调节阀的泄漏量对冷却系统稳定性的影响分析.docx

调节阀的泄漏量对冷却系统稳定性的影响分析徐家新1 , 2 , 樊高定2 , 王乐勤1 , 陈恩2 , 郭建2(11 浙江大学 , 浙江杭州 310027 ; 21 合肥通用机械研究所 , 安徽合肥 230031)摘 要 : 针对某电子设备冷却系统的调试过程中发生的系统失稳现象 , 通过理论分析 , 探讨了三通调节阀泄漏量对冷却系统的稳定性影响 , 提出了冷却系统的改进措施 。关键词 : 冷却系统 ; 三通调节阀 ; 失稳 ; 泄漏量 ; 环境温度中图分类号 : tb65文献标识码 : aeffect of 32way regulating valve lea kage on cooling system sta bilityxu jia2xin1 ,fan gao2ding2 ,wang le2qin1 ,chen en2 , guo jian2(1. zhejiang university , hangzhou 310027 ,china ;2. hefei general machinery research insititute , hefei 230031 ,china)abstract : the effect of 32way regulating valve leakage on cooling system stability is presented by means of theoretical analysis in re2spect of system instability encountered in commissioning of cooling system for an electronic equipment .key words : cooling system ;32way regulating valve ;instability ;leakage ;ambient temperature1前言冷水机组的工作状态为进水温度 12 、出水温度 7 、流量 g1 , 机组制冷量 :q = ( q1 + q2)式中 为修正系数 , 主要是考虑冷却系统与 外部环境的换热 、循环水泵运行时对水温的影响 等因素 , 一般取 = 1. 151. 25为充分利用冷水机组的回水 、节约能源和减 少配置设备的数量 , 在冷却系统的储水柜上增设 了另一支路 , 并配置 1 只电动三通调节阀 , 利用传热传质原理为发热设备 b 提供温度为 t2 、流量为g2 的冷媒水 。对该冷却系统进行试验调试时 , 负载的热负 荷全部投入 。系统电控预先设定 t = 2 , 人工 局部调节环境温度 , 以考察冷却系统的匹配及运 行情况 。当环境温度小于某一数值时 , 电子设备 要求的供水温度稳定性很好 , 冷却系统运行也非 常稳定 。但当环境温度超过某一数值时 , 整个冷 却系统失稳 、循环水水温持续升高而不能保证负 载要求的供水温度 。系统运行情况如图 2 所示 。某电 子 设 备 要 求 冷 却 系 统 为 其 发 热 设 备 a提供温度为 7 1 、流量为 g1 、换热量为 q1 的 冷媒水 , 同时为其发热设备 b 提供温度为 t2 、流量为 g2 、换 热 量 为 q2 的 冷 媒 水 : t2 = t a + t(0 t 5 ) , 同 时 规 定 : 18 t a + t 40 ; 环境温度的适应范围 : t amin t a t amax建立了如图 1 所示的冷却系统 。该冷却系统 主要由 1 台冷水机组 、2 台循环水泵 、1 只储水柜 和 1 个电动三通调节阀 、电控箱以及系统管路和 管路附件等部分组成 。图 1 冷却系统流程收稿日期 : 2003 09 172004 年第 32 卷第 8 期流体机械23g21 = q2/ q2/ g2 + t a + t - q/ g1 - t0 ( 6)令 :x = f ( t a) = t a/ g21/ q2 + t - q/ g1 - t0y = g ( g21) = g21 q2/ g2 + t - q/ g1 - t0则式 (6) 可转换为 : y = 1/ x(7)式 (7) 为双曲线图形 ( 实际情况下 , y 为负数无意义 , 因而 x 始终大于 0) 。3调节阀泄漏量对冷却系统运行的影响分析图 2 冷却系统运行状态a. 发热设备 b 出水温度 ; . 发热设备 b 进水温度 ;. 环境温度 ; . 冷水机组进水温度 ; . 冷水机组出水温度当冷却系统稳定运行时 , 冷水机组出水温度t0 不变 。在冷却系统进行系统匹配设计时 , 要求冷水机组的出水温度 t0 = 7 1 。随着环境温度t a 的变化 , 进入储水柜的流量 g21 在 gv g2 - gv的范围内自动调节 , 实现发热设备 b 的供水温度 t2 在 t2 min t2 m ax 之间 。由分析可知 , 当运行的环 境温度 t a 较高时 , 进入储水柜的流量 g21 等于三2冷却系统热平衡分析冷却系统的动态研究涉及的问题很多也非常复杂 , 本文仅对冷却系统进行稳态研究 。为便于 建立模型和进行理论分析对冷却系统进行了简化和假定 : (1) 忽略冷却系统与外部环境的换热 ; ( 2) 忽略循环水泵工作时对循环水温度的影响 ; ( 3) 冷 水机组的制 冷 量 等 于 发 热 设 备 a 和 发 热 设 备 b 的总发热量 ; ( 4) 三 通 调 节 阀 的 每 路 泄 漏 量 均 为gv ; ( 5) 发热设备 a 的进水温度为 7 ; 发热设备b 的进水温度为 t2 。由上述假定 , 我们建立的冷 却系统的分析模型如图 3 所示 。通调节阀泄漏量 g , 可以推算出此时的环境温度v值 t 和供水温度 t 。