直接蒸发冷却（精选7篇）
直接蒸发冷却 篇1
0 引言
蒸发冷却是一项利用水蒸发吸热制冷的技术。由于蒸发冷却空调可以最大限度地使用室外新风, 而且在合理应用的条件下基本可以满足舒适性空调的要求, 同时具有能效比高、空气品质好、设备构造简单、降温迅速以及不破坏臭氧层等特点, 是集绿色、节能、环保、健康于一体的空调方式, 因此倍受青睐。
本文以高效节能的高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统为研究对象, 即对当前安装有高压微雾或湿膜加湿装置的全空气系统, 根据建筑物的冷负荷特点和室外气象参数特点来调整加湿装置的开启和关闭时间或在未安装有加湿装置的全空气系统中加入高压微雾或湿膜加湿装置, 进行简易的直接蒸发冷却, 既可以缩短冷机的开启时间又能达到对加湿装置综合利用的目的, 降低建筑物的能耗, 同时, 该系统是一个可持续发展的空气处理系统。本文探讨了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却的热质交换规律。通过理论计算和实验测试, 得出了几种主要因素对直接蒸发冷却系统的影响规律, 并验证了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统的实际性能和适用性。
参照常规机械制冷系统的经济性能评价方法, 初步地给出了一种直接蒸发冷却系统经济性能的计算方法, 结合有效供冷的理念和有效供冷量表对某一具体工程中应用直接蒸发冷却系统代替常规机械制冷系统所带来的经济效益进行了计算, 结果表明直接蒸发冷却系统的节能潜力巨大, 经济性能相当可观。并且以陕西省的西安市、榆林市和延安市为例, 结合《中国建筑热环境专用气象数据集》中典型年的全年逐时气象数据, 给出了直接蒸发冷却系统在这三个地区的推荐运行时间及不保证时间, 并以某一典型建筑为例评价了该系统的节能效率及经济效益。
1 高压微雾与湿膜直接蒸发冷却技术简介
1.1 直接蒸发冷却热质交换的基本过程
空气与水膜或水滴接触的热质交换发生在水膜或水滴的表面。空气与水之间的热量传递是显热交换和潜热交换共同作用的结果。当水膜或水滴的温度不同时, 潜热交换发生或显热交换与潜热交换同时发生都是有可能的。显热与潜热交换的代数和即为总的热交换量。直接蒸发冷却过程是空气与水直接接触的传热和传质过程, 其热湿交换过程与大自然中的空气与江河湖泊中的水表面热湿交换过程类似, 大致可分为直接淋水式蒸发冷却和填料式蒸发冷却两种。
1.2 高压微雾与湿膜直接蒸发冷却的热质交换原理与计算方法
高压微雾直接蒸发冷却系统的工作原理是通过柱塞泵将净化处理过的水加压到7 MPa左右后通过连接水管输送到喷嘴, 因为喷嘴的直径很小, 水从喷嘴喷出后立即雾化, 以3μm~10μm的微雾喷射出去, 喷出的水雾吸收空气中的热量后蒸发为水蒸气。空气由于显热量的失去而导致干球温度降低, 而同时空气的含湿量和潜热量都增大。由上面的分析得知, 当水温等于空气的湿球温度时, 该过程为一等焓过程, 空气失去的显热量等于得到的潜热量, 总热量保持不变。
高压微雾直接蒸发冷却结构示意图见图1。
高压微雾直接蒸发冷却系统中, 空气与水的热湿交换过程比较复杂, 影响其热质交换效率的因素也很多, 例如空气的质量流速、喷水系数、喷水室的结构特性、空气与水的初终状态参数等, 因此很难用纯理论计算的方法确定热湿交换的性能参数, 我们只能采用实验的方法。就是对某一结构和空气处理过程的高压微雾喷水室进行实验, 对大量实验数据进行拟合, 得到经验公式, 从而来指导这种系统的设计和应用。
湿膜填料式直接蒸发冷却系统中, 空气与水的直接接触是通过填料来进行的。淋水依靠重力从填料的上部流下, 填料良好的吸水性能使其表面具有很好的湿润性。这样, 空气与水在填料的湿润表面上进行充分的热湿交换。
湿膜直接蒸发冷却结构示意图见图2。
影响湿膜填料式直接蒸发冷却系统效率的因素也很多, 例如填料种类、厚度及内部结构、迎面风速、淋水量和空气进出口的状态参数等。当前, 对于湿膜填料式直接蒸发冷却系统来说, 已经有比较完整的热工计算方法, 可以通过计算得到出口空气的干球温度、含湿量以及直接蒸发冷却效率等, 这里不再赘述。
2 高压微雾与湿膜直接蒸发冷却的实验研究
2.1 高压微雾直接蒸发冷却实验研究
1) 实验台简介。
实验台如图3所示。
本实验通过改变空气的质量流速、入口空气的状态参数、喷嘴密度、喷水方向和喷淋排管距挡水板的距离, 测试其对高压微雾直接蒸发冷却系统的热湿交换效率影响。需要测试的物理量包括:入口和出口空气的干球温度及相对湿度、空气的质量流速。实验主要测试仪器和设备包括:a.EE-16型空调用温湿度传感器;b.AI-702M型空气温湿度测量显示仪;c.A4201数字式风速仪等。
2) 实验结果整理与分析。
a.迎面风速对进出口干球温差的影响见图4。
数据分析:随着风速的增加, 进出口干球温差降低, 以图4a) 为例, 当进口空气的干球温度为30℃, 相对湿度为50%时, 风速为2.0 m/s时的温降为7.2℃, 风速为2.5 m/s时的温降为7.0℃, 风速为3.0 m/s时的温降为6.8℃。
b.迎面风速对直接蒸发冷却效率的影响见图5。
数据分析:随着风速的增加, 直接蒸发冷却效率降低, 以图5为例, 当进口空气的干球温度为30℃, 相对湿度为50%时, 风速为2.0 m/s时的效率为90%, 风速为2.5 m/s时的效率为88%, 风速为3.0 m/s时的效率为85%。
从上面的数据统计还可以得出:喷排距挡水板的距离、喷嘴密度和喷水方向对高压微雾直接蒸发冷却性能的影响规律, 这里不再单独绘制图表。
2.2 湿膜直接蒸发冷却实验研究
1) 实验台简介。
实验台如图6所示。
本实验通过改变空气的质量流速、入口空气的状态参数、填料种类及厚度等, 测试其对湿膜直接蒸发冷却系统的热湿交换效率影响。需要测试的物理量包括:入口和出口空气的干球温度及相对湿度、空气的流速和过流阻力。实验主要测试仪器和设备包括:a.EE-16型空调用温湿度传感器;b.AI-702M型空气温湿度测量显示仪;c.A4201数字式风速仪;d.S2000系列压差表等。
2) 实验结果整理与分析。
a.填料厚度对湿膜直接蒸发冷却性能的影响 (有机湿膜) 。
数据分析:当填料的厚度逐渐增加时, 出口空气相对湿度、进出口空气干球温差和直接蒸发冷却效率也升高;如图7~图9所示, 当进口空气的干球温度为30℃, 相对湿度为50%, 风速为2.5 m/s时, 100 mm, 200 mm和300 mm厚的有机湿膜的出口相对湿度分别为87%, 96%和99%, 温差分别为5.9℃, 6.9℃和7.2℃, 效率分别为73%, 86%和89%。
b.填料厚度对湿膜直接蒸发冷却性能的影响 (无机湿膜) 。无机湿膜的实验数据见图10~图12。
c.迎面风速对湿膜过流阻力的影响见图13。
从上面的数据统计还可以得出:迎面风速、入口空气干球温度和相对湿度、湿膜种类等对湿膜直接蒸发冷却性能的影响规律, 这里不再单独绘制图表。
3 高压微雾与湿膜直接蒸发冷却空调系统的经济性能评价
1) 高压微雾与湿膜直接蒸发冷却空调系统经济性能评价指标[1]。
参考常规空调系统的能效比EER, 我们也采用EER来衡量直接蒸发冷却系统的经济性能。
