重力式熱管空調(diào)機(jī)組運行特性試驗研究

王愛輝，羅高喬，汪韓送

（中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所,合肥 230043）

0 引言

信息機(jī)房空調(diào)耗能非常高，平均占了整個機(jī)房設(shè)備總耗電量的40%[1]，而熱管是一種簡易而高效的換熱裝置，將其用于電子計算機(jī)與數(shù)據(jù)處理機(jī)房，可滿足機(jī)房內(nèi)設(shè)備密度大、發(fā)熱量高，計算機(jī)系統(tǒng)對環(huán)境的溫、濕度及含塵濃度等要求。與普遍蒸汽壓縮式機(jī)房專用空調(diào)相比，熱管空調(diào)耗能小，尤其在冬季寒冷地區(qū)，發(fā)熱量大的機(jī)房，熱管空調(diào)節(jié)能效果更為出色[2]。對于我國北方地區(qū)來說，冬季及春秋過渡季節(jié)大部分時間內(nèi)的氣溫低于20℃，當(dāng)室外環(huán)境溫度低于室內(nèi)溫度時，若用室外冷空氣直接或間接冷卻機(jī)房[3]，停用壓縮式制冷機(jī)組，則可以在節(jié)約能源的同時延長壓縮式制冷機(jī)組的使用壽命[4]。為此，李奇賀等[5]對不同室內(nèi)外溫差下的熱管空調(diào)能效比進(jìn)行了研究；金鑫等[6]以室外環(huán)境平均溫度20℃為基礎(chǔ)，對分離式熱管空調(diào)運行COP 和節(jié)電率進(jìn)行了研究，但他們的研究中對熱管換熱特性的研究較少。

本文以室外溫差10℃為基礎(chǔ)，自行設(shè)計了一套重力式熱管空調(diào)系統(tǒng)，著重考慮不同的風(fēng)機(jī)風(fēng)量和不同的熱管結(jié)構(gòu)對熱管空調(diào)運行特性的影響。

1 工作原理

熱管機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)工作原理如圖1，它由室內(nèi)換熱芯、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、室外換熱芯、室外風(fēng)機(jī)及連接管組成，熱管式機(jī)房空調(diào)機(jī)組的風(fēng)系統(tǒng)由室內(nèi)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)和室外冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)組成。

機(jī)房內(nèi)熱空氣在熱側(cè)循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下流過熱管式空調(diào)機(jī)組的熱側(cè)，經(jīng)過降溫后被重新送入機(jī)房；室外冷風(fēng)循環(huán)為開式循環(huán)，室外冷空氣以室外散熱風(fēng)機(jī)為動力，流過熱管換熱器時帶走熱量。熱管機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組完全依靠重力為循環(huán)動力，利用室內(nèi)外的溫差及制冷劑吸熱（或放熱）的相變過程間接地將室內(nèi)的熱量排出室外，起到空調(diào)的作用，同時，室外冷風(fēng)流過室外換熱芯后流出，對基站內(nèi)的含濕量及潔凈度影響較小。

圖1 系統(tǒng)工作原理

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)點

對以上方案進(jìn)行芯體結(jié)構(gòu)設(shè)計，取冷熱側(cè)進(jìn)出口溫差10℃，采用整體式熱管設(shè)計方法[7]，設(shè)計傳熱量為4000 W，設(shè)計風(fēng)量為3500 m3/h。熱管選用R134a 為工質(zhì)，管殼為φ10×0.5 mm 的紫銅管，翅片為厚度0.15 mm 的波紋型整張鋁制套片。換熱管排數(shù)的計算公式如下：

式中：

Qh——設(shè)計傳熱量，W；

Δtm——換熱對數(shù)溫差，℃；

UH——總的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

n——換熱管排數(shù)；

L——熱管管長，m。

將設(shè)計的芯體組裝成機(jī)柜，安裝于機(jī)房有以下主要優(yōu)點：室內(nèi)外空氣相互獨立，避免了室內(nèi)外濕度的擴(kuò)散，減小了進(jìn)入機(jī)房的有害粒子，保證了機(jī)房的潔凈度；針對于基站空調(diào)室外機(jī)容易被盜的現(xiàn)象，該機(jī)組安裝在機(jī)房內(nèi)部，增加了機(jī)組的防盜能力。

3 試驗裝置

按照設(shè)計結(jié)果進(jìn)行試驗，圖2 為試驗裝置原理圖，環(huán)境1 為模擬室外溫度，環(huán)境2 為模擬機(jī)房溫度。試驗在合肥某12 kW 焓差實驗室內(nèi)進(jìn)行，主要測試環(huán)境1、環(huán)境2 的溫度、環(huán)境2 的熱風(fēng)到風(fēng)道的出口溫度和風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速。該實驗室的軟、硬件均由合肥通用機(jī)械研究院設(shè)計建造，達(dá)到了國家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了進(jìn)行對比，試驗中采用兩組熱管芯體，一組為設(shè)計的120 根，另一組為將設(shè)計換熱管擴(kuò)大1倍的240 根。由于進(jìn)行試驗的實驗室條件有限，環(huán)境1 冷風(fēng)流經(jīng)熱管后的出風(fēng)未能引出環(huán)境2，對試驗效果產(chǎn)生了一定的影響，另外，實驗室風(fēng)量最大值只能達(dá)到3200 m3/h，而此時的風(fēng)管承受能力很脆弱，所以，由于條件的限制，試驗風(fēng)量取為2800 m3/h。

