ES2964803T3

ES2964803T3 - Sistema de enfriamiento evaporativo indirecto de pulverizado por fases

Info

Publication number: ES2964803T3
Application number: ES19860317T
Authority: ES
Inventors: Mark Fisher; Bryan Keith Dunnavant; Michael Boucher
Original assignee: Munters Corp
Current assignee: Munters Corp
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2019-09-10
Publication date: 2024-04-09
Anticipated expiration: 2039-09-10
Also published as: US20200080787A1; CA3112260A1; AU2019339322A1; JP2022501568A; EP4290166A3; EP3850289C0; EP3850289A4; US11022374B2; EP3850289B1; EP4290166A2; EP3850289A1; WO2020055871A1

Abstract

Un conjunto de intercambiador de calor, un intercambiador de calor por evaporación indirecta que incluye el intercambiador de calor y métodos para operar el mismo. El conjunto intercambiador de calor incluye al menos un tubo, una pluralidad de secciones y una pluralidad de boquillas. Al menos un tubo está configurado para (i) tener un flujo de fluido de proceso a través del mismo en una primera dirección y (ii) tener un medio de enfriamiento depurador que fluya sobre la superficie exterior del tubo en una segunda dirección. La segunda dirección cruza la primera dirección. La pluralidad de secciones está alineada en la primera dirección. La pluralidad de boquillas están situadas encima de al menos un tubo. Al menos una boquilla de la pluralidad de boquillas está (i) ubicada en cada una de la pluralidad de secciones y (ii) configurada para descargar selectivamente refrigerante sobre la porción del tubo en esa sección del intercambiador de calor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de enfriamiento evaporativo indirecto de pulverizado por fases

Campo de la invención

La presente invención se refiere a sistemas de enfriamiento, y a sistemas y métodos para controlarlos. En particular, esta invención se refiere a sistemas de enfriamiento por corriente de aire que utilizan el enfriamiento evaporativo indirecto. Una aplicación particularmente adecuada es en los sistemas de enfriamiento de centros de datos, por ejemplo.

Antecedentes de la invención

Los servidores de los centros de datos generan una gran cantidad de calor, requiriendo enfriamiento. Uno de los sistemas de enfriamiento utilizado para los centros de datos es el sistema de enfriamiento evaporativo indirecto, tal como el sistema de enfriamiento evaporativo indirecto Oasis™ fabricado por Munters Corporation de Buena Vista, VA. El sistema Oasis™ incluye un intercambiador de calor de tubos de polímero de flujo cruzado aire-aire. En este sistema, el aire de proceso fluye a través del interior de los tubos mientras que el aire recuperador fluye por el exterior de los tubos. El aire de proceso se enfría transfiriendo su calor al aire recuperador. En días fríos y frescos, el intercambiador de calor de tubos de polímero funciona en seco, como un intercambiador de calor aire-aire. El aire recuperador enfría indirectamente el aire del centro de datos mediante un intercambio de calor habitual, sin el uso de agua. Una vez que la temperatura ambiente aumenta hasta cierto punto, el agua se bombea desde los colectores hasta las boquillas pulverizadoras que mojan la superficie exterior de los tubos de polímero, cubriéndolos con una fina película de agua. El aire recuperador evapora el agua en el exterior de los tubos, lo que hace que se extraiga calor del aire que recircula procedente del centro de datos que fluye internamente hacia los tubos. Las boquillas de este sistema se disponen y configuran para mojar toda la longitud de los tubos de polímero del intercambiador de calor cuando se pulveriza agua desde las boquillas.

Aunque el sistema Oasis™ proporciona una serie de beneficios, incluyendo un consumo reducido de agua en comparación con otros sistemas de enfriamiento, se desea una reducción aún mayor del consumo de agua. Las invenciones descritas en el presente documento proporcionan tal reducción en el consumo de agua, además de proporcionar beneficios adicionales en condiciones de clima frío y sistemas auxiliares de emergencia.

El documento US 2014/264974 A1 divulga un sistema de enfriamiento con las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Sumario de la invención

En un aspecto, la presente invención se refiere a un sistema de enfriamiento como se define en la reivindicación 1.

Los aspectos adicionales de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes.

El sistema de enfriamiento de la reivindicación 1 incluye un intercambiador de calor evaporativo indirecto configurado para enfriar un fluido de proceso, un sistema de enfriamiento mecánico y un controlador. El intercambiador de calor evaporativo indirecto incluye al menos un tubo, una pluralidad de secciones y una pluralidad de boquillas. El al menos un tubo tiene un primer extremo, un segundo extremo y una superficie exterior. El al menos un tubo está configurado para (i) hacer fluir el fluido de proceso por el mismo en una primera dirección desde el primer extremo hasta el segundo extremo y (ii) tener un flujo del medio de enfriamiento recuperador sobre la superficie exterior del tubo en una segunda dirección. La segunda dirección interseca la primera dirección. La pluralidad de secciones se alinea en la primera dirección. Cada sección de la pluralidad de secciones incluye una parte del al menos un tubo. La pluralidad de boquillas se sitúa encima del al menos un tubo. Al menos una boquilla de la pluralidad de boquillas (i) se sitúa en cada pluralidad de secciones y (ii) se configura para descargar selectivamente agua sobre la parte del tubo en esa sección del intercambiador de calor evaporativo indirecto. El sistema de enfriamiento mecánico incluye serpentines evaporadores configurados para (i) hacer fluir el fluido de proceso por los mismos y (ii) enfriar el fluido de proceso. El controlador tiene un modo de pérdida de agua correspondiente a una eventualidad de pérdida de suministro de agua. En el modo de pérdida de agua, el controlador se configura para descargar selectivamente agua de las boquillas situadas en una sección del intercambiador de calor evaporativo indirecto para enfriar el fluido de proceso, y hacer funcionar el sistema de enfriamiento mecánico para enfriar el fluido de proceso.

