旋轉氣泵的性能特性分析

薛 佳 馬國遠 戴 晗 周 峰 李富平 晏祥慧 姜明健

旋轉氣泵的性能特性分析

薛 佳 馬國遠 戴 晗 周 峰 李富平 晏祥慧 姜明健

（北京工業大學能源與動力工程學院 北京 100124）

泵驅動回路熱管機組是提高數據中心自然冷源利用率的重要技術手段，以應用于回路熱管中的旋轉氣泵為研究對象，詳細分析該氣泵的熱力學和動力學性能，并與其對應的壓縮機性能進行比較。結果表明：氣泵壓力比可降低33%以上，排氣溫度可降低22℃以上，制冷量可提高30%，EER可提高70%以上；以R22為循環工質時，氣泵氣體力、阻力矩的峰值為對應壓縮機的60%左右，氣體力、阻力矩的波動幅度為對應壓縮機的50%左右；旋轉氣泵以R410A、R32為工質時的制冷量約是R22時的1.5倍，EER略低于R22，R410A、R32為工質時的氣泵阻力矩曲線大致相同，而R22為工質時的阻力矩峰值、波動幅度僅為R410A、R32的60%。

旋轉氣泵；性能；數據中心節能；自然冷卻

0 引言

隨著我國信息化快速發展，數據中心的建設也進入快車道。據統計，我國數據中心總量已超過55萬個，2017年我國數據中心能耗高達1200億kWh，預計2020年我國數據中心耗電量將達到2500億kWh[1]，年耗電量超過全社會用電量的1.5%。但是，我國大多數數據中心的PUE（平均電能使用效率）仍普遍大于2.2，這與國際先進水平存在巨大差距。根據美國EYP公司調研數據顯示，數據中心能耗約40%由空調制冷系統帶來[2]。因此，降低數據中心空調系統能耗，對降低數據中心PUE值是至關重要的，而提高自然冷源利用率又是降低空調能耗最有效的技術手段[3,4]。

在自然冷源利用技術中，熱管技術成為近年研究和工程應用的熱點。傳統分離式熱管主要以重力或浮升力作為其工質循環的驅動力，當系統管路復雜或長度較長時，分離式熱管僅依靠重力無法保證熱管回路正常工作。針對分離式熱管系統動力不足、安裝受局限等問題，人們又進行了泵驅動環路熱管的研究。

李翠翠[5]等將泵驅動兩相循環回路系統用于數據中心自然冷卻，通過改變系統溫差、泵頻率、換熱面積、高低溫水源溫度，對工質泵的冷損失性能進行實驗研究。朱萬朋[6]等提出了用于數據中心自然冷卻泵驅動兩相回路系統，基于穩流系統?平衡方程，對系統進行了優化分析。周峰[7]等為充分利用室外自然冷源，研制出泵驅動自然冷卻機組，結果表明，機組運行EER隨室外溫度的降低而增大，機組運行效果良好，實測EER可達11.88，改造后機房全年節能率可達22.7%。液泵驅動的回路熱管有效地解決了重力型分離式熱管的運行穩定性問題，且在大溫差工況下具有優越的性能，但是其在小溫差工況下的換熱量和能效比急劇降低，嚴重限制了自然冷源利用率，同時液泵的汽蝕問題會使系統運行不穩定。

為了解決液泵回路熱管技術存在的以上問題，陳東[8]等進行熱環氣相驅動及氣泵驅動環路熱管的實驗，結果表明，驅動裝置前后壓差在40kPa以下，并且能在較遠距離冷熱源間實現傳熱功能。薛連政[9]等對自行設計的氣泵驅動冷卻機組在北京地區某小型數據中心的運行性能進行研究，分析了機組的工作特性。李少聰[10]等研發出由旋轉氣泵驅動的回路熱管自然冷卻機組，結果表明：隨著室內外溫差的增加，氣泵機組制冷量與EER呈先增大后減小的趨勢，功率始終呈下降趨勢。機組在室內外溫差為25℃時性能最佳，制冷量為17.6kW，機組能效比為15.1，機組功率為1.16kW，氣泵功率為0.509kW。

此外，在工質影響系統性能方面有學者也做了一些研究。姚遠[11]和金鑫[12]等分別研究了以R410A和R134a為工質的回路熱管系統在傳熱特性等方面的影響因素。Tong[13]等研究了CO2替代R22用于機房降溫的使用效果。金英[14]等針對15種工質的分子基團研究單原子和多原子基團對液泵驅動自然冷卻回路系統性能的影響。王絢[15]等提出一種用于數據中心自然冷卻的泵驅動兩相冷卻系統，結果表明：R32在泵驅動兩相冷卻系統中的性能全面優于R22。

