Терморегулятор управляет чиллером

В настоящее время во многих сферах жизнедеятельности человека используется чиллер (англ. chiller) – холодильный агрегат, применяемый для охлаждения жидких теплоносителей. В качестве жидкого теплоносителя может выступать вода или смесь гликоля. Охлаждённая вода – популярный компонент многих технических и бытовых процессов.

Принцип работы чиллера заключается в следующем. Хладагент в газообразном состоянии с низкой температурой и низким давлением из испарителя попадает в компрессор, где превращается в газ с высокой температурой и высоким давлением, конденсатор охлаждается холодной водой или холодным воздухом. В испарителе хладагент испаряется и охлаждает воду. В этот момент он поглощает тепловую энергию из теплоносителя, снижая его температуру. То есть по способу охлаждения конденсатора чиллеры можно разделить на два типа: водяные и воздушные. В водяных чиллерах конденсатор охлаждается обычной проточной водой. Чиллер для воды считается наиболее экономичным и стоит дешевле. Однако для такого агрегата потребуется установка системы оборотного водоснабжения. Воздушные чиллеры работают по тому же принципу, что и обычные бытовые кондиционеры. То есть из вентилятора направляется поток воздуха, который обдувает конденсатор.

Современный чиллер оснащён высококачественным, высокоэффективным, малошумным компрессором, нержавеющими высококачественными трубопроводами, встроенным внутренним теплообменником, а так же и контроллером, который поддерживает работу контрольной панели и управляет чиллером по заданным алгоритмам.

Локальная система управления чиллера следит за основными параметрами жидкого теплоносителя (наличие потока, температура, давление) и при наличии ошибок выдаёт соответствующий сигнал ошибки. Он может быть задействован в автоматизированной системе управления (АСУ) устройства, составной частью которого является чиллер. АСУ при необходимости отключит основной чиллер и включит резервный. Это сохранит дорогостоящее охлаждаемое оборудование при повреждении внешних или внутренних трубопроводов, при аварийном отключении сетевого напряжения и пр.

Благодаря высокой эффективности, компактным размерам, эстетичному виду, простоте в эксплуатации и техническом обслуживании современные чиллеры широко применяются при производстве изделий из пластмасс, в гальванических установках, при производстве продуктов питания, в системах кондиционирования воздуха и, конечно же, в лазерных технологиях.

В лазерных системах чиллеры применяются для охлаждения зеркал, линз, оптоволокон, рабочей смеси газовых лазеров и пр. Достаточно широко на современном рынке представлены водяные чиллеры, типов PH­LW и XC. Функциональная схема, где задействованы данные чиллеры будет приведена ниже. Внешний вид чиллера типа PH­LW16­BSP представлен на рис. 1.


Внешний вид промышленного, более мощного чиллера типа XC­05ACI представлен на рис. 2. Основные технические характеристики выше указанных чиллеров представлены в табл. 1.

Система термостабилизации с одним чиллером (одноконтурная схема) наружной установки – одна из самых распространённых и достаточно простых систем. В эту систему хорошо встраивается чиллер. PH­LW16. В качестве теплоносителя в системе, как правило, используется вода, в отдельных случаях возможно применение теплоносителей с низкими температурами замерзания (раствор этиленгликоля, рассолы и т.д.). Циркуляция теплоносителя в системе осуществляется с помощью насоса чиллера. Внутренний расширительный бак чиллера служит как для предотвращения гидравлических ударов при работе насоса, так и для компенсации изменения объёма теплоносителя вследствие изменения его температуры.

Например, в лазерной технике, в одноконтурной гидравлической схеме, применение чиллера серии PH­LW16 позволяет отказаться от использования проточной воды для охлаждения оборудования, входящего в лазерную систему. Данный чиллер не просто охлаждает составные части лазерной системы – он поддерживает температуру на заранее заданном уровне, что очень важно, например, для лазеров с диодной накачкой (при неконтролируемом охлаждении длина волны накачки может измениться, существенно снизив эффективность лазера). В чиллере PH­LW16­BSP во внутреннем расширительном баке с дистиллятом вмонтирован датчик температуры. Внутренний контроллер чиллера управляет насосом, прокачивающим воду в контуре, компрессором и системой воздухообдува. То есть все необходимые элементы для организации одноконтурной гидравлической схемы в чиллере имеются. В качестве хладагента используется фреон R22, не разрушающий озоновый слой и одобренный в странах ЕС. Чиллер способен поддерживать температуру на заданном уровне даже при температуре окружающей среды на 10°С выше температуры воды в лазерной установке.

Рассмотрим применение чиллеров PH­LW16 в 3­контурной системе охлаждения и термостабилизации с теплообменником (далее система термостабилизации). Функциональная схема системы термостабилизации, управляемой двухканальным терморегулятором, представлена на рис. 3.

Востребованность в системах нагрева и охлаждения двух­ (и более) контурных теплообменников объясняется, прежде всего, их хорошей эффективностью и надёжностью работы в различных условиях, особенно там, где нужен большой теплосъём. Самая простая конструкция двухконтурного теплообменника – это «труба в трубе».