En otro aspecto más, la invención se refiere a un método para hacer funcionar un sistema de enfriamiento como se define en la reivindicación 1 durante una eventualidad de pérdida de suministro de agua. El método incluye identificar que se ha interrumpido el suministro de agua al sistema de enfriamiento desde una línea de suministro de agua habitual y enfriar un fluido de proceso con un intercambiador de calor evaporativo indirecto. El intercambiador de calor evaporativo indirecto incluye al menos un tubo, una pluralidad de secciones y una pluralidad de boquillas. El al menos un tubo tiene un primer extremo, un segundo extremo y una superficie exterior. El al menos un tubo está configurado para (i) hacer fluir el fluido de proceso por el mismo en una primera dirección desde el primer extremo hasta el segundo extremo y (ii) tener un flujo del medio de enfriamiento recuperador sobre la superficie exterior del tubo en una segunda dirección. La segunda dirección interseca la primera dirección. La pluralidad de secciones se alinea en la primera dirección. Cada sección de la pluralidad de secciones incluye una parte del al menos un tubo. La pluralidad de boquillas se sitúa encima del al menos un tubo. Al menos una boquilla de la pluralidad de boquillas se sitúa en cada una de la pluralidad de secciones. El fluido de proceso se enfría descargando selectivamente agua desde las boquillas situadas en una sección del intercambiador de calor evaporativo indirecto. El método incluye, además, hacer funcionar el sistema de enfriamiento mecánico para enfriar el fluido de proceso. El sistema de enfriamiento mecánico incluye serpentines evaporadores configurados para hacer fluir el fluido de proceso por los mismos.

La provisión de un intercambiador de calor evaporativo indirecto es crítica para la invención. El intercambiador de calor evaporativo indirecto incluye un conjunto de intercambiador de calor y una pluralidad de boquillas. El conjunto de intercambiador de calor incluye una pluralidad de tubos lineales. Cada uno de los tubos tiene un primer extremo, un segundo extremo y una superficie exterior. Cada uno de los tubos está configurado para (i) hacer fluir un fluido de proceso por el mismo en una primera dirección desde el primer extremo hasta el segundo extremo y (ii) hacer fluir un medio de enfriamiento recuperador sobre la superficie exterior de cada tubo en una segunda dirección. La segunda dirección interseca la primera dirección. El conjunto de intercambiador de calor también incluye una pluralidad de secciones alineadas en la primera dirección. Cada sección de la pluralidad de secciones incluye una parte de cada uno de la pluralidad de tubos. La pluralidad de boquillas se sitúa encima de la pluralidad de tubos lineales. Al menos una boquilla de la pluralidad de boquillas (i) se sitúa en cada una de la pluralidad de secciones y (ii) se configura para descargar selectivamente refrigerante sobre la parte de cada uno de la pluralidad de tubos en esa sección del intercambiador de calor.

En otro aspecto adicional, la invención se refiere a un método como se define en la reivindicación 12 para enfriar un fluido de proceso en un intercambiador de calor evaporativo indirecto. El método incluye que fluya un fluido de proceso por una pluralidad de tubos lineales de un conjunto de intercambiador de calor en una primera dirección desde un primer extremo de cada uno de los tubos hasta un segundo extremo de cada uno de los tubos. El conjunto de intercambiador de calor tiene una pluralidad de secciones, y una parte de cada uno de la pluralidad de tubos se incluye en cada sección de la pluralidad de secciones del conjunto de intercambiador de calor. El método también incluye que fluya un medio de enfriamiento recuperador sobre una superficie exterior de cada tubo en una segunda dirección para enfriar el fluido de proceso. La segunda dirección interseca la primera dirección. El método incluye, además, seleccionar al menos una boquilla de una pluralidad de boquillas que pueden seleccionarse, cuando el fluido de medio de enfriamiento recuperador por sí solo no es suficiente para enfriar el fluido de proceso a una temperatura objetivo. Al menos una boquilla de la pluralidad de boquillas que pueden seleccionarse se sitúa en cada una de la pluralidad de secciones del conjunto de intercambiador de calor. El método incluye, además, descargar un refrigerante desde las boquillas seleccionadas en la etapa de selección sobre la parte de los tubos en la sección correspondiente del conjunto de intercambiador de calor indirecto para enfriar aún más el fluido de proceso.

Estos y otros aspectos, objetos, características y ventajas de la invención resultarán evidentes a partir la descripción detallada a continuación de una realización de ejemplo de la misma, que ha de leerse en relación con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista en alzado de un centro de datos que utiliza un sistema de enfriamiento de acuerdo con una realización preferida de la invención.

La Figura 2 es una vista en perspectiva del intercambiador de calor indirecto del sistema de enfriamiento mostrado en la Figura 1.

La Figura 3 es una vista de detalle del intercambiador de calor indirecto mostrado en la Figura 2 que muestra el detalle 3 de la Figura 2.

La Figura 4 muestra un tubo del intercambiador de calor indirecto mostrado en la Figura 2.

La Figura 5 es un esquema del intercambiador de calor indirecto del sistema de enfriamiento mostrado en la Figura 1.

La Figura 6 es un esquema del intercambiador de calor indirecto del sistema de enfriamiento mostrado en la Figura 1 que muestra una configuración alterna de boquillas.

