(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124)
隨著電子科技的進(jìn)步,數(shù)據(jù)中心開始大范圍應(yīng)用。數(shù)據(jù)中心的能流密度高,單位能耗快速增加,因此降低數(shù)據(jù)機(jī)房能耗迫在眉睫。在數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備中,空調(diào)系統(tǒng)能耗占比大,約為30%~50%[1]。降低空調(diào)能耗是數(shù)據(jù)機(jī)房節(jié)能的一種技術(shù)路線,而利用自然冷源為數(shù)據(jù)中心降溫又是降低空調(diào)能耗的一種方法。
熱管作為能有效利用自然冷源的裝置,被學(xué)者廣泛研究應(yīng)用。李改蓮等[2]研究了熱管復(fù)合式機(jī)房空調(diào)的性能,當(dāng)室外側(cè)環(huán)境溫度為7 ℃時,分離式熱管制冷量達(dá)到最大值4 575 W,EER高達(dá)17.99。胡張保等[3]實(shí)驗(yàn)研究了微通道換熱器作為蒸發(fā)器的分離式熱管空調(diào),結(jié)果表明:充液率過大或過小均會影響系統(tǒng)的傳熱性能,最佳充液率約為120%;室內(nèi)外溫差越大分離式熱管空調(diào)傳熱效果越好。石文星等[4-5]將分離式熱管機(jī)組與蒸氣壓縮式制冷機(jī)組相結(jié)合,制成一種全年用機(jī)房復(fù)合空調(diào)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)得到同等條件下比常規(guī)基站空調(diào)節(jié)能30%~45%。然而分離式熱管機(jī)房空調(diào)作為機(jī)房空調(diào)的輔助降溫設(shè)備,占用機(jī)房空間大,機(jī)組安裝要求高。在機(jī)組長管路或機(jī)房大熱流密度下,若機(jī)組動能偏小,則可能出現(xiàn)部分冷凝器處于“無用”狀態(tài),裝置工作溫差增大,機(jī)組散熱效果變差[6]。在液體環(huán)路增加泵可以解決分離式熱管機(jī)組動力不足,安裝要求過高等問題。
在航空航天領(lǐng)域,泵驅(qū)動熱管應(yīng)用主要針對微重力或無重力的環(huán)境,劉杰[7]采用航天機(jī)械泵(齒輪泵)驅(qū)動兩相流冷卻環(huán)路,針對啟動特性、工作點(diǎn)控制方案、冷卻特性和循環(huán)特性等方面進(jìn)行綜合研究。在數(shù)據(jù)機(jī)房領(lǐng)域,王鐵軍等[8]研究屏蔽泵驅(qū)動環(huán)路熱管冷卻數(shù)據(jù)機(jī)房,在室內(nèi)外溫差為20 ℃時EER為15.4,是普通蒸氣壓縮制冷EER的3~5倍。張雙等[9-13]在環(huán)路熱管的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了屏蔽泵和磁力泵驅(qū)動的回路熱管機(jī)組,針對啟動特性、換熱性能、循環(huán)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并將機(jī)組應(yīng)用到北京某小型數(shù)據(jù)機(jī)房中,結(jié)果表明,與采用空調(diào)散熱相比,可節(jié)省電能20.18%。
液泵在運(yùn)行時會發(fā)生氣蝕,在部分實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用過程中可能斷流[14]。因此魏川鋮等[15]采用滑片式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)了氣相驅(qū)動熱管循環(huán),并測試其在不同充注量、高度差和溫差下的循環(huán)性能,結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在室內(nèi)外溫差為30 ℃時,EER達(dá)到7.705。石文星等[16]采用直流調(diào)速壓縮機(jī)作為氣體增壓泵驅(qū)動環(huán)路熱管,結(jié)果表明:當(dāng)室內(nèi)外溫差大于20 ℃時,采用氣體增壓分離式熱管循環(huán)EER達(dá)到3.9,節(jié)能率約為8%;當(dāng)室內(nèi)外溫差為30 ℃時,EER達(dá)到7.6,節(jié)能率達(dá)到70%。本文針對上述問題,選擇改進(jìn)的全封閉旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)作為氣相側(cè)驅(qū)動裝置,搭建旋轉(zhuǎn)氣泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組,對其換熱特性、循環(huán)特性進(jìn)行研究,并與液泵驅(qū)動回路熱管機(jī)組在同等室內(nèi)外溫度工況條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。研究結(jié)果可為氣相側(cè)泵驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)提供借鑒參考。
