CN102607120B - 一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置及运行方法 - Google Patents
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Abstract
一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置及运行方法，属于换热设备热交换技术领域，装置包括机械制冷回路和热管冷却回路两个回路，其中机械制冷回路由液-液换热器组、气液分离器、压缩机、冷凝器组和节流元件首尾依次连接而成或由液-液换热器组、压缩机、油分离器、冷凝器和节流元件首尾依次连接；液-液换热器组的另一路与储液器、液泵、室内换热器组、室外换热器组首尾依次相连组成热管冷却回路；通过分别或同时开启机械制冷回路和热管冷却回路来进行制冷。本装置与方法便捷地实现液泵驱动分离式热管散热为主、机械制冷为辅的全年运行方法，在保证系统机械制冷和热管冷却可同时运行的同时大大降低了所需电力消耗，大大提高了自然冷源利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置及运行方法，属于换热设备热交换技术领域。
背景技术
在数据中心或通信机房中，由于IT和通讯设备连续运行时间长，发热量大，需要专门的冷却降温设备将设备或元器件的热量散到室外大气，以维持机房内的环境温度，保证设备的正常工作运行。目前较为普遍的做法是采用空调设备来排除机房内工作环境的热量，达到冷却降温的目的，但空调设备运行能耗较大，系统运行成本较高。为了降低空调能耗，引入了分离式热管散热装置，利用室外大气自然冷源散热。一种用于机房或机柜的带气泵分离式热虹吸管散热装置（CN200910088535.8）、一种自然冷却用的液泵驱动热管冷却装置（CN201110123424.3）、一种液泵供液直接蒸发多联式供冷方法及系统（CN200510135473.3）等专利的提出均是基于分离式热管的工作原理。但上述装置或设备只有在全年室外气温较低的情况下才能发挥作用，无法实现全年不间断运行。基于此，专利CN200810102064.7和CN200910235429.8分别提出了一种热管制冷复合空调机组和一种带自然冷却功能的液泵供液多联式空调机组，专利CN201110048745.1和CN201110048809.8也提出了一种整体式和分体式热管复合空调，上述方案中空调与热管共用一套蒸发器和冷凝器，通过阀门和管件实现两套系统分别运行，达到全年工作的目的。但是，这些方案最大的功能缺陷是空调机组和热管系统不能同时运行，即当热管降温不能满足要求时就必须停止运行，进入空调降温方法，自然冷源利用率明显降低。另外，该方案还存在诸如冷媒的再分配、压缩机回油、运行可靠性等关键问题，相关的解决方案进一步加剧了系统的复杂程度，整套系统的性能和可靠性无法得到保证，不能确保数据中心或通信机房设备的安全稳定运行。
为充分利用室外自然冷源，解决上述冷却装置存在的问题，简化系统结构和流程，确保数据中心或通信机房设备全年正常稳定运行，设计出本发明的技术方案。
发明内容
本发明提供一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置及运行方法，该装置可实现机械制冷和热管冷却独立或联合运行等多种工作方法，全年运行以液泵驱动分离式热管冷却为主、机械制冷为辅，在降低数据中心或通信机房全年能耗、提高IT或通讯设备的可靠性、延长使用寿命的同时，也解决了空调与热管复合系统存在的结构繁琐、流程复杂、冷媒分配不当、压缩机回油不适等问题，既充分利用了自然冷源、实现节能效益最大化，又保证了系统运行的稳定可靠。
本发明采用如下技术方案：
一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置，包括机械制冷回路和热管冷却回路两个回路，其中机械制冷回路由液-液换热器组、气液分离器7、压缩机8、冷凝器组和节流元件10首尾依次连接而成或由液-液换热器组、压缩机8、油分离器12、冷凝器9和节流元件10首尾依次连接；液-液换热器组的另一路输入输出与储液器4、液泵5、室内换热器组、室外换热器组首尾依次相连组成热管冷却回路；
所述的冷凝器组由一个冷凝器9或多个冷凝器9并联而成；