La Figura 7 es un esquema del intercambiador de calor indirecto mostrado en la Figura 3 que muestra una primera fase en funcionamiento.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La Figura 1 muestra un centro de datos 100 que tiene un sistema de enfriamiento 110 de acuerdo con una realización preferida de la invención. Aunque el sistema de enfriamiento 110 se muestra y se describe con referencia a un centro de datos 100, el sistema de enfriamiento 110 no se limita a esta aplicación y puede usarse en otras aplicaciones de enfriamiento por aire adecuadas. Los componentes electrónicos tales como los servidores pueden montarse en bastidores 102, y en un centro de datos 100, estos bastidores 102 pueden disponerse en filas formando pasillos 104, 106, entre los mismos. Un pasillo 104 es un pasillo frío, y otro pasillo 106 es un pasillo caliente. El aire de suministro 112, frío, desde el sistema de enfriamiento 110 se dirige al pasillo frío 104, utilizando, por ejemplo, conductos 108. El aire de suministro 112 luego pasa desde el pasillo frío 104 a través de los bastidores y hacia el pasillo caliente 106. Cuando el aire pasa a través de los bastidores 102, extrae el calor de los componentes electrónicos, lo que produce aire caliente que pasa al pasillo caliente 106. Este aire luego se dirige de regreso al sistema de enfriamiento 110 como aire caliente de retorno 114. Los ventiladores de aire de suministro 116 se utilizan para extraer el aire de retorno 114 del centro de datos 100, pasar el aire de retorno 114 a través del sistema de enfriamiento 110, donde se enfría, y luego devolver el aire de retorno 114 una vez enfriado al centro de datos 100 como aire de suministro 112.

El sistema de enfriamiento 110 utiliza un intercambiador de calor indirecto 200 para enfriar el aire de retorno 114. La Figura 2 es una vista en perspectiva del intercambiador de calor indirecto 200 y la Figura 3 es una vista de detalle que muestra el detalle 3 de la Figura 2. El intercambiador de calor indirecto 200 incluye un conjunto de intercambiador de calor 210 que tiene una pluralidad de tubos 212. En esta realización, aunque se puede utilizar cualquier geometría adecuada, cada uno de los tubos 212 es rectangular generalmente, con extremos redondeados (véase la Figura 3). Los tubos 212 están orientados en una dirección vertical de modo que la dimensión larga de los tubos generalmente rectangulares 212 es vertical. Los tubos 212 están ordenados horizontalmente en filas con un espacio 214 entre los tubos adyacentes 212. Los tubos 212 también están colocados verticalmente. En la dirección vertical, cada fila está desplazada respecto de la que está arriba o abajo. En esta realización, la línea central de los tubos 212 en una fila se alinea con el centro del espacio 214 entre los tubos 212 en las filas de arriba o abajo. Cualquier ordenación adecuada, sin embargo, se puede utilizar incluyendo, por ejemplo, la alineación de los tubos 212 en la dirección vertical en lugar de desplazarlos. Una placa de cabezal 218 soporta los tubos 212 en cada extremo.

El aire de retorno 114 se dirige a través de los tubos 212 por los ventiladores del aire de suministro 116. Los tubos 212 de esta realización son lineales y se extienden en una primera dirección A, que en esta realización es una dirección horizontal y, por tanto, el aire de retorno 114 viaja a través de los tubos 212 en la primera dirección A como fluido de proceso. El aire de retorno 114 se enfría indirectamente a medida que viaja a través de los tubos 212 mediante el aire recuperador 122 (véase la Figura 4). El aire recuperador 122 se extrae de una superficie exterior 216 de cada uno de los tubos 212 (véase la Figura 4) mediante ventiladores recuperadores 124 (véase también la Figura 1). En esta realización, el aire recuperador 122 es aire ambiental extraído del entorno exterior que rodea el sistema de enfriamiento 110. También en esta realización, el intercambiador de calor indirecto 200 es un intercambiador de calor de flujo cruzado. El aire recuperador 122 se extrae de la superficie exterior 216 de cada uno de los tubos 212 en una segunda dirección B que interseca la primera dirección A. En esta realización, la segunda dirección B es perpendicular a la primera dirección A. Cuando la temperatura ambiente es lo suficientemente fría, el intercambiador de calor indirecto funciona en seco, como un intercambiador de calor aire-aire. Cuando la temperatura ambiente aumenta, sin embargo, se puede descargar agua desde una pluralidad de boquillas 220 situada encima del conjunto de intercambiador de calor 210. Como se muestra en la Figura 4, el agua fluye hacia abajo alrededor del exterior (superficie exterior 216) de cada uno de los tubos 212. Con el aire recuperador 122 fluyendo sobre la superficie exterior 216 de cada uno de los tubos 212, la transferencia de calor por evaporación enfría eficientemente el aire de retorno 114 que fluye por el interior de los tubos 212. Las placas de cabezal 218 separan el aire recuperador 122 del aire de retorno 114 y del aire de suministro 112.

Como se muestra en la Figura 5, el intercambiador de calor indirecto 200 de esta realización se divide en una pluralidad de secciones 230 a lo largo de la primera dirección A. Aunque se puede usar cualquier número adecuado de secciones 230, el intercambiador de calor indirecto 200 de esta realización tiene tres secciones 230. También, en esta realización, las secciones 230 están distribuidas uniformemente a lo largo de la longitud de los tubos 212, incluyendo, cada sección, un tercio de cada pluralidad de tubos 212, aunque se pueden usar otras distribuciones adecuadas. Una primera sección 232 es el primer tercio de los tubos 212 cercanos al extremo de cada uno de los tubos 212 donde el aire de retorno 114 entra a los tubos 212. La tercera sección 236, que también puede denominarse sección de extremo, corresponde al último tercio de los tubos 212 y es cercano a la salida de los tubos 212. Y la segunda sección 234 es el tercio de en medio, entre la primera sección 232 y la tercera sección 236.

