CN114484912B - 多蒸发器并联的co2热管冷却系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统及控制方法，包括以下步骤：当蒸发段进出口压差ΔP波动幅度超过第一阈值，主管控制阀开度降低设定角度；不超过第一阈值则：若蒸发段的主管进出口温差ΔT₃>第二阈值，关闭截止阀开启液泵，所有支管控制阀和主管控制阀全开；若ΔT₃≤第二阈值且上升管温差ΔT₁>第三阈值，主管控制阀开度降低设定角度，所有支管控制阀全开；若ΔT₃≤第二阈值、ΔT₁≤第三阈值且ΔT_2,i>第四阈值则：当单个蒸发器进排风温差ΔT_4,n＝0℃关闭第n台蒸发器对应的支管控制阀；ΔT_4,n<0.5ΔT_4,i，将第n台蒸发器对应的支管控制阀开度降低设定角度；ΔT_4,n>0.5ΔT_4,i，关闭截止阀开启液泵控制阀全开；若ΔT₃≤第二阈值、ΔT₁≤第三阈值，第i个蒸发器进出口工质温差ΔT_2,i≤第四阈值，系统正常运行。

Description

多蒸发器并联的CO2热管冷却系统的控制方法

技术领域

本发明涉及空调技术领域，具体为多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统的控制方法。

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。

数据中心内存在多热源分布，热管系统往往采用多蒸发器并联的结构形式，每个蒸发器可布置在各机柜、机柜列间或者房间内。对于多蒸发器并联热管系统，当各蒸发器所承担的负荷大小不同时，根据实际负荷情况，热管系统中的每一组蒸发器都可能会出现未启动、波动运行、过热过冷等异常情况，当其中一组蒸发器出现异常情况后会影响相互并联的多个蒸发器导致其负荷不均衡，发生局部负荷过高的问题，一方面影响了系统的排热效率，另一方面也会降低系统的可靠性和安全性。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统的控制方法，根据多蒸发器并联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，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多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统的控制方法，包括以下步骤：

获取蒸发段进出口压差ΔP、上升管温差ΔT₁(＝T₁-T₂)、第i个蒸发器进出口工质温差ΔT_2,i＝(T_3,i-T₄)、蒸发段的主管进出口温差ΔT₃＝(T₂-T₄)及单个蒸发器进排风温差ΔT_4,i＝(T_5,i-T_4,i)；

其中，T₁为冷凝器入口工质温度、T₂为蒸发段的出口工质混合温度、T_3,i为第i个蒸发器出口工质温度、T_4,i和T_5,i分别为单个蒸发器的进风温度和排风温度、T₄为蒸发段进口工质温度；

当ΔP波动幅度超过第一阈值时，热管冷却系统处于波动运行状态，主管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，根据ΔT₁、ΔT_2,i、ΔT₃和ΔT_4,i判断热管系统的运行状态，具体如下：

(a)若ΔT₃>第二阈值，关闭截止阀，开启液泵，所有支管控制阀和主管控制阀全开；

(b)若ΔT₃≤第二阈值，且ΔT₁>第三阈值，主管控制阀开度降低设定角度，所有支管控制阀全开；

(c)若ΔT₃≤第二阈值、ΔT₁≤第三阈值，且ΔT_2,i>第四阈值，则根据ΔT_4,n(n为第n台蒸发器，n＝1～N且n≠i)判断下一步控制方法，具体如下：

当ΔT_4,n＝0℃，关闭第n台蒸发器对应的支管控制阀；

当ΔT_4,n<0.5ΔT_4,i，将第n台蒸发器对应的支管控制阀开度降低设定角度；

当ΔT_4,n>0.5ΔT_4,i，关闭截止阀，开启液泵，主管控制阀和所有支管控制阀均保持全开；

(d)若ΔT₃≤第二阈值、ΔT₁≤第三阈值，ΔT_2,i≤第四阈值，系统正常运行无需调节任何控制阀和液泵。

本发明的第二个方面提供实现上述控制方法的多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统，包括蒸发段，蒸发段包括至少两组并联的蒸发器，所有蒸发器的出口均通过管道连接冷凝器的入口，冷凝器出口通过管道连接气液分离器的入口，气液分离器出口经管道通过液泵与蒸发器的入口连接。

