CN114383449A - 一种主动调节型co2热管冷却系统及控制方法 - Google Patents
一种主动调节型co2热管冷却系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种主动调节型CO2热管冷却系统及控制方法,包括以下步骤:获取冷凝器入口温度T1、蒸发器出口温度T2、蒸发器入口温度T3以及蒸发器进出口压差ΔP,上升管温差ΔT1=T1‑T2,蒸发器出、入口的温差ΔT2=T2‑T3;当ΔP波动幅度超过第一阈值,认为热管冷却系统处于波动运行状态,第一控制阀开度降低设定角度;当ΔP波动幅度不超过第一阈值,则继续根据ΔT1和ΔT2判断热管系统的运行状态,如下:若ΔT2>第二阈值,认为热管冷却系统超过其传热极限,关闭第二控制阀,开启液泵;若ΔT2≤第二阈值,且ΔT1>第三阈值,认为蒸发器未正常启动,第一控制阀开度降低设定角度;若ΔT2≤第二阈值,且ΔT1≤第三阈值,认为蒸发器正常运行,无需调节第一控制阀和液泵。
Description
技术领域
本发明涉及空调技术领域,具体为一种主动调节型CO2热管冷却系统及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
数据中心运行着大量的计算机硬件设备,产热量大、散热密度高,对空调系统的热负荷需求较高,目前针对数据中心散热的空调系统通常采用R410a、R134a等氟利昂作为管内工质从而满足散热需求,此类空调系统中的部分氟利昂对于臭氧层具有破坏作用,且大多数氟利昂的GWP值(全球变暖潜能值)较高,一旦泄露或排放,其温室效应较显著,目前已经逐步替换为更为环保的CO2作为数据中心空调系统的循环工质,所采用的分离式热管因其就近排热、高效节能的特点已经受到越来越多的认可。
根据实际传热量的不同,以CO2作为工质的空调系统热管会出现不同的运行状态,当实际负荷偏低时,热管可能没有正常启动,或处于波动运行状态,当实际负荷偏高时,热管可能超出其传热极限而出现明显的过热或过冷,这些不正常的运行状态会影响热管的传热性能,甚至影响热管的安全运行,而目前针对CO2工质的热管空调系统难以针对上述不同的运行状态进行调节,限制了CO2热管的应用。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题,本发明提供一种主动调节型CO2热管冷却系统及控制方法,根据CO2热管的运行特性,采取相应的主动调节方法,保证热管系统在不同负荷下的正常运行,本热管冷却系统具有传热能力强、传热效率高、负荷适应范围广、节能、环保等优势。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明的第一个方面提供一种主动调节型CO2热管冷却系统的控制方法,包括以下步骤:
获取冷凝器入口温度T1、蒸发器出口温度T2、蒸发器入口温度T3以及蒸发器进出口压差ΔP,上升管温差ΔT1=T1-T2,蒸发器出、入口的温差ΔT2=T2-T3;
当ΔP波动幅度超过第一阈值时,认为热管冷却系统处于波动运行状态,第一控制阀开度降低设定角度;
当ΔP波动幅度不超过第一阈值时,则继续根据ΔT1和ΔT2判断热管系统的运行状态,具体如下:
(a)若ΔT2>第二阈值,认为热管冷却系统超过其传热极限,关闭第二控制阀,开启液泵,增加管内的循环流量使蒸发器正常运行;
(b)若ΔT2≤第二阈值,且ΔT1>第三阈值,认为蒸发器未正常启动,第一控制阀开度降低设定角度,增加管内工质的阻力促使蒸发器正常启动;
(c)若ΔT2≤第二阈值,且ΔT1≤第三阈值,认为蒸发器正常运行,无需调节第一控制阀和液泵。
本发明的第二个方面提供实现上述控制方法的主动调节型CO2热管冷却系统,包括蒸发器,蒸发器出口通过管道连接冷凝器入口,冷凝器出口通过管道连接气液分离器入口,气液分离器出口经管道通过液泵与蒸发器入口连接。
蒸发器出口管路设有第一控制阀,与液泵并联布置的管道上设有第二控制阀。
蒸发器上设有压差传感器,获取蒸发器入口和出口的压力差。
蒸发器入口和出口管路上均设有温度传感器,分别获取蒸发器入口的温度T3和出口的温度T2。
冷凝器入口管路设置温度传感器,获取冷凝器入口的温度T1。
冷凝器的位置高于蒸发器,两者之间需具有高差。
蒸发器为翅片管式换热器。
冷凝器为管壳式换热器或板式换热器。
与现有技术相比,以上一个或多个技术方案存在以下有益效果:
通过第一控制阀和液泵等设备,根据分离式CO2热管的运行特性,在不同的负荷下采取不同的调控方法,充分扩大了热管系统的负荷适应范围,保证热管系统在不同负荷下均能实现正常运行,提高了热管系统的稳定性和可靠性,能够发挥CO2工质具有的优势。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的主动调节型CO2热管冷却系统结构示意图;
