CN116717953A - 一种闭环相变冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种闭环相变冷却系统，包括冷凝换热子系统、闭环冷却子系统和散热子系统，闭环冷却子系统内设有循环流动的冷却工质，闭环冷却子系统与冷凝换热子系统进行换热连接，闭环冷却子系统与散热子系统进行换热连接，冷却工质在第一换热管路中吸收冷凝换热子系统的热量并进行气化，冷却工质在第二换热管路中释放热量并进行液化。冷却工质在与冷凝换热子系统换热过程中通过相变吸收潜热，提高单位质量冷却工质的吸热能力，且冷却工质在循环换热过程中不与外界物质直接接触，构成一闭环循环系统，不会给冷凝换热子系统带来杂质，保证系统运行稳定性，降低维修成本，运行功耗低，换热效率高，受环境温度变化影响小。

Description

一种闭环相变冷却系统

技术领域

本发明属于热交换设备技术领域，尤其涉及一种闭环相变冷却系统。

背景技术

以采用水冷冷凝器的制冷系统为例，冷却水吸收了冷凝换热器中的热量后，再在散热水塔中进行开式的空气换热，进而循环利用。由于冷却水直接与空气接触，冷却水在与冷凝换热器的换热接触中会由于空气中的杂质导致在管路和换面上形成污垢，影响换热效率，设备维护成本大。

另外地，在换热过程中由于冷却水只是进行显热换热，不会发生相变，为了提高冷却水吸收的热量，在一定的换热温差下，只能通过加大冷却水的循环流量，因此需要配套大功率水泵，能耗大，整体散热设备体积大，造价高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种闭环相变冷却系统，解决了现有技术中冷却水容易在冷凝换热器上形成污垢的问题，也克服了换热效果依赖大功率水泵的缺陷。

本发明提供一种闭环相变冷却系统，包括冷凝换热子系统、闭环冷却子系统和散热子系统，所述闭环冷却子系统内设有循环流动的冷却工质，所述闭环冷却子系统与所述冷凝换热子系统进行换热连接，所述闭环冷却子系统与所述散热子系统进行换热连接，所述冷却工质在第一换热管路中吸收冷凝换热子系统的热量并进行气化，所述冷却工质在第二换热管路中释放热量并进行液化。

在一些实施例中，所述闭环冷却子系统包括循环泵、气液分离器和散热换热器，所述气液分离器包括第一液管、第二液管、第一气管和第二气管，所述第一液管和第一气管分别与所述冷凝换热子系统连接，所述第二液管和第二气管分别与所述散热换热器连接，所述散热换热器与所述散热子系统换热连接，所述循环泵设于所述第一液管、第二液管、第一气管和第二气管中的任意一根管上。

在一些实施例中，所述第一气管包括出口端，所述出口端正对于所述气液分离器的内壁，所述出口端呈斜口切面。

在一些实施例中，所述第二气管上设有压力调节阀。

在一些实施例中，还包括储液器，所述储液器连接于第一液管，所述储液器设于所述气液分离器与冷凝换热子系统之间。

在一些实施例中，所述储液器还通过旁通管路连接于第二液管，所述旁通管路设有第一截止阀。

在一些实施例中，所述储液器通过第三液管与所述冷凝换热子系统连接，所述第三液管设有辅助循环泵和第二截止阀。

在一些实施例中，所述第一液管、第二液管、第一气管、第二气管、第三液管和旁通管路中至少有一根管路上设有压力传感器。

在一些实施例中，所述散热子系统包括散热风机，所述散热换热器为翅片换热器，所述散热风机与所述散热换热器进行换热连接。

在一些实施例中，所述散热子系统包括冷却水塔、冷却风机、冷却水循环泵，所述冷却水循环泵和冷却水塔通过管路与散热换热器连接，所述散热子系统内设有循环流动的散热工质，所述冷却风机与所述冷却水塔进行换热连接。

本发明的有益效果：

因此，根据本公开实施例，针对需要释放出热量的冷凝换热子系统，通过一闭环冷却子系统吸收其热量，其中闭环冷却子系统中的冷却工质在与冷凝换热子系统换热过程中通过相变吸收潜热，提高单位质量冷却工质的吸热能力，且冷却工质在循环换热过程中不与外界物质直接接触，构成一闭环循环系统，不会给冷凝换热子系统带来杂质，保证系统运行稳定性，降低维修成本，运行功耗低，换热效率高，且受环境温度变化影响小。

在气液分离器与散热换热器连接的第二气管上设置压力调节阀，控制闭环冷却子系统内的压力，由于冷却工质的蒸发压力与蒸发温度为一一对应关系，进而控制与冷凝换热子系统进行换热的蒸发温度，以适应不同热负荷下的换热量要求。

