CN114963600B - 一种多模式切换的co2热管冷却系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多模式切换的CO2热管冷却系统及控制方法，包括蒸发器顶部通过管道连接压缩机的入口，压缩机的出口通过管道连接热交换器入口，热交换器出口通过管道连接液泵的入口，液泵的出口与膨胀阀的入口连接，膨胀阀的出口与蒸发器底部连接；蒸发器出口的管道上设有切换阀；与压缩机连接的气液分离器入口连接第一控制阀；第一控制阀的入口和压缩机的出口分别连接第二控制阀的两端形成旁路；与液泵连接的气液分离器入口连接第三控制阀；第三控制阀的入口和液泵的出口分别连接第四控制阀的两端形成旁路；膨胀阀的出入口分别连接第五控制阀的两端形成旁路。根据温差和阀门动作使系统切换至不同的制冷模式。

Description

一种多模式切换的CO2热管冷却系统及控制方法
技术领域
本发明涉及空调技术领域，具体为一种多模式切换的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。
以CO2为介质的冷却系统存在多种制冷循环方式，例如蒸汽压缩制冷、动力型热管制冷及重力型热管制冷，不同的制冷循环方式下运行了不同的设备，具有不同的热效率，相应的，不同的制冷循环模式需要的能耗和能够适应的环境温度均存在差别，目前针对数据中心服务器使用CO2为介质的冷却系统大部分采用单一的制冷循环模式，无法适应范围更大的环境温度，在一些特定工况存在性能不足或能源浪费的情况。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种多模式切换的CO2热管冷却系统及控制方法，根据热管驱动温差、蒸发器进出口温差和气管温差使CO2热管冷却系统切换至不同的制冷循环模式，从而以冷却系统的负荷为依据，在不同的外界环境温度下切换至不同的制冷循环模式，提高冷却系统对不同环境的适应能力，实现部分时段的低能耗运行。
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实现一种多模式切换的CO2热管冷却系统，包括蒸发器，蒸发器顶部通过管道连接压缩机的入口，压缩机的出口通过管道连接热交换器入口，热交换器出口通过管道连接液泵的入口，液泵的出口与膨胀阀的入口连接，膨胀阀的出口与蒸发器底部连接；
压缩机的入口和液泵的入口均连接气液分离器；蒸发器出口管道上设有切换阀；与压缩机连接的气液分离器入口连接第一控制阀；第一控制阀的入口和压缩机的出口分别连接第二控制阀的两端形成旁路；与液泵连接的气液分离器入口连接第三控制阀；第三控制阀的入口和液泵的出口分别连接第四控制阀的两端形成旁路；膨胀阀的出入口分别连接第五控制阀的两端形成旁路。
热交换器与冷却管连接，冷却管用于向热交换器输送冷却介质。
还具有压差传感器，设置在蒸发器的入口和出口，获取蒸发器入口和出口之间的压差。
还具有温度传感器，分别位于蒸发器的热介质入口处、热交换器的冷介质入口处、蒸发器的入口、蒸发器的出口和热交换器的入口处。
管道包括气管和液管，蒸发器出口至热交换器入口之间的管道为气管，热交换器出口至蒸发器入口的管路为液管。
本发明的第二个方面提供基于上述CO2热管冷却系统实现多模式切换的控制方法，包括以下步骤：
获取蒸发器入口和出口之间的压差ΔP，蒸发器的热介质入口温度T1、热交换器的冷介质入口温度T2、蒸发器的入口温度T3、蒸发器的出口温度T4和热交换器的入口温度T5，得到热管驱动温差ΔT1(＝T1-T2)，热管蒸发器进出口温差ΔT2(＝T4-T3)，气管的温差ΔT3(＝T5-T4)；
当热管驱动温差ΔT1≤第一设定值时，切换至蒸汽压缩制冷模式，该模式下压缩机及膨胀阀串联到CO2热管回路，液泵被旁通；
当驱动温差ΔT1＞第一设定值，且气管温差ΔT3＞第三设定值时，切换至动力型热管制冷模式，该模式下压缩机及膨胀阀被旁通，液泵串联到CO2热管回路；