En esta realización, el intercambiador de calor indirecto 200 está separado físicamente en tres secciones por dos separadores 238, junto con las placas de cabezal 218. Los separadores 238 son similares a las placas de cabezal 218. Los separadores 238, como las placas de cabezal 218, son placas a través de las que se extienden los tubos 212, y en esta realización, los separadores 238 se extienden a todo lo largo de la altura y anchura del conjunto de intercambio de calor 210. Los separadores 238 proporcionan soporte estructural a los tubos 212, particularmente en las realizaciones donde los tubos 212 son largos. Además, cuando se descarga menos agua que en todas las secciones (como se explicará más adelante), los separadores 238 actúan como una barrera que ayuda a contener el agua que se descarga en la(s) sección(es) 230 en particular del conjunto de intercambiador de calor 210 que se moja.

En esta realización, hay tres boquillas 220 que se usan para distribuir agua a lo largo de cada uno de los tubos 212. Una primera boquilla 222 se sitúa en la primera sección 232 y se usa para distribuir agua sobre la parte de los tubos 212 de la primera sección 232. Una segunda boquilla 224 está ubicada en la segunda sección 234 y se usa para distribuir agua sobre la parte de los tubos 212 de la segunda sección 234. Y una tercera boquilla 226 se sitúa en la tercera sección 236 y se usa para distribuir agua sobre la parte de los tubos 212 de la tercera sección 236. Se puede usar una pluralidad de boquillas 220 en cada sección en lugar de una única boquilla y, por tanto, la primera, segunda y tercera boquillas 222, 224, 226 pueden corresponder al primer, segundo y tercer juegos de boquillas, respectivamente. Se puede usar una pluralidad de boquillas en cada sección 230, por ejemplo, para asegurar que toda la anchura de las filas en el conjunto de intercambiador de calor 210 se moja cuando se descarga agua desde las boquillas 220 en una sección 230 del intercambiador de calor indirecto 200, como se puede ver en la Figura 2. También se puede usar una pluralidad de boquillas en cada sección 230, por ejemplo, para asegurar que toda la parte de cada uno de los tubos 212 de esa sección del conjunto de intercambiador de calor 210 se moja cuando se descarga agua desde las boquillas 220 en una sección 230. La Figura 6 muestra un esquema del intercambiador de calor indirecto 200 con una pluralidad de boquillas 220 en cada sección 230.

Con el intercambiador de calor indirecto 200 dividido en una pluralidad de secciones 230, el intercambiador de calor indirecto 200 puede mojarse por fases, en lugar de funcionar con toda la longitud de cada tubo 212 estando ya sea seca o mojada. El funcionamiento por fases permite que el aire de retorno 114 se enfríe primero en una o más secciones secas 230, antes de que se utilice agua en las secciones restantes 230, aguas abajo, de las secciones secas, para conseguir la temperatura objetivo del aire de suministro 112. Como se ha explicado anteriormente, el intercambiador de calor indirecto 200 funciona en seco, como intercambiador de calor aire-aire, cuando la temperatura ambiente es lo suficientemente fría. Cuando el aire recuperador 122 por sí solo no es suficiente para enfriar el aire de retorno 114 a la temperatura objetivo del aire de suministro 112, se puede descargar agua desde las boquillas 220 en al menos una sección 230 del intercambiador de calor indirecto 200.

Como se muestra en la Figura 7, por ejemplo, se descarga agua desde las boquillas 226 en la tercera sección 236 del intercambiador de calor indirecto 200. Por tanto, el aire de retorno 114 se enfría primero solo con el aire recuperador 122 en la primera sección 232 y la segunda sección 234 antes de que se use agua para conseguir un intercambio de calor mejorado proporcionado por el enfriamiento evaporativo indirecto ("IEC") en la tercera sección 236. Cuando la descarga de agua desde las boquillas 220 en solamente una sección 230 del intercambiador de calor indirecto 200 no es suficiente para enfriar el aire de retorno 114 hasta la temperatura objetivo del aire de suministro 112, se puede descargar agua desde las boquillas 220 en secciones adicionales 230. Por ejemplo, se puede descargar agua desde las boquillas 224, 226 en la segunda y tercera sección 234, 236, mientras que la primera sección 232 se opera en seco. Por tanto, las secciones adicionales se pueden activar 230 hasta que las boquillas 220 descarguen agua en todas las secciones 230 del intercambiador de calor indirecto 200. El funcionamiento por fases del intercambiador de calor indirecto 200 tiene la ventaja de un mejor control de la temperatura cuando se pasa del modo de intercambio de calor 100% seco al modo IEC y un consumo de agua reducido, en comparación con un intercambiador de calor indirecto que no funciona por fases.

El sistema de enfriamiento 110 incluye un controlador 130 para hacer funcionar el sistema de enfriamiento 110 que incluye el intercambiador de calor indirecto 200, como se muestra en la Figura 5. En esta realización, el controlador 130 es un controlador basado en microprocesador que incluye un procesador 132 para realizar varias funciones que se explican más adelante y una memoria 134 para almacenar diversos datos. El controlador 130 también puede denominarse CPU. En una realización, el control del sistema de enfriamiento 110 puede implementarse mediante una serie de instrucciones almacenadas en la memoria 134 y que ejecuta el procesador 132. Por tanto, el controlador 130 está acoplado comunicativamente a las diversas bombas y válvulas del sistema, de modo que se pueden hacer funcionar como se explica más adelante. De forma adicional, el controlador 130 también puede estar acoplado comunicativamente a dispositivos de entrada y dispositivos de visualización, según sea necesario.

