分体式空调与热管耦合装置的理论设计与研究

1、分体式空调与热管耦合装置的理论设计与研究东南大学能源与环境学院 张津京摘要本文针对封闭环境(如通信基站)在过渡季节不能完全通过墙体传热来传递热量，而利用制冷空调时增加了能耗的现状，提出了分体式制冷与热管换热循环耦合的方案，在过渡季节（封闭环境与室外大气环境温差大于10时），停止了制冷压缩机的运行，节约能耗，提高压缩机的使用寿命，保证了封闭环境内的空气洁净度，增强电子电器设备运行的可靠性与稳定性，并针对此系统提出了一些需要注意的问题。关键词：分体式制冷，分离式热管，耦合1、 引言随着科学技术的发展，用于IT行业的各类具有内热源封闭式环境（如程控交换机房、通讯机站房等）系统越来越多，一些电信机房、

2、机柜等方面的散热常常是在小温差大热流密度条件下进行的，并且由于成本、美观等因素，散热空间受到很大的限制。以移动通讯机站为例，为了保证通讯电子电器设备的稳定可靠工作，室内环境温度不得超过28，目前通常的做法是通过制冷空调系统来实现降温冷却，在过渡季节，具有内热源的封闭环境只依靠墙壁的散热还不能完全保证环境温度低于28，往往还需要启动制冷系统，增加了能耗。而采用与室外通风换气方式来冷却电子电器设备，环境中的灰尘会对电子电器元件产生不可预估的干扰与破坏作用，严重影响到设备安全可靠运行。因此间接换热技术研究应运而生，本文所涉及的系统就是其中的一种。2、 分体式制冷与热管耦合系统针对以上提出的在过渡季节

3、封闭空间中传热所存在的问题，本文提出了将分体式制冷与热管换热装置耦合于同一个系统中的方案，在分体式空调制冷循环的基础上，将经特殊设计的室外冷凝器和室内蒸发器与制冷压缩机、节流阀、液路电磁阀、汽路电磁阀组合构成制冷与热管换热循环耦合装置，液路电磁阀和汽路电磁阀分别与节流阀、压缩机并联。当封闭环境与室外大气环境温差大于10时，循环切换为热管换热循环模式，将具有内热源的封闭环境内的热量经分体式热管间接换热排至大气环境，此时制冷压缩机无需运转，室内外风扇照常运行，以此强化间接换热；当封闭环境与室外大气环境温差小于10时，热管换热循环模式切换为蒸汽压缩制冷循环模式，将具有内热源的封闭环境内的热量经制冷循

4、环排放至大气环境。2.1耦合系统的组成下图是分体式制冷与热管换热循环耦合装置示意图。其中有：蒸发器，压缩机，冷凝器，节流阀，液路电磁阀，汽路电磁阀，蒸发器风扇，冷凝器风扇。耦合装置流程图2.2耦合系统的技术方案该系统的分体式制冷与热管换热循环耦合装置实施方法为：当封闭环境与室外大气环境温差大于10时，打开液路电磁阀和汽路电磁阀，压缩机停止工作，蒸发器风扇和冷凝器风扇照常工作。此时，分体式制冷与热管换热循环耦合装置系统按分体式热管换热循环模式工作，室外侧冷凝器为分体式热管冷凝段，室内侧蒸发器为分体式热管蒸发段。制冷剂在分体式热管蒸发段内吸收封闭环境内热量蒸发，制冷剂蒸汽通过汽路管道经过汽路电磁阀

5、再由汽路管道进入分体式热管冷凝段冷凝，冷凝的液态制冷剂在重力作用下通过液路管道经过液路电磁阀再由液路管道进入分体式热管蒸发段吸热蒸发，构成热管换热循环；当封闭环境与室外大气环境温差小于10时，关闭液路电磁阀和汽路电磁阀，开启压缩机，蒸发器风扇和冷凝器风扇照常工作。此时，分体式制冷与热管换热循环耦合装置系统按蒸汽压缩式制冷循环模式工作，压缩机排出的高压制冷剂气体由管路进入室外侧冷凝器冷凝为液体，高压液态制冷剂由管路进入节流阀，再由管路进入室内侧蒸发器吸收封闭环境内热量蒸发，出蒸发器的制冷剂蒸汽由管路进入压缩机，如此构成制冷循环。3、 系统中的问题分析3.1冷凝段与蒸发段的耦合面积设计问题针对江苏

6、地域某一具体的通信基站的要求，室内环境温度要求为不高于28，在计算时选取24，系统排热负荷为4kW，室外环境为江苏地区气候特征，即夏季取室外温度为34，过渡季节取室外温度为12，换热管选用外直径d0=9.52mm铜管管壳，壁厚=0.36mm，热管内直径为di=8.8mm，铜管外套铝翅片，翅片厚度f=0.2mm，翅片节距Sf=1.8mm，迎风面管中心距S1=25mm，管簇排列采用正三角形叉排。根据参考文献3计算出对制冷状态下的冷凝器和蒸发器的换热面积，再计算出在过渡时期当作是分体式热管时的热管换热面积，由计算可知，后者的换热面积大于前者，因此该系统的冷凝器与蒸发器的换热面积应该以分体式热管换热面