盡管研究表明氣泵驅動回路熱管具有優越的性能，但是人們對氣泵性能特性的相關研究到目前為止還比較少。本文基于全封閉旋轉壓縮機的結構，針對R22、R410A、R32三種工質，詳細分析數據中心自然冷卻回路熱管用氣泵的熱、動力學性能，解析旋轉氣泵的性能特性，并與標準壓縮機的性能進行對比，以期為回路熱管驅動用氣泵研發提供參考依據。

1 旋轉氣泵及其驅動回路熱管

1.1 氣泵驅動回路熱管

旋轉氣泵驅動回路熱管如圖1所示，由旋轉氣泵，氣液分離器、蒸發器、冷凝器及連接管組成，氣泵為機組內的工質循環提供動力。氣液分離器內的氣體制冷劑（狀態點1）被泵吸入，經過泵絕熱增壓，變為過熱氣體（狀態點2）；從泵出口流入冷凝器內，制冷劑與冷源（室外冷空氣）發生熱交換，從飽和氣體被冷凝成飽和液體，并進一步被冷凝成過冷液體（狀態點5）；從冷凝器出口到蒸發器入口，由于管路壓力損失，制冷劑壓力下降，導致部分液體提前蒸發，制冷劑變為狀態點6，進入蒸發器內與室內空氣換熱變為狀態點7；為防止氣泵進液，狀態點7的制冷劑氣體經過氣液分離器變為狀態點1，完成一個循環。

從以上分析可以看出，泵驅動回路冷卻機組中的氣泵，盡管工作原理類似于壓縮機，但其作用和工作特性是明顯不同的，氣泵僅僅給工質循環增加動力，而不對工質有顯著的壓縮效應。當室內溫度高于室外溫度時，泵驅動回路冷卻系統才運行，所以氣泵的工況完全不同于壓縮機，其壓力比和功率也明顯低于常規壓縮機。

圖1 旋轉氣泵驅動的回路熱管

1.2 旋轉氣泵及其工況

旋轉氣泵基本構造類似于全封閉旋轉壓縮機[16,17]，其基本結構如圖2所示，它由滾動活塞、氣缸體、滑板及其背部彈簧、偏心輪軸和氣缸兩端蓋等主要零件組成。當偏心輪軸由原動機驅動繞氣缸中心連續旋轉時，吸氣腔、壓縮腔的容積周期變化，于是就實現了吸氣、壓縮、排氣及余隙膨脹等工作過程。與單缸結構相比，雙缸結構多了一組吸氣管、滑板、滾動活塞、氣缸和隔板等零部件。旋轉氣泵具有體積小、結構簡單、摩擦損失小、噪聲低、壽命長、變工況性能好，同時還具有機械效率高的突出優點，可以滿足大部分工況的需求。

圖2 旋轉氣泵的基本構造

1-exhaust tube；2-shell；3-stator；4-rotor；5-crank axle；6-cylinder 1；7-baffle；8-cylinder 2；9-suction tube；10-oil container

旋轉氣泵的排氣量為36cm3，運行時電源頻率為50Hz，轉速取2880r/min。氣泵的設計工況及其對應壓縮機的設計工況列于表1。

表1 設計工況

在分析計算旋轉氣泵的性能時，分別選用R22、R410A、R32為循環工質。

2 理論分析模型

2.1 熱力學計算

能效比EER為：

式中，0為制冷量，kW。

2.2 動力學計算

氣體力和阻力矩示意圖如圖3所示。

圖3 氣體力和阻力矩示意圖

氣體力F為：

（7）

阻力矩g為：

式中，為偏心距，m。

3 結果與討論

3.1 熱力性能

旋轉氣泵熱力性能計算結果列于表2中。

從壓力比來看，不管采用哪種工質，氣泵的名義壓力比均在2.24左右，而對應的壓縮機名義壓力比均在3.40左右，前者約為后者的65%。

從排氣溫度來看，當工質為R22時，氣泵為62.91℃，壓縮機為85.04℃，氣泵的排氣溫度低于壓縮機22.13℃；工質為R410A時的排氣溫度接近工質為R22時的情況；而工質為R32時，排氣溫度明顯升高，氣泵為72.82℃，壓縮機為101.04℃，氣泵的排氣溫度低于壓縮機28.22℃。

從制冷量來看，當工質為R22時，氣泵的制冷量為7.149kW，壓縮機的制冷量是5.618kW；當工質為R410A時，氣泵的制冷量為10.521kW，壓縮機的制冷量是8.024kW；當工質為R32時，氣泵的制冷量為11.273kW，壓縮機的制冷量是8.860kW。不論何種工質，氣泵的制冷量約為對應壓縮機的1.3倍。