每一组蒸发器出口管路均连接对应的支管控制阀，所有支管控制阀的出口管路均连接主管控制阀。

与液泵并联布置的管道上设有截止阀。

还具有压差传感器，压差传感器的入口设在所有蒸发器入口相连接的主管道上，压差传感器的出口设在所有蒸发器出口相连接的主管道上，获取蒸发段进出口压差ΔP。

冷凝器入口管道、蒸发段出口管道和入口管道、每一组蒸发器的出口管道以及每一组蒸发器的进风和排风管道上均设有温度传感器，分别获取冷凝器入口工质温度T₁、蒸发段出口工质混合温度T₂、第i个蒸发器出口工质温度T_3,i(i＝1～N)、第i个蒸发器进风温度T_4,i、第i个蒸发器排风温度T_5,i、以及蒸发段进口工质温度T₆。

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：

根据多台蒸发器并联CO₂热管的运行特性，通过控制阀和液泵等设备，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，同时考虑多台蒸发器引发的负荷不平衡的问题，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多蒸发器并联的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多蒸发器并联的CO2热管冷却系统控制流程示意图；

图中：1、蒸发段，1-1～1-N、蒸发器，2-1～2-N、支管控制阀，3、压差传感器，4、温度传感器，5、主管控制阀，6、气管，7、冷凝器，8、液管，9、气液分离器，10、液泵，11、截止阀，12、安全阀。

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，当各蒸发器所承担的负荷大小不同时，根据实际负荷情况，热管系统中的每一组蒸发器都可能会出现未启动、波动运行、过热过冷等异常情况，当其中一组蒸发器出现异常情况后会影响相互并联的多个蒸发器导致其负荷不均衡，发生局部负荷过高的问题，一方面影响了系统的排热效率，另一方面也会降低系统的可靠性和安全性。

因此，以下实施例给出了多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统的控制方法，根据多蒸发器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，多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统，包括蒸发段1，蒸发段1包括至少两组相互并联的蒸发器1-1～1-N，所有蒸发器1-1～1-N的出口均通过管道连接冷凝器7的入口，冷凝器7出口通过管道连接气液分离器9的入口，气液分离器9出口经管道通过液泵10与蒸发器的入口连接。

每一组蒸发器1-1～1-N出口管路均连接对应的支管控制阀2-1～2-N，所有支管控制阀2-1～2-N的出口管路均连接主管控制阀5。

压差传感器3的入口设在所有蒸发器1-1～1-N入口相连接的主管道上，压差传感器3的出口设在所有蒸发器1-1～1-N出口相连接的主管道上。

冷凝器入口管道、蒸发段出口管道和入口管道、每一组蒸发器的出口管道以及每一组蒸发器的进风和排风管道上均设有温度传感器4，分别获取冷凝器入口工质温度T₁、蒸发段出口工质混合温度T₂、第i个蒸发器出口工质温度T_3,i(i＝1～N)、第i个蒸发器进风温度T_4,i、第i个蒸发器排风温度T_5,i、以及蒸发段进口工质温度T₆。

如图1所示，温度传感器4中的4a、4b、4c、4d、4e、4f分别为测量冷凝器进口工质温度T₁、蒸发段出口工质混合温度T₂、第i个蒸发器出口工质温度T_3,i(i＝1～N)、第i个蒸发器进风温度T_4,i、第i个蒸发器排风温度T_5,i、以及蒸发段进口工质温度T₆的温度传感器，控制阀2和5的调节范围0-90°，液泵10的泵速可调。

液泵10与截止阀11并联，液泵10的入口管道连接安全阀12。

多台并联的蒸发器形成蒸发段，每一台蒸发器安装在数据中心内，例如可以安装在机柜列间或机柜背板上，吸收室内空气或机柜排风的热量，工质吸热沸腾密度减小，上升至蒸发器顶部沿气管6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，经液管8进入气液分离器9，分离后的液态工质经液泵10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的位置高于各蒸发器，两者之间需具有一定的高差。

