分體式空調(diào)與熱管耦合裝置的理論設(shè)計與研究

1、分體式空調(diào)與熱管耦合裝置的理論設(shè)計與研究東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 張津京摘要本文針對封閉環(huán)境(如通信基站)在過渡季節(jié)不能完全通過墻體傳熱來傳遞熱量，而利用制冷空調(diào)時增加了能耗的現(xiàn)狀，提出了分體式制冷與熱管換熱循環(huán)耦合的方案，在過渡季節(jié)（封閉環(huán)境與室外大氣環(huán)境溫差大于10時），停止了制冷壓縮機(jī)的運行，節(jié)約能耗，提高壓縮機(jī)的使用壽命，保證了封閉環(huán)境內(nèi)的空氣潔凈度，增強(qiáng)電子電器設(shè)備運行的可靠性與穩(wěn)定性，并針對此系統(tǒng)提出了一些需要注意的問題。關(guān)鍵詞：分體式制冷，分離式熱管，耦合1、 引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用于IT行業(yè)的各類具有內(nèi)熱源封閉式環(huán)境（如程控交換機(jī)房、通訊機(jī)站房等）系統(tǒng)越來越多，一些電信機(jī)房、

2、機(jī)柜等方面的散熱常常是在小溫差大熱流密度條件下進(jìn)行的，并且由于成本、美觀等因素，散熱空間受到很大的限制。以移動通訊機(jī)站為例，為了保證通訊電子電器設(shè)備的穩(wěn)定可靠工作，室內(nèi)環(huán)境溫度不得超過28，目前通常的做法是通過制冷空調(diào)系統(tǒng)來實現(xiàn)降溫冷卻，在過渡季節(jié)，具有內(nèi)熱源的封閉環(huán)境只依靠墻壁的散熱還不能完全保證環(huán)境溫度低于28，往往還需要啟動制冷系統(tǒng)，增加了能耗。而采用與室外通風(fēng)換氣方式來冷卻電子電器設(shè)備，環(huán)境中的灰塵會對電子電器元件產(chǎn)生不可預(yù)估的干擾與破壞作用，嚴(yán)重影響到設(shè)備安全可靠運行。因此間接換熱技術(shù)研究應(yīng)運而生，本文所涉及的系統(tǒng)就是其中的一種。2、 分體式制冷與熱管耦合系統(tǒng)針對以上提出的在過渡季節(jié)

3、封閉空間中傳熱所存在的問題，本文提出了將分體式制冷與熱管換熱裝置耦合于同一個系統(tǒng)中的方案，在分體式空調(diào)制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上，將經(jīng)特殊設(shè)計的室外冷凝器和室內(nèi)蒸發(fā)器與制冷壓縮機(jī)、節(jié)流閥、液路電磁閥、汽路電磁閥組合構(gòu)成制冷與熱管換熱循環(huán)耦合裝置，液路電磁閥和汽路電磁閥分別與節(jié)流閥、壓縮機(jī)并聯(lián)。當(dāng)封閉環(huán)境與室外大氣環(huán)境溫差大于10時，循環(huán)切換為熱管換熱循環(huán)模式，將具有內(nèi)熱源的封閉環(huán)境內(nèi)的熱量經(jīng)分體式熱管間接換熱排至大氣環(huán)境，此時制冷壓縮機(jī)無需運轉(zhuǎn)，室內(nèi)外風(fēng)扇照常運行，以此強(qiáng)化間接換熱；當(dāng)封閉環(huán)境與室外大氣環(huán)境溫差小于10時，熱管換熱循環(huán)模式切換為蒸汽壓縮制冷循環(huán)模式，將具有內(nèi)熱源的封閉環(huán)境內(nèi)的熱量經(jīng)制冷循

4、環(huán)排放至大氣環(huán)境。2.1耦合系統(tǒng)的組成下圖是分體式制冷與熱管換熱循環(huán)耦合裝置示意圖。其中有：蒸發(fā)器，壓縮機(jī)，冷凝器，節(jié)流閥，液路電磁閥，汽路電磁閥，蒸發(fā)器風(fēng)扇，冷凝器風(fēng)扇。耦合裝置流程圖2.2耦合系統(tǒng)的技術(shù)方案該系統(tǒng)的分體式制冷與熱管換熱循環(huán)耦合裝置實施方法為：當(dāng)封閉環(huán)境與室外大氣環(huán)境溫差大于10時，打開液路電磁閥和汽路電磁閥，壓縮機(jī)停止工作，蒸發(fā)器風(fēng)扇和冷凝器風(fēng)扇照常工作。此時，分體式制冷與熱管換熱循環(huán)耦合裝置系統(tǒng)按分體式熱管換熱循環(huán)模式工作，室外側(cè)冷凝器為分體式熱管冷凝段，室內(nèi)側(cè)蒸發(fā)器為分體式熱管蒸發(fā)段。制冷劑在分體式熱管蒸發(fā)段內(nèi)吸收封閉環(huán)境內(nèi)熱量蒸發(fā)，制冷劑蒸汽通過汽路管道經(jīng)過汽路電磁閥