其计算公式为:
式中:EER———按常规制冷模式计算的直接蒸发冷却空调的能效比;
Ma———空气的质量流速, kg/s;
Δtin-out———空气的进出口干球温差, ℃;
Cp———空气的比热, k J/ (kg·℃) ;
W———每小时耗电量, k W。
2) 有效供冷与有效供冷量表。
直接蒸发冷却的EER仅仅是表征最初机器冷却空气的性能, 而不是用这种空气冷却房间或建筑物的性能。一般来讲, 直接蒸发冷却的送风温差比常规的机械制冷送风温差小, 因此在同等情况下要求的送风量就要增大, 相应的冷风在输送的过程中冷量损失也就会变大。空气从直接蒸发冷却系统获得的冷量并不等于最后从被冷却房间去除掉的显热量, 因为存在很大一部分的冷量损失, 所以用于房间的净供冷量小于直接蒸发冷却系统的输出冷量。经国内外专家和学者多年来的潜心研究, 绘制出了有效供冷表, 它表征直接蒸发冷却系统中输出的冷量中有效供冷量的百分数, 这个百分数与室外的干湿球温差和室内的洗涤后空气温升有关, 如表1所示。
3) 直接蒸发冷却空调系统在某个工程中经济性能评价举例。
下面我们试着以一个具体工程为例, 借助有效供冷量百分数表, 计算直接蒸发冷却系统的能耗, 并将计算结果与常规的机械制冷系统的能耗进行对比, 从而获得直接蒸发冷却系统的经济性能。假定我们已知新疆克拉玛依市的一个会议厅的显热冷负荷。常规的机械制冷能效比EER=10.5, 取15%的冷量损失[1]。该市所在地区供冷期平均干湿球温差为13.5℃, 某直接蒸发冷却系统的能效比EER=96, 克拉玛依市的干湿球温差设计值为16.1℃, 送风温差经综合考虑后取为7.2℃, 由表1可以查得有效制冷量约为56%, 则计算如下:
常规机械制冷:
直接蒸发冷却制冷:
节能量:
直接蒸发冷却系统的节能效果很明显, 而且其结构简单, 初投资和相应的设备维护费用也不高。
4) 以陕西某地区全年气象参数为例对直接蒸发冷却空调系统进行经济性能评价并给出运行时间与节能效率。
运行时间的确定。由于直接蒸发冷却系统的运行效果受室外气象条件的影响, 那么我们就应该首先分析一下西安地区的全年气象参数, 其中包括:室外空气的干湿球温度和相对湿度等。西安地区的全年室外空气干球温度统计图如图14所示[2]。
由图14的气象统计规律可得, 中央空调系统应该从大约5月15日到9月15日这四个月内的常规工作时间里运行, 对建筑物进行供冷。在5月, 6月和9月的空调季里出现最多的室外气象参数是30℃, 35%和33℃, 30%, 当然也会出现温度稍低相对湿度稍高或温度稍高而相对湿度稍低的情况, 这里只取以上所述两种参数作为代表。当室外空气参数为30℃, 35%时, 由标准焓湿图计算可得其湿球温度为18.9℃。此时, 如果采用湿膜直接蒸发冷却系统, 选取实验中所测试的有机湿膜, 厚度取为200 mm, 入口干球温度为30℃, 迎面风速取为2.5 m/s, 此时的直接蒸发冷却效率在85%左右, 经等焓降温后处理, 最后计算可得出口空气的干球温度大约为20.6℃, 相对湿度约为85%。然后将20.6℃, 85%的空气送入室内, 吸收室内的显热, 空气的温度升高而相对湿度降低, 当空气达到室内的设计参数时, 例如26℃, 65%时, 将空气通过排风机排至室外。在这个过程中, 洗涤后空气温升为5.4℃, 满足要求。如果室内的热湿比很大, 当洗涤后空气达到26℃时, 相对湿度在60%左右, 更加的舒适。
同理, 当室外空气的参数为33℃, 30%时, 取实验用200 mm厚有机填料, 迎面风速2.5 m/s, 此时湿膜直接蒸发冷却的效率在90%左右, 经计算可得处理后的空气参数约为21.2℃, 89%。然后将21.2℃, 89%的空气送入室内, 吸收室内的显热, 空气的温度升高而相对湿度降低, 当空气达到室内的设计参数时, 例如26.5℃, 65%时, 将空气通过排风机排至室外。在这个过程中, 洗涤后空气温升为5.3℃, 满足要求。当温度稍低相对湿度稍高或温度稍高而相对湿度稍低时, 此直接蒸发冷却系统也是完全可以满足要求的, 这里不再重复。当然, 采用300 mm厚度的有机填料或200 mm厚度的无机湿膜, 迎面风速也取为2.5 m/s时, 其出口干球温度会更低, 而出口相对湿度和直接蒸发冷却效率会更高, 但是要注意空气出口空气的相对湿度值的范围。而如果采用高压微雾直接蒸发冷却系统, 适当的调整迎面风速和喷嘴密度 (选择性的关闭一些喷嘴) , 可以达到与湿膜直接蒸发冷却系统相同的冷却效果。
由上面的分析和计算可知, 对于西安市来说, 5月中下旬、6月和9月上中旬的将近两个月时间内可以采用直接蒸发冷却系统代替机械制冷系统, 而7月和8月中的绝大多数时间里空气的干球温度和相对湿度都较高, 不建议采用直接蒸发冷却系统。
陕西的榆林市和延安市的气候条件更加适合直接蒸发冷却系统的应用。根据《中国建筑热环境专用气象数据集》中典型年的气象数据, 榆林的供冷期大约为5月25日~8月25日的三个月时间, 在榆林地区的大型综合体建筑中可以用直接蒸发冷却系统代替传统的机械制冷系统, 不保证天数不超过10 d。而延安地区的供冷期大约为5月10日~9月10日这四个月时间, 其中5月10日~6月30日和9月1日~9月10日这两段时间内直接蒸发冷却系统基本可以保证对空气的冷却效果, 不保证天数不超过10 d, 而在7月和8月的两个月时间内, 可以保证7月中有将近半个月的时间达到冷却效果, 8月中也有将近半个月的时间达到冷却效果, 机械制冷系统只需要在不保证的时间段内开启, 大概只需要开启1个月左右的时间。可见, 在陕西省北部的榆林市和延安市应用直接蒸发冷却系统的节能效果和经济效果是相当明显的。
4 结语
本文以高效节能的高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统为研究对象, 通过理论计算和实验测试, 得出了几种主要因素对这两种直接蒸发冷却系统的影响规律, 并验证了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统的实用性和经济效益。主要结论如下:
1) 分别对高压微雾和湿膜蒸发冷却系统进行了实验研究。通过对影响因素的分析, 得出本次高压微雾系统热工性能的主要影响因素为空气的质量流速、入口空气的状态参数、喷嘴密度、喷水方向和喷淋排管距挡水板的距离, 而本次湿膜直接蒸发冷却系统热工性能的主要影响因素为进口空气干球温度和相对湿度、填料厚度、迎面风速和填料的材料。
2) 对于高压微雾系统来说, 随着进口空气干球温度的升高、相对湿度的降低、喷嘴密度的增大、喷排间距的增加和迎面风速的减小, 出口空气的相对湿度、进出口空气的温差和直接蒸发冷却效率都呈现上升的趋势, 而逆喷比顺喷的热工性能稍微好一点。例如当进口空气的干球温度为30℃, 相对湿度为50%时, 风速为2.0 m/s, 2.5 m/s和3.0 m/s时的温降分别为7.2℃, 7.0℃和6.8℃, 直接蒸发冷却效率分别为90%, 88%和85% (此处只列举了实验中部分工况的实验数据) 。