所述的室外换热器组由一个室外换热器2或多个室外换热器2并联而成，在每个室外换热器2的进口处串接有一阀门3；与所述的室外换热器组并联有一阀门3c；
所述的室内换热器组由一个室内换热器1或多个室内换热器1并联而成；
所述的液-液换热器组由一个液-液换热器6或多个液-液换热器6并联而成；每个液-液换热器6在热管冷却回路的输入端串接有一个控制输入的阀门,与所述的液-液换热器组并联有一阀门3e；
机械制冷回路和热管冷却回路的内部充注低沸点工质流体。
所述的液-液换热器6为混合式换热器，同时省去了储液器4和气液分离器7，在压缩机8和冷凝器组之间串接有用于分离压缩机8排气中润滑油的油分离器12。
在所述的液-液换热器组、气液分离器7之间串联有蒸发器组；蒸发器组由一个蒸发器11或多个蒸发器11并联组成。
所述液-液换热器6为间壁式换热器或混合式换热器；所述的间壁式换热器包括板式、螺旋板式、管壳式或套管式。
所述液-液换热器6中的液面高于液泵5吸口中心线20cm以上。
所述充注的低沸点工质流体，为烷烃、烯烃及其卤代物的一种或若干种的混合物；或者是氨、甲醇、乙醇、丙酮及乙二醇的一种或若干种的混合物。
所述液泵5为喷射泵、虹吸泵或机械泵。
所述室内换热器1和室外换热器2均为风冷式翅片换热器；换热器带风机或不带风机；所述室内换热器1和室外换热器2为管式结构，即由多根直管、多根绕翅片管、多根蛇形管外加翅片或多根直管套翅片等形式单一或组合使用；或为板式结构，即在复合平板上胀出流道；或为容器状或箱体状结构。
所述储液器4为容器元件内加装液位控制元件；液位控制元件为浮球阀。
所述机械制冷回路为一拖一或一拖多分体式空调，或为一拖一或一拖多户式中央空调或多联机空调。
一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置的运行方法：
当Ti<To+N时，机械制冷回路运行，热管冷却回路停止运行，单独用机械制冷回路为室内降温，其中Ti为室内温度，To为室外温度，N为温差下限，且N>0；液-液换热器6在热管冷却回路中进口处串接的阀门开启，与液-液换热器组并联的阀门关闭，与室外换热器组并联的阀门开启，室外换热器2的进口处串接的阀门关闭；
当Ti>To+M时，机械制冷回路停止运行，热管冷却回路运行，单独用室外冷空气为室内降温，其中Ti为室内温度，To为室外温度，M为温差上限，且M>0；液-液换热器6在热管冷却回路中进口处串接的阀门关闭，与液-液换热器组并联的阀门开启，与室外换热器组并联的阀门关闭，室外换热器2的进口处串接的阀门开启；
当To+N≦Ti≦To+M时，机械制冷回路和热管冷却回路同时运行，同时用机械制冷和室外冷空气为室内降温,其中M>N>0；液-液换热器6在热管冷却回路中进口处串接的阀门开启，与液-液换热器组并联的阀门关闭，与室外换热器组并联的阀门关闭，室外换热器2的进口处串接的阀门开启。
当室外换热器全部或部分采用自然冷源冷却时，定义热管冷却回路运行；而当室外换
热器没有利用自然冷源冷却时，定义热管冷却回路停止运行。
本发明可以获得如下有益效果：
采用该装置后，可便捷地实现液泵驱动分离式热管散热为主、机械制冷为辅的全年运行方法，在保证系统机械制冷和热管冷却可同时运行的同时大大降低了所需电力消耗，大大提高了自然冷源利用率。另外也避免了共用一套蒸发器和冷凝器系统所带来的压缩机回油不适、冷媒再分配不当、系统可靠性差等诸多问题，简化了结构流程，确保了系统长期运行的可靠性，并且在较大热流量范围和较广现场情况内均具有良好的散热性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1是实施例一分体式空调间壁复叠的液泵驱动热管冷却装置示意图；
图2是实施例二分体式空调混合复叠的液泵驱动热管冷却装置示意图；
图3是实施例三多联机空调间壁复叠的液泵驱动热管冷却装置示意图；
图4是实施例四分体式空调复叠带独立蒸发器的液泵驱动热管冷却装置示意图；
图5是实施例五多联机空调复叠带独立蒸发器的液泵驱动热管冷却装置示意图；
以上图中：1-室内换热器，2-室外换热器，3a～3g-阀门，4-储液器，5-液泵，6-液-液换热器，7-气液分离器，8-压缩机，9-冷凝器，10-节流元件，11-蒸发器，12-油分离器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例一：分体式空调间壁复叠的液泵驱动热管冷却装置如图1所示。该装置包括室内换热器1、室外换热器2、阀门3a～d、储液器4、液泵5、液-液板式换热器6、气液分离器7、压缩机8、冷凝器9和节流元件10组成，通过管路连接为机械制冷和热管冷却两个回路，内部抽取真空，各自充注一定量的制冷剂R22。