La Figura 5 es un esquema del intercambiador de calor indirecto 200. A medida que se descarga agua desde las boquillas 220, el agua fluye sobre los tubos 212 del conjunto de intercambiador de calor 210, y la parte del agua que no se evapora durante el proceso de enfriamiento se recoge en un colector 242. Al menos una bomba 244, 246 se utiliza para hacer circular el agua desde el colector 242 hasta las boquillas 220. En el intercambiador de calor indirecto 200 mostrado en la Figura 5, una primera bomba 244 se conecta de manera que hay flujo a las boquillas 226 en la tercera sección 236. Una segunda bomba 246 se conecta de manera que hay flujo a las boquillas 222, 224 en cada una de las secciones primera y segunda 232, 234. Una válvula para el funcionamiento por fases 248 se sitúa entre la segunda bomba 246 y las boquillas 222 de la primera sección 232. Cuando se hace funcionar en la primera etapa del modo IEC, el controlador 130 puede operar la primera bomba 244 para hacer circular agua desde el colector 242 y descargar agua desde las boquillas 226 en la tercera sección 236. En la primera fase, el controlador 130 no hace funcionar la segunda bomba 246. En la segunda fase, la válvula de funcionamiento por fases 248 se cierra para aislar las boquillas 222 de la primera sección 232 de la segunda bomba 246, y tanto la primera como la segunda bomba 244, 246 se ponen en funcionamiento para descargar agua de las boquillas 224, 226 en la segunda y tercera secciones 234, 236. La tercera fase es similar a la segunda fase, pero la válvula de funcionamiento por fases 248 está abierta para descargar también agua desde las boquillas 222 en la primera sección 232. Aunque se describen dos bombas 244, 246 y una única válvula de funcionamiento por fases 248, se puede usar cualquier número adecuado de bombas y válvulas de funcionamiento por fases en diversas combinaciones para conseguir el funcionamiento por fases deseado del intercambiador de calor indirecto 200.

Hay algunos beneficios adicionales que pueden estar disponibles al incorporar un enfoque de pulverización por fases. En aplicaciones de enfriamiento, el intercambiador de calor indirecto 200 normalmente no es capaz de satisfacer la carga de enfriamiento requerida en todas las condiciones de funcionamiento, por lo que también se puede incluir un sistema de enfriamiento mecánico suplementario 300 con el sistema de enfriamiento 110 (véase la Figura 1). Este sistema de enfriamiento mecánico 300 incluye un serpentín de enfriamiento 302, situado en la trayectoria de flujo del aire de retorno 114. En la realización mostrada en la Figura 1, el serpentín de enfriamiento 302 se sitúa aguas abajo del intercambiador de calor indirecto 200 y se configura para enfriar el aire de retorno 114 después de que ha sido enfriado por el intercambiador de calor indirecto 200. Se puede usar cualquier sistema de enfriamiento mecánico adecuado, incluidos los sistemas que usan refrigerante de expansión directa o agua enfriada para enfriar el serpentín de enfriamiento 302.

En esta realización, el sistema de enfriamiento mecánico 300 es un sistema de enfriamiento de expansión directa (DX) 300 que utiliza el ciclo de refrigeración común. El sistema de enfriamiento por expansión directa 300 incluye un compresor (no se muestra) para aumentar la presión y la temperatura del refrigerante después del serpentín de enfriamiento 302 y antes de que se enfríe en un condensador 304. En esta realización, el condensador 304 del sistema de enfriamiento de expansión directa 300 está colocado encima del intercambiador de calor indirecto 200 y también puede enfriarse mediante el aire recuperador 122. Para el condensador 304, se pueden usar otras configuraciones adecuadas que incluyen, por ejemplo, que esté situado de forma separada del intercambiador de calor indirecto 200 y en una corriente de aire distinta del aire recuperador 122. Luego el refrigerante pasa a través de una válvula de expansión (no se muestra), reduciendo su presión y su temperatura, antes de regresar al serpentín de enfriamiento 302.

El sistema de enfriamiento mecánico 300 se conoce comúnmente como sistema de enfriamiento de compensación, ya que normalmente solo se dimensiona para proporcionar el equilibrio de enfriamiento requerido tras el proceso de enfriamiento por evaporación indirecta del intercambiador de calor indirecto. En aplicaciones de enfriamiento críticas, tal como el enfriamiento de un centro de datos, se debe garantizar el rendimiento. Si el sistema de enfriamiento de compensación (sistema de enfriamiento mecánico 300) se dimensiona solamente de forma parcial, la instalación debe proporcionar el almacenamiento de agua para mantener la capacidad de enfriamiento total en caso de que exista una eventualidad de pérdida de agua. Dicho almacenamiento puede proporcionarse mediante un tanque de almacenamiento de agua 320 (véase la Figura 5). Estos tanques de almacenamiento 320 normalmente se dimensionan basándose en los requerimientos máximos de evaporación de agua durante un intervalo de tiempo continuo tal como 24 o 48 horas. Los años típicos meteorológicos (TMY) se evalúan para determinar el período de uso máximo de agua. El intercambiador de calor indirecto 200 que se explica en el presente documento permite una reducción significativa en el tamaño de estos tanques de almacenamiento de agua de reserva 320.

Como se muestra en la Figura 5, se añade agua al intercambiador de calor indirecto mediante una línea de alimentación 312. En esta realización, se puede añadir agua al intercambiador de calor indirecto 200 descargando agua desde una boquilla de alimentación 314 situada encima del conjunto de intercambiador de calor 210. El agua que se descarga desde la boquilla de alimentación 314 fluye luego sobre los tubos 212 y hacia el colector 242 de forma similar a las boquillas 220 que se utilizan para la recirculación. Una válvula de alimentación 316 se puede abrir y cerrar para controlar la adición de agua desde la línea de alimentación 312 al intercambiador de calor indirecto 200. Se puede añadir agua al intercambiador de calor indirecto 200 usando otras configuraciones adecuadas. Por ejemplo, en lugar de llenar el colector 242 usando la boquilla de alimentación 314, la línea de alimentación 312 puede vaciarse directamente en el colector 242.