3) 对于湿膜系统来说, 随着进口空气干球温度的升高、相对湿度降低、填料厚度的增加和迎面风速的减小, 出口空气的相对湿度、进出口空气的温差和直接蒸发冷却效率都呈现上升的趋势, 而在其他条件相同的情况下, 无机填料比有机填料的降温和加湿性能更加的优越, 但是空气的过流阻力较大。例如当进口空气的干球温度为30℃, 相对湿度为50%, 迎面风速为2.5 m/s时, 100 mm, 200 mm和300 mm厚的有机湿膜的出口相对湿度分别为87%, 96%和99%, 进出口干球温差分别为5.9℃, 6.9℃和7.2℃, 直接蒸发冷却效率分别为73%, 86%和89% (此处只列举了实验中部分工况的实验数据) 。无机填料与有机填料相比, 出口空气的相对湿度、进出口空气的干球温差和直接蒸发冷却效率都比较大, 而且过流阻力也较大。就直接蒸发冷却的性能来看, 300 mm厚的有机填料与200 mm厚的无机填料相当, 而200 mm厚的有机填料与100 mm厚的无机填料相当。
4) 初步的给出了一种高压微雾与湿膜直接蒸发冷却系统经济性能的计算方法, 并且以陕西省的西安市、榆林市和延安市为例, 结合《中国建筑热环境专用气象数据集》中典型年的全年逐时气象数据, 给出了直接蒸发冷却系统在这三个地区的推荐运行时间和不保证时间, 并以某一典型建筑为例评价了该系统的节能效率及经济效益, 再次证明了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统具有巨大的节能效果与经济效益。同时, 也给出了今后在设计和应用此系统时的分析和计算方法, 其中包括推荐的运行时间和不保证时间的确定方法, 为进一步推广高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统的应用起到了一定的作用。
摘要：介绍了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统的原理, 通过理论计算和实验测试, 得出了几种主要因素对这两种直接蒸发冷却系统的影响规律, 并验证了高压微雾和湿膜直接蒸发冷却系统的适用性和经济效益, 对比分析了高压微雾与湿膜直接蒸发冷却系统的性能, 得出了它们降温特性之间的区别与联系。
关键词：直接蒸发冷却,高压微雾,湿膜,适用性,节能效率,经济效益
参考文献
[1]张丹, 黄翔.关于直接蒸发冷却空调经济性能的评价[J].制冷空调与电力机械, 2005, 26 (5) :57-59.
[2]中国气象局气象信息中心气象资料室, 清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.
蒸发冷却空调技术的应用现状 篇2
1 直接蒸发空气冷却器
利用循环水直接冷却送风的过程叫直接蒸发冷却 (Direct Evaporative Cooling, 简称DEC) 。
直接蒸发冷却的饱和效率ηDEC为:
式中:tgw——入口空气干球温度, ℃;
tgo——出口空气干球温度, ℃;
tsw——入口空气湿球温度, ℃。
饱和效率与入口空气迎面风速、填料种类、填料厚度有关, 通常能达到70%~95%。
由于单元式直接蒸发空气冷却器实质上也是一种直流式 (全新风) 空调系统。所以在干燥炎热地区可以用作舒适性空调。但由于直接蒸发冷却在降温的同时, 还对送风进行了加湿, 所以单元式直接蒸发冷却空调器很难在中湿度以上地区单独用于舒适性空调。但目前在我国的一些沿海地区的一些工业厂房、或一些大发热量机房, 在对湿度控制不严格的地区, 越来越多地使用这种外接风道的单元式直接蒸发冷却器。另外单元式直接蒸发空气冷却器也常用于动物圈舍的通风冷却以及农作物、花卉大棚的加湿降温。
2 间接蒸发空气冷却器
间接蒸发冷却器通过间壁将被冷却空气 (一次空气) 与淋水侧的空气 (二次空气) 隔开, 在湿通道中喷淋循环水, 水与二次空气相接触, 蒸发产生冷却效果, 干通道中的一次空气只被冷却而不被加湿, 使蒸发冷却空调技术的应用范围扩展到中湿度以上地区。
目前, 间接蒸发冷却器的形式主要有板翅式、管式和热管式三种。
板式间接蒸发空气冷却器与一般的板式换热器结构相同, 一次空气与二次空气交叉流过相间的换热通道。板式间接蒸发冷却器具有换热效率高, 体积小等优点。在新疆地区的蒸发冷却空调过程中, 以前多采用板式间接蒸发冷却, 通过对项目的跟踪调查, 发现板式间接蒸发冷却存在有很大的不足:1) 由于流道窄小, 因而流道容易堵塞, 尤其在空气含尘量大的场合, 随着运行时间的增加, 换热效率急剧降低, 流动阻力增大;2) 另外由于流到狭窄, 很难做到布水不均匀、传热面浸润能力差;3) 金属表面结垢, 不易清洗;4) 一次空气和二次空气容易出现漏风, 伴随有漏水现象;5) 成本高。
管式间接蒸发空气冷却器一次空气在管内流过, 在管组上方由布水装置淋水, 在管外壁形成水膜, 二次空气自下而上横掠管束, 与管外水膜发生热、湿交换, 冷却管内一次空气。尽管管式间接蒸发空气冷却器的紧凑性不及板式, 但它刚好能弥补板式的不足, 即:1) 管式间接蒸发冷却器通过合理设计布水装置, 做到布水均匀, 形成稳定水膜, 有利于蒸发冷却的进行;2) 流道较宽, 不会产生堵塞, 因而流动阻力小;3) 容易清洗;4) 成本低。目前蒸发冷却空调工程中越来越多地使用管式间接蒸发空气冷却器。
因热管式间接蒸发冷却器具有无需外部动力来促使流体循环, 较常规换热器更安全、可靠, 可长期连续运行, 且冷热段结构位置布置灵活, 结构紧凑, 流动阻力小。目前对热管换热器用于蒸发冷却还处于研究阶段, 同时因其制作成本高, 还没有工程应用实例。
由于空气的密度小、导热系数小, 所以间接蒸发空气冷却器一次侧的换热热阻很大, 导致单一的间接蒸发空气冷却器的降温能力是非常有限的。
3 复合式蒸发冷却空调系统
直接蒸发冷却器和间接蒸发冷却器各有利弊, 若两者单独使用, 空气的温降是很有限的。对于湿球温度较高的高湿度地区, 使用相对简单的直接蒸发冷却器不能获得足够低的室内温度, 而且相对湿度高。因而需将直接蒸发冷却器与间接蒸发冷却器加以结合, 构成复合式蒸发冷却器。
复合式蒸发冷却器常见的复合形式有以下三种:1) 间接蒸发冷却器+直接蒸发冷却器;2) 冷却塔供冷型间接蒸发冷却器+其他形式间接蒸发冷却器+直接蒸发冷却器;3) 间接蒸发冷却器+机械制冷空气冷却器+直接蒸发冷却器。
就目前的工程应用来看, 大型工程中三种复合式蒸发冷却空调系统都有应用。应用实践表明, 复合式蒸发冷却空调系统的节能性归根到底还是取决于基本的直接蒸发冷却和间接蒸发冷却单元的性能, 在彻底掌握直接蒸发冷却和间接蒸发冷却单元的性能的基础上, 根据工程具体情况进行优化组合, 并配置相应的控制系统, 才能充分体现出蒸发冷却空调超过机械制冷空调的有势。
摘要：蒸发冷却空调在我国应用越来越广泛。蒸发冷却空调包括直接蒸发空气冷却器、间接蒸发空气冷却器和复合式蒸发冷却空调系统。单元式直接蒸发空气冷却器实质上是一种直流式 (全新风) 空调系统, 所以在干燥炎热地区可以用作舒适性空调。间接蒸发空气冷却器使蒸发冷却空调技术的应用范围扩展到中湿度以上地区。复合式蒸发冷却空调系统根据工程具体情况进行优化组合, 并配置相应的控制系统, 才能充分体现出蒸发冷却空调超过机械制冷空调的有势。
关键词：蒸发冷却空调,复合式蒸发冷却空调
参考文献
[1]黄翔.国内外蒸发冷却空调技术研究进展[J].暖通空调, 2007.
