一种相变制冷系统和制冷方法与流程

1.本公开涉及制冷系统的技术领域，尤其涉及数据中心制冷领域的一种相变制冷系统和制冷方法。


背景技术：

2.数据中心是全球协作的特定设备网络，用来在因特网网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。随着互联网技术发展，近年来对数据中心的需求量越来越大，而数据中心运行时其中的设备会产生大量的热，因此，需要对数据中心进行制冷散热。


技术实现要素：

3.本公开提供了一种相变制冷系统和制冷方法。
4.根据本公开的一方面，提供了一种相变制冷系统，该系统包括：
5.相变循环装置、集中设置在屋顶的冷却塔以及设置在屋内的末端换热装置；
6.所述相变循环装置与所述冷却塔之间通过第一管路连通，所述相变循环装置与所述末端换热装置之间通过第二管路连通；
7.所述冷却塔中的冷却流体通过所述第一管路传输至所述相变循环装置，所述冷却流体在所述相变循环装置中吸收气态制冷剂的热量使气态制冷剂转化为液态制冷剂；
8.所述冷却流体吸收热量后通过所述第一管路输送至所述冷却塔中再次冷却；所述液态制冷剂通过第二管路输送至末端换热装置对室内进行制冷。
9.根据本公开的另一方面，提供了一种相变制冷系统的制冷方法，该方法包括：
10.冷却塔将冷却流体通过第一管路输送至相变循环装置，以使冷却流体在所述相变循环装置内吸收热量将气态制冷剂转化为液态制冷剂，吸收热量后的冷却流体通过所述第一管路输送至所述冷却塔再次冷却；
11.相变循环装置将液态制冷剂通过第二管路输送至末端换热装置，以使所述液态制冷剂在所述末端换热装置内吸收热量从液态转变为气态，对室内进行制冷；气态制冷剂通过第二管路输送至相变循环装置，以使所述气态制冷剂在所述相变循环装置内冷却为液态制冷剂。
12.本公开提供的相变制冷系统和制冷方法，能够提升制冷系统能效。
13.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
14.附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
15.图1是根据本公开一实施例的相变制冷系统的示意图；
16.图2是根据本公开一实施例的相变循环装置的示意图；
17.图3是根据本公开一实施例的换热器的示意图；
18.图4是根据本公开一实施例的冷却塔与换热器之间的示意图；
19.图5是根据本公开另一实施例的冷却塔与换热器之间的的示意图；
20.图6是根据本公开一实施例的蒸发器的示意图；
21.图7是根据本公开一实施例的相变制冷系统的制冷方法的流程示意图。
22.附图标记：1、相变循环装置；11、换热器；111、第一入口；112、第一出口；113、第二入口；114、第二出口；12、气泵；13、液泵；14、过滤器；15、储液罐；16、阀门；2、冷却塔；21、水泵；22、流体泵；3、末端换热装置；31、蒸发器；311、换热背板；312、供液盘管；313、流量阀；314、温度传感器；32、压缩机；4、第一管路；5、第二管路；51、液管段；52、气管段。
具体实施方式
23.以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
24.本公开提供一种相变制冷系统，该制冷系统可以应用于医疗卫生领域、机械电子工业、食品工程、建筑物室内降温等众多领域。以对建筑物室内的数据中心降温为例说明，数据中心通常是指在一个物理空间内实现信息的集中处理、存储、传输、交换、管理，而计算机设备、服务器设备、网络设备、存储设备等通常认为是网络核心机房的关键设备。当这些设备在运行时，会导致物理空间内的温度持续升高，若不对该空间进行降温，则会影响上述设备的正常运行。
