CN102706679B - 一种水冷冷水机组性能试验系统用恒温水箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷冷水机组性能试验系统用恒温水箱，包括箱体、溢流腔、纵向隔板和横向隔板，纵向隔板和横向隔板将箱体分隔为热量释放区、混合平衡区和恒温控制区，在横向隔板下侧设置有临近溢流腔的连通热量释放区和混合平衡区的第一缺口，在纵向隔板下侧设置有临近箱体侧壁的连通恒温控制区和热量释放区的第二缺口，纵向隔板下侧还设置有临近箱体侧壁的连通恒温控制区和混合平衡区的第三缺口。本发明的恒温水箱不需要外加专门的搅动措施，可以为水冷冷水机组性能试验系统的被试机组冷媒水路和冷却水路提供恒定温度的进水。

Description

一种水冷冷水机组性能试验系统用恒温水箱

技术领域

本发明属于建筑环境与设备工程技术领域，涉及一种恒温水箱，具体涉及一种水冷冷水机组性能试验系统用恒温水箱。

背景技术

恒温水箱的作用在于为被试水冷冷水机组提供恒定的进水工况条件，是为了给一定跨度的系列水冷冷水机组提供试验，恒温水箱设计往往比较大，这样大的水箱水温分层也较大。温度探头采集的温度和被试机组进水条件有很大出入，往往造成错误判断。比如温度探头采集的温度为20℃，被试机组进水条件可能是25℃，也可能是15℃。水箱的电加热应该增加投放，还是减少投放，就很难处理。特别对于现在通行的PID调节表控制系统。

恒温水箱通常是由不锈钢箱体、管路接口、温度取样接口和液位计等组成，为了防止箱体热量散失，外表面通常采用橡塑保温材料进行保温。恒温水箱的功能是保证水箱内的介质，通常是水、盐水或者乙二醇溶液等的温度恒定。介质的温度恒定，通常需要通过热源加热和冷源冷却的平衡调节方式来得以实现。其他介质的输运和换热特性与水相似，以下的叙述以水为研究对象。但是，由于有一定的盛水高度，水箱内的水温必然存在分层现象，严重的上下层水温温差可达10℃，要想保证整个水箱的温度恒定并非易事。

于是，在箱体结构上，有的恒温水箱考虑分成两个腔体组成。中国专利CN200720061288.9公开了一种恒温水箱，可以为模拟降雪、降雨提供环境用水。该恒温水箱采用隔板将箱体分隔为加热区和冷却区：加热区可以供应高于环境温度的热水，冷却区可以供应低于环境温度的冷水，并且在这两个区域分别设置了搅拌系统，原理图见图1。但是，这种水箱还是无法实现温度波动±0.1℃的恒定水温，也就无法为水冷冷水机组性能试验提供恒定的进水工况条件。同时，由于水冷冷水机组性能试验系统本身需要多路水路流程，可以实现水路循环过程，再配置搅拌系统来平衡水温显得多余，而且耗能。

发明内容

技术问题：本发明提供一种具有分隔的、但并非完全独立的三个区域的、能够为水冷冷水机组性能试验提供恒定的进水工况条件的水冷冷水机组性能试验系统用恒温水箱。

技术方案：本发明的水冷冷水机组性能试验系统用恒温水箱，包括箱体、纵向隔板、溢流腔和横向隔板，设置在箱体的前立面和后立面之间的纵向隔板将箱体分割为左、右两个区域，其中一侧区域为恒温控制区，另一侧区域被横向隔板分割为热量释放区和混合平衡区，溢流腔设置在纵向隔板面向热量释放区和混合平衡区的一侧，溢流腔的隔板高度高于纵向隔板和横向隔板的高度，溢流腔的底板上设置有溢流孔，在横向隔板下侧设置有临近溢流腔的连通热量释放区和混合平衡区的第一缺口，在纵向隔板下侧设置有临近箱体侧壁的连通恒温控制区和热量释放区的第二缺口，纵向隔板下侧还设置有临近箱体侧壁的连通恒温控制区和混合平衡区的第三缺口；

在恒温控制区内，底板上设置有恒温控制区冷媒水出口和恒温控制区冷却水出口，箱体侧壁上设置有恒温控制区冷媒水进口和补水口，在恒温控制区还设置有液位计、温度探头和电加热装置；

