磁力泵驅動兩相冷卻環路的換熱特性

馬躍征，馬國遠，張雙

（北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124）

磁力泵驅動兩相冷卻環路的換熱特性

馬躍征，馬國遠，張雙

（北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124）

為研究磁力泵驅動兩相冷卻環路的工作特性，特別是啟動特性和換熱性能隨溫差的變化規律，搭建了磁力泵驅動兩相冷卻環路的實驗裝置，并利用空氣焓差法對其進行測試。結果表明：磁力泵驅動兩相冷卻環路啟動迅速，在600 s內達到穩定狀態，受蒸發器內液體過熱的影響，啟動過程中系統的壓力和溫度分布會產生微小波動；制冷量隨溫差的增大而增大，隨制冷劑質量流量的增加呈先增大后減小的趨勢。溫差10℃時，系統最大制冷量為3.429 kW，能效比（EER）為12.94；溫差25℃時，制冷量最大為9.241 kW，EER為29.7。

磁力泵驅動；兩相冷卻；能效比；啟動特性

引　言

隨著信息網絡與電子計算機技術的飛速發展，數據中心和通信基站等設施的能耗急劇上升[1]。有資料顯示，數據中心設備中，空調系統的能耗占總能耗的30%～50%[2-3]。降低空調系統的能耗是數據中心節能的關鍵。寒冷季節數據中心和通信基站的室外溫度遠低于電子設備安全運行的溫度。因此，利用自然冷源為數據中心降溫是一種行之有效的節能方法。Zhang等[4]分別從空氣側自然冷卻、水側自然冷卻和熱管系統3個方面分析了自然冷卻技術用于數據中心冷卻的性能，認為熱管對數據中心冷卻有很大的應用潛能。

傳統熱管以重力和毛吸力作為驅動力，雖然能通過改變換熱器的高度和優化毛細結構提高其換熱能力[5]，但在結構靈活性和啟動特性上仍存在著傳熱距離短、啟動復雜困難[6-10]等問題。為提高熱管的驅動力，出現了電流體[11]、磁流體[12]、旋轉離心力[13]和泵[14-20]等驅動方式。但電流體驅動和磁流體驅動所能提供的動力依然有限，旋轉離心力也僅適用于電機等特定的設備中。泵驅動兩相冷卻環路是近些年來的研究熱點，主要應用在航天熱控領域，其動力由轉鼓流體裝置、活塞泵或齒輪泵等提供[14-18]。劉杰等對空間微重力環境下，航天機械泵驅動兩相流冷卻環路的啟動特性進行了研究[8]。

針對數據中心的散熱裝置，張雙等[19]在環路熱管的基礎上，設計出一種屏蔽泵驅動的環路熱管，在室內外溫差為10℃時，機組能效比（EER）為5.88，室內外溫差為18℃時，EER為10.41。馬國遠等[20]將這一系統應用在某小型數據中心，實測結果顯示比傳統空調節電36.57%以上。對于屏蔽泵驅動的環路熱管，屏蔽泵的電機封裝在泵體中，系統運行時電機的無用功將轉換為熱能被工作介質吸收，從而給系統帶來額外的熱負荷，也容易引起泵的汽蝕。另外系統阻力設計過大，對系統換熱特性影響很大。本文在上述基礎上對系統進行了改進，搭建了一種磁力泵驅動兩相冷卻環路換熱裝置，并對其啟動特性和傳熱特性進行研究，有關結論可為泵驅動冷卻環路的設計提供參考。

1　工作原理和實驗方法

1.1工作原理

圖1所示為磁力泵驅動兩相冷卻系統的工作原理。由蒸發器、冷凝器、儲液罐、磁力泵及連接管路組成，其工作過程如下：儲液罐內的飽和液態制冷劑1等溫進入泵入口；經泵的絕熱增壓過程在泵的出口達到過冷狀態2；從泵出口2到蒸發器入口3，由于制冷劑管內流動阻力產生一定的壓降；3到 4為過冷液態制冷劑在蒸發器內吸熱達到飽和狀態，同樣由于流動阻力的影響，制冷劑壓力有所降低；4 到5為飽和液態制冷劑在蒸發器內繼續吸收熱量產生相變，由于蒸發器內管道阻力的存在，制冷劑壓力繼續降低；5到6為蒸發器出口兩相態制冷劑5經管路絕熱流動到冷凝器入口6，制冷劑壓力繼續降低；6到1為冷凝器入口處的兩相態制冷劑在冷凝器內放熱冷凝為飽和液態制冷劑，經冷凝器出口進入儲液罐，完成整個循環。假設制冷劑僅在換熱器內進行換熱，在輸送過程中為絕熱狀態，其壓焓圖如圖2所示。

