氟泵供液式散熱系統試驗研究

章立新，劉 峰，張 超，姬翔宇，卓 靜

（上海理工大學 能源與動力工程學院/上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093）

伴隨著我國信息化產業及數字化建設的快速發展，數據中心的建設速度大大加快。針對大型機房等高熱流密度的電子集成系統的全天候溫控需要，常年為維持其恒定溫度耗電量很大，因此數據中心的節能減排越來越受到重視［1］。在我國華北、西北及東北等地區，室外氣溫低于0 ℃的天數占全年的百分比相當可觀，利用這一自然冷源成為節能的首要措施。目前，業界利用自然冷源的技術分為直接利用新風技術和間接利用新風技術兩種不同的方式。直接利用新風方式，在嚴寒地區，由于溫差過大容易導致機房結露；在污染地區，容易造成過濾器使用周期降低；在高濕地區，需要額外的除濕過程，成本升高。因此，間接利用新風技術逐漸成為主流。氟泵供液式散熱系統實質上是一種間接利用新風冷凝循環工質并通過氟泵將冷凝器中的液態工質泵至蒸發器的“熱管”換熱系統，因為室內與室外分別采用與制冷系統相同的蒸發器和冷凝器，有的也稱該散熱系統為氟泵供液式制冷系統，但這一稱謂與常規制冷從低溫吸熱排向高溫是不同的。

李爽等［2］針對大型立體冷庫的節能，分析并討論了供液方式的選擇方案。王曉東［3］搭建了泵供液制冷系統，通過調節供液氣壓來控制再循環蒸發器供液量，調節制冷系統中的循環倍率，發現隨著泵壓的增大，蒸發器的傳熱量會升至最大值。Minetto 等［4］將液泵的倍量供液方式引進空調制冷系統，以此來研究蒸發器的溫度分布，結果表明，液泵的使用能夠適應變工況條件運行。曹曉程等［5］設計了一種射流泵節流供液制冷系統，并與傳統的熱力膨脹供液方式和液泵供液方式進行了實驗對比，分別研究了三種供液方式對模擬食品的凍結時間、凍品溫差和凍結裝置總能耗的影響。陳海東［6］介紹了氟泵節能空調的組成、工作原理以及在實際工作中遇到的主要技術難題和解決辦法，分析和評估了測試數據的準確性，總結了綜合節能效果，發現針對熱負荷較大的機房，單氟泵節能空調新建或改造占機房總制冷量35%～50%時，企業投資回報率更高。方大偉等［7］研制了一套空調器試驗室，由外室和真實民居內室構成，并客觀評價空調器所營造環境的舒適性，為環境舒適性的主觀評價提供依據。

本文針對某單位開發中的一個氟泵供液式散熱系統進行小模塊的試驗研究，考察了室外環境溫度變化對系統的散熱量及系統能效比的影響；分析并研究氟泵變頻時該系統在不同流量下的散熱性能及相關參數的變化規律；然后進一步分析該試驗系統存在的問題，從理論上預測當優化系統設計后，實際的大型氟泵供液式散熱系統可能達到的能效比。

1 試驗系統設計

首先在環境室中對一個小型的氟泵供液散熱系統進行試驗，其系統工作原理如圖1 所示。兩個環境模擬室都配有自動控溫的空調系統，其制冷（熱）量范圍均為2～7 kW，用以模擬試驗所需的室內、室外環境工況。

圖 1 氟泵供液式散熱系統工作原理Fig. 1 Working principle of the heat dissipation system with liquid supplying and fluorine pump

氟泵供液式散熱系統是通過銅管將蒸發器、冷凝器、氟泵、儲液罐、干燥過濾器、視液鏡等裝置連接而成的封閉循環散熱系統。該系統管路布置如圖2 所示。在試驗中通過變頻器控制系統中散熱工質的流量。數據采集處理系統每隔5 s采集一次數據，每分鐘記錄并儲存一組平均值。