在热量释放区内，底板上设置有热量释放区出水口，箱体侧壁上设置有热量释放区冷媒水进口和热量释放区冷却水进口；

在混合平衡区内，底板上设置有平衡区出水口，箱体侧壁上设置有平衡区冷却水进口和平衡区冷媒水进口。

本发明中，第一缺口、第二缺口和第三缺口的缺口面积大于恒温控制区冷媒水进口、热量释放区冷媒水进口、热量释放区冷却水进口、平衡区冷却水进口和平衡区冷媒水进口的管口面积。

本发明中，恒温控制区冷媒水进口和平衡区冷媒水进口分别连接有一个位于箱体内侧的90°弯头；补水口、热量释放区出水口、热量释放区冷媒水进口、热量释放区冷却水进口和平衡区冷却水进口分别连接有一个位于箱体内侧的45°弯头；90°弯头和45°弯头的出水口朝向箱体的底部。

热量释放区接收被试水冷冷水机组的冷媒水出水和冷却水出水，并通过水泵将这部分水引入柜式风机盘管机组进行热量释放；混合平衡区接收柜式风机盘管机组出水，并通过水泵将这部分水引入热量耗散用风冷冷水机组(以下简称耗散冷水机组)进行二次热量释放，同时耗散冷水机组的一部分出水也被带回这个区域；恒温控制区域接收耗散冷水机组的另一部分出水，并提供被试水冷冷水机组冷媒水和冷却水的进水条件。以上的水路流程过程，完成恒温水箱的外部水路循环过程。

外部水路的顺时针方向的水路循环过程，带动了水箱内部的水通过缺口的逆时针流动，形成恒温水箱内部水路的循环过程。当然，外部水路循环过程依靠水泵实现，内部水路循环过程依靠恒温水箱内各个腔体的水位差实现，所以缺口口径要大于外部循环取水的管径，通常是相应取水管径的两倍及以上。

恒温水箱的补水直接进入恒温控制区域，必要的时候补水也可以用来冷却水。当水箱需要清洗排污时，水箱中的污水经由排污管排出。当水箱的水位超过溢流腔时，多余的水经由溢流腔排出。溢流腔的高度高于隔板的高度，恒温水箱三个分区的水在水箱上部也是连通的，所以说隔板将恒温水箱分隔为并非完全独立的三个区域。

热量释放区，实现被试水冷冷水机组冷媒水出水和冷却水出水的混合，并将这部分混合水经过柜式风机盘管机组进行热量释放；更为重要的是经过柜式风机盘管机组热量释放后的水可以在混合平衡区直接进入耗散冷水机组，不至于耗散冷水机组进水温度过高而导致机组高温保护。混合平衡区，通过耗散冷水机组实现水体热量的过余释放，经过热量过余释放的水一部分直接进入恒温控制区域，另一部分返回混合平衡区。耗散冷水机组的出水之所以分为两路，主要是保证恒温控制区域的冷却不至于过大，耗散冷水机组回水到混合平衡区起到一个缓冲作用。恒温控制区域，保证被试水冷冷水机组的冷媒水进水温度和冷却水进水温度恒定，至于被试水冷冷水机组冷媒水和冷却水进水的工况条件，可以进一步通过冷媒水的进出水勾兑、冷却水的进出水勾兑最终实现。这个区域的冷源是耗散冷水机组的回水。极少数情况下，补水也可以作为该区域的冷源。冷源实现这个区域的过余冷却。这个区域的热源是电加热，电加热采用可控硅功率调整器控制，通过PID调节表，可以实现0～100％的热量连续调节过程。过余冷却和0～100％连续可调的电加热共同起作用，实现这个区域的水温恒定。

有益效果：本发明的恒温水箱，在箱体内设有带有缺口的隔板，将恒温水箱分为热量释放区、混合平衡区和恒温控制区域的三个分隔但不完全独立的区域，水在所述的区域循环，本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)被试水冷冷水机组的冷媒水和冷却水进水条件都可以通过一个恒温水箱提供，而不用分为冷媒水水箱和冷却水水箱两个水箱。根据热力学第一定律，被试水冷冷水机组的冷媒水和冷却水在热量释放区混合后，需要释放的热量最大可能就是和压缩机的功等值的热量。比起冷媒水和冷却水分别采用两个独立水箱的试验系统，本发明带矩形缺口隔板的分区水箱，更加有利于水冷冷水机组性能试验系统的节能运行。

