王愛輝,羅高喬,汪韓送
(中國電子科技集團公司第十六研究所,合肥 230043)
信息機房空調(diào)耗能非常高,平均占了整個機房設(shè)備總耗電量的40%[1],而熱管是一種簡易而高效的換熱裝置,將其用于電子計算機與數(shù)據(jù)處理機房,可滿足機房內(nèi)設(shè)備密度大、發(fā)熱量高,計算機系統(tǒng)對環(huán)境的溫、濕度及含塵濃度等要求。與普遍蒸汽壓縮式機房專用空調(diào)相比,熱管空調(diào)耗能小,尤其在冬季寒冷地區(qū),發(fā)熱量大的機房,熱管空調(diào)節(jié)能效果更為出色[2]。對于我國北方地區(qū)來說,冬季及春秋過渡季節(jié)大部分時間內(nèi)的氣溫低于20℃,當室外環(huán)境溫度低于室內(nèi)溫度時,若用室外冷空氣直接或間接冷卻機房[3],停用壓縮式制冷機組,則可以在節(jié)約能源的同時延長壓縮式制冷機組的使用壽命[4]。為此,李奇賀等[5]對不同室內(nèi)外溫差下的熱管空調(diào)能效比進行了研究;金鑫等[6]以室外環(huán)境平均溫度20℃為基礎(chǔ),對分離式熱管空調(diào)運行COP 和節(jié)電率進行了研究,但他們的研究中對熱管換熱特性的研究較少。
本文以室外溫差10℃為基礎(chǔ),自行設(shè)計了一套重力式熱管空調(diào)系統(tǒng),著重考慮不同的風(fēng)機風(fēng)量和不同的熱管結(jié)構(gòu)對熱管空調(diào)運行特性的影響。
熱管機房空調(diào)系統(tǒng)工作原理如圖1,它由室內(nèi)換熱芯、室內(nèi)風(fēng)機、室外換熱芯、室外風(fēng)機及連接管組成,熱管式機房空調(diào)機組的風(fēng)系統(tǒng)由室內(nèi)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)和室外冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)組成。
機房內(nèi)熱空氣在熱側(cè)循環(huán)風(fēng)機的作用下流過熱管式空調(diào)機組的熱側(cè),經(jīng)過降溫后被重新送入機房;室外冷風(fēng)循環(huán)為開式循環(huán),室外冷空氣以室外散熱風(fēng)機為動力,流過熱管換熱器時帶走熱量。熱管機房空調(diào)系統(tǒng)機組完全依靠重力為循環(huán)動力,利用室內(nèi)外的溫差及制冷劑吸熱(或放熱)的相變過程間接地將室內(nèi)的熱量排出室外,起到空調(diào)的作用,同時,室外冷風(fēng)流過室外換熱芯后流出,對基站內(nèi)的含濕量及潔凈度影響較小。
圖1 系統(tǒng)工作原理
對以上方案進行芯體結(jié)構(gòu)設(shè)計,取冷熱側(cè)進出口溫差10℃,采用整體式熱管設(shè)計方法[7],設(shè)計傳熱量為4000 W,設(shè)計風(fēng)量為3500 m3/h。熱管選用R134a 為工質(zhì),管殼為φ10×0.5 mm 的紫銅管,翅片為厚度0.15 mm 的波紋型整張鋁制套片。換熱管排數(shù)的計算公式如下:
式中:
Qh——設(shè)計傳熱量,W;
Δtm——換熱對數(shù)溫差,℃;
UH——總的傳熱系數(shù),W/(m2·K);
n——換熱管排數(shù);
L——熱管管長,m。
將設(shè)計的芯體組裝成機柜,安裝于機房有以下主要優(yōu)點:室內(nèi)外空氣相互獨立,避免了室內(nèi)外濕度的擴散,減小了進入機房的有害粒子,保證了機房的潔凈度;針對于基站空調(diào)室外機容易被盜的現(xiàn)象,該機組安裝在機房內(nèi)部,增加了機組的防盜能力。
按照設(shè)計結(jié)果進行試驗,圖2 為試驗裝置原理圖,環(huán)境1 為模擬室外溫度,環(huán)境2 為模擬機房溫度。試驗在合肥某12 kW 焓差實驗室內(nèi)進行,主要測試環(huán)境1、環(huán)境2 的溫度、環(huán)境2 的熱風(fēng)到風(fēng)道的出口溫度和風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速。該實驗室的軟、硬件均由合肥通用機械研究院設(shè)計建造,達到了國家相關(guān)的標準要求。