從EER來看，當工質為R22時，氣泵的EER為6.748，壓縮機的EER為3.907；當工質為R410A時，氣泵的EER為6.316，壓縮機的EER為3.532；當工質為R32時，氣泵的EER為6.595，壓縮機的EER為3.805。不論何種工質，氣泵能效比EER約為對應壓縮機的1.7倍。

表2 氣泵與其對應壓縮機的熱力學性能

3.2 動力性能

當工質為R22時，氣泵及對應壓縮機的氣體力變化曲線如圖4所示，從中可以看出，氣泵的氣體力峰值要明顯低于壓縮機，僅為壓縮機的氣體力最大值的61.6%；氣泵的氣體力波動幅度相比較于壓縮機也得到了大大減少，氣泵的波動幅度僅為372N，壓縮機高達723N，約是氣泵的2倍；由于受吸、排氣壓力的影響，氣泵較早出現氣體力峰值。

當工質為R22時，氣泵及對應壓縮機的阻力矩變化曲線如圖5所示，可知，阻力矩曲線呈現與氣體力曲線大致相同的變化趨勢，氣泵的阻力矩峰值、波動幅度均遠小于對應的壓縮機，分別為對應壓縮機的65%和54%。

圖4 氣體力Fg隨轉動角度變化曲線

圖5 阻力矩Mg隨轉動角度變化曲線

當分別采用R22、R410A、R32為工質時，氣泵的阻力矩曲線如圖6所示。從中可以看出，R32、R410A為工質時阻力矩曲線的波動幅度大致相同，R410A略低于R32；R22為工質時阻力矩曲線的波動幅度明顯小于R410A、R32時的波動幅度，僅為它們的60%。R32的阻力矩峰值最大，達到了7.57N·m，R22的阻力矩峰值最小，為4.73N·m，R22僅為R32的62%。從不同工質給氣泵阻力矩曲線帶來的差異來看，R22明顯優于R410A、R32，因為更小的阻力矩峰值和阻力矩波動幅度可以使氣泵運行更加平穩。

圖6 采用不同工質時氣泵的阻力矩曲線

4 結論

通過以上對旋轉氣泵的性能特性進行分析，得出如下結論：

（1）旋轉氣泵運行于回路熱管自然冷卻系統中，名義壓力比均在2.24左右，制冷量可提高30%，能效比EER均在6.3以上。

（2）以R22為循環工質時，氣泵氣體力的峰值和波動幅度分別為對應壓縮機的62%和51%，阻力矩的峰值和波動幅度分別為對應壓縮機的65%和54%。

（3）在相同工況下，以R410A、R32分別為工質時，旋轉氣泵的制冷量約是R22為工質時的1.5倍，而能效比EER略低于R22；R410A、R32為工質時的阻力矩曲線大致相同，而R22為工質時的阻力矩曲線的峰值和波動幅度明顯小于R410A、R32，僅為它們的60%。

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Study on Performance Characteristics of Rotary Booster

Xue Jia Ma Guoyuan Dai Han Zhou Feng Li Fuping Yan Xianghui Jiang Mingjian

( College of Energy and Power Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124 )

Booster-driven loop heat pipe unit is an important technical means to utilize ambient cooling reservoir in data center. In this paper, the thermodynamic and dynamic performance of the rotary booster applied in the loop heat pipe were analyzed in detail, The results showed that, for the rotary booster, the norminal pressure ratio could be reduced by more than 33%, the discharge temperature could be reduced by more than 22℃, the cooling capacity could be increased by 30%, and the EER could be increased by more than 70%, comparing with the ones of its corresponding rotary compressor. When the rotary booster using R22 as working fluid, the peak values of the gas force and torque are about 60% of the ones for the corresponding compressor, and the fluctuation amplitude of the gas force and torque is about 50%. The cooling capacity of the rotary booster with R410A or R32 as working fluid is about 1.5 times of that with R22, but the EER is slightly lower than that with R22. When using R410A and R32 are working fluid, respectively, the torque curves for the booster almost keep same. When using R22 as working fluid, the peak value and the fluctuation amplitude of the torque curve are only 60% of that with R410A or R32.

rotary booster; performance; energy saving in data center; free cooling

1671-6612（2021）03-435-05

TB69

A

北京市教委科技計劃一般項目（KM201910005017）；中國科學院低溫工程學重點實驗室開放課題（CRY0201913）；國家自然科學基金（51776004）

薛 佳（1996.06-），女，碩士，E-mail：643501581@qq.com

周 峰（1982.01-），男，博士，副研究員，E-mail：zhoufeng@bjut.edu.cn

2020-09-07