口连接，出水管道的入口与第一出液口连接；第二进液口与储液罐连接，第二出液口与磁力透平泵和液路三通阀之间的液体单向阀连接。
为实现对冷凝剂的输送，本发明将外转子的转轴与第一叶轮连接，隔离套与第二泵盖连接，内转子与第二叶轮连接，根据磁场能穿透空气隙和非磁性介质的原理，当第一叶轮带动外转子旋转时，通过磁力线的作用耦合了内转子作同步旋转，实现了力矩的非接触式传递，由常规的一根轴加设轴封部件改为两根轴加设隔离套结构，将动密封转化为静密封，从而彻底解决了介质的泄漏问题。
本发明解决了冷凝剂泄漏问题，扩大应用范围，提高能源利用效率，节省运行能耗。
作为优选，进水管道和第一壳体之间设有用于导流液体的连通管，从第一进液口和连通管出口流出的液体使第一叶轮同向旋转。
作为优选，第一壳体内包括进液通道、腔体和出液通道；第一进液口位于进液通道上，第一叶轮位于腔体中，第一出液口位于出液通道上，进液通道和出液通道的轴心线相互垂直，进液通道和第一叶轮的轴心线相互垂直。
作为优选，第一叶轮包括转盘和设于转盘上的若干个叶片；每个叶片中均设有L形磁力透平泵冷媒旁路；外转子呈一端开口的圆筒状，隔离套的剖面呈几字形。
一种冷却水型磁力透平节能空调机组的控制方法，包括如下步骤：
进水管道中设有温度传感器，温度传感器与控制器电连接；控制器中设有设蒸发温度为T2，冷凝温度为T1，T2小于T1；控制器控制温度传感器检测水温信号S(t)，控制器根据水温信号S(t)计算得到水温T；
(6-1)当T≥T1时，控制器控制2个电动二通调节阀均打开，控制控制变频压缩机工作；
水侧：冷却水由进水管道经电动二通调节阀进入冷凝器，从冷凝器流出的水从出水管道流出，进入冷却水循环管路；
冷媒侧：变频压缩机压出的高温高压气体经冷凝器冷凝后，气体变为液体进入储液罐，液态冷凝剂进入电子膨胀阀节流降压后进入蒸发器，从蒸发器出来的低温气体经由冷媒气管进入变频压缩机，完成整过制冷过程；
(6-2)当T1＞T≥T2时，控制器控制直连管道的电动二通调节阀关闭，出水管道的电动二通调节阀打开，控制变频压缩机变频运行；
水侧：冷却水由进水管道经磁力透平泵的主动泵至冷凝器，冷却水经冷凝器后从出水管道流出，进入冷却水循环管路；
冷媒侧：变频压缩机压出的高温高压气体经冷凝器冷凝，冷凝剂进入储液罐后，经磁力透平泵的从动泵进入冷媒液管，冷凝剂由电子膨胀阀节流降压后进入蒸发器，从蒸发器出来的低温气体经由冷媒气管进入变频压缩机，完成整过制冷过程；
(6-3)当T2＞T时，控制器控制直连管道的电动二通调节阀关闭，出水管道的电动二通调节阀打开，控制变频压缩机停止运行，控制液路三通阀与液体单向阀导通；
水侧：冷却水由进水管道经磁力透平泵的主动泵至冷凝器，冷却水经换热后从出水管道进出，进入冷却水循环管路；
冷媒侧：冷凝器冷凝后的液体进入储液罐，经磁力透平泵的从动泵加压后由液路三通阀切换至液体单向阀后，进入蒸发器，从蒸发器出来的低温气体经由冷媒气管进入变频压缩机旁路后回到冷凝器，完成整过制冷过程。
步骤(6-1)对应的本发明的模式1：高温季节以变频压缩机为动力的制冷压缩机供冷模式；
步骤(6-2)对应的本发明的模式2：磁力透平泵+变频压缩机联合运行的半自然免费供冷模式；
步骤(6-3)对应的本发明的模式3：磁力透平泵为动力的自然免费冷却供冷模式。
作为优选，还包括对S(t)进行修正的步骤：
控制器在S(t)中选取若干个时间间隔为Δt的采样值，各个采样值按照时间先后顺序排列构成检测信号I(t)；
对于I(t)中第一个采样值和最后一个采样值之外的每个采样值ES(t1)，利用公式计算平稳系数ratio；
控制器中预先设有依次增大的权重阈值0.6，1和1.7；
对于ratio位于[1-A1，1+A1]范围内的采样值，将采样值修正为B1 ES(t1)，B1为小于0.5的实数；
对于ratio位于(0.6，1-A1)或(1+A1，1.7)范围内的采样值，将采样值修正为B2 ES(t1)，B1＜B2＜0.65；
用修正过的各个采样值代替I(t)中的对应采样值，得到经过修正的检测信号I(t)，用检测信号I(t)替换S(t)。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