启动时，液泵10关闭，截止阀11开启，主管控制阀5和所有支管控制阀2全开。

上述结构形成的冷却系统以CO₂作为蒸发段所有蒸发器的冷媒，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31.4℃，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。

主管控制阀和支管控制阀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，两控制阀均为球阀。

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，本实施例提供多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统的控制方法，为了使上述系统始终处于正常运行状态，需实时监测冷凝器进口工质温度T₁、蒸发段的出口工质混合温度T₂、第i个蒸发器出口工质温度T_3,i(i＝1～N)、单个蒸发器进风温度T_4,i(i＝1～N)、排风温度T_5,i(i＝1～N)、蒸发段进口工质温度T₄及蒸发段进出口压差ΔP，计算上升管温差ΔT₁(＝T₁-T₂)、第i个蒸发器进出口工质温差ΔT_2,i(＝T_3,i-T₄)、蒸发段的主管进出口温差ΔT₃(＝T₂-T₄)及单个蒸发器进排风温差ΔT_4,i(＝T_5,i-T_4,i)。根据上升管温差ΔT₁、单个蒸发器进出口工质温差ΔT_2i、蒸发段的主管进出口温差ΔT₃、单个蒸发器进排风温差ΔT_4,i以及蒸发段进出口压差ΔP等参数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0.2kP a)时，认为热管冷却系统处于波动运行状态，则将主管控制阀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、ΔT_2,i、ΔT₃和ΔT_4,i判断热管系统的运行状态：

(a)若ΔT₃>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，则关闭截止阀11，开启液泵10，所有支管控制阀和主管控制阀全开，增加管内的循环流量使系统正常运行；

(b)若ΔT₃≤第二阈值0.5℃，且ΔT₁>第三阈值(本实施例中第三阈值为0.5℃)，认为系统未正常启动，则将主管控制阀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)，所有支管控制阀全开，增加管路内CO₂工质的流动阻力，促使系统正常启动；

(c)若ΔT₃≤第二阈值0.5℃、ΔT₁≤第三阈值0.5℃，且ΔT_2,i>第四阈值0.5℃，则根据ΔT_4,n(n代表某个蒸发器，n＝1～N且n≠i)判断下一步调控方法。

当ΔT₄,n＝0℃，说明蒸发器1-n负荷为0，则直接关闭阀门2-n；

当ΔT_4,n<0.5ΔT_4,i，由于各蒸发器风量相同，则说明蒸发器1-n负荷过低，存在工质流量浪费现象，需将阀门2-n的开度调小10°；

当ΔT_4,n>0.5ΔT_4,i，则说明各蒸发器负荷差异不大，不存在明显的流量浪费现象，需关闭截止阀，开启液泵，所有支管控制阀和主管控制阀均保持全开。

(d)若ΔT₃≤0.5℃、ΔT₁≤0.5℃，ΔT_2,i≤0.5℃，判断系统正常运行，则无需调节控制阀和液泵。

第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四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、第三阈值和第四阈值均选用0.5℃。

如果多个并联的蒸发器所承担的风量是相同的，则上述控制方法可以适用于列间空调系统；若将各蒸发器安装在机柜背板，需实时监测每个机柜的耗电功率，各蒸发器的负荷Q_i即为该机柜的耗电功率。然后用各蒸发器的负荷替代蒸发器的进排风温差，来确定各支路的阀门调节方案：即，若ΔP波动幅度不超过0.2kPa、ΔT₃≤0.5℃、ΔT₁≤0.5℃，且ΔT_2,i>0.5℃，则根据Q_n(n代表某个蒸发器，n＝1～N且n≠i)判断下一步调控方法：

