1800 kW方艙式集中液冷源冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫之虎，袁哲，鄭榮波

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥，230031）

在全球疫情條件下，大型方艙醫(yī)院的建設(shè)與使用得到廣泛關(guān)注，方艙醫(yī)院所使用的中央環(huán)控系統(tǒng)的需求量亦隨之提高。與此同時(shí)，隨著全球5G 移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，大型可移動(dòng)電子設(shè)備的散熱問(wèn)題成為冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)的主要熱點(diǎn)之一，陳恩等人設(shè)計(jì)了1500 kW電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)［1］，胡繼孫等人設(shè)計(jì)了多種車載可移動(dòng)式冷卻系統(tǒng)［2-5］。

本文針對(duì)1800 kW制冷量的使用要求，設(shè)計(jì)一種方艙式集中型液冷源系統(tǒng)，該液冷源系統(tǒng)可以滿足車載要求，具有很高的機(jī)動(dòng)性、靈活性，該系統(tǒng)為具有同等要求的液冷源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 主要技術(shù)要求

該類型液冷系統(tǒng)通常具有在較高環(huán)境溫度下考核制冷量的技術(shù)要求，同時(shí)受限于車載形式要求，液冷系統(tǒng)亦具有在不同環(huán)境溫度下采用不同制冷方式的技術(shù)要求。

根據(jù)前文所述，液冷系統(tǒng)的技術(shù)要求為：1）50 ℃環(huán)境溫度時(shí)，可提供1800 kW制冷量，供液溫度23±3 ℃；2）供液流量不小于270 m3/h，供液壓力≥0.7 Mpa，工作溫度：-40 ℃～+50 ℃；3）供電要求為三相三線380 V（±10 %），50 Hz（±5 %），最大耗電功率不超過(guò)1000 kW；4）根據(jù)環(huán)境溫度高于/低于15 ℃，分別采用兩種制冷方式；5 ）空間尺寸要求為：12192×2438×2591（mm）。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)行流程

根據(jù)技術(shù)要求，液冷系統(tǒng)需在-40 ℃條件下正常工作，因此需選定低冰點(diǎn)溫度的乙二醇防凍液以防止管路結(jié)冰堵塞，初步擬選定某品牌65#防凍液，該防凍液冰點(diǎn)為：-65 ℃。

根據(jù)環(huán)境溫度要求，同時(shí)為了節(jié)約能源，初步設(shè)定液冷系統(tǒng)具備兩種工作模式：制冷模式、常規(guī)液冷模式。1）當(dāng)環(huán)境溫度低于15 ℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)選擇常規(guī)液冷模式，正常情況下從發(fā)熱設(shè)備出來(lái)的高溫冷卻液經(jīng)過(guò)水泵提供動(dòng)力，在換熱器中直接與空氣進(jìn)行熱交換，降溫后的冷卻液進(jìn)入設(shè)備吸收熱量，再成為高溫冷卻液；2）當(dāng)環(huán)境溫度高于15 ℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)選擇制冷模式，此時(shí)高溫冷卻液經(jīng)水泵提供動(dòng)力后，與制冷系統(tǒng)的板式蒸發(fā)器換熱，降溫后的冷卻液進(jìn)入設(shè)備吸收熱量，再成為高溫冷卻液。

如圖1所示，該液冷系統(tǒng)大致包括制冷系統(tǒng)和供液系統(tǒng)兩個(gè)部分：制冷系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、集成式換熱器、干燥過(guò)濾器、儲(chǔ)液器、膨脹閥、電磁閥、板式蒸發(fā)器以及制冷劑管路和管路附件，使用的制冷劑為R134a。供液系統(tǒng)包括三臺(tái)并聯(lián)的水泵（其中一臺(tái)為備用泵）、一個(gè)儲(chǔ)水柜、一個(gè)膨脹水箱、一臺(tái)加液泵、一個(gè)外掛水箱、電磁閥、流量計(jì)以及管路及管路附件。液冷系統(tǒng)在水泵入口端設(shè)有穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的膨脹罐，同時(shí)加液泵與外掛水箱可在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)液，進(jìn)一步防止因系統(tǒng)缺液導(dǎo)致的設(shè)備故障。

圖1 液冷系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖

2.2 設(shè)計(jì)與選型

2.2.1 壓縮機(jī)選型

零部件的選型設(shè)計(jì)第一步即為壓縮機(jī)選型，選型過(guò)程應(yīng)首先根據(jù)制冷循環(huán)系統(tǒng)的技術(shù)條件和空間結(jié)構(gòu)確定出壓縮機(jī)的種類形式，再根據(jù)制冷量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等選擇適當(dāng)?shù)膲嚎s機(jī)型號(hào)。