在气液分离器与冷凝换热子系统之间设置储液器，用于存储纯液态的冷却工质，提供一个更稳定的冷却工质存储状态，且根据实际换热需求，配合旁通管路上的第一截止阀和第三液管上的辅助循环泵、第二截止阀，以调整向冷凝换热子系统输送冷却工质的供液量，以满足大热负荷情况下的需求。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明公开的一种闭环相变冷却系统在一种实施方式下的结构示意图。

图2是本发明公开的一种闭环相变冷却系统在另一种实施方式下的结构示意图。

图3是本发明公开的一种闭环相变冷却系统在再一种实施方式下的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

申请人研究发现：

在传统的工业设备或者中央空调中，特别是采用水冷冷凝器的制冷系统中，常用的冷凝换热器包括但不仅限于盘管式、管壳式、板式、套管式等，从制冷系统高压端排出的高温气态工质进入冷凝换热器的一侧流道，而来自冷却水泵的冷却水流入冷凝换热器的另一侧流道，吸收高温工质的热量后，在冷却水泵的推动下流进与之配套的散热水塔与空气换热，降低水温后冷却水循环使用。因为冷却水在散热过程中直接与空气接触，冷却水中会混入一些杂质，逐渐地，在管路及换热面上会形成污垢，随着污垢的积累会严重降低换热效率。另外地，这种换热方式，冷却水只是进行显热换热,不会发生相变，为了提高冷却水吸收的热量，在一定的换热温差下，只能通过加大冷却水的循环流量，因此需要配套大功率水泵，能耗大，整体散热设备体积大，造价高。

而蒸发式冷却技术作为一种利用流体沸腾时的汽化潜热的制冷新技术，在近些年一直得到不断发展，根据蒸发冷却技术制造的蒸发冷凝机组在各个领域有着越来越广泛的应用前景。由于流体的汽化潜热比流体的比热大很多，因此蒸发冷凝机组的蒸发冷却的冷却效果非常显著。以水作为冷却液为例，传统水冷方式的冷却水从冷凝器吸热升温，一吨水升温5℃吸收的显热是5000大卡，而本发明如果采用水作为冷却液，在闭环管路中一吨水蒸发所吸收的潜热是571000大卡(压力0.01MPA，水温45度)，这将极大地提高冷凝器的效率，缩小冷凝换热系统的体积，并可以摆脱对大功率冷却水泵的依赖，降低系统功耗。

有鉴于此，第一方面，参照图1，在本公开的实施例中提供一种闭环相变冷却系统，包括冷凝换热子系统1、闭环冷却子系统2和散热子系统3，闭环冷却子系统2内设有循环流动的冷却工质6，闭环冷却子系统2与冷凝换热子系统1进行换热连接，闭环冷却子系统2与散热子系统3进行换热连接，冷却工质6在第一换热管路中吸收冷凝换热子系统1的热量并进行气化，冷却工质6在第二换热管路中释放热量并进行液化。

需要说明的是，冷凝换热子系统1中流通的是高温媒介，其是处于制冷循环中的其中一环，冷凝换热子系统1包括但不仅限于盘管式、管壳式、板式、板管式、套管式等，在本实施例中为管壳式水冷冷凝器，其中高温媒介侧和冷却工质侧是相互隔开独立的两个空间，通过第一换热管路隔开，在第一换热管路的两侧分别为高温媒介和冷却工质6，此第一换热管路具有带有螺纹铜管壁面的换热面，冷却工质6在冷凝换热子系统1内吸收高温媒介的热量并进行蒸发气化，发挥其潜热，气化后的冷却工质6通过在闭环冷却子系统2中循环至第二换热管路，并释放热量进行液化，重新变成液态，以便循环换热使用。其中冷却工质6可以为水，也可以为其他在较低压力下具有较低沸点的物质。

在本实施例中，闭环冷却子系统2包括循环泵21、气液分离器22和散热换热器23，气液分离器22包括第一液管41、第二液管42、第一气管43和第二气管44，第一液管41和第一气管43分别与冷凝换热子系统1连接，第二液管42和第二气管44分别与散热换热器23连接，散热换热器23与散热子系统3换热连接，循环泵21设于第一液管41、第二液管42、第一气管43和第二气管44中的任意一根管上。

第一液管41伸进气液分离器22中的下部，从下部抽取纯液态的冷却工质6，换热气化后的冷却工质6从第一气管43返回至气液分离器22中，其中第一气管43包括出口端，出口端正对于气液分离器22的内壁，当热负荷比较小，液态的冷却工质6蒸发不完全，返回气液分离器22时还夹带有液态冷却工质6时，可通过气液两相的冷却工质6与气液分离器22的内壁的碰撞，使得液态冷却工质6沿着内壁面向下流，并进行重复利用，而气态冷却工质6则碰撞后弥漫于气液分离器22中，其中，出口端呈斜口切面，为了防止第一气管43与气液分离器22内壁堵死的情况，保证装配正常可靠。