[2]杨秀贞, 黄翔, 程刚.臭氧处理蒸发冷却空调水的实验研究[J].西安工程科技学院学报, 2006.
[3]郑久军, 黄翔, 王晓杰, 狄育慧.管式间接蒸发冷却空调系统的探讨.制冷空调[J].2006.
[4]黄翔.空调工程[M].北京:机械工业出版社, 2006.
蒸发冷却制冷水设备的改进设计 篇3
关键词：蒸发冷却,改进装置,化学反应,热量扩散
普通机械制冷在制冷剂的蒸发过程中获得冷量, 但作为制冷循环还必须将气态的制冷剂通过压缩机和冷凝器还原为液体, 而压缩过程的耗能正是机械制冷耗能的一个重要方面。蒸发冷却技术利用水的蒸发获得冷量, 但蒸发后的水蒸气不必还原为液态水, 省去了压缩功, 因此它具有较强的节能特性。应用于我国西北和华北等干燥地区, 其COP值是常规压缩式机械制冷的2.5～5.0倍。根据直接蒸发冷却的原理, 由于水的蒸发, 空气与水的温度都下降了, 而空气的含湿量有所增加, 空气的显热转化为潜热, 利用分析的理论, 是湿空气的化学转化为湿空气的热能。间接蒸发冷却制备冷水装置, 是将直接蒸发冷却产生的冷水作为循环冷媒, 以释放冷量制冷水。这里需制备的冷水依靠了循环水, 因此加间接以示区别。
一、间接蒸发冷却制冷水设备及改进装置
假设与空气接触的水量足够大, 时间足够长, 即全部空气都能达到具有水温的饱和状态, 即蒸发冷却之后空气的状态点将位于i-d图上的饱和曲线上, 且温度等于水温。此间接蒸发冷却过程利用不饱和湿空气为能量来源, 能够输出低温的冷水, 是一种理论上能够实现湿空气的化学完全转化为热量的设备。根据此原理设计出蒸发冷却制取冷水的装置。从焓湿图中可以看出, 冷媒水的出水温度仅能达到进口空气状态的湿球温度 (图3中的A-B) 。为提高装置的运行效率, 减少传热传质带来的不可逆损失, 现将该装置进行改进, 改进后的装置如图2, 所示。
(一) 第一种改进装置。
空气先经过换热器1被冷却, 换热器1的冷水来源于2中蒸发冷却后再与高温冷水换热后的循环水。室外空气A通过逆流表冷器与冷水换热后其温度降低至A1点, 通过表冷器的水可加热到接近点A的干球温度。状态为A1的空气与位于饱和线上点B1焓值相同, 通过等焓喷雾进行充分的热湿交换, 使其达到B1点, B1点状态的水来制备冷水。A→A1→B1→C为湿空气的运行过程, 蒸发冷却过程中的循环水的温度最低可冷却到TB1。
(二) 第二种改进装置。
空气先经过换热器1被冷却, 换热器1的冷水来源是在2中蒸发冷却被降温的循环水TB。这样在空气-水换热器换热后, 空气的温度可达到TA。其余的换热过程与装置1一致。A→A2→B2→C为湿空气的运行过程, 蒸发冷却过程中的循环水的温度最低可冷却到TB2。
对比三种蒸发冷却装置, 它们制备冷水的能力依次上升。TB2
二、蒸发冷却制冷水设备的分析
由表1结果看出, 此蒸发冷却过程是湿空气的化学转变为热量的过程, 但总值降低, 三种装置的损失依次减少。通过逆流换热器的换热, 使得空气的状态接近饱和线, 再和水接触进行蒸发冷却, 这样做比不饱和的空气直接跟水接触减少了不可逆损失, 使得蒸发在较低的温度下进行, 产生的冷水温度也随之降低。
三、湿空气参数对蒸发冷却过程的影响
为了研究温度和湿度对蒸发冷却过程的影响, 设计如图4过程:为了将A点蒸发冷却, 获得B, B1, B2, B3, B4温度, 探讨将A点先等湿冷却至A1, A2, A3, A4再蒸发冷却和将A点先等温减湿至A5, A6, A7, A8再蒸发冷却, hA1=hA5, hA2=hA6, hA3=hA7, hA4=hA8获得相同的蒸发冷却温度, 各过程的损失情况。
(一) 先进行等湿冷却过程。
蒸发冷却过程热量增加量先上升后下降, 而蒸发冷却过程化学减少量则保持一直下降的趋势。A—B过程, 化学的减少量是热能的增加量的两倍以上, 经过改进的A4—B4过程, 该值下降至1.64倍。总的损失是不断减小的, 说明经过等湿冷却的改进, 传热传质的不可逆损失减少。
(二) 先进行等温减湿过程。
蒸发冷却过程热量增加量呈上升趋势, 而且上升幅度比前种方案大5倍。但是蒸发冷却过程化学减少量也一直保持上升的趋势且幅度更大。A—B过程, 化学的减少量是热能的增加量的两倍以上, 所以A5-B1, A6-B2等过程湿空气的损失呈上升趋势。
(三) 分析。
从热力学第二定律角度来思考, 蒸发冷却是利用了湿空气的化学。提高蒸发冷却效率在于提高化学的利用率使其更多地转化为热量。湿空气的湿度和温度对蒸发冷却都有影响, 湿空气的温度差仅影响热量增加量, 但湿空气的湿度差不仅影响热量增加量更影响化学的减少量。
将A点等湿降温至A1, A2, A3, A4, 降低了这几点在蒸发冷却过程中的湿度差和温度差, 虽然湿空气的温度差和湿度差降低会使湿空气热量增加量的幅度降低, 但是化学减少量会因为湿度差的降低而大幅降低。所以A1—A4点空气进行蒸发冷却时湿空气的损失减少了。同理分析将A点等温减湿至A5, A6, A7, A8的过程, A5—A8点空气进行蒸发冷却时湿空气的损失增加了。