圖1所示為旋轉(zhuǎn)氣泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組的工作原理。機(jī)組由蒸發(fā)器、冷凝器、氣液分離器、旋轉(zhuǎn)氣泵及連接管組成,氣泵為整個機(jī)組提供動力。工作原理:氣液分離器內(nèi)的氣體制冷劑(狀態(tài)點(diǎn)1)被泵吸入,經(jīng)過泵絕熱增壓,變?yōu)檫^熱氣體(狀態(tài)點(diǎn)2);從泵出口到冷凝器入口,制冷劑氣體從過熱氣體(狀態(tài)點(diǎn)3)變?yōu)轱柡蜌怏w(狀態(tài)點(diǎn)4),在冷凝器內(nèi),制冷劑與冷源(空氣)發(fā)生熱交換,從飽和氣體被冷凝成飽和液體,并進(jìn)一步被冷凝成過冷液體(狀態(tài)點(diǎn)3-5);從冷凝器出口到蒸發(fā)器入口,由于管路壓力損失,制冷劑壓力下降,導(dǎo)致部分液體提前蒸發(fā),制冷劑變?yōu)闋顟B(tài)點(diǎn)6,進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)與室內(nèi)空氣換熱變?yōu)闋顟B(tài)點(diǎn)7;為防止氣泵進(jìn)液,狀態(tài)點(diǎn)7的制冷劑氣體經(jīng)過氣液分離器變?yōu)闋顟B(tài)點(diǎn)1,完成一個循環(huán)。假設(shè)制冷劑僅在換熱器內(nèi)換熱,在管道中為絕熱狀態(tài),忽略換熱器內(nèi)壓力損失。
圖1 旋轉(zhuǎn)氣泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組的工作原理Fig.1 The principle of rotary booster-driven loop cooling unit
研制的旋轉(zhuǎn)氣泵由壓縮機(jī)改進(jìn)而成,改進(jìn)后可減小壓縮機(jī)吸排氣的壓比和壓縮機(jī)功率。氣泵的工作容積Vg=3.6×10-5m3/r,采用R22制冷劑。經(jīng)過前期選型計(jì)算,機(jī)組室內(nèi)側(cè)采用兩組蒸發(fā)器并聯(lián)的形式;室外側(cè)采用兩組冷凝器并聯(lián)的形式,每臺換熱器的傳熱面積為25.6 m2;氣體管路使用16.2 mm的紫銅管連接,液體管路采用9.7 mm的紫銅管連接,翅片管換熱器幾何參數(shù)如表1所示。室內(nèi)外共使用4臺軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制換熱,每臺風(fēng)機(jī)實(shí)測風(fēng)量為2 600 m3/h,每臺風(fēng)機(jī)實(shí)測功率約為160 W,最大風(fēng)量為3 739 m3/h。
氣泵的轉(zhuǎn)速n:
n=60(1-s)f/p
(1)
式中:n為氣泵的轉(zhuǎn)速,r/min;s為負(fù)載轉(zhuǎn)差率(3%~5%),文中取4%;p為電機(jī)極對數(shù);f為電源頻率,取50 Hz。
經(jīng)計(jì)算,氣泵的轉(zhuǎn)速n=2 880 r/min。
1、2、3、4換熱器入口截止閥;5、6、7、8三通閥;9、10、11、12換熱器出口截止閥;13、14冷凝器;15、16蒸發(fā)器;17氣泵;18氣液分離器;19質(zhì)量流量計(jì);20、21、22取樣風(fēng)機(jī);23噴嘴;T干球溫度測點(diǎn);Tw濕球溫度測點(diǎn);P壓力測點(diǎn);ΔP壓差測點(diǎn)。圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 The experimental device
氣泵的理論輸氣量:
Vh=60nVg
(2)
式中:Vh為氣泵的理論輸氣量,m3/h;Vg為氣缸工作容積,m3/r。
經(jīng)計(jì)算,氣泵的理論輸氣量Vh=6.48 m3/h。
表1 翅片管換熱器幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of tube-fin heat exchanger
氣泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組采用空氣焓值法測量性能,機(jī)組在焓差室中的擺放及測點(diǎn)布置如圖2所示。
由圖2可知,蒸發(fā)器與冷凝器在同一水平面上,機(jī)組室外側(cè)主要部件為氣泵、氣液分離器,液體側(cè)主要為質(zhì)量流量計(jì),冷凝器排列方式為并聯(lián),其中截止閥1、2分別控制冷凝器13、14的進(jìn)氣,截止閥啟閉方式為開或關(guān)。機(jī)組室內(nèi)側(cè)蒸發(fā)器同樣為并聯(lián)放置,截止閥3、4分別控制蒸發(fā)器15、16的進(jìn)液,截止閥啟閉方式為開或關(guān)。
