CN111336717A - 一种能量回收气液两相循环冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能量回收气液两相循环冷却系统,包括第一压缩机、气体流量控制器、雾化泵、冷却区、温度传感器、管翅式换热器、第二膨胀机、发电机、蓄电池、气液分离器、空气泵、液体输送泵、控制器。通过雾化泵叶轮出口表面的微孔将低温气液两相流雾化为低温高压气液混合物,可直接与冷却区接触进行散热;管翅式换热器吸收高温高压气汽混合物的热量用来发电,产生的电能储存到蓄电池后可供冷却系统中的用电设备使用;高温高压气汽混合物在管翅式换热器中散热降压后进入气液分离器,气液分离后去离子水进入液体输送泵,空气流入外部环境,并且整个系统的运行工况可由控制器调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量回收气液两相循环冷却系统,适用于航空航天设备、大型电子设备、电炉炉衬等高温部件冷却领域。
背景技术
航空航天设备、大型电子设备和电炉炉衬等的冷却温控系统面临高散热效率、精确控温、节能、结构紧凑、噪音小等方面的技术要求。传统的风冷技术,由于冷却气体密度较小,常温、常压下密度通常在1~2kg/m3,比热在1kJ/kg左右,因此其热容能力有限,导热效率极差,并且风扇在运行过程中会产生噪音。相同体积的水与冷却气体吸收相同的热量,冷却气体温度升高约为水的4000余倍,但很多场合冷却区域不能与水直接接触,通过冷却管进行水冷较难操作,并且水冷系统结构相对复杂,对热资源回收利用效率不高。因此,研制一种高散热效率、精确控温、节能、结构紧凑、噪音小的能量回收气液两相循环冷却系统势在必行。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题,提出了一种高散热效率、精确控温、节能、结构紧凑、噪声小的能量回收气液两相循环冷却系统。
为了解决以上技术问题,本发明采用的技术方案为:一种能量回收气液两相循环冷却系统,包括第一压缩机、气体流量控制器、气液混合器、雾化泵、冷却区、管翅式换热器、膨胀机、第二压缩机、发电机、气液分离器、空气泵和液体输送泵,第一压缩机出口通过气体流量控制器和气液混合器的进气管相连,气液混合器通过气液混合管路与雾化泵的进口相连,雾化泵的出口通过气液混合管路与冷却区的进口相连,冷却区的出口通过气汽混合管路与管翅式换热器的进口相连,管翅式换热器的工质出口与膨胀机的进口相连,管翅式换热器的工质进口与膨胀机的出口相连,膨胀机的出口管道与膨胀机同轴安装有第二压缩机,膨胀机与发电机同轴相连,管翅式换热器的出口通过管路与气液分离器进口相连,气液分离器出口分为气体出口和液体出口,气体出口与空气泵进口相连,液体出口通过液体管路与液体输送泵进口相连,液体输送泵出口通过液体管路与气液混合器的液体进口相连。
上述方案中,所述发电机与蓄电池电路连接。
上述方案中,所述冷却区处设置有温度传感器,所述温度传感器与控制器的输入端连接,所述控制器的输出端分别与气体流量控制器、雾化泵和液体输送泵相连。
上述方案中,所述气液混合器上对称设置有若干根进气管,每根所述进气管沿流体流动方向与气液混合器的轴心线在同一平面,且与轴心线的夹角为70°,每根所述进气管伸入到气液混合器内部的长度为气液混合器内部管径的1/5。
上述方案中,所述雾化泵的叶轮为碟片式叶轮,碟片式叶轮的内部有六个碟片,每片碟片的表面为凹凸不平的的鱼鳞状,碟片式叶轮的出口无叶区表面设有微孔。
上述方案中,所述冷却区内部上方设有两块隔板,所述冷却区内部下方三块隔板,且所述冷却区的进出口都在冷却区的下方,冷却水为去离子水,可直接与冷却区部件直接接触。
上述方案中,所述管翅式换热器内部为U型换热管,并且U型换热管外表面设置有不连续的肋片,肋片通过U型换热管中心线呈180°布置,U型换热管内部的工质为氟利昂。
上述方案中,根据冷却需求,将温度传感器采集的数据传递给控制器来计算气液比,气液体积比为控制器再分别发送指令给气体流量控制器和液体输送泵,通过调节液体输送泵的转速和气体流量控制器来改变含气率,气液混合物的流量为气液混合物的流量通过控制器发送指令给雾化泵改变转速获得。;其中,A为冷却区的散热面积,Vl为液体体积,Vg为气体体积,ρg为气体密度,ρl为液体密度,n1为液体输送泵额定转速,n2为需要改变的液体输送泵转速,C为气液混合物的比热。
