數據中心氣泵驅動復合冷卻機組工作特性

周 峰,徐步青,薛連政,馬國遠,晏祥慧

(北京工業大學 制冷與低溫工程系,北京 100124)

0 引 言

近年來,隨著計算機和電子技術的進步,人們對數據處理存儲和數字通信的需求增加,數據中心行業發展迅速[1-2]。數據中心主要由IT設備、冷卻設備和供配電設備等組成[3]。冷卻設備是數據中心中最重要的耗能輔助設施,其能耗通常占總能耗的30%～50%[4-6]。自然冷卻技術是指當室外溫度低于室內溫度時,利用室外自然冷源對數據中心內部進行冷卻的節能技術[7]。在數據中心的自然冷卻方式中,熱管式自然冷卻技術具有優越的控溫特性,能以較小的溫差傳遞熱量,換熱安全可靠,無交叉污染,因此,得到較快發展并具有很好的應用潛力[8-9]。在系統管路復雜或路由較長時,僅靠重力常規熱管無法保證回路循環的穩定可靠運行,而機械泵驅動的動力型熱管能夠較好地解決循環驅動力不足的問題,同時能夠突破冷凝與蒸發換熱裝置所需的高度差限制,適用范圍更加廣泛。機械泵驅動目前主要包括液泵驅動和氣泵驅動2種類型。王飛等提出了一種串聯換熱器的蒸汽壓縮與熱管復合系統,熱管回路中的板式換熱器與風冷換熱器串聯。為克服流動阻力,在熱管回路中增加了泵驅動[10]。ZHANG、周峰等為數據中心設計了一種氟泵驅動兩相冷卻裝置,當室內外溫差為10 ℃時,機組COP為5.88;當溫差20 ℃時,機組COP可達10.41[11-12]。SUN等提出了一種動力式分體熱管制冷系統,室內外溫差23 ℃時,制冷量為31 kW,COP為14.8[13]。ZHOU等將液泵驅動回路系統應用于某小型數據中心,對其實際運行性能進行研究,評估了液泵驅動回路系統在全國不同氣候區城市應用的節能率和投資回收期[14-15]。

液泵驅動熱管系統雖解決了驅動力不足的問題,但在小溫差下的能效提升、自身空化對系統穩定可靠運行的影響均是其面臨的新挑戰。比較而言,氣泵驅動既可避免液泵由于空化和汽蝕破壞帶來的性能惡化或斷流,同時氣相工質的可壓縮性更好,同等體積流量下氣體的輸送功更小,可進一步降低循環驅動耗功和系統充注量,緩解蒸發器缺液和冷凝器積液,改善系統啟動性能。王越采用斜盤式壓縮機對機械驅動分離式熱管進行了實驗,驅動裝置壓差在0.04 MPa范圍內,可實現冷熱源之間遠距離換熱[16]。魏川鋮研究發現,在通訊基站采用氣泵循環回路熱管可在滿足傳熱的同時實現節能,并通過實驗分析了儲液罐和蒸發器進口相對高度對系統性能的影響[17]。石文星等提出了一種氣體加壓分離熱管循環方案,當室內外溫差為20 ℃時,可替代常規蒸汽壓縮制冷循環,滿足散熱要求[18]。李少聰等研制了一種用于小型數據中心的旋轉氣泵驅動熱管冷卻裝置,在室內外溫差為25 ℃時性能最佳,機組能效比為15.1;與標準壓縮機相比,旋轉氣泵可以更好地利用自然冷卻源實現冷卻節能[19]。王飛等設計并加工了額定制冷量為13 kW的管型機房空調樣機,能夠根據室內負荷需求與室外溫度切換運行模式。結果表明:當室內外溫差高于23 ℃時,系統運行熱管模式,EER提高35%以上;熱管型機房空調全年能效比較同容量定速型、變頻型空調系統分別提高40%和20%以上[20]。

從熱力學理論和機理的角度來看,目前在熱力循環上與氣泵循環機理最為相似的是壓縮機循環,且均為氣相驅動做功,二者的系統復合具有較好的理論基礎,具有良好的適配性。雖然氣泵驅動冷卻系統表現出很好的特性以及與蒸汽壓縮制冷循環復合的良好適配性,但是關于核心部件氣泵的專門研究主要是基于常規壓縮機的變頻調控,專門的氣泵及其在系統中的性能表征還有待進一步研究。為此,本文研制了2種型號的轉子式氣泵,對其壓力輸出特性進行實驗測試和比較分析,研究其吸排氣壓力、壓比以及質量流量特性的變化規律,并對其在復合冷卻系統中的整體性能進行測試,為下一步氣泵及其復合系統的改進提供重要依據。

