一種適用於超低溫環境的自然冷卻空調機組的製作方法
2023-10-22 13:45:42
本實用新型涉及空調技術領域，特別涉及一種適用於超低溫環境的自然冷卻空調機組。
背景技術：
自然冷卻空調機組是一種利用自然冷源，為用戶提供空調冷凍介質的空調機組，自然冷卻空調機組可節省其它能源的消耗，實現節能環保的目的，特別適用於寒冷地區的全年需求製冷的數據中心機房空調。
現有的自然冷卻空調機組一般包括壓縮製冷系統和自然冷卻系統，壓縮製冷系統通過製冷劑進行製冷，自然冷卻系統通過冷凍介質進行製冷，壓縮製冷系統和自然冷卻系統可以同時或單獨進行製冷。現有的自然冷卻空調機組的壓縮製冷系統普遍採用R134a製冷劑，受到該製冷劑的溫度特性的限制，當環境溫度為-26.2℃時壓縮製冷系統內製冷劑處於真空狀態，當環境溫度繼續下降，壓縮製冷系統內製冷劑將處於負壓狀態，存在環境空氣滲漏進壓縮製冷系統內的隱患，導致壓縮製冷系統不能正常運行，現有的自然冷卻空調機組的運行環境溫度不得低於-25℃，無法滿足環境溫度低於-25℃的超低溫應用要求。然而，環境溫度越低，自然冷卻系統運行提供的冷量越大，節能效果越顯著。
綜上所述，如何解決自然冷卻空調機組無法在超低溫環境中進行製冷的問題，成為了本領域技術人員亟待解決的問題。
技術實現要素：
有鑑於此，本實用新型的目的在於提供一種適用於超低溫環境的自然冷卻空調機組，以實現自然冷卻空調機組在超低溫環境下的製冷。
為達到上述目的，本實用新型提供以下技術方案：
一種適用於超低溫環境的自然冷卻空調機組，包括壓縮製冷系統和自然冷卻系統，所述壓縮製冷系統的製冷劑為R407C。
優選的，在上述的自然冷卻空調機組中，所述壓縮製冷系統包括依次串接的壓縮機、冷凝器、節流裝置和蒸發器，所述蒸發器的出口與所述壓縮機的進氣口連接。
優選的，在上述的自然冷卻空調機組中，所述自然冷卻系統包括：
用於通入冷凍介質的自然冷卻換熱器；
第一截止閥，所述自然冷卻換熱器的進口和所述第一截止閥的進口均用於和冷凍介質泵的出口連通，所述第一截止閥的出口與所述蒸發器的冷凍介質進口連通；
第二截止閥，所述第二截止閥的進口與所述自然冷卻換熱器的出口連通，所述第二截止閥的出口與所述蒸發器的冷凍介質進口連通。
優選的，在上述的自然冷卻空調機組中，所述自然冷卻系統包括：
用於通入防凍液的自然冷卻換熱器；
中間換熱器，所述中間換熱器的防凍液進口與所述自然冷卻換熱器的出口連通，所述中間換熱器的防凍液出口與所述自然冷卻換熱器的進口連通，形成循環換熱迴路，所述中間換熱器的冷凍介質進口用於和供給冷凍介質的冷凍介質泵的出口連通，所述中間換熱器的冷凍介質出口與所述蒸發器的冷凍介質進口連通；
防凍液循環泵，設置於所述循環換熱迴路中。
優選的，在上述的自然冷卻空調機組中，還包括用於檢測蒸發器內的冷凍介質溫度並控制所述蒸發器內的電加熱器啟停的蒸發器溫控電路。
優選的，在上述的自然冷卻空調機組中，還包括用於檢測所述蒸發器內的冷凍介質溫度和環境溫度並控制所述冷凍介質泵啟停的冷凍介質泵溫控電路。
優選的，在上述的自然冷卻空調機組中，還包括用於檢測所述自然冷卻換熱器內的防凍液的溫度和環境溫度並控制所述防凍液循環泵啟停的循環泵溫控電路。
