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哈雷釬焊板式換熱器
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通信基站用熱管換熱器的設計

點擊:1573 日期:[ 2014-04-26 21:35:21 ]
                        通信基站用熱管換熱器的設計                        河北工程大學  鮑玲玲  王景剛                      邯鄲市大友建筑設計有限公司   王曉明     摘要:熱管及熱管換熱器憑借著其優良的傳熱特性得到了日益廣泛的應用。分析了通信基站用重力熱管換熱器的工作原理及特點,結合通信基站實例,利用VB語言編寫了重力熱管換熱器的計算程序,設計了一款結構和性能較合理的重力熱管換熱器。     關鍵詞:通信基站   熱管換熱器   設計   程序     0·引言     通信基站是通信系統的重要組成部分,其內部溫濕度和潔凈度等環境參數不僅直接影響通信設備的可靠運行和使用壽命,更關系到通信的順暢與安全。空調是維持通信基站室內溫濕度的重要設備。空調電費支出占通信基站電費支出的比例較大,據統計,基站空調的電費支出占整個基站電費支出的54%左右,空調成為基站機房中的主要用電設備[1]。     基站節能的重點是空調節能。目前國內電信行業主要有以下節能手段:自然冷源冷卻技術、變頻技術、基站空調機組自適應控制技術[2]、冷水機組空調水處理技術、新型制冷劑節能技術、諧波治理技術等。     在我國,除夏熱冬暖地區以外,其他地區室外干球溫度低于18℃的時間占全年總時間的一半以上,這些地區室外干球溫度低于18℃時通信基站可以采用熱管式換熱器將室內的熱量通過隔離式換熱設備排至室外,從而達到節約電能的目的[3]。筆者根據通信基站的特點,設計了一款利用室外冷源為基站降溫的重力熱管換熱器。     1·重力熱管換熱器     1.1工作原理與流程     1.1.1重力熱管工作原理     熱管是指工質在一個抽成高真空的封閉殼體中循環相變而傳遞熱量的裝置。按回流方式的不同,熱管大致可分成兩大類:標準熱管和重力熱管。重力熱管的工質在加熱段吸熱氣化,在放熱段凝結放出熱量,并靠重力回流到加熱段重新吸熱,從而將熱量從一端傳遞到另一端。     1.1.2重力熱管換熱器工作流程     如圖1所示,重力熱管換熱器主要由熱管、隔板、殼體和風機4部分組成。冷熱流體通道之間用隔板完全隔開,熱管作為傳熱元件實現冷、熱流體間的熱量傳遞。熱流體通過換熱器蒸發段放熱后流出,冷流體通過換熱器冷凝段吸熱后流出。                  1.2特點     1)傳熱效率高,熱管的冷、熱兩側均可根據需要采用高頻焊肋片強化傳熱,彌補氣-氣換熱器換熱系數小的缺點。     2)能有效避免冷、熱流體串流。每根熱管都是相對獨立的密閉單元,冷、熱流體都在管外流動,并由中間密封板將冷、熱流體完全隔開。     3)無任何轉動部件。沒有附加動力消耗,不需要經常更換元件,即使有部分元件損壞,也不影響正常生產。     4)單根熱管的損壞不影響其他熱管的使用,對整體換熱效果的影響也可忽略不計。     5)熱管換熱器加工制作工藝較為復雜,投資成本較高。     1.3通信基站用重力熱管換熱器     1.3.1工作原理     在過渡季及冬季,當室外空氣溫度較低時,進風為低溫氣體,流經熱管換熱器的吸熱段(冷凝段)吸收熱量;室內空氣為高溫氣體,流經熱管換熱器的放熱段(蒸發段)放出熱量。     1.3.2重力熱管換熱器在不同場所中應用的比較重力熱管換熱器在通信基站熱回收系統中的應用不同于在工業及空調系統中的應用,見表1。     由表1可見,重力熱管換熱器應用于通信基站具有獨特的優勢,下面將結合通信基站實例進行重力熱管換熱器的設計計算。     2·重力熱管換熱器的設計     2.1工質及管殼材料的選擇     應用于通信基站的熱管屬于低溫熱管。根據常用熱管的工作溫度范圍與典型的工作介質及其相容殼體材料的相關研究[4],應用于通信基站的熱管換熱器選用鋁-氨熱管,工作介質為氨,殼體材料為鋁。     2.2設計計算程序     用VB編寫了一個通信基站熱管換熱器模擬計算程序,程序框圖如圖2所示。                   程序主要由原始參數輸入、熱力計算、安全校核計算和結果輸出4個模塊組成,詳述如下。     1)原始參數輸入模塊     要輸入的參數主要有工況參數、結構參數和物性參數。     ①工況參數:室內外空氣的流量、進口溫度,室內空氣的出口溫度。     ②結構參數:熱管的光管外徑、管壁厚度、肋片厚度、肋片高度、肋片間距、肋片外徑、橫向管間距、縱向管間距、熱管冷熱段長度、絕熱段長度。     ③物性參數:工質的物性參數和冷熱流體的物性參數。     2)熱力計算模塊     根據給定的原始參數,計算得到熱管換熱器內熱管總數、總換熱量和總壓力降、換熱器換熱效率以及換熱系數。     