圖2 試驗裝置系統(tǒng)

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 風(fēng)量與制冷量

在冷熱側(cè)進(jìn)風(fēng)溫差10℃時增大進(jìn)口風(fēng)量，樣機(jī)空調(diào)制冷量的變化情況如圖3 所示。從圖中可以看出，空調(diào)運行情況與設(shè)計結(jié)果符合的較好，在風(fēng)量3500 m3/h 時的制冷量可達(dá)到4000 W；另外，在維持冷熱側(cè)進(jìn)出口溫差一定的條件下，制冷量是隨進(jìn)口風(fēng)量的增加而增加的，但是，在風(fēng)量較小的情況下，風(fēng)量的增加對制冷量的影響較大，在風(fēng)量接近設(shè)計的風(fēng)量時，制冷量增長趨勢變得較平緩，此時再增大風(fēng)量，制冷量增大很小。

圖3 風(fēng)量對制冷量的影響

可以得出，在冷熱側(cè)溫差一定的情況下，確定結(jié)構(gòu)的熱管空調(diào)制冷量有一個最佳值，超過這個最佳值后風(fēng)量的增大對制冷量影響很小，而風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大需要更大的功率，也會產(chǎn)出更大的風(fēng)管阻力，所以，選取最佳風(fēng)量對系統(tǒng)的成本和運行費用都很重要。

4.2 熱管結(jié)構(gòu)與制冷量

為了研究熱管結(jié)構(gòu)不同對制冷量的影響，試驗中采用比設(shè)計管數(shù)擴(kuò)大一倍的熱管結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比試驗，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 溫差對制冷量的影響

圖4 為風(fēng)量為2800 m3/h 下冷熱側(cè)進(jìn)風(fēng)溫差變化對制冷量的影響情況。從圖中可以看出，制冷量隨著冷熱側(cè)進(jìn)風(fēng)溫差的增大而增大；增大換熱管數(shù)量可以使制冷量增加，但增加量有限，而且，這種增加隨著冷熱側(cè)進(jìn)風(fēng)溫差的增大而減小。

這說明在熱管空調(diào)中并不是熱管數(shù)量越多越好的，試驗數(shù)據(jù)顯示，在冷熱側(cè)進(jìn)風(fēng)溫差10℃下，熱管數(shù)量增加1 倍，制冷量只增加14%，而機(jī)組成本增加30%以上，這是很不經(jīng)濟(jì)的。所以，在設(shè)計的基礎(chǔ)上為了增大制冷量而增加熱管數(shù)量的方法是不夠?qū)嶋H的，合理的設(shè)計最為關(guān)鍵。

4.3 換熱器效率

換熱器效率是評價換熱機(jī)組性能的重要指標(biāo)，本機(jī)組采用顯熱傳熱，無相變送風(fēng)，故可用溫度效率指標(biāo)進(jìn)行評價，計算式[8]為：

式中：

ε——溫度效率；

t1——冷側(cè)空氣進(jìn)口溫度，℃；

t2——熱側(cè)空氣進(jìn)口溫度，℃；

t3——熱側(cè)空氣出口溫度，℃。

對試驗樣機(jī)保持冷熱側(cè)10℃溫差的情況下研究風(fēng)量變化對溫度效率的影響，結(jié)果如圖5 所示。由圖可見，溫度效率是隨著風(fēng)量的增大而減小的，但是從圖3 的結(jié)果來看，制冷量是增加的，這就是說風(fēng)量變化對溫度效率的具體大小影響較小，對制冷量的影響主要來源還是偏重于風(fēng)量的變化。

圖5 風(fēng)量對溫度效率的影響

5 結(jié)論

(1)該型熱管空調(diào)在冷熱側(cè)進(jìn)風(fēng)溫差10℃，風(fēng)量3500 m3/h 時的制冷量可達(dá)到4000 W，與設(shè)計結(jié)果符合的較好。

(2)空調(diào)制冷量是隨進(jìn)口風(fēng)量的增加而增大的，但在風(fēng)量較小的情況下，風(fēng)量的增加對制冷量的影響較大，在風(fēng)量接近設(shè)計的風(fēng)量時，制冷量增長趨勢變的較為平緩，此時再增大風(fēng)量，制冷量增大很小。

(3)在冷熱側(cè)進(jìn)風(fēng)溫差10℃下，熱管數(shù)量增加1倍，制冷量只增加14%，而機(jī)組成本增加30%以上，經(jīng)濟(jì)效益較差。

(4)確定冷熱側(cè)溫差的情況下，機(jī)組溫度效率隨著風(fēng)量的增大而減小，但風(fēng)量變化對溫度效率的具體值影響較小，制冷量的變化主要影響來源于風(fēng)量的差異。

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[2]田浩,劉曉華,江億.信息機(jī)房熱管空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].建筑科學(xué),2010,26(10):141-145.

[3]李長云.利用自然冷源進(jìn)行隔絕換熱的節(jié)能措施[J].電信技術(shù),2008,8:52-53.

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[5]李奇賀,黃虎,張忠斌.熱管式機(jī)房空調(diào)性能實驗研究[J].暖通空調(diào),2010,40(4):145-148.

[6]金鑫,瞿曉華,祁照崗,等.分離式熱管型機(jī)房空調(diào)性能實驗研究[J].暖通空調(diào),2011,41(9):133-136.

[7]莊俊,張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[8]錢頌文.換熱器設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.