機(jī)組運(yùn)行方案:將截止閥1、2、3、4打開,并打開冷凝器13、14和蒸發(fā)器15、16對應(yīng)的風(fēng)機(jī),制冷劑從氣泵17排除后經(jīng)過室外側(cè)三通閥均勻流入冷凝器13、14,后匯集到液管,經(jīng)過室內(nèi)側(cè)三通閥均勻流入蒸發(fā)器15、16。
實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)包括:冷凝器進(jìn)出風(fēng)干球溫度、蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)干濕球溫度、氣泵進(jìn)出口壓力、冷凝器進(jìn)出口壓力、蒸發(fā)器進(jìn)出口壓力、液體側(cè)質(zhì)量流量、噴嘴前后壓差、各噴嘴的實(shí)際面積、噴嘴前干濕球溫度、冷凝器風(fēng)機(jī)功率、蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)功率、氣泵功率。
測點(diǎn)布置:冷凝器進(jìn)出風(fēng)干球溫度分別由4個T型熱電偶測得,蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)干球溫度由4個T型熱電偶及1個RTD鉑電阻測得,蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)濕球溫度由濕球溫度計(jì)測得。氣泵、冷凝器、蒸發(fā)器壓力由壓力傳感器測得(其中氣泵出口與冷凝器進(jìn)口距離短,壓力測點(diǎn)合二為一)。液體側(cè)質(zhì)量流量由超聲波質(zhì)量流量計(jì)測得。噴嘴前后壓差由壓差計(jì)測得,噴嘴前干濕球溫度使用蒸發(fā)器出風(fēng)干濕球溫度,噴嘴面積使用標(biāo)定值。所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一由數(shù)據(jù)采集儀采集并導(dǎo)出。氣泵、兩器風(fēng)機(jī)功率由功率計(jì)測得。
測量數(shù)據(jù)的處理:機(jī)組總功率由氣泵功率、蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)功率及冷凝器風(fēng)機(jī)功率相加得到:
Punit=Pbooster+Pfan,evap+Pfan,cond
(3)
式中:Punit為機(jī)組總功率,kW;Pbooster為氣泵功率,kW;Pfan,cond為冷凝器風(fēng)機(jī)功率,kW;Pfan,evap為蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)功率,kW。
室內(nèi)側(cè)蒸發(fā)器空氣側(cè)風(fēng)量:
(4)
式中:qv為機(jī)組室內(nèi)測點(diǎn)的風(fēng)量,m3/s;K為噴嘴系數(shù);Cd為噴嘴流量系數(shù);Anozzle為噴嘴面積,m2;Δp為噴嘴前后的靜壓差,Pa;Vn為噴嘴進(jìn)口處的空氣比容,m3/kg。
機(jī)組制冷量:
(5)
式中:Q為機(jī)組制冷量,kW;hair,inlet、hair,outlet分別為蒸發(fā)器進(jìn)、出口的焓值,其值根據(jù)蒸發(fā)器進(jìn)、出口干濕球溫度查表可得,J/kg;W為噴嘴進(jìn)口處的空氣濕度,kg/(kg干空氣)。
機(jī)組能效比EERunit:
EERunit=Q/Punit
(6)
機(jī)組運(yùn)行時氣泵能效比EERbooster:
EERbooster=Q/Pbooster
(7)
實(shí)驗(yàn)采用的測量儀表主要參數(shù)如表2所示。
表2 儀表主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of instruments
采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定方法[17]進(jìn)行計(jì)算,測量結(jié)果的不確定度為:制冷量Q為±1.45%,電功率P為±0.02%,EER為±3.75%。
室內(nèi)溫濕度是數(shù)據(jù)中心或通信基站設(shè)備安全運(yùn)行的重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M機(jī)組實(shí)際運(yùn)行環(huán)境,工況范圍:室內(nèi)干球溫度恒定為25 ℃、濕球溫度恒定為17 ℃,室外干球溫度設(shè)定在20 ℃以下,分別為20、15、10、5、0、-5 ℃,共6組工況。下文室內(nèi)外溫差簡稱為ΔT(℃)。
