CN116147217B - 一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统 - Google Patents
一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种用于数据中心冷却的喷射器‑液泵复合增效的制冷循环系统，该系统包括压缩机、五个单向阀、冷凝器、储液罐、气液分离器、工质泵、两个电磁阀、两个蒸发器、喷射器和节流阀；该系统通过单向阀和控制电磁阀的开关以及压缩机的启停来实现喷射器增效制冷模式和液泵制冷模式的切换。当系统处于喷射器增效制冷模式时，喷射器用于回收膨胀功，提高了压缩机吸气压力，减少了压缩机耗功；双蒸发器可实现双蒸发温度，从而降低蒸发器的平均换热温差，提高系统性能。当系统处于液泵制冷模式时，压缩机关闭，由工质泵提供循环动力，可以有效地减少制冷系统的能耗，降低数据中心的PUE。
Description
技术领域
本发明属于制冷与低温技术领域，具体涉及一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统。
背景技术
近年来，数字经济的快速发展推动了数据量的爆发式增长，数据中心成为数字经济的核心基础设施，已被列为中国七大“新基建”领域之一。同时，数据中心也被称为“耗能大户”。伴随着高发热密度IT设备的大量应用，与之配套的数据中心冷却系统全年高负荷运行，能耗大幅攀升，占据数据中心总能耗的40％以上。因此，不断提高数据中心冷却系统能效水平，是降低数据中能耗评价指标PUE的重要技术方向。
目前，将蒸气压缩式制冷与自然冷却技术相结合是降低数据中心冷却系统PUE的重要技术手段。传统的蒸气压缩式制冷系统结构简单，可靠性高、维护成本低，被广泛地应用于机房空调。但该制冷方式存在节流损失大，尤其在环境温度较高时，蒸气压缩式制冷系统存在冷凝压力高，节流损失大，压缩机压比大，系统能效比较低的问题严重影响PUE的进一步降低。另外，传统蒸气压缩式制冷系统采用单蒸发温度制冷，制冷剂与二次流(风或水)的传热温差较大，导致传热不可逆损失较大，系统能耗较高。因此需要构建更加先进高效的数据中心制冷系统，既满足泵驱热管的稳定高效运行，同时提高蒸气压缩式制冷系统能效水平，从而实现数据中心冷却系统全季节稳定高效运行。
发明内容
为了解决用于数据中心冷却的能耗较高问题，本发明提出了一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统，该系统有两种运行模式：喷射器增效制冷模式和液泵制冷模式。当环境温度较高时，系统处于喷射器增效制冷模式，此时喷射器能够回收节流过程的膨胀功，从而提高压缩机的吸气压力，改善系统性能；当环境温度较低时，系统切换至液泵制冷模式，此时压缩机关闭，由工质泵提供循环动力，利用环境冷源对数据中心进行冷却，这样能够可以地减少制冷系统的能耗，降低数据中心的PUE。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统包括：压缩机101、单向阀Ⅰ102、冷凝器103、储液器104、单向阀Ⅱ105、工质泵106、电磁阀Ⅰ107、电磁阀Ⅱ108、喷射器109、蒸发器Ⅰ110、单向阀Ⅲ111、蒸发器Ⅱ112、节流阀113、单向阀Ⅳ114、气液分离器115、单向阀Ⅴ116；所述压缩机101的出口与单向阀Ⅰ102的出口和冷凝器103的入口相连；冷凝器103出口与储液器104入口相连；储液器104出口与单向阀Ⅱ105和工质泵106的入口相连；工质泵106的出口与单向阀Ⅱ105的出口、电磁阀Ⅰ107和电磁阀Ⅱ108的入口相连；单向阀Ⅱ105和工