優選的，在上述的自然冷卻空調機組中，還包括用於檢測所述中間換熱器內的防凍液的溫度和所述蒸發器內的冷凍介質的溫度並控制所述中間換熱器內的電加熱器啟停的中間換熱器溫控電路。
優選的，在上述的自然冷卻空調機組中，還包括設置於所述中間換熱器表面的保溫層。
優選的，在上述的自然冷卻空調機組中，所述保溫層為20mm～40mm厚的保溫棉。
與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：
本實用新型提供的適用於超低溫環境的自然冷卻空調機組的壓縮製冷系統的製冷劑採用R407C，該製冷劑相比於現有的R134a，其溫度特性為，-40℃時對應飽和壓力約18.6kPa(表壓)，壓縮製冷系統內不會出現負壓，壓縮製冷系統無真空洩露風險，從而保證了在超低溫環境中能夠正常的運行進行製冷。
附圖說明
為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1為本實用新型實施例提供的一種自然冷卻空調機組的原理圖；
圖2為本實用新型實施例提供的第二種自然冷卻空調機組的原理圖。
在圖1-圖2中，1為壓縮機、2為冷凝器、3為節流裝置、4為蒸發器、5為第一截止閥、6為第二截止閥、7為自然冷卻換熱器、8為中間換熱器、9為防凍液循環泵。
具體實施方式
本實用新型的核心是提供了一種適用於超低溫環境的自然冷卻空調機組，能夠在超低溫環境下正常進行製冷。
下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
請參考圖1和圖2，本實用新型實施例提供了一種適用於超低溫環境的自然冷卻空調機組，以下簡稱自然冷卻空調機組，包括壓縮製冷系統和自然冷卻系統；其中，壓縮製冷系統採用的製冷劑為R407C。由於R407C製冷劑的溫度特性為-40℃時對應飽和壓力約18.6kPa(表壓)，壓縮製冷系統無真空洩露風險，從而實現了自然冷卻空調機組在超低溫下的正常運行進行製冷。
如圖1所示，本實施例中的自然冷卻空調機組中，壓縮製冷系統包括依次串接的壓縮機1、冷凝器2、節流裝置3和蒸發器4，蒸發器4的出口與壓縮機1的進氣口連接。壓縮製冷系統工作時，R407C製冷劑先經壓縮機1壓縮，之後在冷凝器2內冷凝放熱，由節流裝置3節流後，再通過蒸發器4蒸發吸熱，最後回到壓縮機1，完成壓縮製冷循環。
如圖1所示，本實施例中的自然冷卻空調機組中，自然冷卻系統包括自然冷卻換熱器7、第一截止閥5和第二截止閥6；其中，自然冷卻換熱器7的進口和第一截止閥5的進口均用於和冷凍介質泵的出口連通，第一截止閥5的出口與蒸發器4的冷凍介質進口連通；第二截止閥6的進口與自然冷卻換熱器7的出口連通；第二截止閥6的出口與蒸發器4的冷凍介質進口連通。冷凍介質泵用於向蒸發器4或自然冷卻換熱器7中通入冷凍介質，冷凍介質可以是冷凍水或防凍液。
