用于蓄冷罐的布水器及开孔与安装方法与流程

本发明涉及一种蓄冷罐，更具体的说，涉及一种用于蓄冷罐的布水器及布水器的开孔与安装方法。

背景技术：

蓄冷罐作为一种水蓄冷的大型储水容器，广泛应用于数据中心领域，作为数据中心的后备冷源。蓄冷罐的使用是在夜间低温低电价时间段进行蓄冷，在白天高温高电价时间段进行放冷，有效利用峰谷电价及室外气温变化来降低空调系统的用电量及运营费用。

蓄冷罐的工作原理是利用冷热水密度不同产生自然分层的原理，在充冷及放冷情况下均使冷水始终处于蓄冷罐下部，热水处于蓄冷罐上部，冷热水处于层流状态不发生掺混从而保证有效冷冻水的容量不受影响。

布水器作为蓄冷罐中的重要部件，安装于蓄冷罐的顶部及底部，主要用于控制蓄冷罐进出水的流速并防止冷热水进入蓄冷罐中发生掺混，保证进入及流出蓄冷罐的水流平稳、缓慢、均匀、无扰动。为了保证蓄冷罐的效果，最主要的一个要素是布水器上开孔数量及开孔面积，但是现有布水器中的开孔数量及开孔面积通常都是按照供、回水管路面积的2倍进行处理，存在开孔数量及开孔面积不合理，造成布水器的开孔不均匀、整体开孔面积不足等问题，进而造成水流扰动，严重影响了蓄冷的有效体积。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于蓄冷罐的布水器及开孔与安装方法，利用本发明中方法开孔处理后的布水器，通过实际应用，某大型数据中心项目采用后每日节省电量约1000度。

本发明中用于蓄冷罐的布水器的开孔与安装方法，所述布水器安装固定在蓄冷罐的罐体内部，包括有以下步骤：

1)通过流体力学获得布水器的设计需符合弗兰德准则数fr≤1，雷诺数re＜2000要求才能保持蓄冷罐内的流体处于重力流，且处于层流状态不发生掺混；

2)为了保证雷诺(renolds)准则数小于2000，按以下公式获得通过布水器的流速v，

q`＝q/(δt*cp*ρ1)

re＝ρ2vd/η＜2000

式中：

q`为通过布水器的最大流量；

cp为水的比热；

q为蓄冷罐需提供的总冷量；

ρ1水的常温平均密度；

ρ2为布水器进口水的密度；

η为布水器进水口的运行粘度；

d为布水器中布水孔的孔口直径；

δt为布水器进口水与出口水之间的温度差；

re为保证雷诺准则数；

v为通过布水器的流速；

3)根据通过布水器的最大流量q`除以通过布水器的流速v来获得布水器的最小开孔数量；

4)根据布水器的最小开孔数量、结合布水器的有效开孔长度确定最终的开孔数量；

5)根据布水器的通过布水器的最大流量和有效开孔长度按以下公式获得布水器单位长度的体积流量：

q＝q`/l

式中：

q为布水器单位长度的体积流量；

q`为通过布水器的最大流量；

l为布水器的有效开孔长度；

6)将布水器单位长度的体积流量q代入弗兰德(frande)准则数fr≤1的公式：

fr＝q/[gh³(ρi-ρa)/ρa]^1/2＜1

式中：

fr为布水器进口的弗兰德数；

q为布水器单位长度的体积流量；

g为重力加速度；

h为布水器最下方布水孔距离蓄冷罐底板的高度；

ρi为布水器中进口水密度；

ρa为布水器中出口水密度；

获得布水器最下方布水孔距离蓄冷罐底板内表面的高度h，从而能够依据所述高度h对布水器进行安装，确保布水器内部水流进出平稳、缓慢、均匀、无扰动。

所述步骤5)中增加对布水器单位长度的体积流量q为满足重力流条件而需小于0.025m³/(m·s)的检验的步骤。

本发明中用于蓄冷罐的布水器呈h型，包括有上层布水器和下层布水器，所述上层布水器和下层布水器的中间位置经由直立管连接支撑，所述上层布水器和下层布水器均包括有用于与所述直立管连接固定连接的中间钢管，在所述中间钢管的两侧呈180度对称的分布有多根分支管，在每根分支管的表面均匀的开设有布水孔。