气态冷却工质6再从第二气管44中流至散热换热器23，在散热子系统3的作用下，气态冷却工质6释放出热量，并液化成液态，液态冷却工质6在通过第二液管42流至气液分离器22中，其中循环泵21提供冷却工质6的流动驱动力，循环泵21可连接于第一液管41。

参照图2，作为一种实施方式，第二气管44上设有压力调节阀7，本压力调节阀7可为电子膨胀阀，具有多级开度，根据流量需要调整压力调节阀7的开度。

作为一种实施方式，闭环冷却子系统2包括真空泵，利用真空泵可以调节闭环冷却子系统2中闭环管路的气压，进而调整冷却工质6的蒸发温度或冷凝温度。

参照图2，在本实施例中，还包括储液器5，储液器5连接于第一液管41，储液器5设于气液分离器22与冷凝换热子系统1之间，用于存储纯液态的冷却工质6，提供一个更稳定的冷却工质6存储状态。

参照图3，作为一种实施方式，储液器5还通过旁通管路51连接于第二液管42，旁通管路51设有第一截止阀52，储液器5通过第三液管53与冷凝换热子系统1连接，第三液管53设有辅助循环泵54和第二截止阀55；根据实际换热需求，配合旁通管路51上的第一截止阀52和第三液管53上的辅助循环泵54、第二截止阀55，以调整向冷凝换热子系统1输送冷却工质6的供液量，以满足大热负荷情况下的需求。

在本实施例中，第一液管41、第二液管42、第一气管43、第二气管44、第三液管53和旁通管路51中至少有一根管路上设有压力传感器，以采集各个位置上的工作压力。

作为一种实施方式，散热子系统3包括散热风机，散热换热器23为翅片换热器，散热风机与散热换热器23进行换热连接，散热换热器23直接通过散热风机进行散热，利用空气强制换热带走散热换热器23内冷却工质6的热量，属于空气和冷却工质6的热交换，适合较小型制冷设备。

作为一种实施方式，散热换热器为板管换热器或列管换热器，采用水冷冷却的方式，带走冷却工质6的热量。

参照图1，作为另一种实施方式，散热子系统3包括冷却水塔31、冷却风机32、冷却水循环泵33，冷却水循环泵33和冷却水塔31通过管路与散热换热器23连接，散热子系统3内设有循环流动的散热工质，冷却风机32与冷却水塔31进行换热连接；此散热工质可为水，这种方式为水和冷却工质6的热交换，水在吸取温度后在冷却水塔31中通过冷却风机32实现降温，然后冷却水循环泵33再提供循环驱动力，适合大型制冷设备。

第二方面，本公开的实施例中还提供一种闭环相变冷却控制方法，

获取控制信号；

当控制信号为冷凝热负荷过大时，控制第二气管44上的压力调节阀7增大开度；

当控制信号为冷凝热负荷过小时，控制第二气管44上的压力调节阀7关小开度。

由于环境温度等因素的变化，冷凝换热子系统1对于冷凝热负荷的需求也在随时变化，例如在夏季，需要大制冷量，冷凝热负荷也相应增大，此时通过增大压力调节阀7的开度，增大流通量后，节流效果减小，压差减少，则气液分离器22内的压力会下降，则与冷凝换热子系统1进行换热的冷却工质6蒸发温度也会下降，通过构建更大的换热温差，及时吸收冷凝换热子系统1中的热量，以适应实际需要。同理的，在春秋等季节，冷凝热负荷也相应减小，此时通过减小压力调节阀7的开度，减少流通量后，节流效果增大，压差变大，则气液分离器22内的压力会上升，则与冷凝换热子系统1进行换热的冷却工质6蒸发温度也会上升，提高冷凝换热子系统1中的冷凝温度有助于摆脱低压差运行状态，提高系统可靠性。

在本实施例中，采集制冷回路中的冷凝压力值和蒸发压力值，并计算压差值；

若冷凝压力和/或压差值大于设定值，则输出冷凝热负荷过大的控制信号；

若冷凝压力和/或压差值小于设定值，则输出冷凝热负荷过小的控制信号。

其中冷凝压力和压差值可以至参考其中一个，也可以两个均参考，以判断目前的冷凝热负荷水平。

作为一种实施方式，当控制信号为冷凝热负荷过大时，还控制散热子系统3提高散热功率、控制循环泵21增大水循环流量；还可同时控制旁通管路51上的第一截止阀52开启，并控制辅助循环泵54和第二截止阀55开启；在此模式下，尽可能增大换热的冷却工质6流量，当一个循环泵21流通量不够时，还可开启辅助循环泵54，从储液器5中分别引出两条液管，同时向冷凝换热子系统1中供液，以争取在冷凝换热子系统1中冷却工质6尽可能均为气化过程，避免气化过热段过长。