圖 2 散熱系統管路布置示意Fig. 2 Pipe layout of the dissipation system

2 試驗條件及過程

本試驗所采用的散熱工質為R134a，設定室內空氣的干球溫度為26 ℃、濕球溫度為18.65 ℃，且為恒定值；室外空氣干球溫度分別為15、10、5、0 ℃，且相對濕度為50%。在不同的室外環境溫度下，在5～15 Hz 的氟泵電機頻率范圍內調節R134a 的流量，然后分別進行熱力性能測試。每組試驗前首先檢查并校準測試儀器；操控環境模擬試驗室控制臺，將環境模擬試驗室環境狀態調到試驗所需的空氣干濕球溫度，待溫度穩定后開啟散熱系統，并注意從視液鏡處觀察R134a 狀態（須保持為單相）。待系統運行工況穩定后，采集各測點的壓力、溫度、流量、電功率等數據，計算散熱量。試驗過程中，還需注意及時給測濕球溫度用的紗布加水，以保證濕球溫度測量的準確性。實測蒸發器進口平均風速為3.3 m·s-1, 即風量為4 356 m3·h-1；冷凝器進口平均風速為3.7 m·s-1，即風量為4 068 m3·h-1。所用氟泵為Blackmer 滑片泵。

3 試驗結果與分析

3.1 室外環境溫度和散熱工質流量對散熱量的影響

圖3 給出了在不同室外環境溫度下散熱工質流量與系統散熱量的對應關系。由圖中可以看出：隨著室外環境溫度的降低，系統散熱量大幅提高。這是由于隨著散熱工質和室外環境溫差增大，換熱驅動力增大，系統的換熱效率提高；隨著氟泵電機頻率的增大，氟泵功率增高，散熱工質流量增大，系統散熱量呈現先顯著升高而后趨于穩定的態勢。這是因為在室外環境溫度保持不變的情況下，隨著散熱工質流量的增加，散熱工質在系統中的流速增加，強化了管內的對流換熱，使得系統換熱過程增強；但當流速達到一定程度后，管內對流換熱熱阻不再占主要部分，此時流速的增加對系統的傳熱影響很小，故而系統散熱量不再增加。

圖 3 散熱工質流量與系統散熱量關系Fig. 3 Relationship between dissipation medium flow and system dissipating heat

3.2 室外環境溫度和散熱工質流量對系統能效比的影響

圖4 給出了在不同室外環境溫度下散熱工質流量與系統能效比的對應關系。由圖中可以看出：隨著室外環境溫度的降低，系統能效比大幅提高。這是由于散熱工質和室外環境溫差的增大導致系統散熱量增大；在室外環境溫度不變的情況下，在某一流量范圍內，隨著氟泵功率的增加，能效比越來越大，而超過此范圍后，能效比隨著散熱工質流量的增加而降低。這是因為剛開始隨著氟泵功率的增加，散熱工質的流速增大，系統的換熱過程得到增強，此時系統散熱量的增長速度高于系統泵功率的增加速度，即系統能效比隨著泵功率的增加而升高；當系統散熱工質流量超過某一范圍后，散熱工質流量的增大對散熱系統散熱量的變化影響不大，但此時系統輸入氟泵功率仍然增加，導致系統能效比反而會降低。因此，存在最佳散熱工質流量使得試驗中系統的能效比達到最優值。試驗中最佳流量為散熱工質由過熱轉化為兩相的轉捩點時對應的流量。

圖 4 散熱工質流量與系統能效比關系Fig. 4 Relationship between dissipation medium flow and energy efficiency ratio of the system