La línea de alimentación 312 puede conectarse a varios suministros de agua. El suministro de agua utilizado en las condiciones habituales de funcionamiento puede ser un suministro de agua. El suministro de agua habitual puede tratarse de cualquier suministro de agua adecuado que tenga la instalación en la que se sitúa el sistema de enfriamiento 110. Dichos suministros de agua habitual pueden incluir el agua de una red municipal de agua, un pozo o similar. Como se muestra en la Figura 5, este suministro de agua habitual está conectado a la línea de alimentación 312 mediante una línea de suministro de agua habitual 322. Una válvula de suministro de agua habitual 324 se utiliza para aislar la línea de suministro de agua habitual 322 de la línea de alimentación 312. Como se ha explicado anteriormente, también se puede suministrar agua al sistema de enfriamiento 110 mediante un suministro de agua de reserva. El suministro de agua de reserva puede almacenarse en tanques de almacenamiento de agua 320. Los tanques de almacenamiento de agua 320 están conectados de manera que hay flujo a la línea de alimentación 312 mediante una línea de suministro de agua de reserva 326, y una válvula de suministro de agua de reserva 328 se usa para aislar la línea de suministro de agua de reserva 326 (y los tanques de almacenamiento de agua 320) de la línea de alimentación 312.

En una eventualidad de pérdida de suministro de agua donde se interrumpe el suministro de agua habitual que se proporciona mediante la línea de suministro de agua habitual 322, el sistema de enfriamiento 110 puede funcionar en un modo de pérdida de agua. En esta realización, el modo de pérdida de agua incluye cambiar la carga de enfriamiento al sistema de enfriamiento mecánico 300 en lugar del intercambiador de calor indirecto 200. Cuando la temperatura ambiente no es lo suficientemente baja como para enfriar el aire de retorno 114 mediante aire recuperador 122 por sí solo, incluso con los ventiladores de aire recuperador 124 funcionando para proporcionar el flujo máximo de aire del aire recuperador 122, el sistema de enfriamiento mecánico 300 funciona hasta su capacidad máxima en lugar de descargar agua desde las boquillas 220 del intercambiador de calor indirecto 200. Luego, si fuese necesario, el intercambiador de calor indirecto 200 puede funcionar con enfriamiento evaporativo indirecto en solamente algunas de las secciones 230 del conjunto de intercambiador de calor 210. Por ejemplo, el sistema de enfriamiento mecánico 300 puede dimensionarse de modo que el sistema de enfriamiento mecánico 300 y el intercambiador de calor indirecto 200 que funcionan en la primera fase sean suficientes para proporcionar la capacidad de enfriamiento necesaria basándose en las condiciones de diseño máximo. Como se ha explicado anteriormente, se descarga agua desde las boquillas 226 en la tercera sección 236 del intercambiador de calor indirecto 200 en la primera fase. Hacer funcionar el sistema de enfriamiento 110 de esta manera ahorra una cantidad significativa de agua durante una eventualidad de pérdida de agua, en comparación con el funcionamiento del sistema de enfriamiento 110 con pulverizaciones completas de agua, reduciendo así el volumen requerido de agua para almacenar y el tamaño de los tanques de almacenamiento de agua 320.

El modo de pérdida de agua podrá activarse cuando se identifique que se ha interrumpido el suministro de agua habitual. El modo de pérdida de agua puede activarse manualmente cuando un operario identifica que se ha interrumpido el suministro de agua habitual, pero el modo de pérdida de agua también puede activarse automáticamente. Como se muestra en la Figura 5, un sensor de suministro de agua 136 se sitúa en la línea de suministro de agua habitual 322. El sensor de suministro de agua 136 está acoplado comunicativamente al controlador 130, y cuando el sensor de suministro de agua 136 detecta que se ha interrumpido el suministro de agua habitual, envía una señal a la unidad de control 130. En cuanto recibe la señal del sensor de suministro de agua 136, el controlador 130 activa el modo de pérdida de agua. En el modo de pérdida de agua, la válvula de suministro de agua habitual 324 se cierra y la válvula de suministro de agua de reserva 328 se abre para cambiar el suministro de agua del suministro de agua habitual al suministro de agua de reserva almacenado en los tanques de almacenamiento de agua 320. Luego, como se explicó anteriormente, el controlador 130 hace funcionar el sistema de enfriamiento 110 en el modo de pérdida de agua. El centro de datos 100 puede incluir un sistema de gestión de edificios (BMS) que controla varios aspectos del centro de datos 100, incluido el suministro de agua al sistema de enfriamiento 110. Cuando el centro de datos 100 está equipado de esta manera, el BMS puede enviar una señal, y el controlador 130 recibe la señal para hacer funcionar el sistema de enfriamiento 110 en el modo de pérdida de agua. Aunque el controlador 130, en respuesta a la señal recibida del BMS, puede hacer funcionar las válvulas de suministro de agua 324, 328, las válvulas de suministro de agua 324, 328 pueden ponerse en funcionamiento a través del BMS para activar (o desactivar) el modo de pérdida de agua.

La incorporación de un enfoque de pulverización por fases también proporciona un beneficio de ahorro de agua cuando el intercambiador de calor indirecto 200 funciona a temperaturas ambiente cercanas al punto de congelación. Debido a que el intercambiador de calor indirecto 200 normalmente es capaz de proporcionar un enfriamiento completo usando solamente aire recuperador 122 a temperaturas muy por encima del punto de congelación, el sistema de agua (que incluye el colector 242) generalmente se drena cuando la temperatura ambiente se aproxima al punto de congelación para eliminar cualquier problema de congelación. En las zonas donde es frecuente que por la noche haya descensos de temperatura hasta el punto de congelación, pero que durante el día se calientan y requieren enfriamiento evaporativo indirecto, esto puede producir ciclos frecuentes de llenado y vaciado del colector 242 que desperdician agua cada vez que se drena el colector 242. En aplicaciones con carga de enfriamiento variable, es frecuente emplear un calentador de sumidero para permitir que el agua del colector soporte las temperaturas frías. Este enfoque es aceptable, pero requiere energía para poner en funcionamiento los calentadores. Sin embargo, en instalaciones que tienen una carga de calor más constante, tal como los centros de datos 100, las pulverizaciones de agua por fases pueden proporcionar un enfoque más eficiente.