(2)和单独设置搅动装置的恒温水箱相比，本发明不需要外加专门的搅动措施，完全依靠试验系统的水路循环实现热量耗散和混合平衡过程，在试验系统运行的过程中，专门搅动装置的能耗可以节省下来。外部顺时针水路循环和内部隔板缺口逆时针水路循环共同作用，实现恒温控制区域水温恒定的流体动力学平衡环境，这种类似“太极”的水路循环系统，可以有效的解决水箱内部水温分层的现象。水体温度分层严重是由于水体的传热主要依靠自然对流，本发明引入的类似“太极”的水路循环系统，将试验系统外部水路循环和水箱内部流动有效组织，形成强制对流。

(3)经由热量释放区热量释放，混合平衡区混合平衡，从而分阶段解决水箱水温分层被试机组进水温度波动大的问题，恒温控制区域最终实现水温恒定，控制温度精度在±0.1℃。

(4)水箱内部缺口面积大于冷媒水进口和冷却水进口管口面积，保证外部水路循环和内部水路循环流动速度同步，流动速度场同步保证水箱恒温区温度场同步，进而保证水箱恒温区不出现温度分层现象。

(5)恒温控制区冷媒水进口和平衡区冷媒水进口分别连接有一个位于箱体内侧的90°弯头，90°弯头的出水口朝向箱体的底部，这样可以防止低温进水对水箱内水温的冲击，保证冷媒水的对恒温区的温度波动干扰作用降到最低；补水口、热量释放区出水口、热量释放区冷媒水进口、热量释放区冷却水进口和平衡区冷却水进口分别连接有一个位于箱体内侧的45°弯头，45°弯头的出水口朝向箱体的底部，这样可以方便进水在水箱问内的迅速扩散，迅速完成进水在指定区域的温度分布。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

图1是现有技术中公开的恒温水箱的原理图。

图2是本发明恒温水箱的结构主视图。

图3是图2中沿A-A剖线的结构视图。

图4是图2中沿B向的结构视图。

图5是图3中沿C-C剖线的结构视图。

图6是图3中沿D-D剖线的结构视图。

图7是本发明恒温水箱的水路外部循环图。

图中：箱体1，前立面11，后立面12，纵向隔板2，第二缺口21，第三缺口22横向隔板3，第一缺口31，恒温控制区4，恒温控制区冷媒水出口41，恒温控制区冷却水出口42，恒温控制区冷媒水进口43，补水口44，液位计45，温度探头46，电加热装置47；热量释放区5，热量释放区出水口51，热量释放区冷媒水进口52，热量释放区冷却水进口53混合平衡区6，平衡区出水口61，平衡区冷却水进口62，平衡区冷媒水进口63，溢流腔7，溢流孔71，柜式风机盘管8，耗散冷水机组9，被试风冷冷水机组10。

具体实施方式

下面结合附图对本发明最进一步详细说明。

本发明的水冷冷水机组性能试验系统用恒温水箱，包括箱体1、纵向隔板2、溢流腔7和横向隔板3，设置在所述箱体1的前立面11和后立面12之间的纵向隔板2将箱体1分割为左、右两个区域，所述的右侧区域为恒温控制区4，所述溢流腔7设置在所述左侧区域内并与纵向隔板2相连，溢流腔7的隔板高度高于纵向隔板2和横向隔板3的高度，溢流腔7的底板上设置有溢流孔71，所述横向隔板3设置在左侧区域内，横向隔板3的两端分别连接左立面13和所述溢流腔7，将左侧区域分割为热量释放区5和混合平衡区6，在横向隔板3下侧设置有临近溢流腔7的连通热量释放区5和混合平衡区6的第一缺口31，在纵向隔板2下侧设置有临近前立面11的连通恒温控制区4和热量释放区5的第二缺口21，纵向隔板2下侧还设置有临近后立面12的连通恒温控制区4和混合平衡区6的第三缺口22。

在恒温控制区4内，底板上设置有恒温控制区冷媒水出口41和恒温控制区冷却水出口42，箱体1侧壁上设置有恒温控制区冷媒水进口43和补水口44，在恒温控制区4还设置有液位计45、温度探头46和电加热装置47；

在热量释放区5内，底板上设置有热量释放区出水口51，箱体1侧壁上设置有热量释放区冷媒水进口52和热量释放区冷却水进口53；

在混合平衡区6内，底板上设置有平衡区出水口61，箱体1侧壁上设置有平衡区冷却水进口62和平衡区冷媒水进口63。

在本发明的其他实施例中，热量释放区5和混合平衡区6的前后位置可以对调，同理，热量释放区5和混合平衡区6所在的区域，可以与恒温控制区4的区域对调，这些都不影响本发明目的和效果，均在本发明的保护范围之内。