本发明的有益效果:(1)通过雾化泵叶轮出口表面的微孔将低温气液两相流雾化为低温高压气液混合物,可直接与冷却区接触进行散热。(2)该冷却系统中的气液混合器上设置的进气管结构,可以获得混合均匀的气液两相流,并且使泵的入流平稳,减小系统的振动噪声。(3)雾化泵的叶轮是一种碟片式叶轮,当气液混合物中的含气率较高时不会引起雾化泵性能下降、振动、噪声、空化等一系列不利影响。(4)根据相变冷却的原理对冷却区实现冷却,冷却区内的隔板可以使气液混合物呈S型流动,与冷却区中的部件充分接触,散热均匀,冷却水为去离子水,不会对部件造成危害。(5)管翅换热器的U型换热管外表面设置有不连续的肋片,肋片可以增加换热面积,U型换热管内部的工质为氟利昂,换热系数大,使得换热器的换热效率高。(6)管路中的去离子水可循环利用,发电机产生的电能储存到蓄电池后可供系统中的用电设备使用,能耗低。(7)气液比由温度传感器传递给控制器计算获得,雾化泵进口含气率和气液混合物的流量可以通过传感器调节,因此可以精确控制冷却区的温度,提高散热效率。
附图说明
图1是能量回收气液两相循环冷却系统示意图。
图2是气液混合器结构示意图。
图3是雾化泵的叶轮结构图。
图4是雾化泵的叶轮内碟片鱼鳞状凹凸表面结构示意图。
图5是雾化泵叶轮表面微孔轴测图。
图6是冷却区结构示意图。
图7是换热器结构示意图。
图8是膨胀机、压缩机和发电机结构示意图。
图9是气液分离器结构示意图。
图中:1-第一压缩机、2-气体流量控制器、3-气液混合器、4-雾化泵、5-冷却区、6-温度传感器、7-换热器、8-膨胀机、9-第二压缩机、10-发电机、11-蓄电池、12-气液分离器、13-空气泵、14-液体输送泵、15-控制器、16-进气管、17-碟片式叶轮、18-隔板、19-U型换热管、20-肋片。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的的技术方案做进一步详细说明。
结合图1,本实施例提供的一种能量回收气液两相循环冷却系统,包括:第一压缩机1、气体流量控制器2、气液混合器3、雾化泵4、冷却区5、温度传感器6、管翅式换热器7、膨胀机8、压缩机9、发电机10、蓄电池11、气液分离器12、空气泵13、液体输送泵14、控制器15。第一压缩机1出口通过气体管路与气体流量控制器2和气液混合器3进气管相连,气液混合器3通过气液混合管路与雾化泵4进口相连,雾化泵4出口通过气液混合管路与冷却区5进口相连,冷却区5安装有温度传感器6,冷却区5出口通过气汽混合管路与管翅式换热器7进口相连,管翅式换热器7工质出口与膨胀机8进口相连,管翅式换热器7工质进口与膨胀机8出口相连,膨胀机8出口管道与膨胀机8同轴安装有压缩机9,膨胀机8与发电机10通过联轴器相连,发电机10与蓄电池11相连;管翅式换热器7出口通过管路与气液分离器12进口相连,气液分离器12出口分为气体出口和液体出口,气体出口与空气泵13进口相连,液体出口通过液体管路与液体输送泵14进口相连,液体输送泵14出口通过液体管路与气液混合器3液体进口相连,控制器15分别连接温度传感器6、气体流量控制器2、雾化泵4、液体输送泵14。所述的一种能量回收气液两相循环冷却系统可以根据冷却需求,将温度传感器6采集的数据传递给控制器15计算气液比,假设冷却区5的初始温度为T1,冷却后的温度为T2,冷却区5散热面积为A,根据气液混合物吸收的热量Q=(T1-T2)A=ΔTA,Q=C(ρlVl+ρgVg)ΔT,得出气液体积比为其中Vl为液体体积,Vg为气体体积,ρg为气体密度,ρl为液体密度,C为气液混合物的比热。控制器15再分别发送指令给气体流量控制器2和液体输送泵,通过调节液体输送泵14的转速和气体流量控制器2改变含气率;根据其中Q1为额定流量,Q2为需要调节的流量,n1为额定转速,n2为需要改变的转速,可以得出需要调节的气液混合物的流量气液混合物的流量通过控制器15发送指令给雾化泵4改变转速获得。
结合图2,所述气液混合器3设置有4个进气管16,进气管16沿流体流动方向与气液混合器3轴心线在同一平面,且与轴心线的夹角为70°,4个进气管关于气液混合器3轴心线对称布置,进气管16伸入到气液混合器3内部的长度为气液混合器3内部管径的1/5。这种结构可以使空气和去离子水混合均匀,并且使泵的入流平稳,减小系统的振动噪声。
结合图3、图4和图5,所述雾化泵4的叶轮为碟片式叶轮17,叶轮内部有6个碟片,碟片表面为凹凸不平的的鱼鳞状;叶轮出口无叶区表面有微孔,孔径D=0.5mm,沿圆周方向等角度均布。该雾化泵具有运行平稳、低噪音、低振动、抗气蚀能力强、结构紧凑等特点。
结合图6,所述冷却区5内部设置有5块隔板18,冷却区上方两块,下方三块,且进出口都在冷却区5中心线的下方。隔板18可以使气液混合物呈S型流动,与冷却区5中的部件充分接触,散热均匀,冷却水为去离子水,不会对部件造成危害,且去离子水可循环使用。
结合图7,所述管翅式换热器7内部为U型换热管19,并且U型换热管(19)外表面设置有不连续的肋片20,肋片20通过U型换热管19中心线呈180°布置。肋片20可以增加换热面积,U型换热管19内部的工质为氟利昂,其换热系数大,且高温气汽混合物的流动方向与工质的流动方向相反,提高了换热效率。
