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通信基站用热管换热器的设计点击：2161 日期：[ 2014-04-26 21:35:21 ] |
| 通信基站用热管换热器的设计 河北工程大学 鲍玲玲 王景刚 邯郸市大友建筑设计有限公司 王晓明 摘要：热管及热管换热器凭借着其优良的传热特性得到了日益广泛的应用。分析了通信基站用重力热管换热器的工作原理及特点，结合通信基站实例，利用VB语言编写了重力热管换热器的计算程序，设计了一款结构和性能较合理的重力热管换热器。 关键词：通信基站 热管换热器 设计 程序 0·引言 通信基站是通信系统的重要组成部分，其内部温湿度和洁净度等环境参数不仅直接影响通信设备的可靠运行和使用寿命，更关系到通信的顺畅与安全。空调是维持通信基站室内温湿度的重要设备。空调电费支出占通信基站电费支出的比例较大，据统计，基站空调的电费支出占整个基站电费支出的54%左右，空调成为基站机房中的主要用电设备［1］。 基站节能的重点是空调节能。目前国内电信行业主要有以下节能手段:自然冷源冷却技术、变频技术、基站空调机组自适应控制技术［2］、冷水机组空调水处理技术、新型制冷剂节能技术、谐波治理技术等。 在我国，除夏热冬暖地区以外，其他地区室外干球温度低于18℃的时间占全年总时间的一半以上，这些地区室外干球温度低于18℃时通信基站可以采用热管式换热器将室内的热量通过隔离式换热设备排至室外，从而达到节约电能的目的［3］。笔者根据通信基站的特点，设计了一款利用室外冷源为基站降温的重力热管换热器。 1·重力热管换热器 1．1工作原理与流程 1．1．1重力热管工作原理 热管是指工质在一个抽成高真空的封闭壳体中循环相变而传递热量的装置。按回流方式的不同，热管大致可分成两大类:标准热管和重力热管。重力热管的工质在加热段吸热气化，在放热段凝结放出热量，并靠重力回流到加热段重新吸热，从而将热量从一端传递到另一端。 1．1．2重力热管换热器工作流程 如图1所示，重力热管换热器主要由热管、隔板、壳体和风机4部分组成。冷热流体通道之间用隔板完全隔开，热管作为传热元件实现冷、热流体间的热量传递。热流体通过换热器蒸发段放热后流出，冷流体通过换热器冷凝段吸热后流出。 1．2特点 1)传热效率高，热管的冷、热两侧均可根据需要采用高频焊肋片强化传热，弥补气-气换热器换热系数小的缺点。 2)能有效避免冷、热流体串流。每根热管都是相对独立的密闭单元，冷、热流体都在管外流动，并由中间密封板将冷、热流体完全隔开。 3)无任何转动部件。没有附加动力消耗，不需要经常更换元件，即使有部分元件损坏，也不影响正常生产。 4)单根热管的损坏不影响其他热管的使用，对整体换热效果的影响也可忽略不计。 5)热管换热器加工制作工艺较为复杂，投资成本较高。 1．3通信基站用重力热管换热器 1．3．1工作原理 在过渡季及冬季，当室外空气温度较低时，进风为低温气体，流经热管换热器的吸热段(冷凝段)吸收热量;室内空气为高温气体，流经热管换热器的放热段(蒸发段)放出热量。 1．3．2重力热管换热器在不同场所中应用的比较重力热管换热器在通信基站热回收系统中的应用不同于在工业及空调系统中的应用，见表1。 由表1可见，重力热管换热器应用于通信基站具有独特的优势，下面将结合通信基站实例进行重力热管换热器的设计计算。 2·重力热管换热器的设计 2．1工质及管壳材料的选择 应用于通信基站的热管属于低温热管。根据常用热管的工作温度范围与典型的工作介质及其相容壳体材料的相关研究［4］，应用于通信基站的热管换热器选用铝-氨热管，工作介质为氨，壳体材料为铝。 2．2设计计算程序 用VB编写了一个通信基站热管换热器模拟计算程序，程序框图如图2所示。 程序主要由原始参数输入、热力计算、安全校核计算和结果输出4个模块组成，详述如下。 1)原始参数输入模块 要输入的参数主要有工况参数、结构参数和物性参数。 ①工况参数:室内外空气的流量、进口温度，室内空气的出口温度。 ②结构参数:热管的光管外径、管壁厚度、肋片厚度、肋片高度、肋片间距、肋片外径、横向管间距、纵向管间距、热管冷热段长度、绝热段长度。 ③物性参数:工质的物性参数和冷热流体的物性参数。 2)热力计算模块 根据给定的原始参数，计算得到热管换热器内热管总数、总换热量和总压力降、换热器换热效率以及换热系数。 3)安全校核模块 根据热力计算输出的数据，对热管的管径(热管管径设计的基本原则是管内的蒸气速度不超过一定的极限值，这个极限值体现在蒸气通道中最大的马赫数不超过0．2，否则便会出现蒸气阻塞现象)、携带传热极限(携带传热极限是由于气液逆向流动在界面上产生较大的剪切力而引起的，在充液量较大、轴向热流密度较大的情况下易出现。