數據中心相變製冷的原理及特點

2020-11-25 IT168

  【IT168 資訊】相變是指物質集聚態的變化。物質在發生相變時,由於分子重新排列和分子熱運動速度改變,必然伴隨著吸收或放出一定的熱量,這種熱量稱為相變潛熱。相變製冷就是利用物質由質密態到質稀態的相變(融化、蒸發、升華)時的吸熱效應達到製冷目的。

  1)固體融化製冷

  製冷技術中常用純水冰、溶液冰或冰鹽的融化過程來製冷。由於這種方式都是以一定數量的固體物質作製冷劑,作用於被冷卻對象,一旦固體全部相變製冷過程即告結束,所以不能利用它們的融化過程來組成制冷機的循環。

  天然冰製冷是最早使用的降溫方法,但它的來源是有限的,現代製冷技術中大量應用的純水冰都是制冷機製備的。在標準大氣壓(101325Pa)下,純水冰的融化溫度為273.15K,融化潛熱為335kJ/kg。所以,利用純水冰融化能使被冷卻的物體保持O℃以上的溫度。

  3條相平衡線將圖分為3個區域,即:水、水蒸氣和冰。三相點O的溫度為273.16K,壓力為610.62Pa。OC線是水蒸氣和水的平衡線,即水汽化過程中的溫度和壓力關係曲線;OB線是冰和水的平衡線;OA線是冰和水蒸氣的平衡線,即冰的升華曲線。可以看出,在三相點和三相點以下時,冰可以直接升華為水蒸氣,冰升華時的溫度與相應的壓力有關。儘管冰升華也可以製冷,但實際應用中主要還是利用冰融化製冷。

  冰鹽作為製冷劑可以實現0℃以下的製冷。冰鹽是指冰和鹽類的混合物,工業上應用最廣的是冰塊與工業食鹽(NaCl)的混合物。冰鹽冷卻過程包括冰融化吸熱和鹽溶解吸熱:首先是冰吸熱融化,在冰表面形成一層水膜,此時的溫度為OC;接著鹽溶解於水膜中,同時要吸收溶解熱,造成鹽水膜的溫度降低;繼而冰在較低的溫度下進一步融化,並通過其表層的鹽水膜與被冷卻對象發生熱交換。這樣,當冰全部融化後,形成均勻的鹽水溶液。冰鹽冷卻所能到達的溫度與鹽的種類及混合物中鹽與冰的比例有關,見表2.1

  當冰鹽按一定的配比混合融化後可以形成共品溶液,常常被用來凍結成共晶冰(也稱溶液冰)進行冷量儲存,然後在需要用冷的時候吸收熱量而融化,使冷卻對象降溫。共晶冰在融化過程中溫度是不變的,該溫度稱為共晶溫度。共晶溫度低於0℃的共晶冰通常用於無機械製冷的冷藏汽車中,共晶溫度高於0℃的共晶冰通常作為蓄能空調系統的儲能介質。表2.2 列出了一些用於製冷目的的共晶溶液的物理性質。

  近年來,固體相變蓄冷技術在製冷空調中的研究和應用日益廣泛,其目的在於緩解能量供求雙方在時間、強度和地點上的不匹配,合理利用能源和減少環境汙染。例如,採用傳統的冰蓄冷,在冷量富足時通過製冰將冷量儲存到固態冰中,到冷量需求很大的時刻再以冰融化的方式將冷量釋放出來,從而解決製冷設備定常製冷量與用冷負荷起伏的不平衡矛盾。採用動態製冰技術製取冰水混合物(Iceslurry)便於輸送,在食品冷截方面更是具有得天獨厚的優勢。

  在蓄冷空調系統的應用中,由於冷源溫度的需求不是很低,若採用冰蓄冷,則系統中還需要增加中間換熱裝置,而且製冰過程中制冷機的效率要比正常空調工況下的低。因此,目前很多研究者都致力於研究開發融點在4-10℃的相變材料作為空調蓄能用。這類材料通常叫做高溫相變材料,簡稱PCM。目前,這類材料的研究集中在兩方面:一是共晶鹽或複合鹽水合物,代表性的成果是由美國TRANSPHASE公司與哈佛大學生化研究所在1981年開發成功的T-47型(融點為8.3℃)和1988年調配成功的T-41(融點為5℃)型兩種產品;二是氟利昂氣體水合物,其融點可通過調節氣體壓力達到。(美國橡樹嶺國家實驗研究室和我國中科院廣州能源研究所都在這方面開展了研究)

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