结合图8,所述膨胀机8出口管道安装有与膨胀机8同轴的第二压缩机9,膨胀机8和发电机10通过联轴器相。通过膨胀机8和发电机10将管翅式换热器7吸收的热量用来发电,产生的电能储存到蓄电池11,为冷却系统的用电设备提供电能;膨胀机8出口管道安装有与膨胀机8同轴的第二压缩机9,提供压力,使氟利昂循环流动。
结合图9,所述气液分离器12空气出口与空气泵13相连,液体出口与液体输送泵14相连,可以加快气液分离的速度,提高冷却系统的工作效率。
本实施例的工作过程为:启动能量回收气液两相循环冷却系统,第一压缩机1将循环管路中的低压冷空气压缩为高压冷空气输送到气液混合器3,同时,液体输送泵14将循环管路中的冷却去离子水输送到气液混合器3,冷却去离子水和高压空气在气液混合器3中混合均匀后输送到雾化泵4,雾化泵4把机械能转化为气液混合物的压力能,高压低温气液混合物在雾化泵的叶轮出口表面的微孔被雾化后输送到冷却区5,高压低温气液混合物在冷却区5吸收热量后变为高压高温气汽混合物,然后进入管翅式换热器进行散热降压,膨胀机8通过被管翅式换热器7吸收的热量带动发电机10发电,发电机产生的电能储存到蓄电池11,可供系统中的雾化泵、第一压缩机和液体输送泵使用,高压高温气汽混合物冷却降压后重新变回低压低温气液混合物,进入气液分离器12,冷空气通过空气泵13直接排放到外界,冷却去离子水经过液体输送泵14进入气液混合器。
Claims (8)
1.一种能量回收气液两相循环冷却系统,其特征在于,包括第一压缩机(1)、气体流量控制器(2)、气液混合器(3)、雾化泵(4)、冷却区(5)、管翅式换热器(7)、膨胀机(8)、第二压缩机(9)、发电机(10)、气液分离器(12)、空气泵(13)和液体输送泵(14),第一压缩机(1)出口通过气体流量控制器(2)和气液混合器(3)的进气管相连,气液混合器(3)通过气液混合管路与雾化泵(4)的进口相连,雾化泵(4)的出口通过气液混合管路与冷却区(5)的进口相连,冷却区(5)的出口通过气汽混合管路与管翅式换热器(7)的进口相连,管翅式换热器(7)的工质出口与膨胀机(8)的进口相连,管翅式换热器(7)的工质进口与膨胀机(8)的出口相连,膨胀机(8)的出口管道与膨胀机(8)同轴安装有第二压缩机(9),膨胀机(8)与发电机(10)同轴相连,管翅式换热器(7)的出口通过管路与气液分离器(12)进口相连,气液分离器(12)出口分为气体出口和液体出口,气体出口与空气泵(13)进口相连,液体出口通过液体管路与液体输送泵(14)进口相连,液体输送泵(14)出口通过液体管路与气液混合器(3)的液体进口相连。
2.根据权利要求1所述的一种能量回收气液两相循环冷却系统,其特征在于,所述发电机(10)与蓄电池(11)电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种能量回收气液两相循环冷却系统,其特征在于,所述冷却区(5)处设置有温度传感器(6),所述温度传感器(6)与控制器(15)的输入端连接,所述控制器(15)的输出端分别与气体流量控制器(2)、雾化泵(4)和液体输送泵(14)相连。
4.根据权利要求1所述的一种能量回收气液两相循环冷却系统,其特征在于,所述气液混合器(3)上对称设置有若干根进气管(16),每根所述进气管(16)沿流体流动方向与气液混合器(3)的轴心线在同一平面,且与轴心线的夹角为70°,每根所述进气管(16)伸入到气液混合器(3)内部的长度为气液混合器(3)内部管径的1/5。
5.根据权利要求1所述的一种能量回收气液两相循环冷却系统,其特征在于,所述雾化泵(4)的叶轮为碟片式叶轮(17),碟片式叶轮(17)的内部有六个碟片,每片碟片的表面为凹凸不平的的鱼鳞状,碟片式叶轮(17)的出口无叶区表面设有微孔。
6.根据权利要求1所述的一种能量回收气液两相循环冷却系统,其特征在于,所述冷却区(5)内部上方设有两块隔板(18),所述冷却区(5)内部下方三块隔板(18),且所述冷却区(5)的进出口都在冷却区的下方,冷却水为去离子水,可直接与冷却区部件直接接触。
7.根据权利要求1所述的一种能量回收气液两相循环冷却系统,其特征在于,所述管翅式换热器(7)内部为U型换热管(19),并且U型换热管(19)外表面设置有不连续的肋片(20),肋片(20)通过U型换热管(19)中心线呈180°布置,U型换热管(19)内部的工质为氟利昂。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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