5、再由汽路管道進(jìn)入分體式熱管冷凝段冷凝，冷凝的液態(tài)制冷劑在重力作用下通過液路管道經(jīng)過液路電磁閥再由液路管道進(jìn)入分體式熱管蒸發(fā)段吸熱蒸發(fā)，構(gòu)成熱管換熱循環(huán)；當(dāng)封閉環(huán)境與室外大氣環(huán)境溫差小于10時，關(guān)閉液路電磁閥和汽路電磁閥，開啟壓縮機(jī)，蒸發(fā)器風(fēng)扇和冷凝器風(fēng)扇照常工作。此時，分體式制冷與熱管換熱循環(huán)耦合裝置系統(tǒng)按蒸汽壓縮式制冷循環(huán)模式工作，壓縮機(jī)排出的高壓制冷劑氣體由管路進(jìn)入室外側(cè)冷凝器冷凝為液體，高壓液態(tài)制冷劑由管路進(jìn)入節(jié)流閥，再由管路進(jìn)入室內(nèi)側(cè)蒸發(fā)器吸收封閉環(huán)境內(nèi)熱量蒸發(fā)，出蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽由管路進(jìn)入壓縮機(jī)，如此構(gòu)成制冷循環(huán)。3、 系統(tǒng)中的問題分析3.1冷凝段與蒸發(fā)段的耦合面積設(shè)計問題針對江蘇

6、地域某一具體的通信基站的要求，室內(nèi)環(huán)境溫度要求為不高于28，在計算時選取24，系統(tǒng)排熱負(fù)荷為4kW，室外環(huán)境為江蘇地區(qū)氣候特征，即夏季取室外溫度為34，過渡季節(jié)取室外溫度為12，換熱管選用外直徑d0=9.52mm銅管管殼，壁厚=0.36mm，熱管內(nèi)直徑為di=8.8mm，銅管外套鋁翅片，翅片厚度f=0.2mm，翅片節(jié)距Sf=1.8mm，迎風(fēng)面管中心距S1=25mm，管簇排列采用正三角形叉排。根據(jù)參考文獻(xiàn)3計算出對制冷狀態(tài)下的冷凝器和蒸發(fā)器的換熱面積，再計算出在過渡時期當(dāng)作是分體式熱管時的熱管換熱面積，由計算可知，后者的換熱面積大于前者，因此該系統(tǒng)的冷凝器與蒸發(fā)器的換熱面積應(yīng)該以分體式熱管換熱面

7、積來考慮。3.2耦合裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題該裝置是將分體式制冷與熱管換熱結(jié)合起來，實現(xiàn)不同季節(jié)下的制冷與熱管換熱，因此在結(jié)構(gòu)的設(shè)計上就需要綜合考慮到這兩方面的因素。對于夏季運行而言，蒸發(fā)器-壓縮機(jī)-冷凝器-節(jié)流閥-蒸發(fā)器，這一蒸汽壓縮式制冷循環(huán)早已得到了實踐的驗證，是完全可行的?？紤]到過渡季節(jié)的使用，增大冷凝器與蒸發(fā)器的換熱面積不會對耦合裝置進(jìn)行制冷循環(huán)過程造成不利的影響。對于過渡季節(jié)運行而言，分體式熱管換熱器工作時，室內(nèi)熱流體橫掠熱管蒸發(fā)段，管內(nèi)工質(zhì)沸騰蒸發(fā)，將熱量傳給橫掠過熱管冷凝段的室外空氣。蒸汽放熱后冷凝為液體依附于管壁，冷凝液體在重力的作用下，經(jīng)液導(dǎo)管回流到組合蒸發(fā)段，這樣形成閉合的熱管

8、循環(huán)回路。 而現(xiàn)在問題是：對于實際使用的裝置來說，滿足了夏季制冷空調(diào)工況下的運行是否就能滿足過渡季節(jié)熱管換熱運行呢？我們知道，在分體式制冷空調(diào)中，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑吸熱蒸發(fā)出的蒸汽是被制冷壓縮機(jī)抽吸加壓后送入冷凝器，制冷劑蒸汽在冷凝器放熱冷凝后的液體在冷凝與蒸發(fā)壓力差作用下經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器，克服制冷劑循環(huán)的管路阻力的動力是由壓縮機(jī)提供；而作為分體式熱管工作時，制冷劑在熱管蒸發(fā)段蒸發(fā)后進(jìn)入冷凝段，冷凝段冷凝的液體在重力作用下回流至蒸發(fā)段，制冷劑在分體式熱管中循環(huán)的阻力主要是由下降與上升制冷劑的重力差來提供的。因此循環(huán)管路的設(shè)計與安裝對實現(xiàn)該耦合循環(huán)（特別是熱管運行情況）有不可忽視的影響作用。要使分