根據(jù)技術(shù)要求，液冷系統(tǒng)總制冷量1800 kW，初步設(shè)計(jì)分為兩個(gè)液冷源方艙，每個(gè)方艙包含10個(gè)制冷單元，單個(gè)制冷量90 kW，設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度10 ℃，冷凝溫度60 ℃。根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，選用兩臺(tái)某型號(hào)谷輪渦旋壓縮機(jī)并聯(lián)組合，該壓縮機(jī)在60 ℃冷凝溫度、7 ℃蒸發(fā)溫度時(shí)制冷量可達(dá)46 kW。

2.2.2 集成式換熱器設(shè)計(jì)

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，液冷系統(tǒng)具備兩種運(yùn)行模式：制冷模式、常規(guī)液冷模式，兩種運(yùn)行模式下都有需要與空氣換熱的需求，即冷凝與常規(guī)冷卻。一般情況下需設(shè)計(jì)兩套換熱器，本機(jī)柜為了降低設(shè)備重量、優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)，現(xiàn)將兩套換熱器合并為一套集成式換熱器。集成式換熱器是冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，該部件具備兩種功能：在常規(guī)液冷模式下，冷卻液通過(guò)該換熱器與空氣直接換熱降溫；在制冷模式下，高溫高壓的氟利昂在該換熱器內(nèi)冷凝成液態(tài)，因此集成換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性直接影響冷卻機(jī)柜的總體性能［6］。

集成式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)該分為兩步：設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)首先確定換熱量、換熱介質(zhì)的物性參數(shù)，而后計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差，根據(jù)換熱量、對(duì)數(shù)平均溫差以及經(jīng)驗(yàn)總體換熱系數(shù)計(jì)算出換熱器初步結(jié)構(gòu)，包括銅管長(zhǎng)度、每排銅管數(shù)目、管排數(shù)等。進(jìn)而再設(shè)計(jì)出集成換熱器總體參數(shù):肋片間距、肋片厚度等，校核計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)換熱器具體結(jié)構(gòu)參數(shù)分別計(jì)算出銅管內(nèi)換熱系數(shù)、管外換熱系數(shù)，進(jìn)而根據(jù)導(dǎo)熱介質(zhì)的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、污垢熱阻、接觸熱阻等計(jì)算出總體換熱系數(shù)，此時(shí)應(yīng)注意總體換熱系數(shù)的合理取值范圍。最后根據(jù)換熱量、對(duì)流換熱溫差、總體換熱系數(shù)校核計(jì)算換熱器結(jié)構(gòu)尺寸，若不合適應(yīng)當(dāng)重新調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，重新校核直至校核參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)相接近或略小于設(shè)計(jì)參數(shù)。

經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算，最終確定集成式換熱器采用標(biāo)準(zhǔn)0.992 cm高效紫銅管，共9排呈正三角錯(cuò)排，其中6排銅管供制冷系統(tǒng)作冷凝器，3排銅管作為常規(guī)冷卻系統(tǒng)的常規(guī)換熱器使用，每排32根銅管，肋片采用薄鋁片，詳細(xì)參數(shù)如表1所示，在制冷模式和常規(guī)液冷模式下，設(shè)計(jì)換熱量均按60 kW計(jì)算，并且每個(gè)制冷單元包含兩塊集成式換熱器，空間布局呈“V”字型，如圖2所示。

表1 集成式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 集成式換熱器空間布局圖

2.2.3 其他部件選型

膨脹閥、干燥過(guò)濾器、儲(chǔ)液器、試液鏡以及管路球閥、電磁閥等制冷配件應(yīng)根據(jù)所設(shè)計(jì)的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和制冷量選擇合適的種類和型號(hào)。目前多家大型制冷配件公司紛紛推出所屬產(chǎn)品的選型軟件或選型網(wǎng)站，其中一部分甚至具有“虛擬展示”的效果，為設(shè)計(jì)選型帶來(lái)很大方便。表2列出了各制冷配件的選型信息。

表2 制冷配件信息表

供液系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)主要涉及管路與水泵的設(shè)計(jì)選型，同時(shí)由于風(fēng)機(jī)的選型思路與水泵大致相似，因此在此處一并介紹。