质泵106的出口与电磁阀Ⅰ107和电磁阀Ⅱ108的入口相连；电磁阀Ⅱ108的出口与单向阀Ⅲ111的入口相连；单向阀Ⅲ111的出口单向阀Ⅳ114的出口和节流阀113的入口相连；电磁阀Ⅰ107的出口与喷射器109一次流入口相连；喷射器109的出口与单向阀Ⅴ116的出口和蒸发器Ⅰ110的入口相连；蒸发器Ⅰ110的出口与气液分离器115的入口相连；气液分离器115的液相出口与单向阀Ⅳ114的入口相连；单向阀Ⅳ114的出口与节流阀113的入口和单向阀Ⅲ111的出口相连；节流阀113的出口与蒸发器Ⅱ112的入口相连；蒸发器Ⅱ112的出口与喷射器109二次流入口和单向阀Ⅴ116的入口相连，形成完整的制冷循环系统。
所述压缩机101开启，工质泵106关闭，电磁阀Ⅰ107开启，电磁阀Ⅱ108关闭，制冷系统处于喷射器增效制冷模式；所述压缩机101关闭，工质泵106开启，电磁阀Ⅰ107关闭，电磁阀Ⅱ108开启，制冷系统处于液泵制冷模式；
当系统处于喷射器增效制冷模式时，喷射器109可以回收储液器104出口工质的膨胀功，从而提高压缩机吸气压力，降低压缩机压比，改善系统整体性能；当喷射器109二次流流量过大，压力过高时，单向阀Ⅴ116此时可起到旁通喷射器109的作用，防止喷射器109失效；双温蒸发可以降低蒸发器的平均换热温差，从而改善系统性能。当系统处于液泵制冷模式时，单向阀Ⅰ102旁通压缩机101，冷凝器103向环境散热将制冷工质冷凝为液体，工质泵106为循环提供动力，单向阀Ⅴ116可起到旁通喷射器109的作用。
与现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明制冷循环系统通过单向阀和控制电磁阀的开关以及压缩机的启停来实现喷射器增效制冷模式和液泵制冷模式的切换。当系统处于喷射器增效制冷模式时，喷射器109可回收节流过程的膨胀功，从而提高压缩机吸气压力，减少了压缩机耗功。此外，系统设置了单向阀Ⅴ116，当喷射器109二次流流量过大，蒸发器Ⅱ112内压力过高时，单向阀Ⅴ116能起到旁通喷射器和防止喷射器失效的作用，提升了系统的可靠性；双蒸发器能够实现双蒸发温度，从而降低蒸发器的平均换热温差，改善系统性能。当温度较低时，系统处于液泵制冷模式时，此时压缩机关闭且由工质泵提供循环动力，此模式能有效地利用环境冷源来冷却数据中心，从而降低制冷系统的能耗，降低数据中心的PUE。此系统是一种经济、有效的改善方法，将有效地促进数据中心制冷技术的发展。
附图说明
图1-a和图1-b分别是本发明的制冷系统在喷射器增效制冷模式下运行的示意图和p-h图；
图2-a和图2-b分别是本发明的制冷系统在液泵制冷模式下运行的示意图和p-h图。
图中：101-压缩机、102-单向阀Ⅰ、103-冷凝器、104-储液器、105单向阀Ⅱ、106-工质泵、107-电磁阀Ⅰ、108-电磁阀Ⅱ、109-喷射器、110-蒸发器Ⅰ、111-单向阀Ⅲ、112-蒸发器Ⅱ、113-节流阀、114-单向阀Ⅳ、115-气液分离器、116-单向阀Ⅴ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统，该制冷系统具有两种工作模式，包括喷射器增效制冷模式和液泵制冷模式，具体工作方法如下：
(1)喷射器增效制冷模式