当驱动温差ΔT1＞第一设定值，且气管温差ΔT3≤第三设定值时，切换重力型热管制冷模式，该模式下压缩机、液泵及膨胀阀均被旁通。
蒸汽压缩制冷模式下，切换阀全开，第一控制阀及第四控制阀开启，第二控制阀、第三控制阀及第五控制阀关闭，压缩机及膨胀阀开启，液泵关闭。
动力型热管制冷模式下，切换阀全开，第二控制阀、第三控制阀及第五控制阀开启，第一控制阀及第四控制阀关闭，压缩机及膨胀阀关闭，液泵开启。
重力型热管制冷模式下，第一控制阀和第三控制阀关闭，第二控制阀、第四控制阀及第五控制阀开启，压缩机、液泵及膨胀阀关闭。
重力型热管制冷模式下，根据热管蒸发器进出口温差ΔT2和蒸发器出入口压差ΔP进行运行调节，具体为：
当ΔT2>第二设定值，则将切换阀开度减小设定值；
当ΔT2≤第二设定值，且ΔP波动幅度超过第四设定值时，将切换阀开度减小设定值；
当ΔT2≤第二设定值，且ΔP波动幅度不超过第四设定值时，无需调节切换阀。
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：
1、根据热管驱动温差、蒸发器进出口温差和气管温差，配合控制阀的动作使CO2热管冷却系统切换至不同的制冷循环模式，从而以冷却系统的负荷为依据，在不同的外界环境温度下切换至不同的制冷循环模式，提高冷却系统对不同环境的适应能力，实现部分时段的低能耗运行，既保证了全年不间断制冷的可靠性，又极大程度地利用了室外自然冷源。
2、CO2为天然制冷剂，传热性能好，流动损失小，与传统的氟利昂制冷剂相比，CO2的全球变暖潜能值(GWP)仅为1，且臭氧消耗潜能值(ODP)为0。系统以CO2为工质，既可以从根本上解决传统制冷剂对环境的污染问题，还可以达到更好的制冷效果。
3、系统既包括CO2热管制冷循环，还包括CO2跨临界蒸汽压缩制冷循环，区别于传统氟利昂工质的控制调节方法，不仅能够保证系统在不同负荷条件下的正常运行，还扩大了热管系统的负荷适应范围。
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模式切换的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模式切换的CO2热管冷却系统控制流程示意图；
图中：1蒸发器、2风机、3热交换器、4气管、5液管、6冷却管、7压缩机、8液泵、9膨胀阀、10气液分离器(10a第一气液分离器、10b第二气液分离器)、11控制阀(11a第一控制阀、11b第二控制阀、11c第三控制阀、11d第四控制阀、11e第五控制阀)、12切换阀、13温度传感器(13a第一温度传感器、13b第二温度传感器、13c第三温度传感器、13d第四温度传感器、13e第五温度传感器)、14压差传感器。
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，以CO2为介质的冷却系统存在多种制冷循环方式，例如蒸汽压缩制冷、动力型热管制冷及重力型热管制冷，不同的制冷循环方式下运行了不同的设备，具有不同的热效率，相应的，不同的制冷循环模式需要的能耗和能够适应的环境温度均存在差别，目前针对数据中心服务器使用CO2为介质的冷却系统大部分采用单一的制冷循环模式，无法适应范围更大的环境温度，在一些特定工况存在性能不足或能源浪费的情况。
因此，以下实施例给出了一种多模式切换的CO2热管冷却系统及控制方法，根据热管驱动温差、蒸发器进出口温差和气管温差使CO2热管冷却系统切换至不同的制冷循环模式，从而以冷却系统的负荷为依据，在不同的外界环境温度下切换至不同的制冷循环模式，提高冷却系统对不同环境的适应能力，实现部分时段的低能耗运行。
实施例一：
如图1所示，多模式切换的CO2热管冷却系统，包括蒸发器1，蒸发器1顶部通过管道连接压缩机7的入口，压缩机7的出口通过管道连接热交换器3入口，热交换器3出口通过管道连接液泵8的入口，液泵8的出口与膨胀阀9的入口连接，膨胀阀9的出口与蒸发器1底部连接。