随着传热率的提高，气液相对速度和界面剪切力增大，液膜表面产生波动，高速蒸气流将液膜波峰上的液体带走，界面剪切力阻碍冷凝液回流，使得蒸发段干涸、管壁温度突然升高，此时的传热率称为携带传热极限)以及沸腾传热极限(又称烧毁传热极限。当气化段内的热流密度达到某一数值时，热流产生膜态沸腾，传热过程大为恶化，壁温升高，甚至烧毁表面。影响热虹吸管沸腾极限的因素很多，除了物性外，还主要受其几何尺寸的影响)进行校核计算，若满足要求则进入下一模块，否则选择原始参数重新计算。 4)结果输出模块 通过热力计算，最后输出冷、热空气侧的换热量，热管数，换热效率，换热系数，冷、热流体侧的压力降以及故障信息提示等。 2．3计算实例分析 针对通信基站的特殊环境(假定基站机房室内控制温度为28℃———在允许范围内［5］，通信基站冷负荷2 500 W)设计重力热管换热器。 2．3．1确定原始参数 1)工况参数:室内、外风量为1 000 m3/h，室内空气进、出口温度分别为28，20℃，室外空气进口温度为18℃。 2)结构参数:冷热流体侧肋片几何结构相同，均为环形平肋片，管束的排列方式为正三角形错排;热管光管直径16 mm，管壁厚1 mm，肋片高12mm，肋片厚0．5 mm，肋片间距1 mm，肋片外径40mm，蒸发段长300 mm，冷凝段长300 mm，绝热段长50 mm，迎面横向管中心距50 mm，迎面纵向管中心距50 mm。 2．3．2输出结果 热管换热器的迎风面管排数为9，纵深管排数为10，横向的换热量为2．55 kW，换热效率为76%，空气通过换热器的压降为221．76 Pa。 2．4计算结果比较分析 通过分析热管换热器在相同风量、不同结构参数以及同一结构参数、不同风量下的换热量和阻力等性能的变化，得到满足基站要求的合理的热管结构设计方案。 表2列出了同一风量(1 000 m3/h)，室内外温度分别为28℃和18℃，设定室内出风温度为20℃，且热管的蒸发段长度和冷凝段长度均为300mm，绝热段长度为50 mm时，不同结构参数对热管换热器性能的影响。 从表2可以看出，在前面所述条件下，光管直径为16 mm和14 mm时的数据较合理，在换热量相近的情况下，阻力最小，且热管根数较少。 表3列出了在室内外温度分别为28℃和18℃，室内出风设定温度为20℃，热管的蒸发段长度和冷凝段长度均为300 mm，绝热段长度为50 mm时，在同一结构参数条件下(表2中直径为14 mm的一组)，不同风量与热管换热器的结构及性能之间的关系。 通过对表3的分析可知，随着风量的增大，换热器的换热量及阻力呈增大的趋势，热管数量随风量的增大先减少后增加，其中数量最少的是风量为1 000 m3/h组，在此风量下，换热器的传热系数最大。 综合比较表2和表3得出，对于室内冷负荷在2 500 W以下的基站，初步设计热管换热器的主要参数为:风量1 000 m3/h，热管的蒸发段长度和冷凝段长度均为300 mm，绝热段长度为50 mm，热管光管直径14 mm，管壁厚1 mm，肋片高10 mm，肋片厚2 mm，肋间距1 mm，热管横向间距40 mm。 3·结论 通信基站空调节能符合我国的基本国情，也符合企业的生存发展策略。利用室外冷源进行基站降温的方法是可行的［3］，考虑到热管的优良传热特性，结合基站实例设计了一款结构和性能较合理的重力热管换热器，并编写了计算程序。通过比较分析得出对于室内冷负荷在2 500 W以下的基站，当室内外温度分别为28℃和18℃，室内出风设定温度为20℃，热管的蒸发段和冷凝段长度均为300 mm，绝热段长度为50 mm时，重力热管换热器较合理的参数为:热管光管直径14 mm，管壁厚1 mm，肋片高10mm，肋片厚2 mm，肋片间距1 mm，热管横向间距40mm，此时换热器的迎风面管排数为11，纵深管排数为9，换热量为2．55 kW，换热效率为76%，空气通过换热器的压降为216 Pa。 参考文献: ［1］李浙，田国庆．浅谈程控交换机房的空调设计［J］．制冷空调与电力机械，2002，23(1):51-53 ［2］侯福平．通信机房空调系统节能技术探讨［J］．通信电源与机房空调的安全节能，2006(6):20-21 ［3］鲍玲玲，王景刚，张明杰，等．通信机房用空气换热器经济效益分析［J］．河北工程大学学报，2007(3):20-22 ［4］靳明聪，陈远国．热管及热管换热器［M］．重庆:重庆大学出版社，1986:57-67 ［5］中国电子工程设计院．GB 50174—2008电子信息系统机房设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2008 |
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