實(shí)驗(yàn)中風(fēng)量不變、泵頻率為50 Hz,通過調(diào)節(jié)室內(nèi)外的溫度,改變機(jī)組運(yùn)行工況。圖3所示為機(jī)組制冷量、功率、EER隨室內(nèi)外溫差ΔT的變化。
圖3 機(jī)組制冷量、功率和EER隨室內(nèi)外溫差的變化Fig.3 The refrigerating capacity, power and EER of the unit change with indoor and outdoor temperature difference
由圖3(a)可知,機(jī)組制冷量隨ΔT的增加呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)ΔT=5 ℃時,機(jī)組制冷量為11.1 kW;當(dāng)ΔT=20 ℃時,制冷量達(dá)到峰值18.6 kW;當(dāng)ΔT=30 ℃時,機(jī)組制冷量為15.2 kW。機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時,室內(nèi)環(huán)境溫度保持不變,即蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度保持不變,影響制冷量的主要因素是蒸發(fā)器進(jìn)口溫度,即與冷凝器的換熱量有關(guān)。隨著室外環(huán)境溫度的降低,冷凝器的換熱量增大,冷凝器出口處制冷劑被冷凝成飽和液體甚至過冷液體,單位質(zhì)量的制冷量增加。所以,當(dāng)ΔT=5~20 ℃,風(fēng)量與傳熱面積不變時,制冷量不斷增加。但當(dāng)ΔT>20 ℃時,制冷量反而降低,原因是隨著室外環(huán)境溫度的降低,冷凝器的出口溫度(蒸發(fā)器進(jìn)口溫度)不斷下降,導(dǎo)致蒸發(fā)壓力下降,氣泵的吸氣壓力下降,制冷劑比容增大,機(jī)組質(zhì)量流量下降,雖然單位質(zhì)量的制冷量增加,但總體制冷量下降。
由圖3(b)可知,機(jī)組Pbooster及Punit隨ΔT的增加呈下降趨勢,且下降的幅度逐漸減小。當(dāng)ΔT=5 ℃時,Punit=1.815 kW,Pbooster=1.161 kW;當(dāng)ΔT=25 ℃時,Punit=1.16 kW,Pbooster=0.509 kW;當(dāng)ΔT=30 ℃時,Punit=1.118 kW,Pbooster=0.464 kW。兩者的差值為機(jī)組風(fēng)機(jī)的功率,約為600~700 W。Punit和Pbooster隨著ΔT的增加而降低,原因是氣泵功率在降低。隨著室外溫度的降低,冷凝溫度和冷凝壓力降低,比容積隨之降低,氣泵功率降低。同時因氣泵吸氣口制冷劑比容增大導(dǎo)致的機(jī)組質(zhì)量流量減少,也使氣泵功率下降。
由圖3(c)可知,EERbooster與EERunit隨ΔT的增加均呈先增大后減小的趨勢,但EERbooster的曲線變化幅度更大。當(dāng)ΔT=5 ℃時,EERunit=6.1,EERbooster=9.4;當(dāng)ΔT=25 ℃時,EERunit達(dá)到峰值15.1,EERbooster達(dá)到峰值34.2;當(dāng)ΔT=30 ℃時,EERunit=13.6。當(dāng)ΔT=5~20 ℃時,制冷量Q增大,氣泵功率降低,所以EER增大。當(dāng)ΔT>20 ℃時,氣泵功率下降的幅度變小,Q降低,因此EER增加緩慢甚至出現(xiàn)下降的趨勢。
風(fēng)機(jī)功率占機(jī)組功率的比例高,當(dāng)ΔT=5 ℃時,Pbooster/Punit=0.64,而當(dāng)ΔT=25 ℃,Pbooster/Punit=0.41,氣泵功率在機(jī)組功率中占比隨ΔT增加而下降,所以不包含風(fēng)機(jī)功率的EERbooster更大,變化幅度也更大。實(shí)際上風(fēng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量與實(shí)測風(fēng)量差距較大,而風(fēng)機(jī)效率較低,直接影響EERunit的大小,說明通過降低風(fēng)機(jī)功率的方式來提高EER有較大的發(fā)展空間。
液泵驅(qū)動環(huán)路熱管機(jī)組采用與氣泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組相同的換熱器和風(fēng)機(jī)。換熱器面積、管排數(shù)、風(fēng)機(jī)風(fēng)量均相同,兩器的放置方式均為水平平行放置。液泵數(shù)據(jù)來自于課題組論文[18],數(shù)據(jù)選擇的是各自實(shí)驗(yàn)中的最佳性能點(diǎn),泵的轉(zhuǎn)速、質(zhì)量流量等均不相同,液泵為30 Hz屏蔽離心泵,氣泵頻率為50 Hz。圖4所示為氣泵機(jī)組與液泵機(jī)組制冷量、機(jī)組功率、EER隨室內(nèi)外溫差ΔT的變化。