為了進行對比,試驗中采用兩組熱管芯體,一組為設(shè)計的120 根,另一組為將設(shè)計換熱管擴大1倍的240 根。由于進行試驗的實驗室條件有限,環(huán)境1 冷風(fēng)流經(jīng)熱管后的出風(fēng)未能引出環(huán)境2,對試驗效果產(chǎn)生了一定的影響,另外,實驗室風(fēng)量最大值只能達到3200 m3/h,而此時的風(fēng)管承受能力很脆弱,所以,由于條件的限制,試驗風(fēng)量取為2800 m3/h。
圖2 試驗裝置系統(tǒng)
在冷熱側(cè)進風(fēng)溫差10℃時增大進口風(fēng)量,樣機空調(diào)制冷量的變化情況如圖3 所示。從圖中可以看出,空調(diào)運行情況與設(shè)計結(jié)果符合的較好,在風(fēng)量3500 m3/h 時的制冷量可達到4000 W;另外,在維持冷熱側(cè)進出口溫差一定的條件下,制冷量是隨進口風(fēng)量的增加而增加的,但是,在風(fēng)量較小的情況下,風(fēng)量的增加對制冷量的影響較大,在風(fēng)量接近設(shè)計的風(fēng)量時,制冷量增長趨勢變得較平緩,此時再增大風(fēng)量,制冷量增大很小。
圖3 風(fēng)量對制冷量的影響
可以得出,在冷熱側(cè)溫差一定的情況下,確定結(jié)構(gòu)的熱管空調(diào)制冷量有一個最佳值,超過這個最佳值后風(fēng)量的增大對制冷量影響很小,而風(fēng)機風(fēng)量的增大需要更大的功率,也會產(chǎn)出更大的風(fēng)管阻力,所以,選取最佳風(fēng)量對系統(tǒng)的成本和運行費用都很重要。
為了研究熱管結(jié)構(gòu)不同對制冷量的影響,試驗中采用比設(shè)計管數(shù)擴大一倍的熱管結(jié)構(gòu)進行對比試驗,結(jié)果如圖4 所示。
圖4 溫差對制冷量的影響
圖4 為風(fēng)量為2800 m3/h 下冷熱側(cè)進風(fēng)溫差變化對制冷量的影響情況。從圖中可以看出,制冷量隨著冷熱側(cè)進風(fēng)溫差的增大而增大;增大換熱管數(shù)量可以使制冷量增加,但增加量有限,而且,這種增加隨著冷熱側(cè)進風(fēng)溫差的增大而減小。
這說明在熱管空調(diào)中并不是熱管數(shù)量越多越好的,試驗數(shù)據(jù)顯示,在冷熱側(cè)進風(fēng)溫差10℃下,熱管數(shù)量增加1 倍,制冷量只增加14%,而機組成本增加30%以上,這是很不經(jīng)濟的。所以,在設(shè)計的基礎(chǔ)上為了增大制冷量而增加熱管數(shù)量的方法是不夠?qū)嶋H的,合理的設(shè)計最為關(guān)鍵。
換熱器效率是評價換熱機組性能的重要指標,本機組采用顯熱傳熱,無相變送風(fēng),故可用溫度效率指標進行評價,計算式[8]為:
式中:
ε——溫度效率;
t1——冷側(cè)空氣進口溫度,℃;
t2——熱側(cè)空氣進口溫度,℃;
t3——熱側(cè)空氣出口溫度,℃。
對試驗樣機保持冷熱側(cè)10℃溫差的情況下研究風(fēng)量變化對溫度效率的影響,結(jié)果如圖5 所示。由圖可見,溫度效率是隨著風(fēng)量的增大而減小的,但是從圖3 的結(jié)果來看,制冷量是增加的,這就是說風(fēng)量變化對溫度效率的具體大小影響較小,對制冷量的影響主要來源還是偏重于風(fēng)量的變化。
圖5 風(fēng)量對溫度效率的影響
(1)該型熱管空調(diào)在冷熱側(cè)進風(fēng)溫差10℃,風(fēng)量3500 m3/h 時的制冷量可達到4000 W,與設(shè)計結(jié)果符合的較好。
(2)空調(diào)制冷量是隨進口風(fēng)量的增加而增大的,但在風(fēng)量較小的情況下,風(fēng)量的增加對制冷量的影響較大,在風(fēng)量接近設(shè)計的風(fēng)量時,制冷量增長趨勢變的較為平緩,此時再增大風(fēng)量,制冷量增大很小。
(3)在冷熱側(cè)進風(fēng)溫差10℃下,熱管數(shù)量增加1倍,制冷量只增加14%,而機組成本增加30%以上,經(jīng)濟效益較差。
(4)確定冷熱側(cè)溫差的情況下,機組溫度效率隨著風(fēng)量的增大而減小,但風(fēng)量變化對溫度效率的具體值影響較小,制冷量的變化主要影響來源于風(fēng)量的差異。
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