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分体式空调与热管耦合装置的理论设计与研究 东南大学能源与环境学院 张津京 摘要 本文针对封闭环境(如通信基站)在过渡季节不能完全通过墙体传热来传递热量，而利用制冷空调时增加了能耗的现状，提出了分体式制冷与热管换热循环耦合的方案，在过渡季节（封闭环境与室外大气环境温差大于10℃时），停止了制冷压缩机的运行，节约能耗，提高压缩机的使用寿命，保证了封闭环境内的空气洁净度，增强电子电器设备运行的可靠性与稳定性，并针对此系统提出了一些需要注意的问题。 关键词：分体式制冷，分离式热管，耦合 引言 随着科学技术的发展，用于IT行业的各类具有内热源封闭式环境（如程控交换机房、通讯机站房等）系统越来越多，一些电信机房、机柜等方面的散热常常是在小温差大热流密度条件下进行的，并且由于成本、美观等因素，散热空间受到很大的限制。 以移动通讯机站为例，为了保证通讯电子电器设备的稳定可靠工作，室内环境温度不得超过28℃，目前通常的做法是通过制冷空调系统来实现降温冷却，在过渡季节，具有内热源的封闭环境只依靠墙壁的散热还不能完全保证环境温度低于28℃，往往还需要启动制冷系统，增加了能耗。而采用与室外通风换气方式来冷却电子电器设备，环境中的灰尘会对电子电器元件产生不可预估的干扰与破坏作用，严重影响到设备安全可靠运行。因此间接换热技术研究应运而生，本文所涉及的系统就是其中的一种。 分体式制冷与热管耦合系统 针对以上提出的在过渡季节封闭空间中传热所存在的问题，本文提出了将分体式制冷与热管换热装置耦合于同一个系统中的方案，在分体式空调制冷循环的基础上，将经特殊设计的室外冷凝器和室内蒸发器与制冷压缩机、节流阀、液路电磁阀、汽路电磁阀组合构成制冷与热管换热循环耦合装置，液路电磁阀和汽路电磁阀分别与节流阀、压缩机并联。当封闭环境与室外大气环境温差大于10℃时，循环切换为热管换热循环模式，将具有内热源的封闭环境内的热量经分体式热管间接换热排至大气环境，此时制冷压缩机无需运转，室内外风扇照常运行，以此强化间接换热；当封闭环境与室外大气环境温差小于10℃时，热管换热循环模式切换为蒸汽压缩制冷循环模式，将具有内热源的封闭环境内的热量经制冷循环排放至大气环境。 2.1耦合系统的组成 下图是分体式制冷与热管换热循环耦合装置示意图。其中有：蒸发器，压缩机，冷凝器，节流阀，液路电磁阀，汽路电磁阀，蒸发器风扇，冷凝器风扇。 耦合装置流程图 2.2耦合系统的技术方案 该系统的分体式制冷与热管换热循环耦合装置实施方法为：当封闭环境与室外大气环境温差大于10℃时，打开液路电磁阀和汽路电磁阀，压缩机停止工作，蒸发器风扇和冷凝器风扇照常工作。此时，分体式制冷与热管换热循环耦合装置系统按分体式热管换热循环模式工作，室外侧冷凝器为分体式热管冷凝段，室内侧蒸发器为分体式热管蒸发段。制冷剂在分体式热管蒸发段内吸收封闭环境内热量蒸发，制冷剂蒸汽通过汽路管道经过汽路电磁阀再由汽路管道进入分体式热管冷凝段冷凝，冷凝的液态制冷剂在重力作用下通过液路管道经过液路电磁阀再由液路管道进入分体式热管蒸发段吸热蒸发，构成热管换热循环；当封闭环境与室外大气环境温差小于10℃时，关闭液路电磁阀和汽路电磁阀，开启压缩机，蒸发器风扇和冷凝器风扇照常工作。此时，分体式制冷与热管换热循环耦合装置系统按蒸汽压缩式制冷循环模式工作，压缩机排出的高压制冷剂气体由管路进入室外侧冷凝器冷凝为液体，高压液态制冷剂由管路进入节流阀，再由管路进入室内侧蒸发器吸收封闭环境内热量蒸发，出蒸发器的制冷剂蒸汽由管路进入压缩机，如此构成制冷循环。 系统中的问题分析 3.1冷凝段与蒸发段的耦合面积设计问题 针对江苏地域某一具体的通信基站的要求，室内环境温度要求为不高于28℃，在计算时选取24℃，系统排热负荷为4kW，室外环境为江苏地区气候特征，即夏季取室外温度为34℃，过渡季节取室外温度为12℃，换热管选用外直径d0=9.52mm铜管管壳，壁厚δ=0.36mm，热管内直径为di=8.8mm，铜管外套铝翅片，翅片厚度δf=0.2mm，翅片节距Sf=1.8mm，迎风面管中心距S1=25mm，管簇排列采用正三角形叉排。根据参考文献[3]计算出对制冷状态下的冷凝器和蒸发器的换热面积，再计算出在过渡时期当作是分体式热管时的热管换热面积，由计算可知，后者的换热面积大于前者，因此该系统的冷凝器与蒸发器的换热面积应该以分体式热管换热面积来考虑。 3.2耦合装置的结构设计问题 该装置是将分体式制冷与热管换热结合起来，实现不同季节下的制冷与热管换热，因此在结构的设计上就需要综合考虑到这两方面的因素。 对于夏季运行而言，蒸发器-压缩机-冷凝器-节流阀-蒸发器，这一蒸汽压缩式制冷循环早已得到了实践的验证，是完全可行的。考虑到过渡季节的使用，增大冷凝器与蒸发器的换热面积不会对耦合装置进