本发明的一个实施例中，第一缺口31、第二缺口21和第三缺口22的缺口面积大于所述恒温控制区冷媒水进口43、热量释放区冷媒水进口52、热量释放区冷却水进口53、平衡区冷却水进口62和平衡区冷媒水进口63的管口面积。优选缺口面积为管口面积的两倍及以上。

耗散冷水机组的出水只有冷媒水，冷媒水被分为两路：一路进入平衡区，即进入平衡区冷媒水进口63,这一路是耗散冷水机组的冷媒水旁通水路；另一路进入恒温控制区，即进入恒温控制区冷媒水进口43，这一路是耗散冷水机组的冷媒水主路水路。

本发明的一个具体实施例中，溢流腔7是用两块L型不锈钢板满焊焊接，然后满焊焊接在箱体的底板上。溢流腔7内，箱体底板上开孔，在底板上水箱外侧，采用不锈钢管焊接在孔上，制作溢流管。恒温控制区冷媒水进口43和平衡区冷媒水进口63分别连接有一个位于箱体1内侧的90°弯头；补水口44、热量释放区出水口51、热量释放区冷媒水进口52、热量释放区冷却水进口53和平衡区冷却水进口62分别连接有一个位于箱体1内侧的45°弯头；90°弯头和45°弯头的出水口朝向箱体1的底部。除排污管外，水箱底部底板上的其他各连接管均应在水箱内部留有50mm高度；所有接管伸出100mm。箱体和水箱盖的外侧可以采用玻璃棉或橡塑材料保温，保温层厚度为30mm。

本发明的另一个具体实施例中，溢流腔是用一块U型不锈钢板满焊焊接在纵向隔板2上，然后满焊焊接在箱体的底板上。满焊的目的是保证溢流腔和水箱各个分区严格分开，没有水来回流动。溢流腔内，箱体底板上开孔。然后，在底板上水箱外侧，采用不锈钢管焊接在孔上，制作溢流管。纵向隔板2和水箱前立面11、后立面12以及底面之间为间断焊接，即恒温控制区4分别和热量释放区5、混合平衡区6通过焊缝之间有少量水的交换，对水箱性能没有任何影响。横向隔板3和水箱左立面13、溢流腔U型不锈钢纵向外壁板之间也是间断焊接，即热量释放区5和混合平衡区6通过焊缝之间有少量水的交换，对水箱性能没有任何影响。其他螺纹接口或者法兰接口，都是满焊焊接在水箱箱体的外壁上，保证接口不能漏水。除排污管外，水箱底部底板上的其他各连接管均应在水箱内部留有50mm高度；所有接管伸出100mm。补水口44设置在在侧壁最上部，中心距离箱体1顶部150mm左右。液位计45设置在在电加热装置上部，其中心高度在最上一排电加热装置中心的150mm左右。温度探头46距离水箱底部200mm左右。恒温水箱的其他进水口设置在距离箱体1顶部300mm左右.的位置。

本发明可以为水冷冷水机组性能试验系统的被试机组冷媒水路和冷却水路提供恒定温度的进水，当被试水冷冷水机组开始性能试验的时候，被试水冷冷水机组的冷媒水通过冷媒水泵，从恒温控制区域4的恒温控制区冷媒水出口41取水，进入被试机组冷媒水侧换热器；被试水冷冷水机组的冷却水侧通过冷却水泵，从恒温控制区域4的恒温控制区冷却水出口42取水，进入被试机组冷却水侧换热器。被试机组冷媒水侧和冷却水侧出水，分别通过热量释放区5的热量释放区冷媒水进口52和热量释放区冷却水进口53，回到恒温水箱，并在热量释放区5完成冷媒水回水和冷却水回水的混合。由于冷媒水回水和冷却水回水都回到同一个水箱中，冷量和热量自我平衡，需要耗散的是相当于压缩机的功当量的热量。为了防止温度过高，耗散热量的冷水机组进水高温保护，在热量释放区5的热量释放区出水口51取水，经过柜式风机盘管水泵输运，进入柜式风机盘管完成热量的初步耗散。经过热量耗散的水，经由混合平衡区6的平衡区冷却水进口62回到水箱。在混合平衡区6的平衡区出水口61取水，进入耗散冷水机组，这样就不会发生耗散冷水机组温度过高保护报警的问题。经过冷水机组过余耗散热量之后，回水分为两路，一路经由混合平衡区6的平衡区冷媒水进口63回到恒温水箱，一路经由恒温控制区域的恒温控制区冷媒水进口43回到恒温水箱。这样，水箱外部的顺时针循环过程完成。