管道包括气管4和液管5，蒸发器1出口至热交换器3入口之间的管道为气管4，热交换器3出口至蒸发器1入口的管路为液管5。
热交换器3与冷却管6连接，冷却管6用于向热交换器3输送冷却介质，冷却介质可以为水、空气或任意一种已知的介质。
压缩机7的入口和液泵8的入口均连接气液分离器10；具体的，压缩机7的入口连接第二气液分离器10b，液泵8的入口连接第一气液分离器10a。
蒸发器1出口管道上设有切换阀12。
与压缩机7连接的气液分离器入口连接第一控制阀11a。
第一控制阀11a的入口和压缩机7的出口分别连接第二控制阀11b的两端形成旁路。
与液泵8连接的气液分离器入口连接第三控制阀11c。
第三控制阀11c的入口和液泵8的出口分别连接第四控制阀11d的两端形成旁路。
膨胀阀9的出入口分别连接第五控制阀11e的两端形成旁路。
还具有压差传感器14，设置在蒸发器1的入口和出口，分获取蒸发器1入口和出口之间的压差ΔP。
还具有温度传感器13，分别位于蒸发器1的热介质入口处、热交换器3的冷介质入口处、蒸发器1的入口、蒸发器1的出口和热交换器3的入口处；具体的：
第一温度传感器13a位于蒸发器1的热介质入口处，获取蒸发器1的进风温度T1；
第二温度传感器13b位于热交换器3的冷介质入口处，获取热交换器3的进风温度或进水温度T2；
第三温度传感器13c位于蒸发器1的入口处，获取蒸发器1CO2工质的入口温度T3；
第四温度传感器13d位于蒸发器1的出口处，获取蒸发器1CO2工质的出口温度T4；
第五温度传感器13e位于热交换器3的入口处，获取热交换器3入口温度T5。
本实施例中，切换阀12和控制阀11不限制具体的阀门类型，例如切换阀12可以为球阀，控制阀11可以为截止阀。
本实施例中，热交换器3既能够作为气体冷却器，也能够操作为热管冷凝器，压缩机开启时，CO2热管制冷系统处于跨临界模式，此时的热交换器作为气体冷却器；压缩机关闭时，CO2热管制冷系统处于亚临界模式，此时热交换器操作为热管冷凝器。
本实施例中，蒸发器1采用翅片管式换热器，热交换器3根据冷却介质的类型进行选择，冷却介质为冷空气时采用翅片管式换热器，冷却介质为冷水时采用板式换热器或套管式换热器。
上述系统根据热管驱动温差ΔT1(＝T1-T2)、蒸发器进出口温差ΔT2(＝T4-T3)和气管温差ΔT3(＝T5-T4)，通过控制阀11及切换12的动作，使CO2热管冷却系统在蒸汽压缩制冷模式、动力型热管制冷模式和重力型热管制冷模式之间切换。
蒸汽压缩制冷模式具体为：压缩机7及膨胀阀9串联到CO2热管回路，液泵8被旁通，旁通状态下，CO2工质不经过液泵8，同时液泵8不运行；
动力型热管制冷模式具体为：液泵7串联到CO2热管回路，压缩机6及膨胀阀8被旁通，旁通状态下，CO2工质不经过压缩机6及膨胀阀8，同时压缩机6及膨胀阀8不运行；
重力型热管制冷模式具体为：压缩机6、液泵7及膨胀阀8均被旁通，CO2工质均不经过上述设备，且不运行。
实施例二：
如图2所示，本实施例提供多模式切换的CO2热管冷却系统的控制方法，基于实施例一的系统实现，包括以下步骤：
获取蒸发器1入口和出口之间的压差，蒸发器1的热介质入口处、热交换器3的冷介质入口处、蒸发器1的入口、蒸发器1的出口和热交换器3的入口处的温度；即获取ΔP、T1、T2、T3、T4和T5；
计算热管驱动温差ΔT1(＝T1-T2)，计算热管蒸发器进出口温差ΔT2(＝T4-T3)，计算气管的温差ΔT3(＝T5-T4)；
根据ΔP、ΔT1、ΔT2和ΔT3进行CO2热管制冷系统的控制调节，具体包括：
当热管驱动温差≤第一设定值时，分离式热管不能正常启动，此时开启蒸汽压缩制冷模式，此时压缩机6及膨胀阀8串联到CO2热管回路，液泵7被旁通，具体为：
当ΔT1≤第一设定值，开启蒸汽压缩制冷模式，切换阀12全开，第一控制阀11a及第四控制阀11d开启，第二控制阀11b、第三控制阀11c及第五控制阀11e关闭，压缩机7及膨胀阀9开启，液泵8关闭。