9、體式空調(diào)與熱管耦合裝置能在不同季節(jié)下很好地運行，就必須在裝置結(jié)構(gòu)上作出必要的設(shè)計與調(diào)整，使之不僅能滿足在過渡季節(jié)工況下熱管內(nèi)制冷劑的循環(huán)，也能滿足在夏季工況下制冷劑循環(huán)過程中壓縮機(jī)回油等工程實際問題。3.3制冷劑充注量問題制冷劑充注量的多少對耦合系統(tǒng)運行有著一定的影響，它是實現(xiàn)該系統(tǒng)合理運行所必須考慮的一個問題。從熱管換熱的角度來分析，系統(tǒng)的充液量有一定的范圍，充液量過大，蒸發(fā)段的汽-液混合物將進(jìn)入蒸汽上升管段，甚至到冷凝段，增加了上升汽流的阻力，影響分體熱管制冷劑的循環(huán)，降低系統(tǒng)的傳熱性能；充液量過少，則會使加熱段上部管內(nèi)壁面無液膜覆蓋，引起傳熱惡化。充液量是管內(nèi)流動傳熱的參變量，同時又反過

10、來影響管內(nèi)兩相流的流動傳熱性質(zhì)，因此必須尋求合理的充液量，使其工作在最佳狀態(tài)，充分發(fā)揮分離式熱管的高效傳熱效果45。對耦合系統(tǒng)來說，若是分體式熱管運行所需的充注量大于制冷運行時的充注量，這是可以通過在系統(tǒng)冷凝器出口加裝儲液器來保證制冷運行時制冷劑循環(huán)的的需要，耦合系統(tǒng)充注量按照熱管運行所需制冷劑量充注，制冷運行時部分多出的制冷劑被儲存在儲液器中，熱管運行時制冷劑全部參加運行，反之，若是熱管換熱運行所需的充注量小于制冷運行所需的的充注量，系統(tǒng)就比較難辦，若是按照制冷運行所需制冷劑量來充注制冷劑，就會使在熱管換熱時充注量過多，降低了系統(tǒng)的傳熱性能。所以，選擇合適的充液量對系統(tǒng)的運行有著重要的影響，

11、既要滿足熱管的換熱，也要有利于制冷系統(tǒng)的運行。4、 結(jié)論本文針對通信基站換熱存在的問題，分析了實現(xiàn)在同一套裝置上夏季按制冷模式運行，過渡季節(jié)按熱管模式運行的可能性。在室內(nèi)外環(huán)境溫差小于10時，采用一般的分體式制冷運行，而當(dāng)室內(nèi)外環(huán)境溫差大于10時，則切換到熱管換熱運行。并且通過對該系統(tǒng)的分析研究，提出實施該系統(tǒng)所要注意的三個問題：1）要選擇合適的換熱面積同時滿足制冷運行以及熱管換熱運行的需要，經(jīng)計算分析得出：以設(shè)計熱管蒸發(fā)段和冷凝段的換熱面積作為耦合系統(tǒng)室內(nèi)外兩換熱器的面積相對比較合理；2）必須要綜合考慮制冷運行以及熱管換熱運行的實際工作情況，從滿足耦合系統(tǒng)運行的需要確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；3）根據(jù)耦

12、合系統(tǒng)運行的實際情況，設(shè)計系統(tǒng)的制冷劑的充注量，在分體熱管運行所需制冷劑循環(huán)量大于制冷運行所需充注量時，可以在系統(tǒng)冷凝器出口設(shè)置儲液器來調(diào)節(jié)制冷運行制冷劑循環(huán)量，否則必須調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計來滿足分體熱管運行所需制冷劑循環(huán)量。以上只是筆者對該系統(tǒng)進(jìn)行初步研究所得出來的供大家商討的幾個問題，不對之處敬請斧正。參考文獻(xiàn)1 莊駿，張紅主編，熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用M，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2000。2 黃問盈主編，熱管與熱管換熱器設(shè)計基礎(chǔ)M，北京，中國鐵道出版社，1995。3 吳業(yè)正主編，小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)M，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1998。4 張紅撰寫，分離式熱管換熱器最佳工作狀態(tài)的研究，石油化工設(shè)備技術(shù)，1996，17（3），1316。 5 郎逵，分離式熱管元件充液量的理論與實驗分析，第二屆全國熱管會議論文集，1988.9。 6 湯廣發(fā)等，分離型熱管充液率運行邊界討論J，湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，第32卷，第1期