25.现有技术中数据中心的冷却采用的是传统冷冻水系统，冷冻水循环通过冷水机组制冷制出冷冻水，之后通过水泵提供动力，将冷冻水提供至房间精密空调，通过将回风冷却为机房制冷；冷却水系统通过水泵将冷水机组产生的热量送至冷却塔，通过室外风冷却冷却水供水，将热量输送至大气。该系统用于高层建筑时，由于需要输送大量的冷却水至高层，高层供水要求的压力大，需要水泵提供充足的动力，因此存在能耗高、节能性差的缺点，不满足pue(评价数据中心能源效率的指标)的要求；另外高层输水还需要配备相应的工程管路，工程管路在高层楼房上排布复杂，因此现有的冷冻水系统不适用于高层建筑且也不符合节能要求。
26.为了解决上述问题，本公开一实施例提供一种相变制冷系统，如图1所示，该系统包括：
27.相变循环装置1、冷却塔2以及末端换热装置3。
28.例如该制冷系统对高层建筑物室内的数据中心进行降温，末端换热装置3设置在建筑物室内，相变循环装置1与末端换热装置3一一对应且相变循环装置1设置在高层建筑物外侧，冷却塔2集中设置在高层建筑物的屋顶，一个冷却塔2可以与多个相变冷却装置连接。
29.如图2所示，相变循环装置1和冷却塔2之间通过第一管路4连通，相变循环装置1和末端换热装置3之间通过第二管路5连通。
30.冷却塔2中的冷却流体通过第一管路4传输至相变循环装置1，冷却流体在相变循环装置1中吸收气态制冷剂的热量使气态制冷剂转化为液态制冷剂。
31.冷却流体吸收热量后通过第一管路4输送至冷却塔2中再次冷却；液态制冷剂通过第二管路5输送至末端换热装置3对室内进行制冷。
32.本公开的制冷系统通过在屋顶设置集中式的冷却塔2，相变循环装置1和末端换热装置3利用相变制冷剂的方案，液态制冷剂在转化为气态制冷剂的过程中，需要吸收大量的热量，因此该制冷系统能够实现对室内降温的效果。由于相变制冷剂的载冷能力强，因此该制冷系统适用于高层建筑，且能够提高制冷系统能效，满足pue的要求。另外制冷过程中，制冷剂在液态和气态之间循环转化，因此还能够实现制冷剂的循环利用。
33.在一个示例中，第一管路4和第二管路5可以采用钢管、铜管等金属管路，也可以采用铁氟龙管等耐腐蚀的高分子材料管路。若采用金属管路，金属管路内壁设置防腐涂层，避免腐蚀性流体腐蚀管路内壁。
34.如图2所示，相变循环装置1包括换热器11、气泵12以及液泵13，在一个示例中，换热器11为壳管式换热器11，换热器11的管内流动的是冷流体，换热器11的壳内流动的是热流体，冷流体和热流体在换热器11内交换热量。换热器11的剖视图如图3所示，换热器11包括第一入口111、第一出口112、第二入口113以及第二出口114，其中冷却塔2输出的冷却流体经过第一入口111进入换热器11内部，冷却流体在换热器11内吸收热量后经过第一出口112输出，然后进入冷却塔2。换热器11内的液态制冷剂经过第二入口113进入末端换热装置3，液态制冷剂在末端换热装置3内吸收热量后汽化为气态制冷剂，气态制冷剂经过第二出口114输出，然后进入换热器11内再次冷却为液态制冷剂。
35.气泵12和液泵13用于输送制冷剂，制冷剂可以采用r134a、氟利昂、碳氢化合物、氨等相变流体，本公开对制冷剂的种类不做限制。由于制冷剂具有腐蚀性，制冷剂容易对气泵12和液泵13造成损坏，因此气泵12和液泵13都为氟泵，由于氟泵的内衬都为氟塑料，氟塑料具有耐腐蚀性，因此氟泵可以用于输送各种腐蚀性流体。
36.如图2所示，第二管路5包括液管段51和气管段52，其中液管段51的一端与换热器11的第二出口114连通，另一端与末端换热装置3连通。气管段52的一端与换热器11的第二入口113连通，另一端与末端换热装置3连通。
37.如图2所示，气泵12设置在第二管路5的气管段52且气泵12位于换热器11和末端换热装置3之间，气泵12将末端换热装置3内的气态制冷剂通过第二管路5的气管段52输送至换热器11。液泵13设置在第二管路5的液管段51，液泵13位于换热器11和末端换热装置3之间，液泵13将换热器11内的液态制冷剂通过第二管路5的液管段51输送至末端换热装置3。液态制冷剂与末端换热装置3换热后转化为气态制冷剂，气态制冷剂经过第二管路5的气管段52进入换热器11，气态制冷剂在换热器11中与换热流体换热后再次转化为液体，如此即完成制冷剂的相变循环过程。