採用該自然冷卻系統的自然冷卻空調機組的工作原理是：通過控制第一截止閥5和第二截止閥6的開關，實現自然冷卻模式的運行和禁止。夏季，當冷凍介質的進水溫度低於環境溫度時，冷凍介質不能利用自然冷源進行自然冷卻，則第一截止閥5打開，第二截止閥6關閉，冷凍介質直接進入蒸發器4內進行降溫換熱，自然冷卻模式禁止，空調機組僅通過壓縮製冷系統製冷。過渡季節，當冷凍介質的進水溫度高於環境溫度時，將第一截止閥5關閉，第二截止閥6打開，自然冷卻模式運行，冷凍介質先進入自然冷卻換熱器7內通過自然冷源進行降溫後，再進入蒸發器4內進行降溫換熱，空調機組通過自然冷卻系統和壓縮製冷系統製冷。冬季，當冷凍介質的進水溫度高於環境溫度時，且通過自然冷卻系統換熱即可滿足製冷負荷需求時，則將第一截止閥5關閉，第二截止閥6打開，自然冷卻模式運行，冷凍介質先經過自然冷卻換熱器7冷卻，再通過蒸發器4，空調機組僅通過自然冷卻系統製冷。當環境溫度越低，自然冷卻運行提供的冷量越大，節能效果越顯著。
圖1中的自然冷卻空調機組的冷凍介質可以是冷凍水或防凍液，如果是冷凍水，則在超低溫環境下，需要將冷凍水的溫度保持在零度以上，防止冷凍水凍結，損壞蒸發器4、自然冷卻換熱器7等部件。優選採用防凍液作為冷凍介質，根據不同的環境溫度選用合適濃度的防凍液，使防凍液在超低溫環境下不凍結。
如圖2所示，本實用新型實施例提供了第二種自然冷卻空調機組，與第一種自然冷卻空調機組不同的是自然冷卻系統，第二種的自然冷卻系統包括自然冷卻換熱器7、中間換熱器8和防凍液循環泵9；其中，中間換熱器8的防凍液進口與自然冷卻換熱器7的出口連通，中間換熱器8的防凍液出口與自然冷卻換熱器7的進口連通，形成循環換熱迴路，中間換熱器8的冷凍介質進口用於和供給冷凍介質的冷凍介質泵的出口連通，中間換熱器8的冷凍介質出口與蒸發器4的冷凍介質進口連通；防凍液循環泵9設置於循環換熱迴路中。自然冷卻換熱器7和中間換熱器8內循環流通有防凍液，用於對流經中間換熱器8的冷凍水進行冷卻，進入蒸發器4中的冷凍介質為冷凍水。
採用第二種自然冷卻系統的自然冷卻空調機組的工作原理是：通過控制防凍液循環泵9的啟停，實現自然冷卻模式的運行和禁止。夏季，當進入中間換熱器8的冷凍水的進水溫度低於環境溫度時，冷凍水不能通過中間換熱器8中的防凍液進行冷卻，則將防凍液循環泵9停止，自然冷卻模式禁止，空調機組僅通過壓縮製冷系統製冷。過渡季節，當冷凍水的進水溫度高於環境溫度時，防凍液循環泵9啟動，自然冷卻模式運行，中間換熱器8和自然冷卻換熱器7形成循環換熱迴路，冷凍水進水先經過中間換熱器8內的防凍液冷卻，再進入蒸發器4換熱，空調機組通過自然冷卻系統和壓縮製冷系統製冷。冬季，當冷凍水的進水溫度高於環境溫度，且通過自然冷卻系統換熱即可滿足製冷負荷需求時，防凍液循環泵9啟動，自然冷卻模式運行，中間換熱器8和自然冷卻換熱器7形成循環換熱迴路，冷凍水進水先經過中間換熱器8冷卻，再通過蒸發器4，空調機組僅通過自然冷卻系統製冷。當環境溫度越低，自然冷卻運行提供的冷量越大，節能效果越顯著。
由於自然冷卻空調機組在超低溫環境下運行，為了更好地保護自然冷卻空調機組，需要對自然冷卻空調機組進行防凍保護。在本實施例中，自然冷卻空調機組在第一種自然冷卻空調機組和第二種自然冷卻空調機組的基礎上，還包括蒸發器溫控電路，用於檢測蒸發器4內的冷凍介質溫度並控制蒸發器4內的電加熱器啟停，當蒸發器溫控電路檢測到蒸發器4內的冷凍介質的溫度低於設定的保護溫度值時，蒸發器溫控電路啟動電加熱器對蒸發器4進行加熱，防止蒸發器4凍壞，當蒸發器溫控電路檢測到蒸發器4內的冷凍介質的溫度高於設定的保護溫度值時，蒸發器溫控電路關閉電加熱器。通過設置蒸發器溫控電路對蒸發器4進行防凍保護。