1 氣泵驅動復合冷卻機組實驗系統

1.1 實驗系統

圖1為氣泵驅動復合冷卻機組及測試系統圖,蒸發器、電磁閥、電子膨脹閥等構成室內機部分,氣泵、壓縮機、冷凝器、氣液分離器等構成室外機部分;T為干球溫度測點,P為壓力測點。復合系統具有氣泵循環模式和蒸汽壓縮循環模式2種工作模式。1)當室外溫度較低時(≤20 ℃),開啟氣泵驅動循環冷卻模式,循環工質在蒸發器吸收室內熱量汽化,氣態的循環工質由氣泵提供動力后在室外冷凝器放熱后形成液體,隨后進入室內蒸發器,完成循環;2)當室外溫度較高時(≥20 ℃),開啟蒸汽壓縮制冷循環模式,在蒸發器吸收室內熱量汽化,氣態的循環工質經過壓縮機壓縮轉化為高溫高壓氣體,進入冷凝器向室外放熱,冷凝成高壓液體,最后通過電子膨脹閥節流,轉化成低壓液體回到室內蒸發器完成循環。該復合系統保證了全年范圍內將室內熱量源源不斷轉移到室外,達到為數據機房冷卻散熱的目的。

圖 1 氣泵驅動復合冷卻機組及測試系統Fig.1 Booster-driven hybrid cooling unit and testing system

1.2 機組主要部件

1.2.1 氣泵

氣泵相較于常規壓縮機的改進主要在于吸排氣壓比,而壓比的改進涉及到排氣閥片厚度及選材等一系列變化,以及氣泵內部驅動電機的改進,氣泵結構如圖2所示。本文針對轉子式氣泵進行改進,研制得到大力矩氣泵(1#)與小力矩氣泵(2#)2種氣泵,氣泵額定運行頻率為50 Hz,額定轉速為2 880 r/min,額定排氣量為36 cm3。

圖 2 轉子式氣泵結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of a rotary booster

1.2.2 換熱器

實驗用換熱器為銅-鋁管翅式換熱器,換熱器結構參數如表1所示。翅片管換熱器空氣流通方向上管排數為2,每排并聯管數為43。

表 1 管翅式換熱器結構參數

1.3 測試系統及儀表

實驗測試是在空調焓差實驗室進行,實驗中室內溫度保持恒定,室外溫度模擬夏季、過渡季節以及冬季的溫度。實驗時將溫度設定在室內干球溫度25 ℃,相對濕度45%。室外溫度范圍設定為-5 ℃～35 ℃之間。

根據機組性能測試要求,需要測得蒸發器的進口與出口的溫度;為了研究氣泵的壓力情況則需要測量氣泵的吸氣壓力與排氣壓力;系統內工質的循環流量的測定用于研究不同氣泵的性能;蒸發器風機功率、冷凝器風機功率、氣泵功率的測量用于分析系統制冷量、能效比以及氣泵的功耗性能。8個熱電偶均勻布置于蒸發器或者冷凝器的圓形風機的進風口與出風口,流過蒸發器的空氣流量由風速儀測量間接計算得到,壓力傳感器用于測量氣泵進出口的壓力,液體側流量由超聲波質量流量計測得,氣泵功率、壓縮機功率和風機功率由功率計測得。所用的測量設備如表2所示。

表 2 使用的儀表主要參數

2 結果與討論

2.1 機組性能指標

氣泵驅動復合冷卻機組制冷量為

Q=mair(he,in-he,out)

(1)

式中:Q為機組制冷量,kW;mair為蒸發器送風量,kg/s;he,in為蒸發器進風側的焓,kJ/kg;he,out為蒸發器出風側的焓,kJ/kg。蒸發器室內送風量為

mair=ρvA

(2)

式中:ρ為空氣密度,kg/m3;v為空氣流速,m/s;A為蒸發器送風面積,m2。能效比為

(3)