所以可以得出结论:在蒸发冷却过程中获取相同温度的冷空气, 预先处理湿空气时, 采用等湿冷却后蒸发冷却的效率高于采用等温减湿后蒸发冷却效率。
参考文献
[1].Study of evaporative cooling application condition in northwest area of China[J].Journal of Xi’an Institute of Engineering Sci-ence and Technology, 2002, Vol.16.No.61
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直接蒸发冷却 篇4
常规使用滑动轴承的箱式电机, 滑动轴承的冷却一般采用轴承自身散热冷却 (简称自润滑) 、外部润滑油循环冷却 (简称强制润滑) 、轴承强迫空空冷却、轴承空水冷却等。自润滑是在滑动轴承内安装甩油环, 靠油环带油润滑及轴承本体散热;强制润滑需配备外部润滑油站, 会占用场地、增加成本、使用不当易造成轴承漏油、烧瓦等事故;轴承强迫空空冷却需增加外部风扇或根据电机结构设计导引风装置, 结构复杂散热效果有限;空水冷却需在轴承室内增加进出水密封回路通入循环冷却水, 若冷却水泄露到轴承室内会造成润滑不良损坏轴瓦。所以自润滑相较其它轴承冷却方式而言可节省成本、操作便利、降低风险。
但是在大功率高速的箱式电机上由于轴承安装方式、载荷及散热等原因, 很难实现电机滑动轴承的自润滑。因此结合滑动轴承箱式电机的结构, 重力型分离式热管蒸发冷却技术的特点, 对箱式电机及其使用的滑动轴承采取适当且经济的改进措施, 以保证滑动轴承的冷却效果, 实现箱式电机滑动轴承的自润滑具有重要的市场和应用价值。
1 新型箱式滑动轴承电机结构
该新型箱式滑动轴承自润滑电机 (见图1和图2) 包括:电机冷却器1、泄压阀2、压力表3、蒸汽管4、滑动轴承5、蒸发器6、排气阀7和8、回液管9、积液阀10、冷凝器11、温度计12、电机机座13。
1、电机冷却器2、泄压阀3、压力表4、蒸汽管5、滑动轴承6、蒸发器7、排气阀8、排气阀9、回液管10、积液阀11、冷凝器12、温度计13、电机机座
蒸发器6 (见图3) 的吸热管61浸泡在滑动轴承5的油室内, 蒸发器6的安装板62固定在滑动轴承5的接口处。蒸发器6的2个出气口63、64分别安装排气阀7和8后再并联为1个出气口, 并联后的出气口通过蒸汽管4与冷凝器11顶部的接口连接, 并在此接口处设置压力表3。蒸发器6的回液口65通过回液管9与冷凝器11底部的接口连接, 并在此接口处设置积液阀10。冷凝器11固定在电机机座的两侧壁处, 顶端设置泄压阀, 顶部安装压力表, 底部安装温度计。
61、吸热管62、安装板63、出气口64、出气口65、回液口
电机前后端滑动轴承的油室内分别安装2个充注冷却介质的蒸发器6, 共计4个蒸发器分别与安装在电机机座13两侧壁的4个冷凝器11连接。电机运行时轴承内部产生的热量使蒸发器6内的冷却介质受热气化吸收热量, 通过阀门7和8切换或同时调节蒸发器的出气口, 蒸汽沿蒸汽管4上升到冷凝器11中冷却为液态, 在重力的作用下冷却的液体通过积液阀10调节流量, 沿回液管9流入蒸发器6内。在冷却介质循环气化液化的过程中, 达到滑动轴承5的强化散热, 从而实现箱式电机滑动轴承自润滑的功能。
2 重力型分离式热管蒸发冷却技术
重力型分离式热管冷却技术, 利用特定介质在蒸发器内吸热蒸发, 蒸汽由管路进入冷凝器由气态凝为液态, 在重力的作用下冷凝的液态介质由管路再流回蒸发器, 实现热量的循环传递。
重力型分离式热管蒸发冷却装置一般由蒸发器、冷凝器、管路结构、特定介质、温度计、压力表、阀门等组成。蒸发器和冷凝器通过管路连接, 管路上设置阀门便于流量调节。通过监控温度、压力数值判断重力型分离式热管冷却装置的运行状态。当蒸发器受热异常、冷凝器冷凝不畅或管路堵塞等异常情况发生时, 通过安装在冷凝器上的泄压阀排气泄压, 保证装置内部的安全压力, 避免因压力过大装置爆裂。
3 试验内容及结果
为验证基于重力型分离式热管蒸发冷却技术的新型箱式滑动轴承自润滑电机的性能, 研制出了采用A型11-90端盖式滑动轴承的YWKK560-2 2500k W 6k V新型箱式电机, 并进行了如下对比试验:
对研制出的新型箱式电机, 不采用重力型分离式热管蒸发冷却技术进行出厂试验, 记录新型箱式电机轴伸端和非轴伸端滑动轴承自润滑的温升数据。
对研制出的新型箱式电机, 轴伸端滑动轴承采用重力型分离式热管蒸发冷却技术, 对重力型分离式热管蒸发冷却系统内部充气加压, 压力表刻度5h内保持不变, 气密性验证完毕后加注蒸发冷却介质进行电机的出厂试验, 记录新型箱式电机轴伸端滑动轴承蒸发冷却自润滑和非轴伸端滑动轴承自润滑的温升数据, 试验结果见表1。
注:a:标准限值参考《JB/T 10315.1-2013高压三相异步电动机技术条件第一部分:YKS、YKS-W、YQF系列 (机座号355~630) 》.