進一步地，在本實施例中，自然冷卻空調機組還包括冷凍介質泵溫控電路，用於檢測蒸發器4內的冷凍介質溫度和環境溫度並控制冷凍介質泵啟停。當冷凍介質泵溫控電路檢測到蒸發器4內的冷凍介質的溫度或環境溫度低於設定的保護溫度值時，冷凍介質泵溫控電路啟動冷凍介質泵，使冷凍介質泵向蒸發器4和自然冷卻換熱器7中循環供給冷凍介質，防止蒸發器4和自然冷卻換熱器7凍壞。當檢測到蒸發器4的冷凍介質溫度和環境溫度高於設定的保護溫度值時，冷凍介質泵溫控電路關閉冷凍介質泵。通過設置冷凍介質泵溫控電路進一步對蒸發器4和自然冷卻換熱器7進行防凍保護。
如圖2所示，對於第二種自然冷卻空調機組，為了對自然冷卻換熱器7進行防凍保護，本實施例中的自然冷卻空調機組還包括循環泵溫控電路，用於檢測自然冷卻換熱器7內的防凍液的溫度和環境溫度並控制防凍液循環泵9的啟停。當循環泵溫控電路檢測到自然冷卻換熱器7中的防凍液的溫度或環境溫度低於設定的保護溫度值時，循環泵溫控電路啟動防凍液循環泵9，使防凍液循環泵9向自然冷卻換熱器7中循環供給防凍液，防止自然冷卻換熱器7凍壞。當檢測到自然冷卻換熱器7中的防凍液溫度和環境溫度高於設定的保護溫度值時，循環泵溫控電路關閉防凍液循環泵9。通過設置循環泵溫控電路對自然冷卻換熱器7進行防凍保護。
進一步地，為了對中間換熱器8進行防凍保護，還包括中間換熱器溫控電路，用於檢測中間換熱器8內的防凍液的溫度和蒸發器4內的冷凍水的溫度並控制中間換熱器8內的電加熱器的啟停。當中間換熱器溫控電路檢測到中間換熱器8中的防凍液的溫度或蒸發器4內的冷凍水的溫度低於設定的保護溫度值時，中間換熱器溫控電路啟動中間換熱器8中的電加熱器，對中間換熱器8進行加熱，防止中間換熱器8凍壞。當檢測到中間換熱器8中的防凍液溫度和蒸發器4中的冷凍水溫度高於設定的保護溫度值時，中間換熱器溫控電路關閉中間換熱器8中的電加熱器。通過設置中間換熱器溫控電路對中間換熱器8進行防凍保護。
更進一步地，在本實施例中，第二種自然冷卻空調機組還包括設置於中間換熱器8的表面的保溫層，以進一步對中間換熱器8進行防凍保護。作為優化，保溫層為20mm～40mm厚的保溫棉。
具體地，如圖1所示，當第一種自然冷卻空調機組採用冷凍水作為冷凍介質時，且最低運行環境溫度為-40℃時，則自然冷卻空調機組的防凍保護措施為：
蒸發器4的防凍通過兩方面進行：一是當蒸發器溫控電路檢測到蒸發器4的冷凍水溫度≤3℃時，蒸發器4內置的電加熱器啟動，當蒸發器4內的冷凍水溫度≥8℃時，電加熱器停止加熱。
二是當冷凍介質泵溫控電路檢測到蒸發器4的冷凍水溫度＜3℃或環境溫度＜-41℃時，冷凍介質泵啟動運行；當蒸發器4的冷凍水溫度≥4℃且環境溫度≥-40℃時，冷凍介質泵停止運行。
自然冷卻換熱器7的防凍：當冷凍介質泵溫控電路檢測到自然冷卻換熱器7中的冷凍水溫度＜3℃或環境溫度＜-41℃時，冷凍介質泵溫控電路啟動冷凍介質泵運行；當自然冷卻換熱器7的冷凍水溫度≥4℃且環境溫度≥-40℃時，冷凍介質泵停止運行。