圖1　磁力泵驅動兩相冷卻系統原理Fig.1　Schematic diagram of cooling loop driven by magnetic pump

圖2　磁力泵驅動兩相冷卻系統壓焓圖Fig.2　p-h diagram of refrigerant in cooling loop driven by magnetic pump

泵驅動兩相冷卻環路將環路熱管中的儲液器與蒸發器分離開，用泵為整個系統提供動力。與普通環路熱管相比，改變了動力輸出方式，克服了毛細力較弱的缺陷，從而實現更加快速、高效、可靠的熱量傳輸。

1.2實驗設置

磁力泵驅動兩相冷卻系統及采用空氣焓差法測試的布置如圖3所示。蒸發器處于室內側，冷凝器、儲液罐和磁力泵處于室外側，蒸發器和冷凝器放置于同一水平高度，并且采用相同結構參數的翅片換熱器，具體結構參數見表 1。液體和兩相連接管道為φ19.05 mm×1 mm紫銅管，其中液管長4.5 m，兩相管長3 m，工質為R22。蒸發器和冷凝器風機為ZIEHL?ABEGG軸流風機，由變頻器控制風量為3000 m3·h-1。儲液罐容量為16 L。泵選用磁力式旋渦泵，工質溫度為18.5℃±0.5℃時測量泵的性能參數見表 2。磁力式聯軸器不僅可以保證系統的密封，還可以將電機和制冷劑隔離，避免電機無用功轉化的熱能對系統增加附加熱負荷，以及引起泵內飽和或過冷工質汽蝕。

圖3　實驗裝置Fig.3　Schematic diagram of experimental setup

表1　翅片管換熱器幾何參數Table 1　Tube-fin heat exchanger geometric parameters

表2　R22溫度18.5℃時磁力泵性能參數Table 2　Performance characteristics of magnetic pump at T=18.5℃

室內外測試間分別模擬室內外環境。室內的干球溫度和濕球溫度以及蒸發器的出風干球溫度和濕球溫度分別由4個溫度傳感器（INOR，Pt100，±0.05℃）測量，蒸發器風量由噴管式流量計（EJA110A，0～1000 Pa，±0.1%）測量。室外測試間的干球溫度和濕球溫度分別由2個Pt100溫度傳感器測量。磁力泵、風機和變頻器的功率由功率計(YOKOGAWA，WT230，±0.02%)測量，系統總功率可由式(1)得到蒸發器的制冷量由式(2)得到

冷卻環路管路上設置Pt100溫度傳感器和壓力傳感器（MBS 1900，0～1 MPa，±0.25% FS），在磁力泵出口管路設置質量流量傳感器（Coriolis，0～500 kg·h-1，±0.2%）測量系統流量，數據采集儀為Agilent 34970A，5 s采集一次數據。

室內測試間干球溫度和濕球溫度分別設置為25和17℃，在0～15℃的范圍改變室外溫度，對磁力泵驅動兩相冷卻環路進行性能測試。

2　實驗結果與討論

2.1系統啟動特性

圖4所示為系統啟動過程泵的啟動特性。室內測試間和室外測試間干球溫度分別設定為25和15℃。系統未啟動時，泵的進、出口壓力分別為0.817 和0.814 MPa，蒸發器進風和出風溫度分別為25.05 和25.12℃。通過變頻器調節啟動磁力泵，泵的頻率從 0到 14 Hz，流量從 0迅速增長并穩定到 289 kg·h-1，同時系統阻力也從0迅速上升到0.05 MPa。流量和系統阻力在120 s時達到穩定狀態，而在0 到120 s期間，隨著磁力泵葉片的旋轉加速到速度穩定，會引起流量和系統阻力的波動。

圖4　系統啟動過程泵的啟動特性Fig.4　Start-up characteristics of pump in starting process of system