3.3 對試驗系統的進一步分析及系統優化后在實際應用時的能效比預測

進一步分析上述試驗結果及試驗系統，發現能效比偏低，原因為：①試驗用的蒸發器和冷凝器風機為離心風機，設計效率為72%，動壓損失太大，單位能耗高。另外，在結構上還存在蒸發器、冷凝器引風不均勻的問題：離心式風機的引風口并未對著蒸發器、冷凝器的迎風面，而是從離心風機側面吸入空氣，導致蒸發器空氣流場不均勻，迎風面換熱不均，影響蒸發器、冷凝器的換熱效果。在實際應用時，蒸發器和冷凝器的風機可以選用風壓稍低但風量較大的軸流風機，一般效率至少可達80%，總功耗可以降低較多，能效比將會有較大的提升。②由于所用環境室可平衡掉的熱量有限，因此本試驗在設計工況下制冷劑的流量很小，雖然可采用變頻方式調節流量，但氟泵在極低頻率運轉時，漏液現象嚴重，效率極低。當該泵按其設計工作點工作時，效率可達22%。③因為試驗需要，管路中設置的較多閥門、測試傳感器及流量計都增加了氟泵的能耗。

針對試驗中存在的問題，對系統進行優化分析，即按照實際應用要求，通過理論測算，在氟泵額定工作流量情況下，保證制冷劑流速、室內室外環境條件與某一特定試驗工況相同，重新優化設計大型系統、重選風機，結合試驗數據及泵與風機的特性曲線考察其散熱量、蒸發器和冷凝器功耗及能效比的大小。

實際應用時的參數為：①室內干球溫度為26 ℃，相對濕度為50%；②室外干球溫度為10 ℃，相對濕度為50%；③散熱工質為R134a，設計流量為6 m3·h-1，質量流速gi= 95.24 kg·m-2·s-1；④蒸發溫度為19 ℃，冷凝溫度為18 ℃，過冷度為3 ℃。

當室外干球溫度為10 ℃時，根據試驗數據，通過試算發現制冷劑流量為0.099 m3·h-1時系統的能效比（COP）為最優。以流量0.099 m3·h-1為參考工況，由于室內、室外干、濕球溫度，制冷劑流速與原設計工況相同，僅僅是制冷劑流量變為6 m3·h-1，即實際系統中的制冷劑流量為試驗工況的60 倍。相當于60 臺試驗所用的蒸發器與60 臺試驗所用的冷凝器各自并聯，與一臺流量為6 m3·h-1的氟泵構成散熱系統。與之匹配的蒸發器所需風量為261 360 m3·h-1，需克服風阻85.7 Pa，所選的軸流風機效率按75%計，電機效率按88%估算，計算出蒸發器風機功耗為12.3 kW；與之匹配的冷凝器所需風量為244 080 m3·h-1，需克服風阻87 Pa，所選的軸流風機效率按70%計，電機效率按88%估算，冷凝器風機功耗為11.4 kW；大型系統中氟泵的流量為6 m3·h-1，總阻力為48.4 kPa，功率可以由所選氟泵的特性曲線查得為0.71 kW。在散熱工質設計流量6 m3·h-1不變的條件下，當環境溫度變化時，忽略因溫度變化對物性的影響所導致的能耗變化，系統總能耗基本保持在24.41 kW 左右，按試驗所得的散熱量測算的能效比如表1 所示。

表 1 實際應用時優化系統后測算的能效比Tab. 1 Energy efficiency ratio of the optimized system in practical application

4 結 論

本文對氟泵供液式散熱系統進行了試驗研究，以R134a 為散熱工質，分別研究了室外環境溫度分別為15、10、5 和0 ℃時對散熱量及能效比的影響。通過調節氟泵的電機頻率改變散熱工質流量，研究了散熱工質流量對散熱量及能效比的影響，得出的主要結論為：

（1） 隨著室外環境溫度的降低，散熱量和能效比均顯著提高；

（2）隨著散熱工質流量的增大，散熱量先升高后基本保持不變，能效比則先升高后降低，即存在最佳散熱工質流量使得系統的能效比達到最大值。最佳流量為散熱工質由過熱轉化為兩相的轉捩點對應的流量。

（3）經過測算，若系統優化后應用于實際工程，在室內外溫差為11～26 ℃時，能效比可達8.5～16.5。