38.在一个示例中，冷却塔2中的冷却流体为冷却水，冷却塔2集中设置在高层建筑物的屋顶，为了提高冷却水与空气的换热速度，冷却塔2在高层建筑物的屋顶可以设置多个，冷却塔2可以选择开式冷却塔或闭式冷却塔，本公开对此不做限制。如图4所示，冷却塔2和换热器11之间通过第一管路4连通，水泵21为冷却水提供动力，水泵21设置在冷却塔2和换热器11之间，启动水泵21后，冷却水通过冷却塔2的出口流出至第一管路4中，再经过第一管路4的传输由换热器11的第一入口111进入换热器11的管内，冷却水在换热器11中吸收气态制冷剂的热量后，冷却水小部分蒸发为水蒸气，其余冷却水吸收热量后温度升高转化为热
水，水蒸气和热水经过换热器11的第一出口112流出，再经过第一管路4的输送由冷却塔2的进口进入至冷却塔2中，水蒸气和热水在冷却塔2中与室外空气进行换热后再次冷却为冷却水。由于冷却塔2内的冷却水会蒸发减少，因此需要定期向冷却塔2内补充冷却水。
39.在一个示例中，冷却塔2中的冷却流体还可以为相变流体，如图5所示，冷却塔2和换热器11之间通过第一管路4连通，流体泵22为相变流体提供动力，流体泵22设置在冷却塔2和换热器11之间。启动流体泵22后，相变流体通过冷却塔2的出口流出至第一管路4中，再经过第一管路4的传输由换热器11的第一入口111进入换热器11的管内，相变流体在换热器11中吸收气态制冷剂的热量后，由液态转化为气态。气态的相变流体经过换热器11的第一出口112流出，再经过第一管路4的输送进入至冷却塔2内，气态的相变流体在冷却塔2内换热后，由气态再次转化为液态。
40.在一个示例中，末端换热装置3输出气态制冷剂时，气态制冷剂中会夹杂室内的灰尘等杂质，为了避免气态制冷剂中含有的杂质损坏气泵12，影响气泵12运行，如图2所示，在第二管路5的气管段52设置过滤器14，过滤器14位于气泵12和末端换热装置3之间，气态制冷剂经过过滤器14的过滤后，灰尘等杂质被过滤器14过滤，过滤后的气态制冷剂进入气泵12输送至换热器11壳内。
41.由于气态制冷剂在换热器11中换热后转化为液态制冷剂，启动液泵13后，液泵13将液态制冷剂输送至换热末端，若液泵13关闭后，而该制冷系统的其它装置还在正常运行时，换热器11内的液态制冷剂会源源不断的输出，使得液态制冷剂堆积在第二管路5中，从而导致第二管路5内压力过大而膨胀或液态制冷剂又回流至换热器11的现象发生。如图2所示，在第二管路5的液管段51设置储液罐15，储液罐15位于换热器11和液泵13之间，设置储液罐15能够储存多余的液态制冷剂。
42.在一个示例中，如图2所示，第二管路5的液管段51设置有阀门16，阀门16位于液泵13和末端换热装置3之间，设置阀门16用于调节液态制冷剂的流量大小。
43.在一个示例中，如图2所示，末端换热装置3包括蒸发器31和压缩机32，压缩机32的输入端与蒸发器31连接，压缩机32的输出端与换热器11连接；换热器11内的液态制冷剂通过第二管路5输送至蒸发器31，液态制冷剂在蒸发器31内吸收热量后汽化为气态制冷剂。气态制冷剂被压缩机32吸入后转变为高温高压的气态制冷剂，高温高压的气态制冷剂进入换热器11内再次冷却为液态制冷剂。
44.在一个示例中，蒸发器31可以采用风墙或者背板换热器，背板换热器可以采用传统的铜管铝翅片换热器11也可以采用车用空调领域的微通道换热器11，本公开对蒸发器31的具体形式不做限制。
45.蒸发器31以背板换热器为例进行说明，如图6所示，蒸发器31包括多个换热背板311，设置多个换热背板311有利于提高液态制冷剂的蒸发效果。换热背板311上设置有供液盘管312，供液盘管312与换热背板311的进液口之间连通，供液盘管312呈螺旋状设置或弓形设置，螺旋状或弓形能够提高供液盘管312的表面积，使得液态制冷剂吸收更多热量，从而提高室内的制冷效果。
46.如图6所示，换热背板311的进液口与供液盘管312之间设置有流量阀313，流量阀313用于调节液态制冷剂的流量，液态制冷剂通过液泵13提供动力输送至换热背板311的进液口，然后通过流量阀313节流进入供液盘管312，然后液态制冷剂吸收热量被蒸发为气态