7、积来考虑。3.2耦合装置的结构设计问题该装置是将分体式制冷与热管换热结合起来，实现不同季节下的制冷与热管换热，因此在结构的设计上就需要综合考虑到这两方面的因素。对于夏季运行而言，蒸发器-压缩机-冷凝器-节流阀-蒸发器，这一蒸汽压缩式制冷循环早已得到了实践的验证，是完全可行的。考虑到过渡季节的使用，增大冷凝器与蒸发器的换热面积不会对耦合装置进行制冷循环过程造成不利的影响。对于过渡季节运行而言，分体式热管换热器工作时，室内热流体横掠热管蒸发段，管内工质沸腾蒸发，将热量传给横掠过热管冷凝段的室外空气。蒸汽放热后冷凝为液体依附于管壁，冷凝液体在重力的作用下，经液导管回流到组合蒸发段，这样形成闭合的热管

8、循环回路。 而现在问题是：对于实际使用的装置来说，满足了夏季制冷空调工况下的运行是否就能满足过渡季节热管换热运行呢？我们知道，在分体式制冷空调中，蒸发器内制冷剂吸热蒸发出的蒸汽是被制冷压缩机抽吸加压后送入冷凝器，制冷剂蒸汽在冷凝器放热冷凝后的液体在冷凝与蒸发压力差作用下经节流阀进入蒸发器，克服制冷剂循环的管路阻力的动力是由压缩机提供；而作为分体式热管工作时，制冷剂在热管蒸发段蒸发后进入冷凝段，冷凝段冷凝的液体在重力作用下回流至蒸发段，制冷剂在分体式热管中循环的阻力主要是由下降与上升制冷剂的重力差来提供的。因此循环管路的设计与安装对实现该耦合循环（特别是热管运行情况）有不可忽视的影响作用。要使分

9、体式空调与热管耦合装置能在不同季节下很好地运行，就必须在装置结构上作出必要的设计与调整，使之不仅能满足在过渡季节工况下热管内制冷剂的循环，也能满足在夏季工况下制冷剂循环过程中压缩机回油等工程实际问题。3.3制冷剂充注量问题制冷剂充注量的多少对耦合系统运行有着一定的影响，它是实现该系统合理运行所必须考虑的一个问题。从热管换热的角度来分析，系统的充液量有一定的范围，充液量过大，蒸发段的汽-液混合物将进入蒸汽上升管段，甚至到冷凝段，增加了上升汽流的阻力，影响分体热管制冷剂的循环，降低系统的传热性能；充液量过少，则会使加热段上部管内壁面无液膜覆盖，引起传热恶化。充液量是管内流动传热的参变量，同时又反过

10、来影响管内两相流的流动传热性质，因此必须寻求合理的充液量，使其工作在最佳状态，充分发挥分离式热管的高效传热效果45。对耦合系统来说，若是分体式热管运行所需的充注量大于制冷运行时的充注量，这是可以通过在系统冷凝器出口加装储液器来保证制冷运行时制冷剂循环的的需要，耦合系统充注量按照热管运行所需制冷剂量充注，制冷运行时部分多出的制冷剂被储存在储液器中，热管运行时制冷剂全部参加运行，反之，若是热管换热运行所需的充注量小于制冷运行所需的的充注量，系统就比较难办，若是按照制冷运行所需制冷剂量来充注制冷剂，就会使在热管换热时充注量过多，降低了系统的传热性能。所以，选择合适的充液量对系统的运行有着重要的影响，

11、既要满足热管的换热，也要有利于制冷系统的运行。4、 结论本文针对通信基站换热存在的问题，分析了实现在同一套装置上夏季按制冷模式运行，过渡季节按热管模式运行的可能性。在室内外环境温差小于10时，采用一般的分体式制冷运行，而当室内外环境温差大于10时，则切换到热管换热运行。并且通过对该系统的分析研究，提出实施该系统所要注意的三个问题：1）要选择合适的换热面积同时满足制冷运行以及热管换热运行的需要，经计算分析得出：以设计热管蒸发段和冷凝段的换热面积作为耦合系统室内外两换热器的面积相对比较合理；2）必须要综合考虑制冷运行以及热管换热运行的实际工作情况，从满足耦合系统运行的需要确定系统的结构；3）根据耦

12、合系统运行的实际情况，设计系统的制冷剂的充注量，在分体热管运行所需制冷剂循环量大于制冷运行所需充注量时，可以在系统冷凝器出口设置储液器来调节制冷运行制冷剂循环量，否则必须调整系统设计来满足分体热管运行所需制冷剂循环量。以上只是笔者对该系统进行初步研究所得出来的供大家商讨的几个问题，不对之处敬请斧正。参考文献1 庄骏，张红主编，热管技术及其工程应用M，北京，化学工业出版社，2000。2 黄问盈主编，热管与热管换热器设计基础M，北京，中国铁道出版社，1995。3 吴业正主编，小型制冷装置设计指导M，北京，机械工业出版社，1998。4 张红撰写，分离式热管换热器最佳工作状态的研究，石油化工设备技术，1996，17（3），1316。 5 郎逵，分离式热管元件充液量的理论与实验分析，第二届全国热管会议论文集，1988.9。 6 汤广发等，分离型热管充液率运行边界讨论J，湖南大学学报（自然科学版），2005，第32卷，第1期