冬季室外天气寒冷（如室内温度Ti>室外温度To+10）时，阀门3a、3b、3e开启，阀门3c、3d关闭，所述室内换热器1内的液体冷媒，吸收室内热量汽化成为蒸汽；经阀门3a、3b进入室外换热器2，对室外冷空气释放热量，冷凝为液体，并通过阀门3e流入储液器4内；储液器4内的液体冷媒在液泵5的作用下被泵回室内换热器1。夏季室外天气炎热（如Ti<To+2）时，阀门3c、3d开启，阀门3a、3b、3e关闭，所述室内换热器1内的液体冷媒吸收室内热量汽化，成为蒸汽；经阀门3c、3d进入液-液板式换热器6，与分体式空调机械制冷循环中的制冷剂进行热交换，释放热量，冷凝为液体，并流入储液器4内；储液器4内的液体冷媒经液泵5被泵回室内换热器1；而在机械制冷循环中，液-液板式换热器6内的液体制冷剂吸收了热管回路冷媒释放的热量，气化成为蒸气，经气液分离器7被吸入压缩机8，压缩后的高压气体流入冷凝器9，冷凝成为液体，并经节流元件10重新流入液-液板式换热器6。而在春、秋过渡季节室外天气凉爽（如To+2≦Ti≦ o+10）时，阀门3a、3b、3d开启，阀门3c、3e关闭，所述室内换热器1内的液体冷媒吸收室内热量汽化，成为蒸汽；经阀门3a、3b进入室外换热器2，对室外冷空气释放热量，部分冷凝为液体，汽液混合冷媒通过阀门3d进入液-液板式换热器6，与分体式空调机械制冷循环中的制冷剂进一步进行热交换，释放热量，冷凝为液体，并流入储液器4内；储液器4内的液体冷媒经液泵5被泵回室内换热器1；而在机械制冷循环中，液-液板式换热器6内的液体制冷剂吸收了热管回路冷媒释放的热量，气化成为蒸气，经气液分离器7被吸入压缩机8，压缩后的高压气体流入冷凝器9，冷凝成为液体，并经节流元件10重新流入液-液板式换热器6。如此通过不同回路的不断循环，实现对室内环境降温的目的，保证数据中心或通信机房全年的冷量需求。
实施例二：分体式空调混合复叠的液泵驱动热管冷却装置如图2所示。本实施例中液-液换热器6为混合式换热器，省去了储液器4和气液分离器7，并在压缩机8的出口增设了油分离器12，用于分离压缩机8排气中的润滑油，机械制冷和热管冷却两个回路共用一种制冷剂，如R410A。其余部分与实施例一相同，工作方法也相同。
实施例三：多联机空调间壁复叠的液泵驱动热管冷却装置如图3所示。本实施例中机械制冷循环采用多联机形式，阀门3、液-液板式换热器6和冷凝器9的数目分别增至7个、3个和2个。其余部分与实施例一相同，工作方法也相同。
实施例四：分体式空调复叠带独立蒸发器的液泵驱动热管冷却装置如图4所示。本实施例中在机械制冷回路液-液板式换热器6的出口与气液分离器7的进口之间增设了蒸发器11，可为数据中心或通信机房内其他功能房间提供冷量。其余部分与实施例一相同，工作方法也相同。
实施例五：多联机空调复叠带独立蒸发器的液泵驱动热管冷却装置如图5所示。本实施例中在机械制冷回路的每一支路液-液板式换热器6的出口与气液分离器7的进口之间均增设了蒸发器11，可分别为数据中心或通信机房内其他不同功能的房间提供冷量。其余部分与实施例三相同，工作方法也相同。
以上所述，仅是本发明较佳可行的实施例，不能因此即局限本发明的权利范围，对熟悉本领域的普通技术人员来说，举凡运用本发明的技术方案和技术构思做出其他各种相应的改变和变形都应属在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置，其特征在于：包括机械制冷回路和热管冷却回路两个回路，其中机械制冷回路由液-液换热器组、气液分离器(7)、压缩机(8)、冷凝器组和节流元件(10)首尾依次连接而成或由液-液换热器组、压缩机(8)、油分离器(12)、冷凝器(9)和节流元件(10)首尾依次连接；液-液换热器组的另一路输入输出与储液器(4)、液泵(5)、室内换热器组、室外换热器组首尾依次相连组成热管冷却回路；
所述的冷凝器组由一个冷凝器(9)或多个冷凝器(9)并联而成；
所述的室外换热器组由一个室外换热器(2)或多个室外换热器(2)并联而成，在每个室外换热器(2)的进口处串接有一阀门(3)；与所述的室外换热器组并联有一阀门(3c)；