因此，本发明具有如下有益效果：能回收水系统液力能做为自然冷源免费供冷时冷媒输送动力，冷凝剂不会泄漏，应用范围广，提高了能源利用效率，节省空调运行能耗。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明的磁力透平泵的一种剖视图；
图3是本发明的连通管的一种结构示意图；
图4是本发明的实施例1的一种流程图。
图中：进水管道2、冷凝器3、出水管道4、电动二通调节阀5、磁力透平泵6、储液罐7、变频压缩机8、磁力透平泵冷媒旁路9、液路三通阀10，电子膨胀阀11、蒸发器13、冷媒气管14、变频压缩机旁路15、液体单向阀16、气路单向阀17、直连管道18、冷媒液管19、连通管20、排气隔液装置21、蝶阀22、主动泵31、从动泵32、磁力传动器33、第一壳体311、第一叶轮312、第一泵盖313、内转子321、外转子322、隔离套323、密封套324、第二壳体331、第二叶轮332、第二泵盖333、第一进液口3111、第一出液口3112、第二进液口3113、第二出液口3114、转盘121、叶片122、L形磁力透平泵冷媒旁路1221。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1
如图1所示的实施例是一种冷却水型磁力透平节能空调机组，包括控制器、依次连接的进水管道2，磁力透平泵6，冷凝器3和出水管道4；进水管道和磁力透平泵的第一出液口之间设有直连管道18，直连管道和出水管道上均设有电动二通调节阀5；
还包括分别与冷凝器连接的储液罐7和变频压缩机8，磁力透平泵冷媒旁路9、冷媒液管19、液路三通阀10，电子膨胀阀11，液体单向阀16，蒸发器13和冷媒气管14；
储液罐分别与磁力透平泵和磁力透平泵冷媒旁路连接，磁力透平泵和磁力透平泵冷媒旁路均通过冷媒液管与液路三通阀连接，液路三通阀分别与电子膨胀阀和液体单向阀，电子膨胀阀和液体单向阀分别与蒸发器连接，蒸发器通过冷媒气管与变频压缩机连接；
变频压缩机两端的气体通道上还设有变频压缩机旁路15，磁力透平泵冷媒旁路，磁力透平泵和液路三通阀之间均设有液体单向阀；变频压缩机旁路和压缩机排气管上均设有气路单向阀17；两个电动二通调节阀、液路三通阀和变频压缩机均与控制器电连接。
图1中还设有排气隔液装置21和蝶阀22。
如图2所示，磁力透平泵包括主动泵31、从动泵32和磁力传动器33；主动泵包括第一壳体311、设于第一壳体内的第一叶轮312和设于第一壳体上的第一泵盖313；磁力传动器包括内转子321，外转子322，设于内转子、外转子之间的隔离套323和设于隔离套外部的密封套324；从动泵包括第二壳体331、设于第二壳体内的第二叶轮332和设于第二壳体上的第二泵盖333；第一叶轮的转轴穿过第一泵盖并与外转子与连接，内转子的转轴穿过第二泵盖并与第二叶轮连接，密封套分别与第一泵盖和第二泵盖连接，隔离套和第二泵盖连接，外转子、内转子均采用磁性材料制成，隔离套采用非导磁材料制成，第一壳体上设有第一进液口3111，第一出液口3112位于第一壳体上，第二壳体上设有第二进液口3113和第二出液口3114；进水管道的出口与第一进液口连接，出水管道的入口与第一出液口连接；第二进液口与储液罐连接，第二出液口与磁力透平泵和液路三通阀之间的液体单向阀连接。
如图3所示的进水管道和第一壳体之间设有用于导流液体的连通管20，从第一进液口和连通管出口流出的液体使第一叶轮同向旋转。
第一壳体内包括进液通道、腔体和出液通道；第一进液口位于进液通道上，第一叶轮位于腔体中，第一出液口位于出液通道上，进液通道和出液通道的轴心线相互垂直，进液通道和第一叶轮的轴心线相互垂直；
第一叶轮包括转盘121和设于转盘上的若干个叶片122；每个叶片中均设有L形磁力透平泵冷媒旁路1221；外转子呈一端开口的圆筒状，隔离套的剖面呈几字形。
如图4所示，一种冷却水型磁力透平节能空调机组的控制方法，包括如下步骤：
进水管道中设有温度传感器，温度传感器与控制器电连接；控制器中设有设蒸发温度为T2，冷凝温度为T1，T2小于T1；
步骤100，检测水温
控制器控制温度传感器检测水温信号S(t)，控制器根据水温信号S(t)计算得到水温T；