当Q_n＝0℃，说明蒸发器1-n负荷为0，则直接关闭阀门2-n；

当Q_n<0.5Q_i，由于各蒸发器风量相同，则说明蒸发器1-n负荷过低，存在工质流量浪费现象，需将阀门2-n的开度调小10°；

当Q_n>0.5Q_i，则说明各蒸发器负荷差异不大，不存在明显的流量浪费现象，需关闭截止阀，开启液泵，所有支管控制阀和主管控制阀均保持全开。

当各蒸发器负荷相差较大时，即使蒸发段出口主管上没有出现过热，负荷较大的蒸发器可能存在流量不足而出现过热，这是因为热管流量分配的自调节能力有限，负荷较小的蒸发器支路上浪费了部分工质流量，故通过调小负荷较小支路的阀门开度，减小其流量，使更多的流量通过负荷较大的蒸发器，进而对蒸发段局部的过热的情况进行改善。

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；同时由于是多台蒸发器并联，还需要考虑负荷不平衡的问题。

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10，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，通过控制阀和液泵等设备，根据多蒸发器并联的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 (5)

1.多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统的控制方法，其特征在于：多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统包括蒸发段，蒸发段包括至少两组并联的蒸发器，所有蒸发器的出口均通过管道连接冷凝器的入口，冷凝器出口通过管道连接气液分离器的入口，气液分离器出口经管道通过液泵与蒸发器的入口连接；每一组蒸发器出口管路均连接对应的支管控制阀，所有支管控制阀的出口管路均连接主管控制阀；与液泵并联布置的管道上设有截止阀；

还具有压差传感器，压差传感器的入口设在所有蒸发器入口相连接的主管道上，压差传感器的出口设在所有蒸发器出口相连接的主管道上；冷凝器入口管道、蒸发段出口管道和入口管道、每一组蒸发器的出口管道以及每一组蒸发器的进风和排风管道上均设有温度传感器，分别获取冷凝器入口工质温度T₁、蒸发段出口工质混合温度T₂、第i个蒸发器出口工质温度T_3,i、第i个蒸发器进风温度T_4,i、第i个蒸发器排风温度T_5,i以及蒸发段进口工质温度T₆；

多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统的控制方法，包括以下步骤：

获取上升管温差ΔT₁＝T₁-T₂、第i个蒸发器进出口工质温差ΔT_2,i＝T_3,i-T₄、蒸发段的主管进出口温差ΔT₃及单个蒸发器进排风温差ΔT_4,i＝T_5,i-T_4,i；其中，T₁为冷凝器入口工质温度、T₂为蒸发段的出口工质混合温度、T_3,i为第i个蒸发器出口工质温度、T_4,i和T_5,i分别为单个蒸发器的进风温度和排风温度；

当蒸发段进出口压差ΔP波动幅度超过第一阈值，热管冷却系统处于波动运行状态，主管控制阀开度降低设定角度；

当蒸发段进出口压差ΔP波动幅度不超过第一阈值，根据ΔT₁、ΔT_2,i、ΔT₃和ΔT_4,i判断热管系统的运行状态，具体如下：

(a)若ΔT₃>第二阈值，关闭截止阀，开启液泵，所有支管控制阀和主管控制阀全开；

(b)若ΔT₃≤第二阈值，且ΔT₁>第三阈值，主管控制阀开度降低设定角度，所有支管控制阀全开；

(c)若ΔT₃≤第二阈值、ΔT₁≤第三阈值，且ΔT_2,i>第四阈值，则根据ΔT_4,n(n为第n台蒸发器，n＝1～N且n≠i)判断下一步控制方法，具体如下：

当ΔT_4,n＝0℃，关闭第n台蒸发器对应的支管控制阀；

当ΔT_4,n<0.5ΔT_4,i，将第n台蒸发器对应的支管控制阀开度降低设定角度；

当ΔT_4,n>0.5ΔT_4,i，关闭截止阀，开启液泵，主管控制阀和所有支管控制阀均保持全开；

(d)若ΔT₃≤第二阈值、ΔT₁≤第三阈值，ΔT_2,i≤第四阈值，系统正常运行无需调节任何控制阀和液泵。

2.如权利要求1所述的多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统的控制方法，其特征在于：所述压差传感器获取蒸发段进出口压差ΔP。

3.如权利要求1所述的多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统的控制方法，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。

4.如权利要求1所述的多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统的控制方法，其特征在于：所述蒸发器为翅片管式换热器。

5.如权利要求1所述的多蒸发器并联的CO₂热管冷却系统的控制方法，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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