循环冷却装置冷却能力的影响因素

影响总体冷却能力的环境条件和冷却装置设计关键因素

循环冷却装置为制冷液体冷却系统,广泛用于各个行业,包括医疗、军事、激光及分析仪器。冷却装置用于保持部件(如激光头、探测器面板)或其他热敏设备恒温及/或消除废热并防止关键部件过热。

选择循环冷却装置时,应考虑可能影响冷却能力的几个因素。这些因素包括环境气温或设施水温、冷却装置设定温度、工艺流体、冷却装置维护等。冷却装置制造商通常根据20°C供水温度和20°C环境温度提供冷却能力评级。但是,如果环境温度高于或低于20°C会怎么样?如果冷却剂供给温度为5°C而不是20°C会怎么样?如果冷却剂为水以外的其他液体又会怎么样?这些变量对冷却装置的冷却能力有何影响?

循环冷却装置及制冷循环

要了解这些因素如何影响冷却装置的冷却能力,首先必须了解冷却装置如何运作。基于压缩机的循环冷却装置利用制冷剂的潜热属性移除工艺过程中的热量并将其排到环境空气或设施用水中(见图1)。要将这种工艺过程热量传导至环境空气或设施用水中,制冷系统必须提供比被冷却工艺流体的温度更低的制冷剂温度。在工艺过程的后面部分,系统必须使制冷剂温度高于被用于排出热量的介质的温度。

冷却装置是一个复杂的系统,但其基础部件为压缩机、冷凝器、恒温膨胀阀(TXV)及蒸发器。从压缩机开始,来自蒸发器的制冷剂从饱和气体状态被压缩为高压高温气体状态。经过压缩的高热气体经过冷凝器,通过将热量排入温度更低的环境空气(空冷冷凝器)或设施用水(水冷冷凝器)实现冷却并冷凝为饱和液体。然后,制冷剂经过恒温膨胀阀,压力和温度大幅降低。此时,制冷剂的温度低于工艺流体温度,因此热量从工艺流体传导至制冷剂,使其蒸发为低压气体。当气体流回压缩机后,如此重新循环。

冷凝器和蒸发器是将热量从一个介质传导至另一个介质的换热器。针对空冷冷凝器,通常使用带铝制翅片的铜管液-气换热器,将制冷剂气体热量排入环境空气。水冷冷凝器则使用液-液换热器将制冷剂气体热量排入设施用水。针对蒸发器,通常使用液-液换热器将工艺流体热量传导至制冷剂。换热器的性能取决于很多因素,包括所用工艺流体、进液温度、流速、结构材料及换热器设计。在所有其他因素均相同的情况下,进液温度差是引起热量从一种流体传导至另一种流体的驱动力。

图像
Boyd Genie生成的散热器3D CAD模型示例

环境空气与设施用水温度影响

环境空气温度或设施用水温度对冷却装置的冷却能力起着重要作用。要使冷凝器将总热量(工艺热负荷加压缩热量)排入环境空气或设施用水,制冷剂气体与环境空气或设施用水之间必须有足够的温差。例如,Aavid冷却装置工作时的冷凝温度通常在32.2°C (90°F)至43.3°C (110°F)之间,可将热量排入 20°C (68°F)的环境空气或24°C (75°F) 设施用水中(见图2)。水冷冷凝器可将等量的热量排入温度更高的设施用水中,因为水是一种比空气更好的导热介质,且对两种进液间的温差要求更低。

随着环境空气或设施用水温度的上升,冷却装置冷凝器将制冷剂产生的工艺热传递至环境空气或设施用水的能力降低,这使冷凝压力增加,进而导致系统性能下降。因此,如果循环冷却装置暴露于20°C以上的环境温度中,应进行尺寸计算以确定所需冷却能力。同样地,如果环境温度降低,由于初始温差更大,性能将会提高。

在进行冷却装置选型时,有必要知道最大环境温度或设施用水温度,以便选择一款具备足够冷却能力的冷却装置,以满足您的应用需求。选型时请咨询应用工程师寻求协助。

设定温度影响

与冷凝器类似,如果液体制冷剂与工艺回水温度之间的进液温差降低,蒸发器性能将会下降。如果冷却装置设定为在低温条件下运行(例如,5°C而非20°C),将会发生这种情形。如果冷却装置温度降低,则工艺回水温度也会降低,驱动热传递的温差也更小。随着设定温度降低,冷却装置性能会下降。同样地,随着设定温度增加到建议温度范围内的最大值,冷却装置的性能也将提高(见图2)。

工艺流体影响

循环冷却装置中使用的工艺流体也会影响性能。冷却装置的冷却能力通常基于使用水作为工艺流体,因此使用水以外的液体作为工艺流体可能导致冷却能力降低。例如,一些循环冷却装置可使用聚烯烃(PAO)作为工艺流体。PAO因其介电性能及/或宽工作温度范围而通常用于军用设备。但是,在所有其他因素都相同的情况下,由于相较于水,PAO的比热、密度及热导率更低,因此PAO冷却装置的冷却能力不及水冷式冷却装置。

冷却装置运行及维护影响

影响冷却装置性能的另一个因素是冷凝器及蒸发器的维护。空冷冷凝器上灰尘集聚、水冷冷凝器或蒸发器中管道或液体通道结垢会导致冷却装置性能降低。当灰尘或杂质在空冷冷凝器翅片和风扇叶片上集聚时,气流受阻,导致冷却装置损失冷却能力。如果冷却装置在多尘或肮脏的环境中运行,应定期进行维护或清洁及/或应加大冷却装置尺寸。水垢、腐蚀及/或因不良水质致使生物生长也会导致水冷冷凝器污染。管道内壁隔离层上形成的污垢会阻碍制冷剂与水之间的热传递,导致冷却装置效率降低。使用含腐蚀抑制剂的洁净水可以使污染风险最小化。查看我们的应用说明“循环冷却装置调节:卓越设备的运行与维护”了解更多信息。

其他因素

空冷循环冷却装置位于高海拔、低空气密度的位置也会影响冷却能力,这种情况较少见。由于质量流率等于容积流率乘以密度,如果密度降低,则必须由冷凝器风扇供给更高的容积流率,以提供与海平面高度条件下相同的冷却能力。一种方案是加大循环冷却装置尺寸,以确保满足冷却能力要求。

当供给工艺冷却剂温度低于环境露点时,湿度也是影响冷却装置性能的另一个因素。这种情况下,如果冷却装置管线、蒸发器及泵未进行隔热处理,这些表面上可能形成冷凝液,导致冷却能力损失。未经处理的金属表面还可能出现腐蚀损坏。因此,强烈建议采取隔热措施。

此外还要注意,由于泵、压缩机及风扇电机旋转频率更低,230 VAC 50 Hz冷却装置的冷却能力比230 VAC 60 Hz冷却装置低大约17%(见图3)。

冷却装置的性能取决于环境空气温度或设施用水温度、冷却装置设定温度、工艺流体、运行和维护等。在选择和运行冷却装置时考虑上述所有因素极为重要。这将有助于保证冷却装置所冷却的设备的正常运行时间。

查看循环冷却装置专区自行比较各方案或联系我们的工程团队,帮助您确定您的系统对冷却能力的要求。

Boyd Genie生成的散热器绘图示例

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