步骤200，按照模式1工作
当T≥T1时，控制器控制2个电动二通调节阀均打开，控制控制变频压缩机工作；
水侧：冷却水由进水管道经电动二通调节阀进入冷凝器，从冷凝器流出的水从出水管道流出，进入冷却水循环管路；
冷媒侧：变频压缩机压出的高温高压气体经冷凝器冷凝后，气体变为液体进入储液罐，液态冷凝剂进入电子膨胀阀节流降压后进入蒸发器，从蒸发器出来的低温气体经由冷媒气管进入变频压缩机，完成整过制冷过程；
步骤300，按照模式2工作
当T1＞T≥T2时，控制器控制直连管道的电动二通调节阀关闭，出水管道的电动二通调节阀打开，控制变频压缩机变频运行；
水侧：冷却水由进水管道经磁力透平泵的主动泵至冷凝器，冷却水经冷凝器后从出水管道流出，进入冷却水循环管路；
冷媒侧：变频压缩机压出的高温高压气体经冷凝器冷凝，冷凝剂进入储液罐后，经磁力透平泵的从动泵进入冷媒液管，冷凝剂由电子膨胀阀节流降压后进入蒸发器，从蒸发器出来的低温气体经由冷媒气管进入变频压缩机，完成整过制冷过程；
步骤400，按照模式3工作
当T2＞T时，控制器控制直连管道的电动二通调节阀关闭，出水管道的电动二通调节阀打开，控制变频压缩机停止运行，控制液路三通阀与液体单向阀导通；
水侧：冷却水由进水管道经磁力透平泵的主动泵至冷凝器，冷却水经换热后从出水管道进出，进入冷却水循环管路；
冷媒侧：冷凝器冷凝后的液体进入储液罐，经磁力透平泵的从动泵加压后由液路三通阀切换至液体单向阀后，进入蒸发器，从蒸发器出来的低温气体经由冷媒气管进入变频压缩机旁路后回到冷凝器，完成整过制冷过程。T2为15摄氏度，T1为25℃。
实施例2
实施例2包括实施例1中的所有结构和方法部分，实施例2还包括对S(t)进行修正的步骤：
控制器在S(t)中选取若干个时间间隔为Δt的采样值，各个采样值按照时间先后顺序排列构成检测信号I(t)；
对于I(t)中第一个采样值和最后一个采样值之外的每个采样值ES(t1)，利用公式计算平稳系数ratio；
控制器中预先设有依次增大的权重阈值0.6，1和1.7；
对于ratio位于[1-A1，1+A1]范围内的采样值，将采样值修正为B1 ES(t1)，A1为0.2，B1为小于0.5的实数；
对于ratio位于(0.6，1-A1)或(1+A1，1.7)范围内的采样值，将采样值修正为B2 ES(t1)，B1＜B2＜0.65；
用修正过的各个采样值代替I(t)中的对应采样值，得到经过修正的检测信号I(t)，用检测信号I(t)替换S(t)。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种冷却水型磁力透平节能空调机组，其特征是，包括控制器、依次连接的进水管道(2)，磁力透平泵(6)，冷凝器(3)和出水管道(4)；进水管道和磁力透平泵的第一出液口之间设有直连管道(18)，直连管道和出水管道上均设有电动二通调节阀(5)；
还包括分别与冷凝器连接的储液罐(7)和变频压缩机(8)，导流通道(9)、冷媒液管(19)、液路三通阀(10)，电子膨胀阀(11)，液体单向阀(16)，蒸发器(13)和冷媒气管(14)；
储液罐分别与磁力透平泵和导流通道连接，磁力透平泵和导流通道均通过冷媒液管与液路三通阀连接，液路三通阀分别与电子膨胀阀和液体单向阀，电子膨胀阀和液体单向阀分别与蒸发器连接，蒸发器通过冷媒气管与变频压缩机连接；
变频压缩机两端的气体通道上还设有变频压缩机旁路(15)，导流通道，磁力透平泵和液路三通阀之间均设有液体单向阀；变频压缩机旁路和冷媒气管上均设有气路单向阀(17)；两个电动二通调节阀、液路三通阀和变频压缩机均与控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的冷却水型磁力透平节能空调机组，其特征是，所述磁力透平泵包括主动泵(31)、从动泵(32)和磁力传动器(33)；主动泵包括第一壳体(311)、设于第一壳体内的第一叶轮(312)和设于第一壳体上的第一泵盖(313)；磁力传动器包括内转子(321)，外转子(322)，设于内转子、外转子之间的隔离套(323)和设于隔离套外部的密封套(324)；从动泵包括第二壳体(331)、设于第二壳体内的第二叶轮(332)和设于第二壳体上的第二泵盖(333)；第一叶轮的转轴穿过第一泵盖并与外转子与连接，内转子的转轴穿过第二泵盖并与第二叶轮连接，密封套分别与第一泵盖和第二泵盖连接，隔离套和第二泵盖连接，外转子、内转子均采用磁性材料制成，隔离套采用非导磁材料制成，第一壳体上设有第一进液口(3111)，第一出液口(3112)位于第一壳体上，第二壳体上设有第二进液口(3113)和第二出液口(3114)；进水管道的出口与第一进液口连接，出水管道的入口与第一出液口连接；第二进液口与储液罐连接，第二出液口与磁力透平泵和液路三通阀之间的液体单向阀连接。