2 haht ah = q2/ gv - q2/ g2 + q/ g1 + t0 - t(8)若根据式 (8) , t2 h ( t2 h = t ah + t ) 大于或等于发热设备 b 供水温度的上限值 t2 m ax , 根据要求 ,发热设备 b 的供水温度 t = t, 冷却系统运行2 2 m ax稳定 。这种情况 , 本文在此不予讨论 。本文着重讨论的是 , 计算值 t2 h小于发热设备 b 供水温度的上限值 t2 max 的情况 。此时 , 运行的 环境温度 t a 高于 t ah , 进入储水柜的流量 g21 将小于三通调节阀泄漏量 gv 。但是由于三通调节阀固有的泄漏量 gv 基本不变 , 此时实际进入储水 柜的流量 g21仍等于三通调节阀泄漏量 gv , 冷却系统的热力平衡被破坏 , 于是造成冷水机组的进/出水温度持续上升 , 冷却系统运行失稳 。 同样的分析可知 , 冷却系统实际运行时还存在一点 :当环境温度 t a 降低到某一数值时进入储水柜的最大流量 g21 max = g2 - gv , 此时发热设备图 3 冷却系统分析模型根据能量守恒定理和传热原理 : q = q1 + q2q = cpg1 ( t1 - t0) q2 = cpg2 ( t4 - t2)q2 = cpg21 ( t4 - t2)(1)(2) ( 3)(4)b 的供水温度记为 t, 对应的环境温度记为 t ,2lal水的定压比热 cp = 1kcal/ ( kg) , 由式 ( 2) ,( 3) 分别得 :t1 = q/ g1 + t0t4 = q2/ g2 + t2假定储水柜内部的水温均匀一致 , 即有 :t = t1 = t2。将 t1 和 t4 带入式 (4) 有 :t al = t2l - t 。由此可以验证发热设备 b 供水温度下限值 t2 mi n的要求是否合理 。于是有 :t2l = q2/ g21 max -q2/ g2 + q/ g1 + t0= q2/ ( g2 - gv ) - q2/ g2 + q/ g1 + t0 ( 9) 据式 (9) , t2l t2 mi n 时 , 根据要求发热设备 b 的供水温度 t2 = t2 mi n , 冷却系统运行稳定 。若 t2lq2 = g21 ( q2/ g2 + t2 - q/ g1 - t0)由于 t2 = t a + t , 式 ( 5) 可转换为 :( 5) t2 min , 发热设备 b 的供水温度 t2 略高于此时 t2 = t2l , 但冷却系统仍能稳定运行 。t2 mi n ,fluid machineryvol132 ,no18 ,200424冷却系统稳定运行区间如图 4 所示 。阀们全部处于畅通状态 。在临界情况下可以通过人工或自动判断予以关断截止阀 c 或截止阀 d , 从而彻底解决三通调节阀的泄漏影响问题 。但是 临界情况的确定较为模糊 , 只能根据理论的计算 值进行设定并根据现场调试才能予以确定 。由于可以通过调整冷却系统运行参数实现冷却系统在 要求的环境温度条件下长期可靠地正常运行 , 本 文不推荐采用这种解决措施 冷却系统增加截 止阀将使系统的电气控制较为复杂 , 设备的数量 也有所增加 。综上所述 , 在条件允许的情况下 , 选择小泄漏 量的三通调节阀 , 适当减小发热设备 a 的循环水流量 g1 或增大发热设备 b 的供水流量 g2 ,t 在05 范围内取小值 , 可以减小三通调节阀泄漏 量 gv 对冷却系统运行的影响 , 扩大冷却系统的使用范围 。图 4 冷却系统运行趋势分布区间图4减小泄漏量对冷却系统运行的影响的措施分析式 (8) , 令 t ah = f ( gv , g1 , g2 , t0 ,t ) , 则 :d ( t ah) = fg d ( gv ) + fg d ( g2) + fg d ( g1)v21+ ft d ( t0) + ft d (t)(10)0函数 f 各个参元的偏导数为 :5结语fg | = 0 . 5 q2/ gv 2|v对于通过储水柜进行旁路不同温度供水的冷却系统而言 , 由于受到三通调节阀泄漏的影响 , 冷 却系统存在一定的使用范围 , 即 :存在最高使用环 境温度 。当环境温度超过该值时 , 冷却系统失稳 而不能正常工作 。为扩大冷却系统的使用范围 , 保证冷却系统在要求的环境温度条件长期可靠地正常运行 , 应该采取下列措施 :( 1) 合理选择三通调节阀以减小其泄漏量 ;(2) 尽可能减小发热设备 a 的循环水流量 g1(称为“主循环水路”) 或增大发热设备 b 的供水 流量 g2 ( 称为“辅助循环水路”) ;( 3) 合理选取 t 值 。fg | = 0 . 5 q2/ g22|2fg | = 0 . 5 q/ g12|1ft | = | ft | = 10式中 q 和 q2 在进行系统设计前已明确 , g1和 g2 也 是 事 先 预 知 但 可 以 适 当 调 整 。q 和 q2是服务对象的发热量 , 不能改变 。冷水机组出水 温度 t0 受到运行工况要求的制约也不能随便改 变 。并由约束条件 : q q2 , g1 g2 且均远大于gv , 同时 q2/ g2 及 q/ g1 均大于 1 。故有 :| fgv |远大于| fg2| 、| fg1| 、| ft0 | 和| ft | , | fg2 | 与|fg1| 数量级相当 , | ft0| 和| ft | 数值最小 。由上述分析可以得出 : gv 对 t ah 的影响最大 , g1 、g2 对 t ah 的影响次之 , t0 和 t 对 t ah 的影响最 小 。因此 , 欲减少冷却系统运行失稳的区域 , 首先 应选择小泄漏量的三通调节阀 , 并进行准确的压损核算 。但是调节阀泄漏量 gv 的值受到行业技 术水平的限制 , 不可能无限制的减小 。其次 , 减小g1 、增大 g2 或 t 取小值都将增大 ta h 的值 , 将会减少冷却系统运行失稳的区域 。 理论上还可以在冷却系统中增加两个截止阀( 如图 1 所示)