圖4 氣泵機(jī)組與液泵機(jī)組制冷量、功率和EER隨室內(nèi)外溫差的變化Fig.4 The refrigerating capacity, power and EER of the rotary booster unit and liquid pump unit change with indoor and outdoor temperature difference
由圖4(a)可知,液泵機(jī)組制冷量隨ΔT的增大而不斷增加,氣泵機(jī)組制冷量在ΔT>20 ℃時開始降低。對比可知:兩機(jī)組制冷量的差距隨著ΔT的增加而減小,當(dāng)ΔT=10 ℃時,氣泵機(jī)組制冷量約為14 kW,液泵機(jī)組制冷量僅為6.8 kW;當(dāng)ΔT=23.5 ℃時,液泵機(jī)組制冷量大于氣泵機(jī)組制冷量;當(dāng)ΔT=25 ℃時,氣泵機(jī)組制冷量為17.6 kW,液泵機(jī)組制冷量為19.4 kW。
由圖4(b)可知,液泵機(jī)組的總功率始終大于氣泵機(jī)組的總功率。當(dāng)ΔT=10 ℃時,氣泵機(jī)組的總功率為1.53 kW,隨著ΔT的增加而不斷下降,當(dāng)ΔT=25 ℃時,氣泵機(jī)組總功率下降至1.16 kW。液泵機(jī)組的總功率在ΔT=10 ℃時為1.54 kW,在ΔT=25 ℃時為1.60 kW。
由圖4(c)可知,氣泵機(jī)組EERunit始終大于液泵機(jī)組EERunit。當(dāng)ΔT=10 ℃時,氣泵機(jī)組EERunit=9,液泵機(jī)組EERunit=4.4,氣泵機(jī)組EERunit比液泵機(jī)組EERunit高104.7%;當(dāng)ΔT=25 ℃時,氣泵機(jī)組EERunit=15.1,液泵機(jī)組EERunit=12.1,氣泵機(jī)組EERunit比液泵機(jī)組高25.5%。當(dāng)ΔT<20 ℃時,氣泵機(jī)組EERunit明顯優(yōu)于液泵機(jī)組;當(dāng)ΔT>20 ℃時,液泵機(jī)組EER開始接近氣泵機(jī)組,主要因?yàn)橐罕脵C(jī)組的制冷量在ΔT=23.5 ℃開始反超氣泵機(jī)組,在制冷量相同時,氣泵機(jī)組的功率低于液泵機(jī)組,所以氣泵機(jī)組EERunit依然優(yōu)于液泵機(jī)組,但如果ΔT進(jìn)一步增大,液泵機(jī)組EERunit會大于氣泵機(jī)組EERunit。綜上所述,在ΔT為10~25 ℃范圍內(nèi),氣泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組EERunit優(yōu)于液泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組EERunit。
本文研發(fā)了一種由旋轉(zhuǎn)氣泵驅(qū)動的環(huán)路自然冷卻機(jī)組,采用R22作為循環(huán)工質(zhì),利用空氣焓差法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論:
1)在室內(nèi)外溫差為5~30 ℃時,機(jī)組制冷量最高達(dá)到18.6 kW,最低為11.1 kW,可以滿足熱負(fù)荷在10 kW以下的機(jī)房使用。當(dāng)ΔT=5 ℃時,機(jī)組EERunit=6.1;當(dāng)ΔT=25 ℃時,EERunit達(dá)到峰值15.1;當(dāng)ΔT=30 ℃時,EERunit=13.6,機(jī)組的整體性能良好。機(jī)組在室內(nèi)外溫差為25 ℃時性能最佳,制冷量達(dá)到17.6 kW,機(jī)組總功率為1.16 kW,氣泵功率為0.509 kW,機(jī)組EERunit=15.1。
2)當(dāng)ΔT=25 ℃時,旋轉(zhuǎn)氣泵的EERbooster達(dá)到峰值34.2,小壓比旋轉(zhuǎn)氣泵作為氣泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組動力來源,性能優(yōu)異。如果選擇效率更高的風(fēng)機(jī),可有效提高EERunit。
3)當(dāng)室內(nèi)外溫差范圍為10~25 ℃時,氣泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組性能優(yōu)于液泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組。當(dāng)ΔT=10 ℃時,氣泵機(jī)組EERunit比液泵機(jī)組EERunit高104.7%;當(dāng)ΔT=25 ℃,氣泵機(jī)組EERunit比液泵機(jī)組EERunit高25.5%。當(dāng)室內(nèi)外溫差范圍為10~25 ℃時,氣泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組EERunit優(yōu)于液泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組EERunit,但差距隨著室內(nèi)外溫差的增大而縮小。