3.根据权利要求2所述的冷却水型磁力透平节能空调机组，其特征是，进水管道和第一壳体之间设有用于导流液体的连通管(20)，从第一进液口和连通管出口流出的液体使第一叶轮同向旋转。
4.根据权利要求2所述的冷却水型磁力透平节能空调机组，其特征是，第一壳体内包括进液通道、腔体和出液通道；第一进液口位于进液通道上，第一叶轮位于腔体中，第一出液口位于出液通道上，进液通道和出液通道的轴心线相互垂直，进液通道和第一叶轮的轴心线相互垂直。
5.根据权利要求2或3或4所述的冷却水型磁力透平节能空调机组，其特征是，第一叶轮包括转盘(121)和设于转盘上的若干个叶片(122)；每个叶片中均设有L形导流通道(1221)；外转子呈一端开口的圆筒状，隔离套的剖面呈几字形。
6.一种基于权利要求2所述的冷却水型磁力透平节能空调机组的控制方法，其特征是，包括如下步骤：
进水管道中设有温度传感器，温度传感器与控制器电连接；控制器中设有设蒸发温度为T2，冷凝温度为T1，T2小于T1；控制器控制温度传感器检测水温信号S(t)，控制器根据水温信号S(t)计算得到水温T；
(6-1)当T≥T1时，控制器控制2个电动二通调节阀均打开，控制控制变频压缩机工作；
水侧：冷却水由进水管道经电动二通调节阀进入冷凝器，从冷凝器流出的水从出水管道流出，进入冷却水循环管路；
冷媒侧：变频压缩机压出的高温高压气体经冷凝器冷凝后，气体变为液体进入储液罐，液态冷凝剂进入电子膨胀阀节流降压后进入蒸发器，从蒸发器出来的低温气体经由冷媒气管进入变频压缩机，完成整过制冷过程；
(6-2)当T1＞T≥T2时，控制器控制直连管道的电动二通调节阀关闭，出水管道的电动二通调节阀打开，控制变频压缩机变频运行；
水侧：冷却水由进水管道经磁力透平泵的主动泵至冷凝器，冷却水经冷凝器后从出水管道流出，进入冷却水循环管路；
冷媒侧：变频压缩机压出的高温高压气体经冷凝器冷凝，冷凝剂进入储液罐后，经磁力透平泵的从动泵进入冷媒液管，冷凝剂由电子膨胀阀节流降压后进入蒸发器，从蒸发器出来的低温气体经由冷媒气管进入变频压缩机，完成整过制冷过程；
(6-3)当T2＞T时，控制器控制直连管道的电动二通调节阀关闭，出水管道的电动二通调节阀打开，控制变频压缩机停止运行，控制液路三通阀与液体单向阀导通；
水侧：冷却水由进水管道经磁力透平泵的主动泵至冷凝器，冷却水经换热后从出水管道进出，进入冷却水循环管路；
冷媒侧：冷凝器冷凝后的液体进入储液罐，经磁力透平泵的从动泵加压后由液路三通阀切换至液体单向阀后，进入蒸发器，从蒸发器出来的低温气体经由冷媒气管进入变频压缩机旁路后回到冷凝器，完成整过制冷过程。
7.根据权利要求6所述的冷却水型磁力透平节能空调机组的控制方法，其特征是，还包括对S(t)进行修正的步骤：
控制器在S(t)中选取若干个时间间隔为Δt的采样值，各个采样值按照时间先后顺序排列构成检测信号I(t)；
对于I(t)中第一个采样值和最后一个采样值之外的每个采样值ES(t1)，利用公式计算平稳系数ratio；
控制器中预先设有依次增大的权重阈值0.6，1和1.7；
对于ratio位于[1-A1，1+A1]范围内的采样值，将采样值修正为B1 ES(t1)，B1为小于0.5的实数；
对于ratio位于(0.6，1-A1)或(1+A1，1.7)范围内的采样值，将采样值修正为B2 ES(t1)，B1＜B2＜0.65；
用修正过的各个采样值代替I(t)中的对应采样值，得到经过修正的检测信号I(t)，用检测信号I(t)替换S(t)。
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