式中:ε為能效比EER;P為泵功耗,kW。

2.2 氣泵吸排氣壓力特性

機組測試時控制室外溫度范圍為-5 ℃～20 ℃,室內環境溫度25 ℃。圖3為1#與2#氣泵吸排氣壓力以及氣泵進出口壓差、壓比隨室內外溫差的變化。由圖3可知:1#與2#氣泵的排氣壓力均隨著室內外溫差的增大而逐漸降低,當室內外溫差為-10 ℃時,1#氣泵與2#氣泵的排氣壓力均為1.8 MPa;隨著室內外溫差的增大,當室內外溫差為30 ℃時,1#氣泵的排氣壓力為0.7 MPa,2#氣泵的排氣壓力為0.6 MPa;當室內外溫差大于0 ℃時,1#氣泵與2#氣泵的排氣壓力開始出現差異,此時2#氣泵的排氣壓力大多數情況下低于1#氣泵排氣壓力。1#氣泵相較2#氣泵具有較為平穩的吸氣壓力,而吸氣壓力是影響系統制冷量的重要因素,因此1#氣泵系統的制冷量相比2#氣泵系統的制冷量較大,而2#氣泵系統制冷量會產生衰減。

圖 3 氣泵吸排氣壓力隨溫差的變化Fig.3 Variations of suction and discharge pressure with temperature difference in booster

1#氣泵與2#氣泵的吸氣壓力的變化情況略有差異,1#氣泵的吸氣壓力隨室內外溫差的增大而略有波動,但基本保持在0.6 MPa左右,而2#氣泵的吸氣壓力隨室內外溫差的增大迅速下降。當室內外溫差為-10 ℃時,1#氣泵與2#氣泵的吸氣壓力近似相等均為0.6 MPa,1#氣泵的吸氣壓力最大值為室內外溫差為5 ℃時的0.62 MPa,最小值為室內外溫差30 ℃時的0.51 MPa。2#氣泵的吸氣壓力由0.6 MPa逐漸降低至0.3 MPa。這表明2#氣泵的吸氣壓力會因室內外溫差的增大而降低至較低值,較低的吸氣壓力不利于系統制冷量的增加,2#氣泵的性能在回氣表現上較1#氣泵差。

圖4為2種氣泵的吸排氣壓力比隨溫度的變化。可以看出:1#與2#氣泵的排氣壓力以及吸氣壓力的比值隨室內溫差增大而逐漸減小,在下降趨勢上1#氣泵的下降速度較快。當室內溫差為-10 ℃時,1#氣泵的吸排氣壓比為2.95;當室內外溫差為30 ℃時,1#氣泵的吸排氣壓比為1.37,壓比下降53.56%,壓比的迅速下降導致其功率隨室內外溫差的增加隨之下降,但是較小的壓比影響系統工質的循環量。2#氣泵的吸排氣壓比下降的趨勢較緩,吸排氣壓比由室內外溫差為-10 ℃時的2.98降為室內外溫差為30 ℃時的2,壓比下降32.89%。

圖 4 氣泵吸排氣壓力比隨溫差的變化Fig.4 Variations of suction and discharge pressure ratio with temperature difference for booster

圖5為氣泵吸排氣壓力差隨溫度的變化,可以看出:二者氣泵的吸排氣壓力差隨室內外溫差的增大而逐漸降低。1#氣泵的吸排氣壓力差由1.19 MPa逐漸降低至0.19 MPa,2#氣泵的吸排氣壓力差由1.19 MPa逐漸降低至0.3 MPa。結合圖4說明二者的吸排氣壓比具有明顯差異,但是吸排氣壓差的差異并不明顯。

圖 5 氣泵吸排氣壓力差隨溫差的變化Fig.5 Variations of suction and discharge pressure difference with temperature difference for booster

2.3 氣泵質量流量特性

圖6為不同氣泵驅動冷卻系統質量流量隨室內外溫差變化的規律。可以看出:1#氣泵驅動冷卻系統的質量流量隨室內外溫差的增大而逐漸增大,2#氣泵驅動冷卻系統的質量流量隨室內外溫差的增大而逐漸減小。當室內外溫差為-10 ℃時,1#氣泵的質量流量為226.4 kg/h,2#氣泵的質量流量為206.6 kg/h。當室內外溫差為30 ℃時,1#氣泵的質量流量達到最大值為261.0 kg/h,此時2#氣泵的質量流量降低至最小值為151.2 kg/h。

圖 6 不同氣泵質量流量隨溫差變化Fig.6 Variations of mass flow with temperature difference for different booster

2.4 復合機組制冷量

圖7為不同的氣泵驅動循環冷卻機組的制冷量隨著室內外溫差不同的變化規律。

圖 7 不同氣泵機組制冷量隨溫差變化Fig.7 Variations of cooling capacity with temperature difference for different booster units