如图1-a所示，本实施例为一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统，在喷射器增效制冷模式下(实线所示)，包括压缩机101、冷凝器103、储液器104、单向阀Ⅱ105、电磁阀Ⅰ107、喷射器109、蒸发器Ⅰ110、蒸发器Ⅱ112、节流阀113、单向阀Ⅳ114、气液分离器115和单向阀Ⅴ116；所述压缩机101的出口与冷凝器103的入口相连；冷凝器103的出口与储液器104的入口相连；储液器104的出口与单向阀Ⅱ105的入口相连；单向阀Ⅱ105的出口与电磁阀Ⅰ107的入口相连；电磁阀Ⅰ107的出口与喷射器109的一次流入口相连；喷射器109的出口和单向阀Ⅴ116的出口与蒸发器Ⅰ110的入口相连；蒸发器Ⅰ110的出口与气液分离器115的入口相连；气液分离器115的气相出口与压缩机入口相连；气液分离器115的液相出口与单向阀Ⅳ114的入口相连；单向阀Ⅳ114的出口与节流阀113的入口相连；节流阀113的出口与蒸发器Ⅱ112的入口相连；蒸发器Ⅱ112的出口与单向阀Ⅴ116的入口和喷射器109的二次流入口相连；形成完整的喷射器增效制冷模式循环。
如图1-b所示，为喷射器增效制冷模式下制冷循环系统的压-焓(p-h)图，喷射器增效制冷模式的具体工作过程为：制冷工质经过压缩机101压缩后变为高温高压气态(图1-b中2点)，然后进入冷凝器103中冷凝为液态(图1-b中3点)随后进入储液器104，储液器104出口的液相工质(图1-b中4点)依次通过单向阀Ⅱ105、电磁阀Ⅰ107后作为喷射器109的一次流引射来自蒸发器Ⅱ112出口的气相制冷工质(图1-b中12点)，喷射器109出口的两相制冷工质(图1-b中7点)进入蒸发器Ⅰ110蒸发，蒸发器Ⅰ110出口的两相制冷剂(图1-b中8点)进入气液分离器115，气液分离器115的气相出口的制冷工质(图1-b中1点)进入压缩机101进行压缩；气液分离器115的液相出口(图1-b中9点)的制冷剂通过单向阀Ⅳ114后进入节流阀113进行节流，节流阀113出口的制冷工质(图1-b中11点)进入蒸发器Ⅱ112进行蒸发，蒸发器Ⅱ112出口的气态制冷工质(图1-b中12点)作为喷射器109的二次流进入喷射器，从而完成完整的喷射器增效制冷模式循环。
(2)液泵制冷模式
图2-a所示，本实施例为一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统，在液泵制冷模式下(实线所示)，包括单向阀Ⅰ102、冷凝器103、储液器104、工质泵106、电磁阀Ⅱ108、单向阀Ⅲ111、节流阀113、蒸发器Ⅱ112、单向阀Ⅴ116、蒸发器Ⅰ110、气液分离器115和单向阀Ⅴ116；所述工质泵106出口与电磁阀Ⅱ108的入口相连；电磁阀Ⅱ108的出口与单向阀Ⅲ111的入口相连；单向阀Ⅲ111的出口与节流阀113的入口相连；节流阀113的出口与蒸发器Ⅱ112的入口相连；蒸发器Ⅱ112的出口与单向阀Ⅴ116的入口相连；单向阀Ⅴ116的出口与蒸发器Ⅰ110的入口相连；蒸发器Ⅰ110的出口与气液分离器115的入口相连；气液分离器115的气相出口与单向阀Ⅰ102的入口相连；单向阀Ⅰ102的出口与冷凝器103的入口相连；冷凝器103的出口与储液器104的入口相连；储液器104的出口与工质泵106的入口相连，形成完整的液泵制冷模式循环。
如图2-b所示，为液泵制冷模式下制冷循环系统的压-焓(p-h)图，喷射器增效制冷模式的具体工作过程为：储液器104的出口的液相制冷剂(图2-b中4点)进入工质泵106，工质泵106出口的液相制冷工质依次通过电磁阀Ⅱ108、单向阀Ⅲ111后进入节流阀113，经节流后的制冷工质(图2-b中11点)进入蒸发器Ⅱ112蒸发后成为两相制冷工质(图2-b中12点)，然后通过单向阀Ⅴ116后进入蒸发器Ⅰ110蒸发成为气相(图2-b中8点)，随后制冷剂进入气液分离器115，气液分离器115出口的制冷工质通过单向阀Ⅰ102后进入冷凝器103冷凝放热后成为液相制冷剂(图2-b中3点)，随后制冷剂进入储液器104完成整个液泵制冷模式循环。