4 结论
根据箱式电机及A型端盖式滑动轴承结构、结合重力型分离式蒸发冷却技术设计了新型箱式滑动轴承自润滑电机。
试验结果表明采用重力型分离式蒸发冷却技术的箱式电机轴伸端轴承温度降低6℃, 重力型分离式蒸发冷却技术对轴承的冷却能起到一定的效果。
通过试验分析可从降低蒸发冷却介质沸点、增强轴承室内部润滑油流动、提高冷凝器换热效率等方面对冷却效果进一步提升。
基于重力型分离式热管蒸发冷却技术的新型箱式滑动轴承自润滑电机, 还需加强对非轴伸端滑动轴承的试验。采取降低蒸发冷却介质沸点、增强轴承室内部润滑油流动、提高冷凝器换热效率等方面并进一步提升冷却效果。
摘要：本文以采用重力型分离式热管蒸发冷却技术的新型箱式滑动轴承自润滑电机为研究对象, 通过试验验证, 结果表明, 重力型分离式热管蒸发冷却技术在新型箱式滑动轴承自润滑电机应用方面有实用价值。
关键词：新型箱式电机,滑动轴承,自润滑,重力型分离式热管
参考文献
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直接蒸发冷却 篇5
关键词：自然通风,蒸发冷却,应用,生态建筑
近年来,由于空调应用中出现了各种问题,如建筑物密闭性加强,室内空气品质(IAQ)恶化导致的病态建筑综合症(SBA),过量的空调器加剧了城市的热岛效应,制冷剂对臭氧层的破坏等。调查发现,人们对室内自然通风有着更好的接受性,自然通风的建筑比使用空调的建筑节能约40%。目前,自然通风的研究应用主要有两方面:1)利用自然通风改善室内空气品质。2)利用自然通风解决夏季或过渡季的热舒适问题。
1 自然通风的研究内容及存在的问题
1.1 自然通风的机理简介
1.1.1 热压通风
仅考虑热压作用时,若室内外空气存在温度差,高温空气遇到低温空气会上升,空气上升后原来位置形成负压区,室外空气在压差作用下补充进来,形成空气流通。热压的大小取决于室内外空气的温度差和进排风口的高度差,如图1所示。
1.1.2 风压通风
仅考虑风压作用,风吹向建筑物时,空气的直线运动受阻而围绕建筑物向上及两侧偏转,使迎风面的动压变小静压增大,由于绕流在背风面形成负压,这样迎风面和背风面产生了压差,促使空气流动。风压大小依赖于建筑物的几何形状,建筑物相对于风向的方位,风速及建筑物周围的地形等,如图2所示。文献[1]表明,当风垂直吹向建筑物正面时,在迎风面上的风压为自由风速动压的0.5倍～0.8倍,在背风面上负压为自由风速动压的0.3倍～0.4倍。
1.1.3 风压和热压共同作用通风
窗洞口两边压差是热压和风压两种压差的代数和,压差可能同向也可能反向,需根据风向和室内外的温度情况确定。即使二者的作用方向一致,通过窗洞口的空气流量也仅比在较大的一种力单独作用下所产生的流量稍多一些(最高达40%)[2]。
1.2 自然通风中存在的问题
1)自然通风量的计算。计算风量与实测风量存在一定的偏差。2)当自然通风驱动力很小时,通风效果差且不易控制。3)室外噪声大、空气质量差、温度过高、湿度过大时,不宜采用。4)自然通风研究多为经验性成果,未形成系统理论,设计中也存在困难[3]。
2 蒸发冷却技术发展状况及适用性
2.1 国内外研究现状
蒸发冷却是以水作为媒质,不使用CFC因而对大气环境无污染。蒸发冷却技术的研究始于20世纪30年代。20世纪70年代蒸发冷却技术受到重视,80年代后得到了迅速发展。以美国、澳大利亚、以色列等国研制出多种形式的蒸发冷却产品,取得了良好效果。同常规机械制冷相比,在炎热干燥地区,间接蒸发冷却可节能80%～90%,在炎热潮湿地区可节能20%～25%,COP可提高2.5倍～5倍,从而显著降低空调制冷能耗[4]。
目前,蒸发冷却技术在我国得到一定发展和应用,直接蒸发冷却技术在使空气温度降低的同时,空气的含湿量增加,这就限制了它对湿度有较严格要求场合的使用,且同时存在如效率不高、腐蚀、结垢等问题。
2.2 蒸发冷却技术的适用性分析
1)直接蒸发冷却(DEC)是空气与水直接接触,水在焓值不变的情况下和空气进行热湿交换,使水与空气的温度都降低,空气的含湿量增加。2)间接蒸发冷却(IEC)是将直接蒸发冷却过程中产生的低温高湿空气作为冷媒冷却室内空气的制冷方式。
DEC的效果与空气湿度有关,若环境湿球温度高于21℃,冷却效果明显下降。
根据文献[5]对全国各城市夏季能否采用蒸发冷却技术进行的分析,表明该技术适用于我国哈尔滨—太原—天水—西昌—昆明一线以西及西北地区。新疆地区直接蒸发冷却技术和间接蒸发冷却技术均可采用。以新疆和田地区为例,夏季空调室外设计温度t=34.5℃,设计相对湿度为=35%,采用喷水室将室外空气直接蒸发冷却到机器露点,然后用间接蒸发冷却技术把部分室外空气等湿冷却到t≈28℃后与经喷水室处理的空气混合直接送入室内,送风状态t≈24℃,≈65%,不需要再冷再热设备,送风温度比一般空调较高,但可适当加大送风量,增大了换气次数,使室内空气有更好的品质。
3 自然通风与蒸发冷却技术相结合的应用
3.1 适用性分析
新疆地区气候干燥,夏季室外湿球温度较低(一般低于22℃),昼夜温差大,这些独特条件为直接蒸发冷却技术的应用提供了良好场所。但新疆地区水资源短缺,文献[6]表明冷却700 m3/h的空气,约需1 kg/h～1.5 kg/h水量,与制冷用电相比经济性好。另外该地区太阳日照丰富,年平均日照达2 500 h以上,可利用太阳能热量产生的热压进行自然通风。
3.2 使用和现实中存在的问题
1)新疆地区气候显著特点之一是风大沙尘暴现象严重,如和田地区3月～6月沙尘暴天数约23 d,采用自然通风必须考虑对空气进行除尘,以保证进入室内空气的质量。2)自然通风系统中的风压和热压具有很大的随机性,控制起来比较困难,室温可能出现剧烈波动的现象,因此自然通风中须解决自然驱动力保持风量的相对稳定,提高该通风的可靠性。
3.3 建议
1)室外很热时关闭门窗,停止通风。2)让室外的空气降温后进入室内,热空气自然降温后入室,有3个途径:a.在房间周围栽种大量植物,让室外空气经植被降温后入室。b.空气经地下降温入室。c.设置水池或其他水体,让热空气经水池降温后入室。3)在屋面上铺设一层多孔含湿材料,利用含湿层中水分的蒸发大量消耗太阳辐射热能,控制屋顶内外表面温升。
3.4 太阳能强化自然通风在新疆生态建筑中的应用
新疆地区太阳能资源丰富,可利用太阳能强化自然通风。太阳能强化自然通风的建筑主要有太阳能烟囱,Trombe墙和在建筑物上安装的太阳能空气集热器等,夏季为了达到更好的冷却效果,将其与蒸发冷却技术结合。
4 结语
自然通风是一种有潜力的通风方式,它具有节能、改善室内空气环境、提高室内空气品质的优点,但是受室外气候、建筑物周围环境等因素影响,设计和控制比较复杂,目前的研究工作比较零散,未形成系统技术。蒸发冷却技术具有节能、无污染的特点,虽然在使用过程中要消耗一定的水量,但其费用远小于电制冷的费用,故蒸发冷却技术具有良好前景。把自然通风和蒸发冷却技术相结合应用于生态建筑,在降低室内空气温度的同时还改变湿度,更好地满足人体舒适性要求。