当驱动温差＞第一设定值，且气管温差＞第三设定值时，开启动力型热管制冷模式，此时压缩机6及膨胀阀8被旁通，液泵8串联到CO2热管回路；具体为：
当ΔT1＞第一设定值，且ΔT3>第三设定值，此时开启动力型热管制冷模式，切换阀12全开，第二控制阀11b、第三控制阀11c及第五控制阀11e开启，第一控制阀11a及第四控制阀11d关闭，压缩机7及膨胀阀9关闭，液泵8开启。
当驱动温差＞第一设定值，且气管温差≤第三设定值时，开启重力型热管制冷模式，此时压缩机6、液泵7及膨胀阀8均被旁通，具体为：
当ΔT1＞第一设定值，且ΔT3≤第三设定值，此时开启重力型热管制冷模式，第一控制阀11a和第三控制阀11c关闭，第二控制阀11b、第四控制阀11d及第五控制阀11e开启，压缩机7、液泵8及膨胀阀9关闭；
继续根据ΔT2和ΔP进行重力型热管制冷模式下的运行调节，具体为：
a)当ΔT2>第二设定值，判断热管未正常启动，则将切换阀12开度调小10°；
b)当ΔT2≤第二设定值，且ΔP波动幅度超过第四设定值时，判断热管系统处于波动运行状态，则将切换阀开度调小10°；
c)当ΔT2≤第二设定值，且ΔP波动幅度不超过第四设定值时，判断热管正常运行，无需调节切换阀12。
根据经验值，由于第一设定值受室外冷源形式、负荷条件以及系统设计情况等因素的影响，因此第一设定值视具体情况而定，第二设定值与第三设定值均取0.5℃，第四设定值取0.2kpa。
蒸汽压缩制冷模式下：热管蒸发器吸收室内空气或机柜排风的热量，热管内CO2工质升温汽化后进入压缩机，在压缩机内压力增加后进入热交换器，与冷却空气或冷水交换热量，CO2在热交换器内放热后变为高压低温工质，之后经膨胀阀降压后流回热管蒸发器，进行下一次循环。期间高压放热过程在临界点之上的超临界区域内，低压吸热过程在亚临界区域内。
动力型热管制冷模式下：热管蒸发器吸收室内空气或机柜排风的热量，热管内CO2工质吸热沸腾后受到液泵产生的驱动力的推动，通过气管流入热管冷凝器，在冷凝器内被冷却空气或冷水放热冷凝后，又受到驱动力的推动，经液管流回至热管蒸发器，进行下一次循环。
重力型热管制冷模式下：热管蒸发器吸收室内空气或机柜排风的热量，热管内CO2工质吸热沸腾，部分或全部CO2变为气体，密度减小，经气管流入热管冷凝器，在冷凝器内被冷却空气或冷水放热冷凝，部分或全部CO2变为液体，密度升高，经液管流回热管蒸发器，进行下一次循环。
重力型热管制冷模式在制冷过程中由于不需要液泵和压缩机运行为工质提供循环所需的动力，因此不产生任何能耗，在室外温度较低的环境下，可以最大程度地降低制冷系统的能耗，适用于负荷不高的场景。
当实际负荷过大超过热管的传热极限时，管内因工质循环流量不足会出现过热或过冷，影响热管的传热效率和安全运行，此时切换至动力型热管制冷模式，由液泵为热管提供额外的驱动力，增大管内工质循环流量，从而提高了热管系统对于较大负荷的适应能力。
当室外温度较高时，会出现热管驱动温差较小甚至为负值的情况，此时切换至蒸汽压缩制冷模式，由压缩机提供工质循环的动力，虽然能效比热管制冷模式低，但保证了制冷系统在恶劣条件下的可靠运行。
通过三种制冷模式的切换运行，既保证了全年不间断制冷的可靠性，又极大程度地利用了室外自然冷源，实现了部分时段的低能耗运行，冷却系统通过工质将室内的热量转移至室外，则能够根据室外的环境温度切换至适合的制冷循环模式，从而实现节能。
CO2为天然制冷剂，传热性能好，流动损失小，与传统的氟利昂制冷剂相比，CO2的全球变暖潜能值(GWP)仅为1，且臭氧消耗潜能值(ODP)为0。系统以CO2为工质，既可以从根本上解决传统制冷剂对环境的污染问题，还可以达到更好的制冷效果。
系统既包括CO2热管制冷循环，还包括CO2跨临界蒸汽压缩制冷循环，区别于传统氟利昂工质的控制调节方法，不仅能够保证系统在不同负荷条件下的正常运行，还扩大了热管系统的负荷适应范围。
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 (9)