当控制信号为冷凝热负荷过小时，还控制散热子系统3降低散热功率、控制循环泵21减小水循环流量。

另外根据散热子系统3的结构形式，如果是散热风机的形式，则通过增大散热风机的转速，以提高散热功率；如果是冷却水塔31的形式，则通过增大冷却风机32、冷却水循环泵33的转速，以提高散热功率；反之则为降低散热功率的方式。

相对于现有技术，本发明提供一种闭环相变冷却系统及控制方法，针对需要释放出热量的冷凝换热子系统1，通过一闭环冷却子系统2吸收其热量，其中闭环冷却子系统2中的冷却工质6在与冷凝换热子系统1换热过程中通过相变吸收潜热，提高单位质量冷却工质6的吸热能力，且冷却工质6在循环换热过程中不与外界物质直接接触，构成一闭环循环系统，不会给冷凝换热子系统1带来杂质，保证系统运行稳定性，降低维修成本，运行功耗低，换热效率高，且受环境温度变化影响小。

在气液分离器22与散热换热器23连接的第二气管44上设置压力调节阀7，控制闭环冷却子系统2内的压力，由于冷却工质6的蒸发压力与蒸发温度为一一对应关系，进而控制与冷凝换热子系统1进行换热的蒸发温度，以适应不同热负荷下的换热量要求。

在气液分离器22与冷凝换热子系统1之间设置储液器5，用于存储纯液态的冷却工质6，提供一个更稳定的冷却工质6存储状态，且根据实际换热需求，配合旁通管路51上的第一截止阀52和第三液管53上的辅助循环泵54、第二截止阀55，以调整向冷凝换热子系统1输送冷却工质6的供液量，以满足大热负荷情况下的需求。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种闭环相变冷却系统，其特征在于，包括冷凝换热子系统、闭环冷却子系统和散热子系统，所述闭环冷却子系统内设有循环流动的冷却工质，所述闭环冷却子系统与所述冷凝换热子系统进行换热连接，所述闭环冷却子系统与所述散热子系统进行换热连接，所述冷却工质在第一换热管路中吸收冷凝换热子系统的热量并进行气化，所述冷却工质在第二换热管路中释放热量并进行液化。

2.如权利要求1所述的一种闭环相变冷却系统，其特征在于，所述闭环冷却子系统包括循环泵、气液分离器和散热换热器，所述气液分离器包括第一液管、第二液管、第一气管和第二气管，所述第一液管和第一气管分别与所述冷凝换热子系统连接，所述第二液管和第二气管分别与所述散热换热器连接，所述散热换热器与所述散热子系统换热连接，所述循环泵设于所述第一液管、第二液管、第一气管和第二气管中的任意一根管上。

3.如权利要求2所述的一种闭环相变冷却系统，其特征在于，所述第一气管包括出口端，所述出口端正对于所述气液分离器的内壁，所述出口端呈斜口切面。

4.如权利要求2所述的一种闭环相变冷却系统，其特征在于，所述第二气管上设有压力调节阀。

5.如权利要求2所述的一种闭环相变冷却系统，其特征在于，还包括储液器，所述储液器连接于第一液管，所述储液器设于所述气液分离器与冷凝换热子系统之间。

6.如权利要求5所述的一种闭环相变冷却系统，其特征在于，所述储液器还通过旁通管路连接于第二液管，所述旁通管路设有第一截止阀。

7.如权利要求6所述的一种闭环相变冷却系统，其特征在于，所述储液器通过第三液管与所述冷凝换热子系统连接，所述第三液管设有辅助循环泵和第二截止阀。

8.如权利要求7所述的一种闭环相变冷却系统，其特征在于，所述第一液管、第二液管、第一气管、第二气管、第三液管和旁通管路中至少有一根管路上设有压力传感器。

9.如权利要求2至8任一项所述的一种闭环相变冷却系统，其特征在于，所述散热子系统包括散热风机，所述散热换热器为翅片换热器，所述散热风机与所述散热换热器进行换热连接。

10.如权利要求2至8任一项所述的一种闭环相变冷却系统，其特征在于，所述散热子系统包括冷却水塔、冷却风机、冷却水循环泵，所述冷却水循环泵和冷却水塔通过管路与散热换热器连接，所述散热子系统内设有循环流动的散热工质，所述冷却风机与所述冷却水塔进行换热连接。