本发明制冷循环系统通过单向阀和控制电磁阀的开关以及压缩机的启停来实现喷射器增效制冷模式和液泵制冷模式的切换。当系统处于喷射器增效制冷模式时，喷射器用于回收膨胀功，提高了压缩机吸气压力，减少了压缩机耗功；双蒸发器可实现双蒸发温度，从而降低蒸发器的平均换热温差，提高系统性能。当系统处于液泵制冷模式时，压缩机关闭，由工质泵提供循环动力，可以有效地减少制冷系统的能耗，降低数据中心的PUE。
Claims (4)
1.一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统，其特征在于：该制冷循环系统包括压缩机（101）、单向阀Ⅰ（102）、冷凝器（103）、储液器（104）、单向阀Ⅱ（105）、工质泵（106）、电磁阀Ⅰ（107）、电磁阀Ⅱ（108）、喷射器（109）、蒸发器Ⅰ（110）、单向阀Ⅲ（111）、蒸发器Ⅱ（112）、节流阀（113）、单向阀Ⅳ（114）、气液分离器（115）和单向阀Ⅴ（116）；所述压缩机（101）的出口与单向阀Ⅰ（102）的出口和冷凝器（103）的入口相连；冷凝器（103）出口与储液器（104）入口相连；储液器（104）出口与单向阀Ⅱ（105）和工质泵（106）的入口相连；单向阀Ⅱ（105）和工质泵（106）的出口与电磁阀Ⅰ（107）和电磁阀Ⅱ（108）的入口相连；电磁阀Ⅱ（108）的出口与单向阀Ⅲ（111）的入口相连；单向阀Ⅲ（111）的出口和单向阀Ⅳ（114）的出口与节流阀（113）的入口相连；节流阀（113）的出口与蒸发器Ⅱ（112）的入口相连；蒸发器Ⅱ（112）的出口与喷射器（109）二次流入口和单向阀Ⅴ（116）的入口相连；电磁阀Ⅰ（107）的出口与喷射器（109）一次流入口相连；喷射器（109）的出口和单向阀Ⅴ（116）的出口与蒸发器Ⅰ（110）的入口相连；蒸发器Ⅰ（110）的出口与气液分离器（115）的入口相连；气液分离器（115）的液相出口与单向阀Ⅳ（114）的入口相连；形成完整的制冷循环系统。
2.根据权利要求1所述的一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统，其特征在于：该制冷循环系统的工作模式包括喷射器增效制冷模式和液泵制冷模式；当所述压缩机（101）开启，工质泵（106）关闭，电磁阀Ⅰ（107）开启，电磁阀Ⅱ（108）关闭，制冷循环系统处于喷射器增效制冷模式；当所述压缩机（101）关闭，工质泵（106）开启，电磁阀Ⅰ（107）关闭，电磁阀Ⅱ（108）开启，制冷循环系统处于液泵制冷模式。
3.根据权利要求2所述的一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统，其特征在于：当系统处于喷射器增效制冷模式时，喷射器（109）能够回收储液器（104）出口工质的膨胀功，从而提高压缩机吸气压力，降低压缩机压比，改善系统整体性能；当喷射器（109）二次流流量过大，蒸发器Ⅱ（112）内压力过高，超过喷射器出口压力时，单向阀Ⅴ（116）自动导通，起到旁通喷射器（109）的作用，防止喷射器（109）失效造成制冷温度波动大；双蒸发器实现双蒸发温度，能够降低蒸发器的平均换热温差，从而改善系统性能。
4.根据权利要求2所述的一种用于数据中心冷却的喷射器-液泵复合增效的制冷循环系统，其特征在于：当系统处于液泵制冷模式时，单向阀Ⅰ（102）旁通压缩机（101），冷凝器（103）向环境散热将制冷工质冷凝为液体，工质泵（106）提供循环动力，单向阀Ⅴ（116）旁通喷射器（109）。
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