供液管路管徑大小應(yīng)根據(jù)技術(shù)要求的液體體積流量與設(shè)計(jì)手冊(cè)或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中要求的流速值確定，管路長(zhǎng)度可根據(jù)三維建模數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬測(cè)量，根據(jù)管徑、管長(zhǎng)和流速計(jì)算供液系統(tǒng)管路總阻力損失。此時(shí)，依據(jù)技術(shù)要求的供液壓力值設(shè)計(jì)出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)水泵的背壓與揚(yáng)程，進(jìn)而結(jié)合流量要求選出合適的水泵型號(hào)。風(fēng)機(jī)選型過(guò)程亦大致如此，不同的是風(fēng)阻的計(jì)算需要考慮集成換熱器與方艙進(jìn)氣格柵，同時(shí)應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是否存在“漏風(fēng)”等不良因素，導(dǎo)致集成式換熱器換熱效率降低。

針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的液冷源系統(tǒng)，表3給出了水泵與風(fēng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表3 水泵與風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 結(jié)構(gòu)布置

本文利用三維建模設(shè)計(jì)軟件做出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。從圖3中可以看出，所選購(gòu)的風(fēng)機(jī)頂置于集成式換熱器的相應(yīng)位置，可以在保證總風(fēng)量滿足要求的同時(shí)做到風(fēng)速均勻分布。艙內(nèi)管路多采用“橫平豎直”的直管段設(shè)計(jì)，這樣既可以減小管內(nèi)流體流動(dòng)阻力也可以降低設(shè)備的加工成本和難度。

圖3 液冷系統(tǒng)三維模型圖

3 電氣控制概述

3.1 控制模式

方艙內(nèi)配置一臺(tái)控制箱，該控制箱具有“自動(dòng)”/“手動(dòng)”兩種控制模式，在“自動(dòng)”控制模式下可實(shí)現(xiàn)機(jī)組全自動(dòng)“智能化”運(yùn)行，包括系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)液與排氣，無(wú)需人工操作；在“手動(dòng)”控制模式下應(yīng)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行原理依次開(kāi)啟水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等設(shè)備方可實(shí)現(xiàn)機(jī)組正常運(yùn)行。在通常情況下，機(jī)組應(yīng)處于“自動(dòng)”控制模式，而當(dāng)機(jī)組處于檢修、調(diào)試工況下，方需使用“手動(dòng)”模式。

3.2 參數(shù)控制

本系統(tǒng)所需控制的參數(shù)包括溫度和流量，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，首先采集方艙外環(huán)境溫度傳感器的測(cè)量值，判斷出應(yīng)使用常規(guī)液冷模式還是制冷模式。常規(guī)液冷模式下，壓縮機(jī)不運(yùn)行，當(dāng)供液溫度低于20 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)不工作，當(dāng)供液溫度高于20 ℃時(shí)，根據(jù)供液溫度與設(shè)定溫度之間的差值改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變換熱量。在制冷模式下，供液溫度低于23 ℃時(shí)，壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)暫不工作，僅啟動(dòng)水泵，供液溫度高于23 ℃時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)，冷卻液于板式蒸發(fā)器中被冷卻。

3.3 顯示與報(bào)警

本系統(tǒng)所包含的控制箱內(nèi)設(shè)有觸摸顯示屏，顯示數(shù)據(jù)包括：供液溫度、各支管路流量、壓縮機(jī)啟停狀態(tài)、各電磁閥開(kāi)度、各組風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)能百分比等，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均采可用數(shù)字與圖像兩種方式顯示，方便用戶直觀了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。報(bào)警項(xiàng)目主要有：供液溫度過(guò)高、供液溫度過(guò)低、各支路流量低、壓縮機(jī)故障等。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)記錄與報(bào)警功能可以在很大程度上為使用者日常工作提供方便。

4 結(jié)論

本文針對(duì)1800 kW制冷量需求設(shè)計(jì)了一種方艙式集中型液冷源系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了其設(shè)計(jì)方案與工作流程，給出了各零部件的設(shè)計(jì)思路或選型依據(jù)，明確了控制系統(tǒng)、顯示報(bào)警功能的設(shè)計(jì)方案。

本文所設(shè)計(jì)的液冷系統(tǒng)具有制冷模式和常規(guī)液冷模式，當(dāng)處于環(huán)境溫度較低的條件下時(shí)，只需開(kāi)啟水泵和風(fēng)機(jī)，省去壓縮機(jī)的耗電功率，為整車設(shè)備節(jié)約能源；同時(shí)設(shè)計(jì)了集成式換熱器，將制冷模式下的冷凝器和常規(guī)模式下的換熱器合二為一，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備重量。

系統(tǒng)內(nèi)部管路走向“橫平豎直”、簡(jiǎn)單明了，這樣的布局有利于降低管內(nèi)流體流動(dòng)阻力；降低系統(tǒng)組裝、維修的難度，同時(shí)可以為系統(tǒng)內(nèi)部留下充足的操作和維修空間。