1800 kW方舱式集中液冷源冷却系统的设计

孙之虎，袁哲，郑荣波

（合肥通用机械研究院有限公司，合肥，230031）

在全球疫情条件下，大型方舱医院的建设与使用得到广泛关注，方舱医院所使用的中央环控系统的需求量亦随之提高。与此同时，随着全球5G 移动通信技术的发展，大型可移动电子设备的散热问题成为冷却系统设计研发的主要热点之一，陈恩等人设计了1500 kW电子设备冷却系统［1］，胡继孙等人设计了多种车载可移动式冷却系统［2-5］。

本文针对1800 kW制冷量的使用要求，设计一种方舱式集中型液冷源系统，该液冷源系统可以满足车载要求，具有很高的机动性、灵活性，该系统为具有同等要求的液冷源系统的设计提供理论参考。

1 主要技术要求

该类型液冷系统通常具有在较高环境温度下考核制冷量的技术要求，同时受限于车载形式要求，液冷系统亦具有在不同环境温度下采用不同制冷方式的技术要求。

根据前文所述，液冷系统的技术要求为：1）50 ℃环境温度时，可提供1800 kW制冷量，供液温度23±3 ℃；2）供液流量不小于270 m3/h，供液压力≥0.7 Mpa，工作温度：-40 ℃～+50 ℃；3）供电要求为三相三线380 V（±10 %），50 Hz（±5 %），最大耗电功率不超过1000 kW；4）根据环境温度高于/低于15 ℃，分别采用两种制冷方式；5 ）空间尺寸要求为：12192×2438×2591（mm）。

2 系统设计

2.1 运行流程

根据技术要求，液冷系统需在-40 ℃条件下正常工作，因此需选定低冰点温度的乙二醇防冻液以防止管路结冰堵塞，初步拟选定某品牌65#防冻液，该防冻液冰点为：-65 ℃。

根据环境温度要求，同时为了节约能源，初步设定液冷系统具备两种工作模式：制冷模式、常规液冷模式。1）当环境温度低于15 ℃时，系统自动选择常规液冷模式，正常情况下从发热设备出来的高温冷却液经过水泵提供动力，在换热器中直接与空气进行热交换，降温后的冷却液进入设备吸收热量，再成为高温冷却液；2）当环境温度高于15 ℃时，系统自动选择制冷模式，此时高温冷却液经水泵提供动力后，与制冷系统的板式蒸发器换热，降温后的冷却液进入设备吸收热量，再成为高温冷却液。

如图1所示，该液冷系统大致包括制冷系统和供液系统两个部分：制冷系统主要包括压缩机、集成式换热器、干燥过滤器、储液器、膨胀阀、电磁阀、板式蒸发器以及制冷剂管路和管路附件，使用的制冷剂为R134a。供液系统包括三台并联的水泵（其中一台为备用泵）、一个储水柜、一个膨胀水箱、一台加液泵、一个外挂水箱、电磁阀、流量计以及管路及管路附件。液冷系统在水泵入口端设有稳定系统压力的膨胀罐，同时加液泵与外挂水箱可在系统运行时进行自动补液，进一步防止因系统缺液导致的设备故障。

图1 液冷系统的运行流程图

2.2 设计与选型

2.2.1 压缩机选型

零部件的选型设计第一步即为压缩机选型，选型过程应首先根据制冷循环系统的技术条件和空间结构确定出压缩机的种类形式，再根据制冷量、蒸发温度、冷凝温度等选择适当的压缩机型号。

根据技术要求，液冷系统总制冷量1800 kW，初步设计分为两个液冷源方舱，每个方舱包含10个制冷单元，单个制冷量90 kW，设计蒸发温度10 ℃，冷凝温度60 ℃。根据以上设计参数，选用两台某型号谷轮涡旋压缩机并联组合，该压缩机在60 ℃冷凝温度、7 ℃蒸发温度时制冷量可达46 kW。

2.2.2 集成式换热器设计

根据方案设计，液冷系统具备两种运行模式：制冷模式、常规液冷模式，两种运行模式下都有需要与空气换热的需求，即冷凝与常规冷却。一般情况下需设计两套换热器，本机柜为了降低设备重量、优化空间结构，现将两套换热器合并为一套集成式换热器。集成式换热器是冷却系统的关键部件，该部件具备两种功能：在常规液冷模式下，冷却液通过该换热器与空气直接换热降温；在制冷模式下，高温高压的氟利昂在该换热器内冷凝成液态，因此集成换热器结构设计合理性直接影响冷却机柜的总体性能［6］。

集成式换热器的设计计算应该分为两步：设计计算和校核计算。设计计算中应首先确定换热量、换热介质的物性参数，而后计算对数平均温差，根据换热量、对数平均温差以及经验总体换热系数计算出换热器初步结构，包括铜管长度、每排铜管数目、管排数等。进而再设计出集成换热器总体参数:肋片间距、肋片厚度等，校核计算时应根据换热器具体结构参数分别计算出铜管内换热系数、管外换热系数，进而根据导热介质的厚度、导热系数、污垢热阻、接触热阻等计算出总体换热系数，此时应注意总体换热系数的合理取值范围。最后根据换热量、对流换热温差、总体换热系数校核计算换热器结构尺寸，若不合适应当重新调整设计参数，重新校核直至校核参数与设计参数相接近或略小于设计参数。

