氟泵供液式散熱系統(tǒng)試驗(yàn)研究

章立新，劉 峰，張 超，姬翔宇，卓 靜

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院/上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

伴隨著我國信息化產(chǎn)業(yè)及數(shù)字化建設(shè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)速度大大加快。針對大型機(jī)房等高熱流密度的電子集成系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排越來越受到重視［1］。在我國華北、西北及東北等地區(qū)，室外氣溫低于0 ℃的天數(shù)占全年的百分比相當(dāng)可觀，利用這一自然冷源成為節(jié)能的首要措施。目前，業(yè)界利用自然冷源的技術(shù)分為直接利用新風(fēng)技術(shù)和間接利用新風(fēng)技術(shù)兩種不同的方式。直接利用新風(fēng)方式，在嚴(yán)寒地區(qū)，由于溫差過大容易導(dǎo)致機(jī)房結(jié)露；在污染地區(qū)，容易造成過濾器使用周期降低；在高濕地區(qū)，需要額外的除濕過程，成本升高。因此，間接利用新風(fēng)技術(shù)逐漸成為主流。氟泵供液式散熱系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種間接利用新風(fēng)冷凝循環(huán)工質(zhì)并通過氟泵將冷凝器中的液態(tài)工質(zhì)泵至蒸發(fā)器的“熱管”換熱系統(tǒng)，因?yàn)槭覂?nèi)與室外分別采用與制冷系統(tǒng)相同的蒸發(fā)器和冷凝器，有的也稱該散熱系統(tǒng)為氟泵供液式制冷系統(tǒng)，但這一稱謂與常規(guī)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(jié)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(tǒng)，通過調(diào)節(jié)供液氣壓來控制再循環(huán)蒸發(fā)器供液量，調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)中的循環(huán)倍率，發(fā)現(xiàn)隨著泵壓的增大，蒸發(fā)器的傳熱量會(huì)升至最大值。Minetto 等［4］將液泵的倍量供液方式引進(jìn)空調(diào)制冷系統(tǒng)，以此來研究蒸發(fā)器的溫度分布，結(jié)果表明，液泵的使用能夠適應(yīng)變工況條件運(yùn)行。曹曉程等［5］設(shè)計(jì)了一種射流泵節(jié)流供液制冷系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)的熱力膨脹供液方式和液泵供液方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比，分別研究了三種供液方式對模擬食品的凍結(jié)時(shí)間、凍品溫差和凍結(jié)裝置總能耗的影響。陳海東［6］介紹了氟泵節(jié)能空調(diào)的組成、工作原理以及在實(shí)際工作中遇到的主要技術(shù)難題和解決辦法，分析和評(píng)估了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，總結(jié)了綜合節(jié)能效果，發(fā)現(xiàn)針對熱負(fù)荷較大的機(jī)房，單氟泵節(jié)能空調(diào)新建或改造占機(jī)房總制冷量35%～50%時(shí)，企業(yè)投資回報(bào)率更高。方大偉等［7］研制了一套空調(diào)器試驗(yàn)室，由外室和真實(shí)民居內(nèi)室構(gòu)成，并客觀評(píng)價(jià)空調(diào)器所營造環(huán)境的舒適性，為環(huán)境舒適性的主觀評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

本文針對某單位開發(fā)中的一個(gè)氟泵供液式散熱系統(tǒng)進(jìn)行小模塊的試驗(yàn)研究，考察了室外環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)的散熱量及系統(tǒng)能效比的影響；分析并研究氟泵變頻時(shí)該系統(tǒng)在不同流量下的散熱性能及相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律；然后進(jìn)一步分析該試驗(yàn)系統(tǒng)存在的問題，從理論上預(yù)測當(dāng)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，實(shí)際的大型氟泵供液式散熱系統(tǒng)可能達(dá)到的能效比。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先在環(huán)境室中對一個(gè)小型的氟泵供液散熱系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，其系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。兩個(gè)環(huán)境模擬室都配有自動(dòng)控溫的空調(diào)系統(tǒng)，其制冷（熱）量范圍均為2～7 kW，用以模擬試驗(yàn)所需的室內(nèi)、室外環(huán)境工況。

圖 1 氟泵供液式散熱系統(tǒng)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(tǒng)是通過銅管將蒸發(fā)器、冷凝器、氟泵、儲(chǔ)液罐、干燥過濾器、視液鏡等裝置連接而成的封閉循環(huán)散熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)管路布置如圖2 所示。在試驗(yàn)中通過變頻器控制系統(tǒng)中散熱工質(zhì)的流量。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)每隔5 s采集一次數(shù)據(jù)，每分鐘記錄并儲(chǔ)存一組平均值。