所述分支管共有二十二根，对称的分布在所述中间钢管的两侧，每相邻两分支管之间间隔的距离相同。

所述分支管经由法兰固定连接在所述中间钢管的两侧。

所述布水孔按每10个布水孔呈扇形排列的方式位于所述分支管的同一截面内，每相邻截面的间距为20mm，同一截面内的10个布水孔集中地分布在分支管的二分之一的弧形表面上。

所述同一截面内的10个布水孔且呈轴对称的分布在所述分支管同一截面相邻的两个四分之一弧形表面上，同一截面内的相邻两布水孔的中心线之间间隔15度，最中间的两个布水孔之间间隔30度。

所述上层布水器在安装时开设的布水孔朝上，所述下层布水器在安装在开设的布水孔朝向蓄冷罐底板。

采用本发明中的布水器后使蓄冷罐内部冷热水形成层流状态，蓄冷的有效容量增大、蓄冷效率提高，并有效的延长了放冷时间，最终节约了大量的电能。

附图说明

图1是本发明中的蓄冷罐的工作原理示意图，图中示出了充冷与放冷两种不同状态的工作状态。

图2是本发明中布水器置于蓄冷罐内的结构示意图。

图3是本发明中布水器置于蓄冷罐内的结构示意图一。

图4是图3中沿a-a线的剖视示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明中的具体实施例作详细说明。

如图1所示，蓄冷罐是利用冷、温水密度不同，产生自然分层的原理，充冷阶段，冷水通过罐底的布水器送入，温水通过罐顶的布水器流出；放冷阶段，冷水通过罐底布水器流出，温水通过罐顶布水器流入，保证在充冷和放冷阶段密度大的冷水始终处于蓄冷罐的下部，密度小的温水始终在蓄冷罐的上部。

为了防止进入蓄冷罐的冷、温水掺混，本发明设计了一h型布水器，包括有贴近蓄冷罐内部水面的上层布水器1和贴近蓄冷罐底板的下层布水器2，保持水流进出平稳、缓慢、均匀、无扰动。

如图2所示，在上层布水器1和下层布水器2之间由直立管3连接并支撑，在直立管3的下半部位于下层布水器2上方的位置设置有与冷冻水系统连接的供、回水管4。

如图2和图3所示，上层布水器1和下层布水器2的结构相同，均包括有中间钢管5，中间钢管5的中间与直立管3的端部固定连接并呈内部连通状，位于直立管3上下两端的中间钢管5相互平行，使整个布水器置于蓄冷罐内部后呈h型。以直径为5120mm蓄冷罐罐体为例，上层布水器1和下层布水2与蓄冷罐罐体内壁需留20mm的间隙，中间钢管5采用直径为530mm、壁厚为8mm的无缝钢管，总长为4000mm，在中间钢管5的两侧边180度对称的各焊接固定有十一根分支管6，位于中间的分支管6的长度最长，在该最长的分支管6的两侧依次顺序等距排列，最长分支管6位于中间，最长分支管6的中点线为基准，以350mm间隔排列。中间最长分支管6的长度为1945mm、往外长度依次为1905mm、1815mm、1660mm、1425mm、1080mm，分支管6均采用直径为159mm、壁厚为4.5mm的无缝钢管。分支管6的中间端经法兰7与中间钢管5连接。

将上述蓄冷罐用于某数据中心为例，该数据中心的面积为2万平米，冷负荷(机房所需总冷量q)为8958kw，冷冻水供、回水温度为12～18℃，即温差δt为6℃，水的比热cp＝4.2kj/kg℃、水的常温平均密度取ρ＝1000kg/m³，冷冻水蓄水的供、回水管径为450mm，布水孔孔口直径为0.012m，进水口中12℃水的密度ρ＝999.474kg/m³，进水口中12℃水的运行粘度η＝1.2363*10^-3ns/㎡为例，按通常以供、回水管路面积2倍的方式设计并布置布水器的布水孔，具体如下：