Гидравлическая схема системы состоит из трёх гидравлически развязанных, независимых контуров А, Б и В. В контур А входят чиллер Ч1 и внутренний контур теплобменника ТК1. В контур Б входят чиллер Ч2 и внутренний контур теплобменника ТК2. В контур В входят насос Н1, охлаждаемый элемент Л1 (например, лазер или элемент лазерной системы), расширительный бак РБ1 и внешний контур теплобменника ТК3. Расширительный бак РБ1 –открытого типа. Расширительный бак служит как для предотвращения гидравлических ударов при работе насоса, так и для компенсации изменения объёма теплоносителя вследствие изменения его температуры. Верхнюю часть бака прикрывает негерметичная крышка. Она препятствует попаданию в теплоноситель мусора и пыли. По причине негерметичности давление в расширительном бачке открытого типа всегда равно атмосферному. Для лучшего теплосъёма целесообразно, чтобы направления потоков во внутренних и внешнем контурах теплообменника были противоположны. Расход жидкости в контуре В задаётся насосом Н1. Контуры в теплообменнике должны быть герметичным. Попадание теплоносителей в смежные полости не допускается.

Принципиальная схема системы термостабилизации на базе двухканального терморегулятора (измерителя­регулятора) ТРМ202­Щ1.РР (далее ТРМ202) представлена на рис. 4. На схеме приведено только управление чиллером №1 по каналу №1 терморегулятора. Управление чиллером №2 по каналу №2 терморегулятора происходит совершенно аналогично и на принципиальной схеме не показано.

Фотография лицевой панели терморегулятора TPM202 представлена на рис. 5. ТРМ202 имеет два универсальных входа для подключения измерительных датчиков, термопреобразователей сопротивления типа ТСМ или ТСП 50/100, Pt100 и др. Данный терморегулятор имеет два логических устройства (ЛУ1 и ЛУ2), для каждого из которых пользователь может задавать следующую входную величину:

Каждое логическое устройство может работать в одном из трёх режимов:

Кроме того, в режиме двухпозиционного регулирования ЛУ может работать по одному из нижеприведенных типов логики:

Источник входной величины задаётся в параметре ILU1 (ILU2) в меню Luin:

ЛУ1, ЛУ2 работают независимо друг от друга, поэтому прибор может работать как трёхпозиционный регулятор. Для этого на вход каждого из ЛУ следует подать один и тот же сигнал: Т1, Т2 или ΔТ.

На принципиальной схеме (см. рис. 4) датчики температуры В1, В2 подключаются непосредственно к ТРМ202. К входу 1 (первому каналу) подключён датчик температуры В1. Он контролирует текущую температуру Т во внешнем контуре теплообменника ТК3. Тус1 – уставка, заданная для первого канала. К входу 2 (второму каналу) подключён датчик температуры В2. Он тоже контролирует текущую температуру Т внешнего контура теплообменника ТК3. Тус2 – уставка, заданная для второго канала. Зададим Тус2 > Tус1. Если Т > Tус1, то включится чиллер Ч1. Если теплосъём с лазера большой, то текущая температура Т во внешнем контуре теплообменника ТК3 будет возрастать, и при Т > Tус2 включится чиллер Ч2. 

В общем случае число внутренних контуров в теплообменнике можно обозначить как N. Понятно, что для их управления при реализации вышеуказанной схемы гидросхемы необходимо задействовать двухканальные терморегуляторы в количестве N/2.

Терморегулятор позволяет реализовать различные, достаточно гибкие алгоритмы работы систем термостабилизации с теплообменником. Например, включение чиллера по заданной разнице температур во внутреннем и внешнем контуре теплообменника. Пусть к входу 1 терморегулятора подключён датчик температуры В2. Он контролирует текущую температуру Т1 внутреннего контура теплообменника ТК1. К входу 2 подключён датчик температуры В1. Он контролирует текущую температуру Т2 внешнего контура теплообменника ТК3. Задаём режим работы для ЛУ1 – контроль разности температур ΔТ = Т2 – Т1. А также тип логики – 2. При работе лазера поднимается температура теплоносителя в контуре В и внешнем контуре теплообменника ТК3. Как только разность температур ΔТ превысит заданную уставку, терморегулятор включит контактор и соответственно чиллер Ч1.

Если режим работы лазера – кратковременный и теплосъём с него – небольшой, то разность температур DТ может не превысить уставку. Включать чиллер в данном случае нет необходимости. Для включения резервного чиллера система управления изделия кроме текущей температуры должна контролировать сигнал с датчика потока основного чиллера.

Датчики температуры В1, В2 подключаются к терморегулятору А2 по трёхпроводной схеме. Контактор А2 управляет чиллером А3 (см. рис. 4). Тип логики работы для каждого канала терморегулятора, а также его уставка задаются в режиме конфигурации. Все заданные параметры терморегулятора ТРМ202 и чиллеров PH­LW16 и XC­05ACI при отключении сетевого напряжения – сохраняются.

Сетевое напряжение поступает на соединитель ХР1 устройства. Напряжение 24 В поступает на соединитель ХР2. Лампа Н1 и пьезоизлучатель ВА1 – элементы световой и звуковой сигнализации отсутствия потока теплоносителя в контуре А. 

Литература