图2是本发明一个或多个实施例提供的主动调节型CO2热管冷却系统控制流程示意图;
图中:1、蒸发器,2、风机,3、压差传感器,4、温度传感器,5、第一控制阀,6、气管,7、冷凝器,8、冷却管,9、液管,10、气液分离器,11、液泵,12、第二控制阀。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
GWP值,指全球变暖潜能值,是基于充分混合的温室气体辐射特性的一个指数,用于衡量相对于二氧化碳的,在所选定时间内进行积分的,当前大气中某个给定的充分混合的温室气体单位质量的辐射强迫。
正如背景技术中所描述的,根据实际传热量的不同,以CO2作为工质的空调系统热管会出现不同的运行状态,当实际负荷偏低时,热管可能没有正常启动,或处于波动运行状态,当实际负荷偏高时,热管可能超出其传热极限而出现明显的过热或过冷,这些不正常的运行状态会影响热管的传热性能,甚至影响热管的安全运行,而目前针对CO2工质的热管空调系统难以针对上述不同的运行状态进行调节,限制了CO2热管的应用。
CO2作为工质时,临界点温度较低,只有31.1℃,而热管是工作在两相区的,其工作温度不能超过临界点温度,数据中心热管的工作温度一般在15~20℃左右,适合以CO2作为工质。
因此,以下实施例给出了一种主动调节型CO2热管冷却系统及控制方法,根据CO2热管的运行特性,采取相应的主动调节方法,保证热管系统在不同负荷下的正常运行,本热管冷却系统具有传热能力强、传热效率高、负荷适应范围广、节能、环保等优势。
实施例一:
如图1所示,主动调节型CO2热管冷却系统,包括蒸发器1,蒸发器1顶部通过管道连接冷凝器7,冷凝器7底部通过管道连接气液分离器10入口,气液分离器10出口经管道通过液泵11与蒸发器1底部连接。
蒸发器1出口管路设有第一控制阀5,与液泵11并联布置的管道上设有第二控制阀12。
蒸发器1上设有压差传感器3,获取蒸发器1入口和出口的压力差。
蒸发器1入口和出口管路上均设有温度传感器4,分别获取蒸发器1入口的温度T3和出口的温度T2,冷凝器7入口管路同样设置温度传感器,获取冷凝器7入口的温度T1。
蒸发器1安装在数据中心内,例如可以安装在机柜列间或机柜背板上,蒸发器1吸收室内空气或机柜排风的热量,蒸发器1内的工质吸热沸腾密度减小,上升至蒸发器1顶部并运动至冷凝器7,冷凝器7位于数据中心外部由来自冷却塔或冷机的冷水进行冷却,工质在冷凝器7内冷凝形成液体,进入气液分离器10,分离后的液态工质经液泵11提供动力重新进入蒸发器1吸收热量。
上述热管冷却系统工作过程中,冷凝器7的位置高于蒸发器1,两者之间需具有一定的高差。
蒸发器1启动时,液泵11关闭,第二控制阀12开启,第一控制阀5全开。
上述结构形成的冷却系统以CO2作为蒸发器1的冷媒,充液率为50%(充液率为管内充入液态工质体积与热管总容积之比)。
蒸发器采用翅片管式换热器,换热段采用多管并联同程式结构,管材为纯铜,管内径4mm,管壁厚1mm。
冷凝器以水为冷却介质,采用管壳式换热器或板式换热器。
管路(气管和液管)为纯铜,管径根据实际负荷设计确定,管壁厚需保证8MPa以上的耐压强度。
管路(气管和液管)与热管蒸发器和冷凝器的连接采用不锈钢卡套接头。
冷却系统须保证管内CO2温度不高于其临界温度31.1℃,如果在所述热管空调系统停止运行期间存在温度过高的危险,应采取适当的冷却措施,或者排出热管内的CO2。
第一控制阀5和第二控制阀12不限制具体的阀门类型,可以为球阀、截止阀或调节阀等任意已有结构的阀门,为了便于理解本实施例中,第一控制阀5为球阀,第二控制阀12为截止阀。
上述热管冷却系统将CO2工质用于数据中心的热管冷却系统,既环保,又具有更高的传热能力和传热效率。
实施例二:
如图2所示,本实施例提供主动调节型CO2热管冷却系统的控制方法,为了使冷却系统始终处于正常运行状态,需实时监测冷凝器进口温度T1、蒸发器出口温度T2、蒸发器入口温度T3以及蒸发器进出口压差ΔP,并计算出上升管上的温差ΔT1(=T1-T2)和蒸发器出、入口的温差ΔT2(=T2-T3),根据ΔP、ΔT1和ΔT2进行热管的运行调节。步骤如下:
1)当ΔP波动幅度超过第一阈值(本实施例中第一阈值为0.2kPa)时,认为热管冷却系统处于波动运行状态,则将第一控制阀5开度调小10°(也可以为其他角度,本实施例以10°作为举例说明),增加管路内CO2工质的流动阻力,使当前波动运行状态向低负荷区间移动,从而适应较低的负荷;