水箱外部循环过程，必然带来水箱各个区域水位的高度差，这个高度差推动了水箱内部三个区域之间的逆时针方向循环流动：恒温控制区域4的水经由第二缺口21进入混合平衡区6，混合平衡区6的水经由第一缺口31进入热量释放区5，热量释放区5内的水经由第三缺口22进入恒温控制区域4。这样，水箱内部的逆时针循环过程完成。

恒温控制区域4的温度恒定，是靠该区域的冷热源共同起作用实现的。该区域的冷源是耗散冷水机组经由恒温控制区冷媒水进口43带来的回水；必要的时候经由补水口44，采用内设的浮球阀控制补水水位，从外界带来的补水也会起到给恒温控制区域4降温的作用。该区域的热源是设置在电加热装置47上的电加热，这部分电加热采用温度探头46设置的铂电阻温度传感器采集温度，经由PID数字调节表，控制可控硅功率调整器实现0～100％的电加热量连续调节。也就是说，耗散冷水机组带来的冷量将恒温控制区域4过余冷却，通过可以连续调节热量的电加热平衡冷量，实现这个区域的温度恒定。为了防止电加热管干烧，恒温水箱专门设置了液位计45，水箱内的水位一旦过低，液位计45就会输出报警信号到控制柜，进行蜂鸣报警。

Claims (3)

1. 一种水冷冷水机组性能试验系统用恒温水箱，其特征在于，该水箱包括箱体（1）、纵向隔板（2）、溢流腔（7）和横向隔板（3），设置在所述箱体（1）的前立面（11）和后立面（12）之间的纵向隔板（2）将箱体（1）分割为左、右两个区域，其中一侧区域为恒温控制区（4），另一侧区域被横向隔板（3）分割为热量释放区（5）和混合平衡区（6），所述溢流腔（7）设置在纵向隔板（2）面向热量释放区（5）和混合平衡区（6）的一侧，溢流腔（7）的隔板高度高于纵向隔板（2）和横向隔板（3）的高度，溢流腔（7）的底板上设置有溢流孔（71），在横向隔板（3）下侧设置有临近溢流腔（7）的连通热量释放区（5）和混合平衡区（6）的第一缺口（31），在纵向隔板（2）下侧设置有临近箱体（1）侧壁的连通恒温控制区（4）和热量释放区（5）的第二缺口（21），纵向隔板（2）下侧还设置有临近箱体（1）侧壁的连通恒温控制区（4）和混合平衡区（6）的第三缺口（22）；      

在所述恒温控制区（4）内，底板上设置有恒温控制区冷媒水出口（41）和恒温控制区冷却水出口（42），箱体（1）侧壁上设置有恒温控制区冷媒水进口（43）和补水口（44），在所述恒温控制区（4）还设置有液位计（45）、温度探头（46）和电加热装置（47）；

在所述热量释放区（5）内，底板上设置有热量释放区出水口（51），箱体（1）侧壁上设置有热量释放区冷媒水进口（52）和热量释放区冷却水进口（53）；

在所述混合平衡区（6）内，底板上设置有平衡区出水口（61），箱体（1）侧壁上设置有平衡区冷却水进口（62）和平衡区冷媒水进口（63）。

2. 根据权利要求1所述的一种水冷冷水机组性能试验系统用恒温水箱，其特征在于，所述第一缺口（31）、第二缺口（21）和第三缺口（22）的缺口面积大于所述恒温控制区冷媒水进口（43）、热量释放区冷媒水进口（52）、热量释放区冷却水进口（53）、平衡区冷却水进口（62）和平衡区冷媒水进口（63）的管口面积。

3. 根据权利要求1所述的一种水冷冷水机组性能试验系统用恒温水箱，其特征在于，所述恒温控制区冷媒水进口（43）和平衡区冷媒水进口（63）分别连接有一个位于箱体（1）内侧的90°弯头；所述补水口（44）、热量释放区出水口（51）、热量释放区冷媒水进口（52）、热量释放区冷却水进口（53）和平衡区冷却水进口（62）分别连接有一个位于箱体（1）内侧的45°弯头；所述90°弯头和45°弯头的出水口朝向箱体（1）的底部。