Cuando la temperatura ambiente alcanza un umbral predeterminado, el intercambiador de calor indirecto 200 se hace funcionar en la primera fase. En la primera fase, el agua se hace circular desde el colector 242 mediante la primera bomba 244 hasta las boquillas 222 en la primera sección 232. El agua que se descarga de las boquillas 222 extraerá suficiente calor del aire de retorno para mantener todo el sumidero 242 lo suficientemente caliente para evitar la congelación. Como alternativa, en lugar de medir la temperatura ambiente y utilizar un umbral predeterminado basado en la temperatura ambiente, la temperatura del agua del colector 242 se puede medir y el umbral predeterminado se basa en la temperatura del agua del colector 242.

Aunque el intercambiador de calor indirecto 200 puede hacerse funcionar en la primera fase para evitar la congelación cuando un operario identifica que la temperatura ha descendido por debajo del umbral predeterminado, el intercambiador de calor indirecto 200 también puede iniciar automáticamente esta operación. Como se muestra en la Figura 5, un detector de temperatura 138 se configura para medir la temperatura del aire ambiente o, alternativamente la temperatura del agua en el colector 242. El detector de temperatura 138 está acoplado comunicativamente al controlador 130 y transmite la temperatura del aire ambiente (o agua del colector 242) al controlador 130. El controlador 130 recibe la temperatura del aire ambiente (o agua del colector 242) desde el detector de temperatura 138, y cuando el controlador 130 determina que la temperatura ha descendido por debajo del umbral predeterminado, el controlador 130 opera la primera fase del intercambiador de calor indirecto 200 para evitar la congelación del agua del colector 242 como se explicó anteriormente.

Aunque esta invención se ha descrito en ciertas realizaciones específicas de ejemplo, muchas modificaciones y variaciones adicionales resultarán evidentes para los expertos en la técnica dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de enfriamiento que comprende:

un intercambiador de calor evaporativo indirecto (200) que incluye:

un conjunto de intercambiador de calor (210) que incluye:

una pluralidad de tubos (212), teniendo cada tubo un primer extremo, un segundo extremo y una superficie exterior (216), estando configurado cada tubo (212) para (i) hacer fluir un fluido de proceso (114) por el mismo en una primera dirección desde el primer extremo hasta el segundo extremo y (ii) tener un medio de enfriamiento recuperador (122) que fluye sobre la superficie exterior (216) de cada tubo (212) en una segunda dirección, intersecando la segunda dirección la primera dirección; y

una pluralidad de secciones (230) alineadas en la primera dirección, incluyendo cada sección (230) de la pluralidad de secciones (230) una parte de cada uno de la pluralidad de tubos (212); y

una pluralidad de boquillas (220) situadas encima de la pluralidad de tubos (212), estando al menos una boquilla (220) de la pluralidad de boquillas (220) (i) ubicada en cada una de la pluralidad de secciones (230) y (ii) configurada para descargar selectivamente refrigerante sobre la parte del tubo (212) en esa sección (230) del conjunto de intercambiador de calor (210);caracterizado por

un sistema de enfriamiento mecánico (300) que incluye serpentines evaporadores (302) configurados para (i) hacer fluir el fluido de proceso (114) por los mismos y (ii) enfriar el fluido de proceso (114); y

un controlador (130) que tiene un modo de pérdida de agua correspondiente a una eventualidad de pérdida de suministro de agua, estando configurado el controlador (130) para, en el modo de pérdida de agua:

(i) descargar agua selectivamente desde las boquillas (220) situadas en una sección (230) del intercambiador de calor evaporativo indirecto (200) para enfriar el fluido de proceso (114); y

(ii) operar el sistema de enfriamiento mecánico (300) para enfriar el fluido de proceso (114).

2. El sistema de enfriamiento de la reivindicación 1, en donde la pluralidad de secciones (230) incluye tres secciones, estando una primera sección (232) próxima al primer extremo del tubo (212), estando una tercera sección (236) próxima al segundo extremo del tubo (212), y una segunda sección (234) entre la primera sección (232) y la tercera sección (236),

en donde el medio de enfriamiento recuperador (122) es aire ambiente, y/o

en donde el fluido de proceso (114) es aire, y/o

en donde el refrigerante es agua.

3. El sistema de enfriamiento de la reivindicación 1 o 2, en donde el intercambiador de calor evaporativo indirecto (200) incluye, además:

un colector (242) situado debajo de la pluralidad de tubos (212), estando configurado el colector (242) para recoger el refrigerante descargado desde la pluralidad de boquillas (220) después de que el refrigerante fluye sobre el tubo (212);

al menos una bomba (244) configurada para hacer circular refrigerante desde el colector (242) hasta las boquillas (220) situadas en al menos una sección (230) del intercambiador de calor; y

un sensor de temperatura (138) configurado para detectar una temperatura de control, y

en donde el controlador (130) está acoplado comunicativamente al sensor de temperatura (138) y está configurado para:

recibir una señal del sensor de temperatura (138) que indica la temperatura detectada por el sensor de temperatura (138); y

poner en funcionamiento, cuando la temperatura detectada por el sensor de temperatura (138) es inferior a un umbral predeterminado, la bomba (244) para hacer circular refrigerante desde el colector (242) hasta las boquillas (220) situadas en una sección (230) del intercambiador de calor para evitar la congelación del refrigerante en el colector (242).

4. El sistema de enfriamiento de la reivindicación 3, en donde la temperatura de control es al menos una de entre la temperatura del aire ambiente y la temperatura del agua del colector (242).