圖5所示為系統啟動過程的溫度和壓力分布。未啟動時，因系統漏熱的影響，蒸發器進、出口溫度接近室內測試間溫度，泵進出口溫度比冷凝器溫度高。因此，在系統啟動時，這些傳感器溫度是降低的。隨著蒸發器內換熱的繼續進行，系統內部制冷劑的溫度和壓力都在迅速上升。蒸發器出口溫度在250 s時出現一個峰值，然后逐漸降低，并在450 s時穩定到蒸發溫度。這一現象是蒸發器內液體過熱現象，液體過熱現象是熱管啟動過程的一個普遍現象[8-10]，蒸發器內液態工質相變需要一定的過熱度，因此液態工質進入蒸發器吸收熱量，成為過熱流體后才開始產生相變。這一現象引起系統內各關鍵點溫度都出現一個溫度波動。與溫度測點相對應的各關鍵點的壓力，隨著工質在蒸發器內換熱的發展而逐漸升高。系統未啟動時，由于制冷劑主要儲存在儲液罐內，因此系統內制冷劑的壓力接近于室外溫度的飽和壓力。系統啟動后，隨著工質在蒸發器內換熱的進行，系統壓力快速上升，因蒸發器內液體過熱現象的影響出現一個壓力波動后，逐漸降低到穩定狀態。

圖5　系統啟動過程的溫度和壓力分布Fig.5　Temperature and pressure distribution in starting process of system

圖6　系統啟動過程蒸發器進出風溫度響應特性Fig.6　Inlet and outlet air temperature of evaporator in starting process of system

圖6所示為蒸發器進出風溫度與啟動時間的變化關系。蒸發器的進、出風溫度是衡量蒸發器制冷量的關鍵參數。當蒸發器的進出風溫度達到穩定狀態時，系統制冷量達到最大。從圖中可以看出，磁力泵驅動環路熱管從0 Hz啟動，僅需要600 s就能達到最佳穩定狀態。

2.2系統換熱特性

圖7給出了不同溫差下，系統制冷量隨著質量流量變化的關系。從圖中可以看出，隨著溫差的增大，系統制冷量顯著增大，ΔT=10℃時最大制冷量達到3.429 kW，ΔT=25℃時最大制冷量達到9.241 kW，這主要是由于隨著室內外溫差的增大，蒸發器的換熱溫差也隨之增大，從而引起制冷量變大；在不同溫差下，隨著質量流量的增加，系統的制冷量先增加，然后緩慢降低，在質量流量 290～339 kg·h-1時制冷量達到最大。這主要是由于：①隨著流量的增加，制冷劑流速加快，管內側傳熱系數增大，制冷量逐漸增大，然而蒸發器的熱阻主要存在于空氣側，系統制冷量的增加逐漸趨于平緩；②流速的增加也導致了制冷劑流動阻力增大，這將會導致蒸發器入口處的過冷度增大，蒸發器內制冷劑的顯熱換熱量變大，使顯熱換熱占據蒸發器的面積增大，導致相變換熱面積減小，從而引起制冷量的降低；同時蒸發器入口阻力的增加，引起蒸發溫度升高，使蒸發器內制冷劑與室內空氣換熱溫差減小，導致系統制冷量降低，從這些方面來說過冷度過大對系統的換熱特性不利。

圖8所示為蒸發器傳熱系數隨質量流量的變化關系，蒸發器的傳熱系數可由式(3)得到

圖7　不同室內外溫差下質量流量與制冷量的關系Fig.7　Variation of Q with mrefin different indoor and outdoor temperature difference

由圖8可知，一方面，蒸發器的總傳熱系數隨制冷劑質量流量的增加迅速增大，后趨于平穩。其原因主要是：制冷劑流量增大流速增加迅速，引起制冷劑側傳熱系數的提高，蒸發器總的傳熱系數迅速增大。但由于蒸發器的熱阻主要存在于空氣側，所以，制冷劑側傳熱系數增加到一定程度時，對整個傳熱系數的影響不再占主要地位，總傳熱系數趨于平穩。另一方面，當制冷劑質量流量較小時，蒸發器總的傳熱系數呈現隨室內外溫差的增加而稍顯減小的特征。其原因可能是：室內外溫差較大時，制冷劑的相變換熱較充分，甚至出現過熱，氣體含量增加導致總傳熱系數較低。

圖8　不同室內外溫差下質量流量與蒸發器傳熱系數的關系Fig.8　Variation of kevawith mrefin different indoor and outdoor temperature difference