當第一種自然冷卻空調機組採用防凍液作為冷凍介質，且最低運行環境溫度為-40度時，自然冷卻空調機組的防凍保護措施與採用冷凍水時的防凍保護措施不同之處為：當冷凍介質泵溫控電路檢測到蒸發器4的防凍液溫度＜-35℃或環境溫度＜-41℃時，冷凍介質泵啟動運行；當蒸發器4內的防凍液溫度≥-34℃且環境溫度≥-40℃時，冷凍介質泵停止運行。自然冷卻換熱器7的防凍：當冷凍介質泵溫控電路檢測到自然冷卻換熱器7中的防凍液溫度＜-35℃或環境溫度＜-41℃時，冷凍介質泵溫控電路啟動冷凍介質泵運行；當自然冷卻換熱器7的防凍液溫度≥-34℃且環境溫度≥-40℃時，冷凍介質泵停止運行。
其它部件防凍通過保溫、電加熱裝置和溫控電路實現。
當然，以上的溫度設定只是一個參考，根據實際的環境溫度進行設定，並不局限於本實施例所描述的溫度範圍。
如圖2所示，具體地，當第二種自然冷卻空調機組採用冷凍水作為冷凍介質時，且最低運行環境溫度為-40℃時，則自然冷卻空調機組的防凍保護措施為：
蒸發器4的防凍通過兩方面進行：一是當蒸發器溫控電路檢測到蒸發器4的冷凍水溫度≤3℃時，蒸發器4內置的電加熱器啟動，當蒸發器4內的冷凍水溫度≥8℃時，電加熱器停止加熱。
二是當冷凍介質泵溫控電路檢測到蒸發器4的冷凍水溫度＜3℃或環境溫度＜-41℃時，冷凍介質泵啟動運行；當蒸發器4的冷卻水溫度≥4℃且環境溫度≥-40℃時，冷凍介質泵停止運行。
自然冷卻換熱器7的防凍：自然冷卻換熱器7內採用防凍液，當循環泵溫控電路檢測到自然冷卻換熱器7中的防凍液溫度＜-35℃或環境溫度＜-41℃時，循環泵溫控電路啟動防凍液循環泵9運行；當自然冷卻換熱器7的防凍液溫度≥-34℃且環境溫度≥-40℃時，防凍液循環泵9停止運行。
中間換熱器8的防凍：中間換熱器8內採用防凍液，根據各地的氣溫相應充注不同濃度的防凍液，以最低運行環境環溫為-40℃為例，中間換熱器8的防凍通過兩方面進行：一是當中間換熱器溫控電路檢測到防凍液溫度＜-34℃或蒸發器4的冷凍水溫度＜3.2℃時，中間換熱器8內置的電加熱器啟動，當防凍液溫度≥-33且蒸發器4的冷凍水溫度≥4.2℃時，中間換熱器8內置的電加熱器停止。
二是當循環泵溫控電路檢測到防凍液溫度＜-35℃時或環境溫度＜-41℃時，防凍液循環泵9啟動運行；當防凍液溫度≥-34℃且環境溫度≥-40℃時，防凍液循環泵9停止運行。
在超出機組運行範圍的最低環境溫度下，機組停機長期不使用，建議排空系統防凍液。
其它部件防凍通過保溫、電加熱裝置和溫控電路實現。
以上的溫度保護值只是一個參考實施例，具體根據實際的環境溫度而定，並不局限於本實施例中所描述的溫度範圍。
上述實施例中提到的各種溫控電路為常見的溫控電路，如包括溫度傳感器、開關、導線等，只要能夠實現相應部件的啟停即可。
本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本實用新型將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。