1.基于CO2热管冷却系统实现多模式切换的控制方法，其特征在于：
包括CO2热管冷却系统，所述CO2热管冷却系统包括蒸发器，蒸发器顶部通过管道连接压缩机的入口，压缩机的出口通过管道连接热交换器入口，热交换器出口通过管道连接液泵的入口，液泵的出口与膨胀阀的入口连接，膨胀阀的出口与蒸发器底部连接；
压缩机的入口和液泵的入口均连接气液分离器；蒸发器出口的管道上设有切换阀；与压缩机连接的气液分离器入口连接第一控制阀；第一控制阀的入口和压缩机的出口分别连接第二控制阀的两端形成旁路；与液泵连接的气液分离器入口连接第三控制阀；第三控制阀的入口和液泵的出口分别连接第四控制阀的两端形成旁路；膨胀阀的出入口分别连接第五控制阀的两端形成旁路；
控制方法包括以下步骤：
获取蒸发器入口和出口之间的压差ΔP，蒸发器的热介质入口温度T1、热交换器的冷介质入口温度T2、蒸发器的入口温度T3、蒸发器的出口温度T4和热交换器的入口温度T5，得到热管驱动温差ΔT1(＝T1-T2)，热管蒸发器进出口温差ΔT2(＝T4-T3)，气管的温差ΔT3(＝T5-T4)；
当热管驱动温差ΔT1≤第一设定值时，切换至蒸汽压缩制冷模式，该模式下压缩机及膨胀阀串联到CO2热管回路，液泵被旁通；
当驱动温差ΔT1＞第一设定值，且气管温差ΔT3＞第三设定值时，切换至动力型热管制冷模式，该模式下压缩机及膨胀阀被旁通，液泵串联到CO2热管回路；
当驱动温差ΔT1＞第一设定值，且气管温差ΔT3≤第三设定值时，切换重力型热管制冷模式，该模式下压缩机、液泵及膨胀阀均被旁通。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：蒸汽压缩制冷模式下，切换阀全开，第一控制阀及第四控制阀开启，第二控制阀、第三控制阀及第五控制阀关闭，压缩机及膨胀阀开启，液泵关闭。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：动力型热管制冷模式下，切换阀全开，第二控制阀、第三控制阀及第五控制阀开启，第一控制阀及第四控制阀关闭，压缩机及膨胀阀关闭，液泵开启。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：重力型热管制冷模式下，第一控制阀和第三控制阀关闭，第二控制阀、第四控制阀及第五控制阀开启，压缩机、液泵及膨胀阀关闭。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：重力型热管制冷模式下，根据热管蒸发器进出口温差ΔT2和蒸发器出入口压差ΔP进行运行调节，具体为：
当ΔT2>第二设定值，则将切换阀开度减小设定值；
当ΔT2≤第二设定值，且ΔP波动幅度超过第四设定值时，将切换阀开度减小设定值；
当ΔT2≤第二设定值，且ΔP波动幅度不超过第四设定值时，无需调节切换阀。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述热交换器与冷却管连接，冷却管用于向热交换器输送冷却介质。
7.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述管道包括气管和液管，蒸发器出口至热交换器入口之间的管道为气管，热交换器出口至蒸发器入口的管路为液管。
8.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还具有压差传感器，设置在蒸发器的入口和出口，获取蒸发器入口和出口之间的压差。
9.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还具有温度传感器，分别位于蒸发器的热介质入口处、热交换器的冷介质入口处、蒸发器的入口、蒸发器的出口和热交换器的入口处。
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