圖9所示為EER隨質量流量的變化關系。泵驅動兩相冷卻環路的 EER是系統從室外自然冷源獲得的制冷量與系統總功耗的比值，是衡量系統性能的重要參數，可由式(4)得到

由圖9可以看出，在系統制冷量最大時，EER并不是最高的。這是因為蒸發器和冷凝器風機功率為定值，系統輸入功率的變化也就是磁力泵的功率變化，見表 2，隨著泵頻率的增加，流量增加的同時泵功耗急劇上升，而系統制冷量隨著質量流量的增加迅速增大后出現緩慢降低，導致EER呈現隨質量流量的增加先增大后減小的趨勢。由于系統制冷量和總功率的變化并不同步，因此由式（4）得到的最大EER和系統最大制冷量對應的EER出現在不同的質量流量下。如溫差25℃，系統達到最大制冷量時EER為29.7，而最大EER為32.1時系統制冷量為8.357 kW；溫差10℃，系統達到最大制冷量時EER為12.94，而最大EER為13.4時系統制冷量為3.237 kW。因此，當系統最大制冷量高于數據中心或通信基站的需求時，通過減小制冷劑流量，可以使能源得到最佳利用。

圖9　不同室內外溫差下質量流量與EER的關系Fig.9　Variation of EER with mrefin different indoor and outdoor temperature difference

3　結　論

通過對泵驅動兩相冷卻環路的優化，搭建了磁力泵驅動兩相冷卻環路系統，利用空氣焓差法，對其性能進行實驗研究，得到以下結論。

（1）磁力泵驅動兩相冷卻環路的啟動響應十分迅速。系統啟動后，泵頻率從0提升到14 Hz，流量和系統阻力響應快速；系統內壓力和溫度在450 s時達到穩定狀態；在600 s時系統制冷量達到最大，達到最佳穩定狀態。在啟動過程中，蒸發器內工質出現液體過熱現象，造成系統內出現溫度和壓力的波動，這是由于工質相變需要一定過熱度引起的。

（2）系統制冷量隨著質量流量的增加呈現先增加后緩慢降低的特征。這是系統阻力變化引起蒸發器入口過冷度的變化導致的，過冷度過大對系統不利。系統最大 EER和最大制冷量并不同步，溫差25℃，系統最大制冷量為9.241 kW時EER為29.7，而系統最大EER為32.1時系統制冷量為8.357 kW；溫差10℃，系統最大制冷量為3.429 kW時EER為12.94，而系統最大 EER為 13.4時系統制冷量為3.237 kW；其節能潛力遠遠高于傳統空調。

符號說明

A——換熱面積

EER——能效比

hair,inlet——蒸發器入口空氣焓值，kJ·kg-1

hair,outlet——蒸發器出口空氣焓值，kJ·kg-1

keva——蒸發器總傳熱系數，kW·m-2·K-1

mair——空氣質量流量，kg·h-1

mref——制冷劑質量流量，kg·h-1

Δp ——壓差，kPa

Q ——制冷量，kW

ΔT ——室內外溫差，換熱溫差，℃

W ——功率，kW

下角標

air ——空氣

con ——冷凝器

eva ——蒸發器

fan ——風機

fc ——變頻器

inlet ——進口

outlet ——出口

pump ——泵

ref ——制冷劑

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Heat transfer characteristics of two-phase cooling loop driven by magnetic pump

MA Yuezheng, MA Guoyuan, ZHANG Shuang
(College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

An experimental setup of two-phase cooling loop driven by magnetic pump was built. The performance and start-up characteristics of the two-phase cooling loop are evaluated by the air enthalpy difference method. Experimental results show that the two-phase cooling loop driven by magnetic pump presents excellent performance for energy saving. Its start-up is quick and the system reaches a steady state after 600 s. The fluctuations of pressure and temperature in the system are caused by the superheat of the liquid refrigerant in the evaporator during the start-up. The cooling capacity of the system increases with the temperature difference, and increases rapidly with the mass flow rate and then decreases slowly. When the temperature difference is 10℃, the maximum cooling capacity is 3.429 kW and the energy efficiency ratio is 12.94. When the temperature difference is 25℃, they reach 9.241 kW and 29.7, respectively.

magnetic pump-driven; two-phase cooling; energy efficiency ratio; start-up characteristics

date: 2015-05-04.

Prof. MA Guoyuan, magy@bjut.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51376010).

10.11949/j.issn.0438-1157.20150551

TU 831.6

A

0438—1157（2015）11—4388—06

2015-05-04收到初稿，2015-06-17收到修改稿。

聯系人：馬國遠。第一作者：馬躍征（1985—），男，博士研究生。

國家自然科學基金項目（51376010）。