所述的室内换热器组由一个室内换热器(1)或多个室内换热器(1)并联而成；
所述的液-液换热器组由一个液-液换热器(6)或多个液-液换热器(6)并联而成；每个液-液换热器(6)在热管冷却回路的输入端串接有一个控制输入的阀门(3)，与所述的液-液换热器组并联有一阀门(3e)；
机械制冷回路和热管冷却回路的内部充注低沸点工质流体。
2.根据权利要求1所述的一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置，其特征在于：所述的液-液换热器(6)为混合式换热器，同时省去了储液器(4)和气液分离器(7)，在压缩机(8)和冷凝器组之间串接有用于分离压缩机(8)排气中润滑油的油分离器(12)。
3.根据权利要求1所述的一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置，其特征在于：在所述的液-液换热器组、气液分离器(7)之间串联有蒸发器组；蒸发器组由一个蒸发器(11)或多个蒸发器(11)并联组成。
4.根据权利1要求所述的一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置，其特征是：所述液-液换热器(6)为间壁式换热器或混合式换热器；所述的间壁式换热器包括板式、螺旋板式、管壳式或套管式。
5.根据权利1要求所述的一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置，其特征是：所述液-液换热器(6)中的液面高于液泵(5)吸口中心线20cm以上。
6.根据权利1要求所述的一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置，其特征是：所述充注的低沸点工质流体，为烷烃、烯烃及其卤代物的一种或若干种的混合物；或者是氨、甲醇、乙醇、丙酮及乙二醇的一种或若干种的混合物。
7.根据权利1要求所述的一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置，其特征是：所述液泵(5)为喷射泵、虹吸泵或机械泵。
8.根据权利1要求所述的一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置，其特征是：所述室内换热器(1)和室外换热器(2)均为风冷式翅片换热器；换热器带风机或不带风机；所述室内换热器(1)和室外换热器(2)为管式结构，即由多根直管、多根绕翅片管、多根蛇形管外加翅片或多根直管套翅片等形式单一或组合使用；或为板式结构，即在复合平板上胀出流道；或为容器状或箱体状结构；
所述储液器(4)为容器元件内加装液位控制元件；液位控制元件为浮球阀。
9.根据权利1要求所述的一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置，其特征是：所述机械制冷回路为一拖一或一拖多分体式空调，或为一拖一或一拖多户式中央空调或多联机空调。
10.权利要求1所述的一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置的运行方法，其特征在于：
当Ti＜To+N时，机械制冷回路运行，热管冷却回路停止运行，单独用机械制冷回路为室内降温，其中Ti为室内温度，To为室外温度，N为热管冷却回路开始运行的温差下限，且N＞0；液-液换热器6在热管冷却回路中进口处串接的阀门开启，与液-液换热器组并联的阀门关闭，与室外换热器组并联的阀门开启，室外换热器(2)的进口处串接的阀门关闭；
当Ti＞To+M时，机械制冷回路停止运行，热管冷却回路运行，单独用室外冷空气为室内降温，其中Ti为室内温度，To为室外温度，M为机械制冷回路运行的温差上限，且M＞0；液-液换热器6在热管冷却回路中进口处串接的阀门关闭，与液-液换热器组并联的阀门开启，与室外换热器组并联的阀门关闭，室外换热器(2)的进口处串接的阀门开启；
当To+N≤Ti≤To+M时，机械制冷回路和热管冷却回路同时运行，同时用机械制冷和室外冷空气为室内降温，其中M＞N＞0；液-液换热器6在热管冷却回路中进口处串接的阀门开启，与液-液换热器组并联的阀门关闭，与室外换热器组并联的阀门关闭，室外换热器(2)的进口处串接的阀门开启。
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