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

2 試驗(yàn)條件及過程

本試驗(yàn)所采用的散熱工質(zhì)為R134a，設(shè)定室內(nèi)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(huán)境溫度下，在5～15 Hz 的氟泵電機(jī)頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)R134a 的流量，然后分別進(jìn)行熱力性能測試。每組試驗(yàn)前首先檢查并校準(zhǔn)測試儀器；操控環(huán)境模擬試驗(yàn)室控制臺(tái)，將環(huán)境模擬試驗(yàn)室環(huán)境狀態(tài)調(diào)到試驗(yàn)所需的空氣干濕球溫度，待溫度穩(wěn)定后開啟散熱系統(tǒng)，并注意從視液鏡處觀察R134a 狀態(tài)（須保持為單相）。待系統(tǒng)運(yùn)行工況穩(wěn)定后，采集各測點(diǎn)的壓力、溫度、流量、電功率等數(shù)據(jù)，計(jì)算散熱量。試驗(yàn)過程中，還需注意及時(shí)給測濕球溫度用的紗布加水，以保證濕球溫度測量的準(zhǔn)確性。實(shí)測蒸發(fā)器進(jìn)口平均風(fēng)速為3.3 m·s-1, 即風(fēng)量為4 356 m3·h-1；冷凝器進(jìn)口平均風(fēng)速為3.7 m·s-1，即風(fēng)量為4 068 m3·h-1。所用氟泵為Blackmer 滑片泵。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 室外環(huán)境溫度和散熱工質(zhì)流量對散熱量的影響

圖3 給出了在不同室外環(huán)境溫度下散熱工質(zhì)流量與系統(tǒng)散熱量的對應(yīng)關(guān)系。由圖中可以看出：隨著室外環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)散熱量大幅提高。這是由于隨著散熱工質(zhì)和室外環(huán)境溫差增大，換熱驅(qū)動(dòng)力增大，系統(tǒng)的換熱效率提高；隨著氟泵電機(jī)頻率的增大，氟泵功率增高，散熱工質(zhì)流量增大，系統(tǒng)散熱量呈現(xiàn)先顯著升高而后趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。這是因?yàn)樵谑彝猸h(huán)境溫度保持不變的情況下，隨著散熱工質(zhì)流量的增加，散熱工質(zhì)在系統(tǒng)中的流速增加，強(qiáng)化了管內(nèi)的對流換熱，使得系統(tǒng)換熱過程增強(qiáng)；但當(dāng)流速達(dá)到一定程度后，管內(nèi)對流換熱熱阻不再占主要部分，此時(shí)流速的增加對系統(tǒng)的傳熱影響很小，故而系統(tǒng)散熱量不再增加。

圖 3 散熱工質(zhì)流量與系統(tǒng)散熱量關(guān)系Fig. 3 Relationship between dissipation medium flow and system dissipating heat

3.2 室外環(huán)境溫度和散熱工質(zhì)流量對系統(tǒng)能效比的影響

圖4 給出了在不同室外環(huán)境溫度下散熱工質(zhì)流量與系統(tǒng)能效比的對應(yīng)關(guān)系。由圖中可以看出：隨著室外環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)能效比大幅提高。這是由于散熱工質(zhì)和室外環(huán)境溫差的增大導(dǎo)致系統(tǒng)散熱量增大；在室外環(huán)境溫度不變的情況下，在某一流量范圍內(nèi)，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(zhì)流量的增加而降低。這是因?yàn)閯傞_始隨著氟泵功率的增加，散熱工質(zhì)的流速增大，系統(tǒng)的換熱過程得到增強(qiáng)，此時(shí)系統(tǒng)散熱量的增長速度高于系統(tǒng)泵功率的增加速度，即系統(tǒng)能效比隨著泵功率的增加而升高；當(dāng)系統(tǒng)散熱工質(zhì)流量超過某一范圍后，散熱工質(zhì)流量的增大對散熱系統(tǒng)散熱量的變化影響不大，但此時(shí)系統(tǒng)輸入氟泵功率仍然增加，導(dǎo)致系統(tǒng)能效比反而會(huì)降低。因此，存在最佳散熱工質(zhì)流量使得試驗(yàn)中系統(tǒng)的能效比達(dá)到最優(yōu)值。試驗(yàn)中最佳流量為散熱工質(zhì)由過熱轉(zhuǎn)化為兩相的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的流量。

圖 4 散熱工質(zhì)流量與系統(tǒng)能效比關(guān)系Fig. 4 Relationship between dissipation medium flow and energy efficiency ratio of the system

3.3 對試驗(yàn)系統(tǒng)的進(jìn)一步分析及系統(tǒng)優(yōu)化后在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的能效比預(yù)測