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直接蒸发冷却 篇6
1 蒸发冷却技术概念与特征
从概念层面看, 蒸发冷却技术利用水蒸发吸热制冷的原理展开工作, 在不需要提供其他热源的环境之下, 推动水与空气间的热能交换, 将空气中的显热传递给水, 从而实现空气温度的下降。对应的, 由于存在水的蒸发, 因此会随之带来空气本身湿度的增加, 以及水蒸气会带回一些汽化潜热。当这两种热平衡的时候, 水温达到空气的湿球温度, 而只要空气尚未饱和, 就可以进一步利用循环水喷淋空气实现进一步的降温。
在蒸发冷却技术的理论支持之下, 干燥的气候环境无益存在着巨大的湿度势差。而我国西北地区位处内陆, 气候干热, 对于蒸发冷却技术而言, 是十分适宜的应用环境。在这些地区, 夏季室外空调计算湿球温度通常不会高于22℃, 并且昼夜温差较大, 冬季干冷, 在室内具备采暖条件的环境下, 空气相对湿度保持地域20%的水平。这样的气候条件对于蒸发冷却技术的应用而言可谓得天独厚, 并且进一步考虑到蒸发冷却技术在能源的优化利用, 以及新风净化处理功能的实现方面优势, 必然会在我国有着良好的应用前景。对应的研究也早在20世纪80年代中期就已经开始, 当时同济大学陈沛霖教授同美国加州劳伦斯克利研究所就已经展开国际合作研究, 并且自此, 该项技术正式进入我国, 随后的北京工业大学、哈尔滨建筑大学等诸多院校单位都纷纷展开研究, 目前均已经取得一定的应用成果。
从蒸发冷却技术的实现特征角度看, 相对于比较传统的机械制冷工作方式, 其在节能、环保以及投资优化等方面都表现良好。从节能角度看, 随着我国西部发展的步伐逐步加快, 用电量变得越来越紧张, 机械制冷的高电力消耗状况开始受到质疑。而在蒸发冷却空调设备中, 除了必需的风机和水泵动力以外, 不再需要更多能量, 因此性能系数值约保持在机械制冷的2.5-5倍范围之内, 对于电能的节约可以达到约80%。而对于环保而言, 蒸发冷却空调本身采用水作为唯一制冷剂, 对于大气的污染降至最低, 并且对于室内空气而言, 考虑到西部环境的干热特征, 蒸汽冷却空调可以实现空气过滤以及驾驶, 对于室内空气品质完全能够保证。最后, 对于经济层面的特征, 蒸发冷却空调的初期投资仅保持在传统机械空调的一半左右, 运行能耗保持在20%, 并且维护成本也相对偏低, 虽然当前环境之下, 某些应用环境可能会让蒸发冷却空调出现不适用难以布局的问题, 但是综合来看, 其仍然有良好的应用环境和潜力。
2 蒸发冷却空调的应用
当前在我国西北地区环境下, 蒸发冷却空调存在三种主要的工作方式, 即单元式直接蒸发冷却空调机、湿膜蒸发式加湿降温器及间接蒸发冷却和直接蒸发冷却相结合的复合式蒸发冷却空调机。而在影响蒸发冷却空调工作状态的诸多因素中, 填料的传热传质性能以及净化性能等方面, 直接关系到蒸发冷却空调的工作效率和效果, 因此必须引起足够的重视。
单元式直接蒸发冷却空调从结构上看由风机、水泵、集水箱以及供水体系构成, 该种工作方式集成状态良好, 表现为一个完整单元。此类空调多安装在室外或者屋顶, 室外风经过空调冷却之后送入室内, 出风口通常设置在空调侧面, 进风面上则装有填料。在这一类的空调体系中, 常见的填料主要有玻璃纤维、植物纤维、金属以及白杨树纤维, 除此以外, 非织造布同样也能够充当填料参与工作。不同的填料在工作过程中会呈现出不同的特征, 调料的表面积会影响到整个空调的工作效果, 以白杨树纤维和非织造布的表面积相对突出, 但是这两类的填料通常不够规则, 在填充的过程中会造成本身的不均匀分布, 因此可能会存在影响空调效果的问题。进一步分析吸湿性能, 玻璃纤维和植物纤维均具有良好的吸湿性能, 其次是白杨树纤维以及非织造布, 金属在这一方面表现极差, 同样金属在热工性能方面也表现较差。此类空调多用于规模较大的生产环境, 并且在展开对于填料的选择的时候, 防腐以及防火性能、除尘性能等方面也应当加以考虑。
湿膜蒸发式加湿降温器的工作特征在于实现等焓加湿冷却, 其核心部分是具有蒸发冷却的湿膜填料, 用于该种空调的填料主要有无极、有机以及金属三类, 同样在工作过程中会呈现出不同的特征。在冷却效果和加湿两两个方面, 以无机效果表现最为良好, 并且无机填料的风侧阻力也相对较小。此种空调的体积比较小, 与普通的机械制冷空调相当, 因此多在民用环境中出现, 在某些保鲜冷库以及温室等环境中也有应用。
最后对于复合式蒸发冷却空调机而言, 本质上由直接与间接蒸发冷却系统结合而成加以工作, 本质上相当于湿膜蒸发式加湿降温器与间接蒸发冷却空调相互结合展开工作, 并且间接式空调具有管式换热器、板翅式换热器及冷却塔与表冷器等几个主要组成部分。此种空调在实际应用中会表现出良好的弹性特征, 如果实际环境存在比较大的室内冷负荷, 还可以加装由冷却塔和表冷器组合而成的间接蒸发冷却段提升整体工作效果。
3 结论
蒸发冷却技术在我国西北地区空调领域中有着广泛的应用, 并且总体而言前景看好。但是在设备的工作方面, 仍然存在一些瓶颈问题。重点考虑到直接蒸发冷却设备填料成为该种空调工作效率的重要体现, 对其新材料的研发和试用就成为了此类技术发展的瓶颈。西北地区风沙大, 采用金属填料能够实现对于灰尘的良好抵御, 但是在其他方面表现欠佳, 同时也会造成体积偏大的问题。对于填料而言, 其内部水分分布不均以及水垢等都是造成其工作状态欠佳的原因, 必须综合因素进行考量。而对于间接蒸发冷却空调而言, 换热器是整个机构的核心, 板翅式换热器应用较为广泛, 但是水垢成为其所需要面对的重要问题。因此在选型过程中同样需要慎重, 综合具体工作环境, 才能做出合理决策。
参考文献
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直接蒸发冷却 篇7
随着云时代的来临,大数据( Big Data) 及其管理和处理能力的发展,已经成为影响国家科技进步和社会发展不容忽视的挑战。然而随着数据中心和计算中心规模的扩大,系统的稳定性、可靠性、噪音,特别是能耗问题日显突出,传统的冷却方式遇到了前所未有的发展瓶颈。电子元器件的发热功率越来越大,以CPU为例,目前的CPU发热功率密度已经高达104~ 105W / m2[1],并还有继续增加的趋势,而且大多数电子设备故障也都是由于芯片过热烧毁引起的[2]。电子设备的冷却越来越成为制约其发展的瓶颈问题,电子设备小型化、高密度化的发展趋势也进一步加剧了这个问题[3]。在一些大型的服务器集群、超级计算机等设备中,传统的风冷已经暴露出不可逾越的弊端: 如大噪音、高能耗、冷却不均匀等问题[4]。这就为高效安全的冷却技术应用于大型电子设备的冷却提供了契机。
相比于传统的冷却技术,蒸发冷却技术利用冷却介质的相变潜热带走更多热量,具有很大的换热优势,同时将蒸发冷却技术应用于大型电子设备的冷却具有重大的战略意义和创新性[5]。