5. El sistema de enfriamiento de la reivindicación 3 o 4, en donde la pluralidad de secciones (230) incluye una sección de extremo (236), estando la sección de extremo (236) próxima al segundo extremo del tubo (212), y

en donde la bomba (244) está conectada de manera fluida a las boquillas (226) en la sección de extremo (236) y está configurada para hacer circular refrigerante desde el colector (242) hasta las boquillas (226) situadas en la sección de extremo (236).

6. Un método para prevenir la congelación en el colector (242) del intercambiador de calor evaporativo del sistema de enfriamiento de una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, comprendiendo el método:

identificar, a través del controlador (130), que la temperatura de control es inferior al umbral predeterminado; poner en funcionamiento, a través del controlador (130), la bomba (244) para hacer circular refrigerante desde el colector (242) hasta las boquillas (220) situadas en una sección (230) del intercambiador de calor; descargar el refrigerante que se ha hecho circular desde la al menos una boquilla (220) sobre la parte del tubo (212) en la sección (230) del intercambiador de calor en la que está situada la boquilla (220); y

recoger en el colector (242) el refrigerante que se ha descargado desde la al menos una boquilla (220) después de que el refrigerante fluye sobre el tubo (212).

7. El sistema de enfriamiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que además comprende:

una línea de suministro de agua habitual (322) configurada para suministrar agua al intercambiador de calor evaporativo indirecto (200) en un modo de funcionamiento habitual, en donde el controlador (130) está configurado además para (iii) recibir una señal que indica que el suministro de agua desde la línea de suministro de agua habitual (322) se ha interrumpido y (iv) poner en funcionamiento, en respuesta a la señal recibida, el sistema de enfriamiento en modo de pérdida de agua; y/o

una línea de suministro de agua de reserva (326) configurada para suministrar agua al intercambiador de calor evaporativo indirecto (200) en el modo de pérdida de agua.

8. El sistema de enfriamiento de la reivindicación 7, que comprende además un tanque de suministro de agua de reserva acoplado de manera fluida a la línea de suministro de agua de reserva para suministrar agua al intercambiador de calor evaporativo indirecto.

9. El sistema de enfriamiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, 7 u 8, en donde la pluralidad de secciones (230) incluye una sección de extremo (236), estando la sección de extremo (236) próxima al segundo extremo de tubo (212), y

en donde, en el modo de pérdida de agua, el controlador (130) está configurado para descargar selectivamente agua desde las boquillas (226) situadas en la sección de extremo (236).

10. El sistema de enfriamiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 o 7 a 9, en donde el controlador (130) está configurado para descargar refrigerante desde las boquillas (220) en al menos una sección (230) del conjunto de intercambiador de calor (230), la al menos una sección (230) en la que el controlador (130) descarga refrigerante está aguas abajo, en relación con la primera dirección, de al menos una sección (230) del intercambiador de calor en la que no se descarga refrigerante desde las boquillas (220).

11. Un método para poner en funcionamiento el sistema de enfriamiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 o 7 a 10 durante una eventualidad de pérdida de suministro de agua, comprendiendo el método:

identificar que se ha interrumpido el suministro de agua al sistema de enfriamiento desde una línea de suministro de agua habitual (322); y

enfriar un fluido de proceso (114) con el intercambiador de calor evaporativo indirecto (200) funcionando en el modo de pérdida de agua descargando agua selectivamente desde las boquillas (220) situadas en una sección (230) del intercambiador de calor evaporativo indirecto (200) y poniendo en funcionamiento un sistema de enfriamiento mecánico (300) para enfriar el fluido de proceso (114).

12. Un método para enfriar un fluido de proceso (114) en el intercambiador de calor evaporativo indirecto (200) comprendido en el sistema de enfriamiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 o 7 a 10, comprendiendo el método:

hacer fluir un fluido de proceso (114) a través de la pluralidad de tubos en la primera dirección;

hacer fluir un medio de enfriamiento recuperador (122) sobre la superficie exterior (216) de la pluralidad de tubos (212) en la segunda dirección para enfriar el fluido de proceso (114);

seleccionar al menos una boquilla (220) de la pluralidad de boquillas (220), cuando el flujo del medio de enfriamiento recuperador (122) por sí solo no es suficiente para enfriar el fluido de proceso (114) a una temperatura objetivo; y

descargar el refrigerante de las boquillas (220) seleccionadas en la etapa de selección sobre la parte de los tubos (212) en la sección (230) correspondiente del conjunto de intercambiador de calor indirecto (210) para enfriar aún más el fluido de proceso (114).

13. El método de la reivindicación 12, en donde la pluralidad de secciones (230) incluye una primera sección (232) y una segunda sección (234), estando la segunda sección (234) aguas abajo, en relación con la primera dirección, de la primera sección (232),

en donde las boquillas (224) seleccionadas corresponden a la segunda sección (234), y

en donde no se seleccionan las boquillas (222) correspondientes a la primera sección (232).

14. El método de la reivindicación 12, en donde la pluralidad de secciones (230) incluye una primera sección (232) próxima al primer extremo de la pluralidad de tubos (212), una segunda sección (234) aguas abajo, en relación con la primera dirección, de la primera sección (232), y una tercera sección (236) próxima al segundo extremo de la pluralidad de tubos (212), estando la segunda sección (234) entre la primera sección (232) y la tercera sección (236).

15. El método de la reivindicación 14, en donde las boquillas (226) seleccionadas corresponden a la tercera sección (236), y las boquillas (222, 224) correspondientes a la primera sección (232) y la segunda sección (234) no están seleccionadas, o

en donde las boquillas (224, 226) seleccionadas corresponden a la segunda sección (234) y la tercera sección (236), y las boquillas (222) correspondientes a la primera sección (232) no están seleccionadas.