可以看出:1#氣泵驅動冷卻系統的制冷量大于2#氣泵驅動冷卻系統的制冷量,1#氣泵驅動冷卻系統的制冷量隨室內外溫差的增大而逐漸增大。當室內外溫差為-10 ℃時,1#氣泵驅動冷卻系統的制冷量為10.4 kW;當室內外溫差為30 ℃時,1#氣泵驅動冷卻機組的制冷量為14.8 kW。2#氣泵驅動冷卻系統的制冷量隨室內外溫差的增大而先增大后減小,當室內外溫差為-10 ℃時,2#氣泵驅動冷卻系統的制冷量為9.7 kW;當室內外溫差為30 ℃時,2#氣泵驅動冷卻系統的制冷量為9.2 kW;當室內外溫差為0 ℃時,2#氣泵驅動冷卻系統的制冷量有最大值11.6 kW。從制冷量的變化規律可知,1#氣泵的性能優于2#氣泵,結合前面所得到關于二者吸排氣壓力、吸排氣溫度的數據分析可知,2#氣泵的吸氣壓力受室外溫度影響較大,當室內外溫差較大時,過低的吸氣壓力使系統工質循環量降低,氣泵性能惡化,最終導致系統制冷量減小。

1#氣泵與2#氣泵在制冷量隨室內外溫差變化的趨勢不同,其原因在于1#氣泵的吸氣壓力隨著室內外溫差的增大可以保持在0.51 MPa到0.6 MPa之間,但是2#氣泵在相同的室內外溫差變化范圍內吸氣壓力從0.6 MPa下降至0.3 MPa,吸氣壓力的下降以及吸氣比容的增大造成了2#氣泵機組制冷量先增大后降低,而1#氣泵機組制冷量在測試范圍內一直呈上升趨勢。

2.5 復合機組能效比

圖8為不同的氣泵驅動環路機組的EER隨著室內外溫差不同的變化規律。EER是制冷量與機組功率的比值,結合圖7可知,1#氣泵制冷量大于2#氣泵制冷量。由圖8可知,當室內外溫差大于10 ℃時,1#氣泵機組的EER高于2#氣泵機組EER,并且隨著室內外溫差的增大,1#氣泵機組的EER優勢越明顯,原因是在1#、2#氣泵的功率差值較小的情況下,EER更多地取決于制冷量,而此時由于1#氣泵的制冷量高于2#氣泵,則1#氣泵機組EER高于2#機組EER。隨室內外溫差的增大,1#氣泵機組EER逐漸增大,2#氣泵機組EER隨室內外溫差的增大呈現先增大后減小的趨勢。當室內外溫差在-10～30 ℃范圍內,1#氣泵機組EER由4.60增長到12.16,2#氣泵機組EER從4.19增至7.51。2#氣泵機組在室內外溫差為15 ℃時,EER達到峰值為7.88。最后綜合比較EER曲線,1#氣泵性能較優。

圖 8 不同氣泵機組EER隨溫差變化Fig.8 Variations of EER for different booster units

3 結 論

1) 1#與2#氣泵的排氣壓力均隨著室內外溫差的增大而逐漸降低,當室內外溫差大于0 ℃時,1#氣泵與2#氣泵的排氣壓力開始出現差異,此時2#氣泵的排氣壓力大多數情況下低于1#氣泵排氣壓力。相同工況下,1#氣泵吸排氣壓比小于2#氣泵,1#氣泵的吸排氣溫度低于2#氣泵。

2) 實驗溫差工況范圍內(-10 ℃～30 ℃),1#氣泵的吸排氣壓比下降53.56%,而2#氣泵吸排氣壓比下降32.89%。在質量流量方面,1#氣泵的質量流量隨溫差增大逐漸增大,而2#氣泵則逐漸減小。

3) 1#氣泵驅動冷卻系統的制冷量大于2#氣泵驅動冷卻系統的制冷量,1#氣泵驅動冷卻系統的制冷量隨室內外溫差的增大而逐漸增大,而2#氣泵呈現先增后減的變化,當室內外溫差大于10 ℃時,1#氣泵機組的EER高于2#氣泵機組EER,并且隨著室內外溫差的增大,1#氣泵機組的EER優勢越明顯。從制冷量表征來看,1#氣泵性能優于2#氣泵。