蒸发冷却技术根据不同的应用场合有多种具体的应用形式,如管内冷、全浸式、喷淋式、贴壁式等等[5-7]。中国科学院电工研究所从1958 年开始蒸发冷却技术的研究与推广应用,已经成功将其应用在水力发电和火力发电的工业运行设备中,积累了大量的工业应用经验。在多数应用形式中,冷却介质都需直接与被冷却对象接触,即冷却介质直接从发热体表面吸热气化带走热量,此类换热环节最少、换热最为高效。但是由于直接接触,冷却介质与被冷却对象材料之间的长期共存,并保证各自的应用性能基本不变就显得尤为重要。这里将冷却介质与冷却对象材料之间的共存性称为材料的相容性。
除了冷却介质本身的物理化学稳定性、环保特性、换热性能、绝缘性能等等之外,冷却介质与各种电子材料会否发生物理或化学反应是相容性问题的关键。经过多年的工程实践,蒸发冷却技术在电工装备上应用,已经形成了完备的介质筛选技术路线,但随着技术拓展应用于电子设备,加之电力电子器件及电子线路板的材料种类众多,制作工艺特殊,更有别于大型电工装备,故作者所在科研团队针对这一特殊应用领域的关键性问题设计了多种实验装置并进行了专题研究,实验研究和介质筛选历经近三年的时间,探索出了一条合理的IT设备蒸发冷却技术应用介质筛选技术路线。本文将详细介绍实验装置的设计、实验过程、实验结果以及分析结论。实验结论为蒸发冷却介质与IT设备材料的相容性筛选提供了指导,这将为未来蒸发冷却技术在超级计算中心或大型数据中心的安全应用提供重要技术支持。
2 实验设计
2. 1 实验目的与要求
为了考察冷却介质与电子材料之间会否发生物理化学反应,实验设计的基本要求如下:
( 1) 材料种类完备: 未来冷却中可能与冷却介质接触的所有材料均需作为实验对象进行验证。
( 2) 冷却介质的纯净与实验材料与实验装置的洁净: 待检验的介质应保证成分纯净。实验器件材料自身洁净。实验装置一般采用带有观察窗的不锈钢腔体,其密闭腔体及附属器件内保证洁净。若装置重复使用,在重新使用前需进行全面的清洁。
( 3) 高温环境: 营造一个适当的高温恶劣环境,以便加快可能发生的物理化学变化。
( 4) 带电工作: 未来无论采用喷淋方案或其他接触冷却的方案,介质冷却的都是正在工作的电子元器件。所以实验中的电子元器件在这个实验过程中应保证带电工作状态,以模拟未来真实的工作情况。
( 5) 考核周期: 需要经过一定时间的考核验证才能够体现出材料间的相容性能。
2. 2 电子材料的分析与分类
电子设备中需要冷却的部分主要是各种封装的电子芯片,然而与冷却介质接触的却不止芯片本身。除芯片外,一般还包括印刷电路板( PCB) 、电阻、电解电容、存储设备、焊锡、助焊剂以及其他一些金属接头和线缆等等多种材料。材料种类非常庞杂,各种材料都需进行相容性验证。
值得一提的是,电子设备的外存储器一般选用传统的机械硬盘,如图1 所示。机械硬盘主要由磁盘、主轴马达、磁头以及背面的控制电路板组成。内部结构精密复杂,并且其内部对外并非密封,而是通过所谓呼吸孔来维持内外的压力平衡。这样的结构下,液态的冷却介质很容易通过呼吸孔进入其内部,极有可能导致原本工作在空气中的马达和磁头无法正常工作。
幸运的是,随着电子技术的发展,目前已经可以使用外部接口相同、读写速度更快的固态硬盘( SSD) 代替传统的机械硬盘,如图2 所示。与机械硬盘相比,固态硬盘结构非常简洁,其内部只有一块印刷电路板及其上面集成的存储芯片,仅从材料组成上看与普通的电路板没有区别。
2. 3 实验装置设计
图3 所示为实验装置的结构示意图。
介质在加热器的加热下处于沸腾状态,以营造高温环境,加速可能发生的各种相容性问题。气化的介质到达上端的冷凝器后冷凝回流,完成循环。
为了全面地包括上述所有待检验的电子材料,本实验采用台式机的主机作为实验对象。具体地讲,实验材料包括台式机主板、CPU、内存、硬盘、系统引导U盘以及必要的连接线缆。并通过真空转接头将主板电源引入、测温线和显示器数据线以及USB线引出,这样便可使实验过程中台式机电脑主板24h带电运行。此外其一直运行有测试程序,以便使CPU、内存处于满负荷工作状态。检测软件本身也可实时监控硬件状态,及时发现硬件上出现的相容性问题。
实验装置是带有观察窗的全密封不锈钢腔体。通过观察窗也可以直观地看到可能出现的变化。如图4 所示。
3 实验过程
实验共进行了七轮、历时近三年( 第七轮仍在进行中) 。每轮实验选用不同种类不同参数的冷却介质。每轮实验的时间均超过2000h。每轮实验还记录了在这种高温环境中,主板上CPU的工作温度。表1 列出了到目前为止的实验情况。CPU正常的工作温度也从侧面证明了蒸发冷却技术良好的冷却效果。
4 实验现象与分析
在数轮的实验过程中,不同介质也出现了各种相容性问题。下文依次归类说明实验现象及其初步分析。
4. 1 塑料制品相容性问题
实验材料中有很多地方是塑料制品,如多数线缆的外皮、大量固定件( 内存插座、CPU插座) 、U盘和硬盘的外壳等等。每轮实验中几乎所有塑料制品都出现了相容性问题( 老化、变质) 。特别是线缆的塑料外表皮,普遍出现了变脆变硬的现象,也有被漂白或分解变细的情况。图5 是某个品牌U盘的塑料外壳,在第二轮实验过程中其与F-B介质发生明显反应,本来坚硬的外壳变得非常柔软,这也是实验至今最严重的相容性问题。此外,在第二轮实验中也出现了一些固定件变脆、易折断的现象。
从塑料制品出现的相容性问题来看,有以下三点分析说明:
( 1) 各种塑料制品在介质中的老化现象不同,有些甚至没有明显的老化。这说明塑料材质多种多样,质量参差不齐。
( 2) 除了介质F-B与塑料有明显的反应外,其他介质也有使塑料制品老化现象,但情况不明显。
( 3) 实际上,即使在空气中运行,塑料制品这样长时间受热也会出现老化现象,但不可否认介质确实加速了塑料的老化。
总的来说,冷却介质与一般塑料制品都存在老化( 变脆变硬) 等相容性问题。但是塑料本身不承担实际的电子功能,往往只是起固定、保护、绝缘作用,即使其老化也基本不影响这些功能,也就是说,这对于蒸发冷却技术应用于电子设备的冷却不起关键性影响。在实验中并不是所有塑料制品出现老化现象,在未来成熟的应用中,完全可以定制使用相容性较好的塑料品种规避这一问题。
4. 2 硬盘相容性问题
正如在上述材料分析中所述,传统硬盘内部机械结构精密复杂,而且对外不密封,不论是气态介质还是液态介质极易进入,导致其无法正常工作。第一轮实验仅采用U盘引导系统,没有检验这一问题,而是在第二轮实验中做了检验。第二轮实验开始的当天处于气态和液态的上下两块机械硬盘均被损坏而无法工作,换上固态硬盘( SSD) 后问题得以解决。
显然,如果电子设备的冷却采用蒸发冷却技术时,其外存储系统便不能采用传统的机械硬盘,而必须使用SSD。虽然SSD目前容量不大而且价格不菲,但其拥有更快的读写速度,是未来硬盘的趋势。可以预见其容量和价格随着量产和推广将会逐渐得到市场的认可,最终也必然会淘汰传统的机械硬盘。
4. 3 介质F-C锡焊点不相容
第三轮实验结束后,开腔发现主板上所有锡焊点失去原有金属光泽,变灰变白,有些还覆盖有棕黄色物质,如图6 所示。现象说明介质F-C极有可能腐蚀焊锡。然而电子元器件与电路板电气连接时,一般都采用锡焊,若介质与焊锡不相容,就不能应用于直接与电子元器件接触的场合。
5 结论