2)当ΔP波动幅度不超过第一阈值0.2kPa时,则继续根据ΔT1和ΔT2判断热管系统的运行状态:
(a)若ΔT2>第二阈值(本实施例中第二阈值为0.5℃),认为热管冷却系统超过其传热极限,则关闭第二控制阀12,开启液泵11,增加管内的循环流量使蒸发器1正常运行;
(b)若ΔT2≤第二阈值0.5℃,且ΔT1>第三阈值(本实施例中第三阈值为0.5℃),认为蒸发器1未正常启动,则将第一控制阀5开度调小10°(也可以为其他角度,本实施例以10°作为举例说明),增加管路内CO2工质的流动阻力,促使蒸发器1正常启动;
(c)若ΔT2≤第二阈值0.5℃,且ΔT1≤第三阈值0.5℃,判断蒸发器1正常运行,则无需调节第一控制阀5和液泵11。
第一阈值、第二阈值和第三阈值的大小不做限制,本实施例中,第一阈值选用0.2kPa,第二阈值和第三阈值均选用0.5℃。
上述控制过程中,以蒸发器出入口的温差ΔT2出现明显的温差作为评价标准,例如选用0.5℃为第二阈值和第三阈值;与此同时,温度传感器4的精度不低于±0.15℃。
关于蒸发器进出口压差ΔP的波动,热管的波动运行通常为周期性波动,波动幅度指是单个周期内峰值压差与平均压差之差。
随着热管冷却系统的运行,蒸发器(热管)负荷由小到大变化,热管会先后经历“未正常启动”、“周期性波动运行”及“稳定运行”三种运行状态;其中,只有稳定运行属于正常工作状态,而在稳定运行状态中,当负荷增大至超出热管的传热极限,也会出现运行异常。
因此,任一结构尺寸确定的热管都有一个正常工作的负荷范围。而减小第一控制阀5的开度,会增大系统管路内CO2工质的流动阻力,可以使当前负荷范围向低负荷区间移动,从而适应较低的负荷。
而启动液泵11,则可以以增加系统循环流量的方式提高蒸发器(热管)的传热极限,从而使系统适应较高的负荷。
上述控制过程根据蒸发器(热管)的实际负荷大小,采取不同的主动调节措施以保证热管的正常运行;即,通过第一控制阀和液泵等设备,根据分离式CO2热管的运行特性,在不同的负荷下采取不同的调控方法,充分扩大了系统的负荷适应范围,保证系统在不同负荷下均能正常运行,提高了系统的稳定性和可靠性,能够发挥CO2工质具有的优势。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.主动调节型CO2热管冷却系统的控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
获取冷凝器入口温度T1、蒸发器出口温度T2、蒸发器入口温度T3以及蒸发器进出口压差ΔP,上升管温差ΔT1=T1-T2,蒸发器出、入口的温差ΔT2=T2-T3;
当ΔP波动幅度超过第一阈值,认为热管冷却系统处于波动运行状态,第一控制阀开度降低设定角度;
当ΔP波动幅度不超过第一阈值,则继续根据ΔT1和ΔT2判断热管系统的运行状态,具体如下:
(a)若ΔT2>第二阈值,认为热管冷却系统超过其传热极限,关闭第二控制阀,开启液泵;
(b)若ΔT2≤第二阈值,且ΔT1>第三阈值,认为蒸发器未正常启动,第一控制阀开度降低设定角度;
(c)若ΔT2≤第二阈值,且ΔT1≤第三阈值,认为蒸发器正常运行,无需调节第一控制阀和液泵。
2.一种实现权利要求1所述控制方法的主动调节型CO2热管冷却系统,其特征在于:包括蒸发器,蒸发器出口通过管道连接冷凝器入口,冷凝器出口通过管道连接气液分离器入口,气液分离器出口经管道通过液泵与蒸发器入口连接。
3.如权利要求2所述的主动调节型CO2热管冷却系统,其特征在于:所述蒸发器的出口管路设有第一控制阀。
4.如权利要求2所述的主动调节型CO2热管冷却系统,其特征在于:与所述液泵并联布置的管道上设有第二控制阀。
5.如权利要求2所述的主动调节型CO2热管冷却系统,其特征在于:所述蒸发器上设有压差传感器,获取蒸发器入口和出口的压力差ΔP。
6.如权利要求2所述的主动调节型CO2热管冷却系统,其特征在于:所述蒸发器入口和出口管路上均设有温度传感器,分别获取蒸发器的入口温度T3和出口温度T2。
7.如权利要求2所述的主动调节型CO2热管冷却系统,其特征在于:所述冷凝器入口管路设置温度传感器,获取冷凝器入口的温度T1。
8.如权利要求2所述的主动调节型CO2热管冷却系统,其特征在于:所述冷凝器的位置高于蒸发器,两者之间需具有高差。
9.如权利要求2所述的主动调节型CO2热管冷却系统,其特征在于:所述蒸发器为翅片管式换热器。
10.如权利要求2所述的主动调节型CO2热管冷却系统,其特征在于:所述冷凝器为管壳式换热器或板式换热器。
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