布水器供、回水管截面积s1＝(0.45/2)²*3.14＝0.159㎡

布水器的开孔面积＝供、回水管截面积s1*2＝0.318㎡

开孔数量n＝s1/孔口面积＝0.318/((0.012/2)²*3.14)＝2815个

为了将布水孔均匀地分布在分支管6上，采用孔口间距为50mm，从而实际的开孔数为3066个，满足开孔数n1＞2815个的要求。

开孔面积s1＝开孔数*孔口面积＝3066*π*0.012²/4＝0.347㎡，与供、回水管截面积的2倍基本一致。但是该布水器在实际应用时会导致流体剧烈掺混，降低蓄冷容量及蓄冷时间。

为此本发明提供了一种新的设计方法，具体如下：

仍以上述同一数据中心为例。

首先，通过流体力学可知，若布水器的设计能符合弗兰德准则数fr≤1，雷诺数re＜2000要求，布水器单位长度的体积流量＜0.025，则可以保持蓄冷罐内的流体处于重力流，且处于层流状态不发生掺混，从而保证布水器所在的蓄冷罐内有效冷冻水的容量不受影响。

其次，为了保证雷诺(renolds)准则数小于2000，按以下公式可以获得通过布水器的流速v，

通过布水器的最大流量q`＝q/(δt*cp*ρ)＝8958/(6*4.2*1000)＝0.355m³/s

为了满足：re＝ρvd/η＝999.474*v*0.012/1.2363*10^-3＜2000

式中：ρ为进口水的密度ρ＝999.474kg/m³

η为进水口的运行粘度η＝1.2363*10^-3ns/㎡

d为布水孔的孔口直径d＝0.012m

得出通过布水器的流速，v＜0.21m/s

布水器的开孔数量＝通过布水器的最大流量q`/通过布水器的流速v*开孔面积s2

布水器的开孔数量n＝q`/v*s2＝0.355/0.21*((0.012/2)²*3.14＝14960(个)

即布水器的开孔数量必须大于14960(个)。

根据布水器的开孔数量、上层布水器1和下层布水器2中所有分支管6的有效长度l＝2*{1.945*2+(1.905+1.815+1.66+1.425+1.08)*4}＝35.43*2＝70.83m、以及为了确保布水孔8在分支管6上的均匀分布，确定本发明中布水器的开孔数为18950个，大于14960个的要求，即将每10个布水孔8呈扇形排列的方式位于分支管6的同一截面内，每相邻截面的间距为20mm，即开孔间距为20mm，且同一截面内的10个布水孔8集中地分布在分支管6的二分之一的弧形表面上，且呈轴对称的分布在分支管6同一截面相邻的两个四分之一弧形表面上，如图4所示，同一截面内的相邻两布水孔8的中心线之间间隔15度，最中间的两个布水孔之间间隔30度。如图1所示，上层布水器1在安装时将开设的布水孔8朝上后固定分支管6，使得上层布水器1中的布水孔8贴近蓄冷罐内的水面，下层布水器2在安装在开设的布水孔8朝向蓄冷罐底板，使得下层布水器2贴近蓄冷罐底板，但在最下端的布水孔与蓄冷罐底板之间需要有一定高度，只有确保该高度才能确保弗兰德准则数fr≤1。

根据布水器的开孔数量及开孔面积对布水器单位长度的体积流量进行核验：

q＝q`/(l*2)＝0.355/(35.43*2)＝0.005＜0.025

式中：

q—布水器单位长度的体积流量，单位为m³/(m·s)；

q`—通过布水器的最大流量，单位为m³/s；

l—布水器的有效长度，单位为m。

符合布水器单位长度的体积流量q＜0.025的条件。

再将q＝0.005代入以下弗兰德(frande)准则数fr≤1的公式，可以获得下层布水器2最下方布水孔距离蓄冷罐底板的高度h，从而可以确定布水器在蓄冷罐内的安装位置，

fr＝q/[gh³(ρi-ρa)/ρa]^1/2＜1

式中fr—布水器进口的弗兰德数；

q—布水器单位长度的体积流量，单位为m³/(m·s)；

g—重力加速度取9.81m/s2；

h—下层布水器最下方布水孔距离蓄冷罐底板的高度；

得出h＝0.412m。

开孔面积s1＝开孔数*孔口面积＝18950*π*0.012²/4＝2.14㎡

远大于供、回水管截面积的2倍。保证蓄冷罐内冷热水保持稳定的层流状态。蓄冷的有效容量增大、蓄冷效率提高，并有效的延长了放冷时间。

分支管6在开孔处理后进行热镀锌处理。