進(jìn)一步分析上述試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)能效比偏低，原因?yàn)椋孩僭囼?yàn)用的蒸發(fā)器和冷凝器風(fēng)機(jī)為離心風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)效率為72%，動(dòng)壓損失太大，單位能耗高。另外，在結(jié)構(gòu)上還存在蒸發(fā)器、冷凝器引風(fēng)不均勻的問題：離心式風(fēng)機(jī)的引風(fēng)口并未對著蒸發(fā)器、冷凝器的迎風(fēng)面，而是從離心風(fēng)機(jī)側(cè)面吸入空氣，導(dǎo)致蒸發(fā)器空氣流場不均勻，迎風(fēng)面換熱不均，影響蒸發(fā)器、冷凝器的換熱效果。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，蒸發(fā)器和冷凝器的風(fēng)機(jī)可以選用風(fēng)壓稍低但風(fēng)量較大的軸流風(fēng)機(jī)，一般效率至少可達(dá)80%，總功耗可以降低較多，能效比將會(huì)有較大的提升。②由于所用環(huán)境室可平衡掉的熱量有限，因此本試驗(yàn)在設(shè)計(jì)工況下制冷劑的流量很小，雖然可采用變頻方式調(diào)節(jié)流量，但氟泵在極低頻率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，漏液現(xiàn)象嚴(yán)重，效率極低。當(dāng)該泵按其設(shè)計(jì)工作點(diǎn)工作時(shí)，效率可達(dá)22%。③因?yàn)樵囼?yàn)需要，管路中設(shè)置的較多閥門、測試傳感器及流量計(jì)都增加了氟泵的能耗。

針對試驗(yàn)中存在的問題，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，即按照實(shí)際應(yīng)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(nèi)室外環(huán)境條件與某一特定試驗(yàn)工況相同，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)大型系統(tǒng)、重選風(fēng)機(jī)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及泵與風(fēng)機(jī)的特性曲線考察其散熱量、蒸發(fā)器和冷凝器功耗及能效比的大小。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)的參數(shù)為：①室內(nèi)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(zhì)為R134a，設(shè)計(jì)流量為6 m3·h-1，質(zhì)量流速gi= 95.24 kg·m-2·s-1；④蒸發(fā)溫度為19 ℃，冷凝溫度為18 ℃，過冷度為3 ℃。

當(dāng)室外干球溫度為10 ℃時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過試算發(fā)現(xiàn)制冷劑流量為0.099 m3·h-1時(shí)系統(tǒng)的能效比（COP）為最優(yōu)。以流量0.099 m3·h-1為參考工況，由于室內(nèi)、室外干、濕球溫度，制冷劑流速與原設(shè)計(jì)工況相同，僅僅是制冷劑流量變?yōu)? m3·h-1，即實(shí)際系統(tǒng)中的制冷劑流量為試驗(yàn)工況的60 倍。相當(dāng)于60 臺(tái)試驗(yàn)所用的蒸發(fā)器與60 臺(tái)試驗(yàn)所用的冷凝器各自并聯(lián)，與一臺(tái)流量為6 m3·h-1的氟泵構(gòu)成散熱系統(tǒng)。與之匹配的蒸發(fā)器所需風(fēng)量為261 360 m3·h-1，需克服風(fēng)阻85.7 Pa，所選的軸流風(fēng)機(jī)效率按75%計(jì)，電機(jī)效率按88%估算，計(jì)算出蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)功耗為12.3 kW；與之匹配的冷凝器所需風(fēng)量為244 080 m3·h-1，需克服風(fēng)阻87 Pa，所選的軸流風(fēng)機(jī)效率按70%計(jì)，電機(jī)效率按88%估算，冷凝器風(fēng)機(jī)功耗為11.4 kW；大型系統(tǒng)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(zhì)設(shè)計(jì)流量6 m3·h-1不變的條件下，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，忽略因溫度變化對物性的影響所導(dǎo)致的能耗變化，系統(tǒng)總能耗基本保持在24.41 kW 左右，按試驗(yàn)所得的散熱量測算的能效比如表1 所示。

表 1 實(shí)際應(yīng)用時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)后測算的能效比Tab. 1 Energy efficiency ratio of the optimized system in practical application

4 結(jié) 論

本文對氟泵供液式散熱系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以R134a 為散熱工質(zhì)，分別研究了室外環(huán)境溫度分別為15、10、5 和0 ℃時(shí)對散熱量及能效比的影響。通過調(diào)節(jié)氟泵的電機(jī)頻率改變散熱工質(zhì)流量，研究了散熱工質(zhì)流量對散熱量及能效比的影響，得出的主要結(jié)論為：

（1） 隨著室外環(huán)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(zhì)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(zhì)流量使得系統(tǒng)的能效比達(dá)到最大值。最佳流量為散熱工質(zhì)由過熱轉(zhuǎn)化為兩相的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)對應(yīng)的流量。

（3）經(jīng)過測算，若系統(tǒng)優(yōu)化后應(yīng)用于實(shí)際工程，在室內(nèi)外溫差為11～26 ℃時(shí)，能效比可達(dá)8.5～16.5。