3)安全校核模塊     根據熱力計算輸出的數據,對熱管的管徑(熱管管徑設計的基本原則是管內的蒸氣速度不超過一定的極限值,這個極限值體現在蒸氣通道中最大的馬赫數不超過0.2,否則便會出現蒸氣阻塞現象)、攜帶傳熱極限(攜帶傳熱極限是由于氣液逆向流動在界面上產生較大的剪切力而引起的,在充液量較大、軸向熱流密度較大的情況下易出現。隨著傳熱率的提高,氣液相對速度和界面剪切力增大,液膜表面產生波動,高速蒸氣流將液膜波峰上的液體帶走,界面剪切力阻礙冷凝液回流,使得蒸發段干涸、管壁溫度突然升高,此時的傳熱率稱為攜帶傳熱極限)以及沸騰傳熱極限(又稱燒毀傳熱極限。當氣化段內的熱流密度達到某一數值時,熱流產生膜態沸騰,傳熱過程大為惡化,壁溫升高,甚至燒毀表面。影響熱虹吸管沸騰極限的因素很多,除了物性外,還主要受其幾何尺寸的影響)進行校核計算,若滿足要求則進入下一模塊,否則選擇原始參數重新計算。     4)結果輸出模塊     通過熱力計算,最后輸出冷、熱空氣側的換熱量,熱管數,換熱效率,換熱系數,冷、熱流體側的壓力降以及故障信息提示等。     2.3計算實例分析     針對通信基站的特殊環境(假定基站機房室內控制溫度為28℃———在允許范圍內[5],通信基站冷負荷2 500 W)設計重力熱管換熱器。     2.3.1確定原始參數     1)工況參數:室內、外風量為1 000 m3/h,室內空氣進、出口溫度分別為28,20℃,室外空氣進口溫度為18℃。     2)結構參數:冷熱流體側肋片幾何結構相同,均為環形平肋片,管束的排列方式為正三角形錯排;熱管光管直徑16 mm,管壁厚1 mm,肋片高12mm,肋片厚0.5 mm,肋片間距1 mm,肋片外徑40mm,蒸發段長300 mm,冷凝段長300 mm,絕熱段長50 mm,迎面橫向管中心距50 mm,迎面縱向管中心距50 mm。     2.3.2輸出結果     熱管換熱器的迎風面管排數為9,縱深管排數為10,橫向的換熱量為2.55 kW,換熱效率為76%,空氣通過換熱器的壓降為221.76 Pa。     2.4計算結果比較分析     通過分析熱管換熱器在相同風量、不同結構參數以及同一結構參數、不同風量下的換熱量和阻力等性能的變化,得到滿足基站要求的合理的熱管結構設計方案。     表2列出了同一風量(1 000 m3/h),室內外溫度分別為28℃和18℃,設定室內出風溫度為20℃,且熱管的蒸發段長度和冷凝段長度均為300mm,絕熱段長度為50 mm時,不同結構參數對熱管換熱器性能的影響。     從表2可以看出,在前面所述條件下,光管直徑為16 mm和14 mm時的數據較合理,在換熱量相近的情況下,阻力最小,且熱管根數較少。     表3列出了在室內外溫度分別為28℃和18℃,室內出風設定溫度為20℃,熱管的蒸發段長度和冷凝段長度均為300 mm,絕熱段長度為50 mm時,在同一結構參數條件下(表2中直徑為14 mm的一組),不同風量與熱管換熱器的結構及性能之間的關系。                   通過對表3的分析可知,隨著風量的增大,換熱器的換熱量及阻力呈增大的趨勢,熱管數量隨風量的增大先減少后增加,其中數量最少的是風量為1 000 m3/h組,在此風量下,換熱器的傳熱系數最大。     綜合比較表2和表3得出,對于室內冷負荷在2 500 W以下的基站,初步設計熱管換熱器的主要參數為:風量1 000 m3/h,熱管的蒸發段長度和冷凝段長度均為300 mm,絕熱段長度為50 mm,熱管光管直徑14 mm,管壁厚1 mm,肋片高10 mm,肋片厚2 mm,肋間距1 mm,熱管橫向間距40 mm。     3·結論     通信基站空調節能符合我國的基本國情,也符合企業的生存發展策略。利用室外冷源進行基站降溫的方法是可行的[3],考慮到熱管的優良傳熱特性,結合基站實例設計了一款結構和性能較合理的重力熱管換熱器,并編寫了計算程序。通過比較分析得出對于室內冷負荷在2 500 W以下的基站,當室內外溫度分別為28℃和18℃,室內出風設定溫度為20℃,熱管的蒸發段和冷凝段長度均為300 mm,絕熱段長度為50 mm時,重力熱管換熱器較合理的參數為:熱管光管直徑14 mm,管壁厚1 mm,肋片高10mm,肋片厚2 mm,肋片間距1 mm,熱管橫向間距40mm,此時換熱器的迎風面管排數為11,縱深管排數為9,換熱量為2.55 kW,換熱效率為76%,空氣通過換熱器的壓降為216 Pa。 參考文獻: [1]李浙,田國慶.淺談程控交換機房的空調設計[J].制冷空調與電力機械,2002,23(1):51-53 [2]侯福平.通信機房空調系統節能技術探討[J].通信電源與機房空調的安全節能,2006(6):20-21 [3]鮑玲玲,王景剛,張明杰,等.通信機房用空氣換熱器經濟效益分析[J].河北工程大學學報,2007(3):20-22 [4]靳明聰,陳遠國.熱管及熱管換熱器[M].重慶:重慶大學出版社,1986:57-67 [5]中國電子工程設計院.GB 50174—2008電子信息系統機房設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2008
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