经过详细计算，最终确定集成式换热器采用标准0.992 cm高效紫铜管，共9排呈正三角错排，其中6排铜管供制冷系统作冷凝器，3排铜管作为常规冷却系统的常规换热器使用，每排32根铜管，肋片采用薄铝片，详细参数如表1所示，在制冷模式和常规液冷模式下，设计换热量均按60 kW计算，并且每个制冷单元包含两块集成式换热器，空间布局呈“V”字型，如图2所示。

表1 集成式换热器设计参数

图2 集成式换热器空间布局图

2.2.3 其他部件选型

膨胀阀、干燥过滤器、储液器、试液镜以及管路球阀、电磁阀等制冷配件应根据所设计的蒸发温度、冷凝温度和制冷量选择合适的种类和型号。目前多家大型制冷配件公司纷纷推出所属产品的选型软件或选型网站，其中一部分甚至具有“虚拟展示”的效果，为设计选型带来很大方便。表2列出了各制冷配件的选型信息。

表2 制冷配件信息表

供液系统零部件设计主要涉及管路与水泵的设计选型，同时由于风机的选型思路与水泵大致相似，因此在此处一并介绍。

供液管路管径大小应根据技术要求的液体体积流量与设计手册或标准规范中要求的流速值确定，管路长度可根据三维建模数据进行虚拟测量，根据管径、管长和流速计算供液系统管路总阻力损失。此时，依据技术要求的供液压力值设计出系统运行时水泵的背压与扬程，进而结合流量要求选出合适的水泵型号。风机选型过程亦大致如此，不同的是风阻的计算需要考虑集成换热器与方舱进气格栅，同时应该考虑结构设计中是否存在“漏风”等不良因素，导致集成式换热器换热效率降低。

针对本文所设计的液冷源系统，表3给出了水泵与风机的主要设计参数。

表3 水泵与风机设计参数

2.3 结构布置

本文利用三维建模设计软件做出了系统设计图。从图3中可以看出，所选购的风机顶置于集成式换热器的相应位置，可以在保证总风量满足要求的同时做到风速均匀分布。舱内管路多采用“横平竖直”的直管段设计，这样既可以减小管内流体流动阻力也可以降低设备的加工成本和难度。

图3 液冷系统三维模型图

3 电气控制概述

3.1 控制模式

方舱内配置一台控制箱，该控制箱具有“自动”/“手动”两种控制模式，在“自动”控制模式下可实现机组全自动“智能化”运行，包括系统自动补液与排气，无需人工操作；在“手动”控制模式下应根据机组运行原理依次开启水泵、风机、压缩机等设备方可实现机组正常运行。在通常情况下，机组应处于“自动”控制模式，而当机组处于检修、调试工况下，方需使用“手动”模式。

3.2 参数控制

本系统所需控制的参数包括温度和流量，当系统开机启动时，首先采集方舱外环境温度传感器的测量值，判断出应使用常规液冷模式还是制冷模式。常规液冷模式下，压缩机不运行，当供液温度低于20 ℃时，风机不工作，当供液温度高于20 ℃时，根据供液温度与设定温度之间的差值改变风机转速，从而改变换热量。在制冷模式下，供液温度低于23 ℃时，压缩机与风机暂不工作，仅启动水泵，供液温度高于23 ℃时，启动风机、压缩机，冷却液于板式蒸发器中被冷却。

3.3 显示与报警

本系统所包含的控制箱内设有触摸显示屏，显示数据包括：供液温度、各支管路流量、压缩机启停状态、各电磁阀开度、各组风机运转动能百分比等，各项数据均采可用数字与图像两种方式显示，方便用户直观了解系统运行状态。报警项目主要有：供液温度过高、供液温度过低、各支路流量低、压缩机故障等。强大的数据记录与报警功能可以在很大程度上为使用者日常工作提供方便。

4 结论

本文针对1800 kW制冷量需求设计了一种方舱式集中型液冷源系统，详细阐述了其设计方案与工作流程，给出了各零部件的设计思路或选型依据，明确了控制系统、显示报警功能的设计方案。

本文所设计的液冷系统具有制冷模式和常规液冷模式，当处于环境温度较低的条件下时，只需开启水泵和风机，省去压缩机的耗电功率，为整车设备节约能源；同时设计了集成式换热器，将制冷模式下的冷凝器和常规模式下的换热器合二为一，简化了系统的内部结构，降低了设备重量。

系统内部管路走向“横平竖直”、简单明了，这样的布局有利于降低管内流体流动阻力；降低系统组装、维修的难度，同时可以为系统内部留下充足的操作和维修空间。