制冷剂。流量阀313采用电子膨胀阀，电子膨胀阀具有调节反应快的特点。为了便于控制电子膨胀阀，蒸发器31上还设置有温度传感器314，温度传感器314与电子膨胀阀电连接，电子膨胀阀根据温度传感器314采集的温度进行开度调节，以此调节液态制冷剂流量。
47.在一个示例中，室外设置有用于测试室外湿球温度的湿球温度计，湿球温度计固定在高层建筑物屋顶，当室外湿球温度低于室内的送风温度时，该状态下压缩机32被旁通，制冷系统采用自然冷却模式。当室外湿球温度高于室内的送风温度时，压缩机32打开，制冷系统采用机械制冷模式。例如冬季室外温度低，制冷系统采用自然冷却模式，夏季室外温度高，制冷系统采用机械制冷模式。
48.在一个示例中，压缩机32为无油压缩机，无油压缩机指的是在压缩机32汽缸内不用润滑油的压缩机32，由于在运行中，无润滑油与压缩气源接触，因此排出的气体不含油气。通过采用无油压缩机可避免由于压缩机32回油问题影响相变制冷系统制冷的问题，从而提高相变制冷系统的制冷效果。
49.根据本公开的实施例，本公开还提供一种相变制冷系统的制冷方法，如图7所示，该方法包括：
50.步骤s101、冷却塔将冷却流体通过第一管路输送至相变循环装置，以使冷却流体在所述相变循环装置内吸收热量将气态制冷剂转化为液态制冷剂，吸收热量后的冷却流体通过所述第一管路输送至所述冷却塔再次冷却；
51.步骤s102、相变循环装置将液态制冷剂通过第二管路输送至末端换热装置，以使所述液态制冷剂在所述末端换热装置内吸收热量从液态转变为气态，对室内进行制冷；气态制冷剂通过第二管路输送至相变循环装置，以使所述气态制冷剂在所述相变循环装置内冷却为液态制冷剂。
52.本公开相变制冷系统的制冷方法利用制冷剂的相变，对建筑物室内进行制冷，制冷过程中，制冷剂在液态和气态之间循环转化，实现制冷剂的循环利用；另外液态制冷剂转化为气态制冷剂，需要吸收大量的热量，因此室内更多的热量被液态制冷剂吸收，室内温度降低，从而提升制冷效果，如此在制冷过程中能够降低能耗，满足pue的要求。
53.在一个示例中，所述相变循环装置包括：换热器、气泵以及液泵；
54.所述相变循环装置将液态制冷剂通过第二管路输送至末端换热装置，包括：所述液泵将所述换热器内的所述液态制冷剂通过第二管路输送至所述末端换热装置；
55.所述末端换热装置将气态制冷剂通过第二管路输送至相变循环装置，包括：所述气泵将所述末端换热装置内的所述气态制冷剂通过所述第二管路输送至所述换热器。
56.制冷剂在相变循环装置内由气态转化为液态，实现制冷剂的循环利用。
57.在一个示例中，所述冷却塔中的冷却流体为冷却水，所述冷却塔通过水泵为冷却水提供动力；
58.所述水泵将所述冷却塔内的冷却水通过所述第一管路输送至所述换热器，冷却水吸收气态制冷剂的热量后，通过所述第一管路输送至所述冷却塔内再次冷却。
59.在一个示例中，所述冷却塔中的冷却流体为相变流体，所述冷却塔通过流体泵为相变流体提供动力；
60.所述流体泵将所述冷却塔内的相变流体通过所述第一管路输送至所述换热器，相变流体在所述换热器内吸收气态制冷剂的热量后，由液态转化为气态；吸收热量后的相变
流体通过所述第一管路输送至所述冷却塔内再次冷却，相变流体在所述冷却塔内由气态转化为液态。
61.在一个示例中，所述末端换热装置包括：蒸发器和压缩机，所述压缩机的输入端与所述蒸发器连接，所述压缩机的输出端与所述换热器连接；
62.所述液态制冷剂通过所述第二管路输送至所述蒸发器，所述液态制冷剂在所述蒸发器内吸收热量后，汽化为气态制冷剂；
63.所述气态制冷剂经过所述压缩机处理后进入所述换热器内冷却为液态制冷剂。
64.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
65.上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。