循环冷水机组的选型及冷却容量系数

选择合适的循环式冷水机组取决于以下四个因素：

1. 被冷却设备产生的热负荷 (Q)
2. 热源出口流体的最高允许温度 (Tout)
3. 可用的流体流量
4. 环境运行条件 (V̇)

示例 1

一台冷水机组需要向产生 2000 W 热量的 X 射线管提供 2 gpm、温度为 20°C 的冷却水。电源频率为 60 Hz。在冷水机组性能图上标出该交点后，我们可以发现 RC022 型号是比较合适的选择。通过查看水泵特性曲线，我们可以发现，BE 型水泵能够提供所需的流量。

如果已知热负荷 (Q)，但未知流量，则可使用以下公式来确定所需的流量。

示例 2

一个激光头产生的热量为 2000 W (6824 BTU/h)。流体温度不得超过 20°C (68°F)。在冷却液为水、电源为 60 Hz、环境温度为 20°C 的条件下，应选用哪种循环冷水机组？

利用热性能图（图 1），在所需热负荷（2000 W）处画一条水平线。如图所示，RC022 型号在 13°C (55°F) 时可满足此要求。此温度即为 TIN（循环冷水机组出口温度）。因此，计算公式为：

接下来，需确定循环冷水机组能否满足流量要求。如系统水泵图（图 2）所示，1.3 gpm 的容积式水泵（RC022 的标准配置）完全能够满足该流量要求。

更多关于循环冷水机组选项的信息，请参阅我们的“循环冷水机组”章节。

循环冷水机组是一种液冷系统，广泛应用于医疗、军事、激光及分析仪器等众多领域。冷水机组用于将激光头、探测器面板或其他温度敏感设备等组件维持在恒定温度，并/或带走废热，防止关键组件过热。

在选择循环冷水机组时，应考虑可能影响冷却容量的若干因素。这些因素包括环境空气温度或设施用水温度、冷水机组设定温度、工艺流体、冷水机组维护等。冷水机组制造商通常以 20°C 的出水温度和 20°C 的环境温度为基准，给出冷却容量额定值。然而，如果环境温度高于或低于 20°C，会发生什么情况？ 如果冷却液以 5°C 而不是 20°C 的温度供应给工艺系统，又会怎样？ 如果使用水以外的冷却液，情况又会如何？ 所有这些变化会对冷水机组的冷却容量产生什么影响？

冷水机组是一个复杂的系统，但其基本组件包括压缩机、冷凝器、热力膨胀阀 (TXV) 和蒸发器。从压缩机开始，来自蒸发器的制冷剂被压缩，由饱和气体转变为高压、高温气体。这股高温气体流经冷凝器，通过向较冷的环境空气（风冷式冷凝器）或设施用水（水冷式冷凝器）放热，从而被冷却并凝结成饱和液体。随后，制冷剂流经热力膨胀阀 (TXV)，在此过程中其压力和温度大幅下降。此时，制冷剂的温度低于工艺流体的温度，因此热量从工艺流体传递到制冷剂，使其蒸发成低压气体。当气体流回压缩机时，该循环再次开始。

冷凝器和蒸发器都是用于将热量从一种介质传递到另一种介质的热交换器。对于风冷式冷凝器而言，通常采用带铝翅片的铜管液-气交换器，将高温制冷剂气体的热量传递给环境空气。而水冷式冷凝器则采用液-液交换器，将高温制冷剂气体的热量传递给设施用水。至于蒸发器，通常采用液-液交换器，将工艺流体的热量传递给制冷剂。热交换器的性能取决于许多因素，包括所使用的工艺流体、进液温度、流速、结构材料以及换热器的设计。在其他所有因素相同的情况下，推动热量从一种流体传递到另一种流体的驱动力是进液温度的差。

环境空气温度或设施用水温度对冷水机组的冷却容量起着重要作用。为了使冷凝器能够将总热量（工艺热负荷加上压缩热）排入环境空气或设施用水中，高温制冷剂气体与环境空气或设施用水之间的温差必须足够大。例如，伊顿的冷水机组通常在 32.2°C (90°F) 至 43.3°C (110°F) 的冷凝温度下运行，并将热量排入 20°C (68°F) 的环境空气或 24°C (75°F) 的设施用水中（图 2）。水冷式冷凝器能够将同等热量排入温度更高的设施用水，因为水作为传热介质比空气高效得多，且两股进液之间的温差要求较低。

随着环境空气或设施用水温度的升高，冷水机组的冷凝器将制冷剂中的工艺热量传递给环境空气或设施用水的能力会降低，从而导致冷凝压力升高，进而可能造成系统性能下降。因此，如果循环冷水机组将暴露在高于 20°C 的环境温度下，应进行选型计算以确定所需的冷却容量。同样，如果环境温度降低，由于初始温差增大，系统性能将得到提升。

在确定冷水机组的选型时，必须了解最高环境温度或设施用水温度，以便选择冷却容量足以满足应用需求的冷水机组。如果您在冷水机组的选型方面需要帮助，请咨询应用工程师。

工艺流体影响

循环冷水机组中使用的工艺流体也会影响其性能。冷水机组的冷却容量通常是以水作为工艺流体为基准，因此使用水以外的工艺流体可能会导致冷却容量降低。例如，某些循环冷水机组在设计时就考虑了与聚α-烯烃 (PAO) 作为工艺流体的兼容性。PAO 通常用于军事领域，因为它具有优良的介电性能和/或宽泛的工作温度范围。然而，在其他条件相同的情况下，PAO 冷水机组的冷却容量会低于水冷式冷水机组的冷却容量，因为 PAO 的比热、密度和热导率均低于水。

冷水机组运行与维护影响

影响冷水机组性能的另一个因素是冷凝器和蒸发器的维护。风冷式冷凝器上的积尘，或水冷式冷凝器及蒸发器中管路或流道结垢，都会导致冷水机组性能下降。当风冷式冷凝器的翅片和风扇叶片上积聚灰尘或碎屑时，会阻碍气流，从而导致冷水机组的冷却容量下降。如果冷水机组将在多尘或脏乱的环境中运行，应安排定期维护或清洁，和/或选用容量更大的冷水机组。水冷式冷凝器还可能因水质不良出现污垢，例如结垢、腐蚀和/或生物滋生。污垢会在管内壁形成一层隔热层，阻碍制冷剂与水之间的传热，导致冷水机组效率下降。通过使用添加了缓蚀剂的清洁水，可将结垢风险降至最低。

其他因素

在极少数情况下，如果风冷式循环冷水机组安装在高海拔地区，空气密度较低会影响冷却容量。由于质量流量等于体积流量乘以密度，因此如果密度降低，冷凝器风扇必须提供更高的体积流量，才能达到与海平面相同的冷却容量。一种解决方案是加大循环冷水机组的容量，以确保满足冷却容量需求。

当工艺冷却液的供液温度低于环境露点时，湿度是另一个影响冷水机组性能的因素。在这种情况下，如果冷水机组管路、蒸发器和水泵未进行保温处理，这些表面可能会产生冷凝水，从而导致冷却容量下降。未经处理的金属表面也可能因腐蚀而受损。因此，强烈建议进行保温处理。