泵驅(qū)動制冷劑兩相回路中旋渦泵內(nèi)部工作特性分析

劉 鵬 杭晨哲 李 準(zhǔn) 周 峰 李翠翠 馬國遠(yuǎn) 李富平

泵驅(qū)動制冷劑兩相回路中旋渦泵內(nèi)部工作特性分析

劉 鵬1杭晨哲2李 準(zhǔn)2周 峰1李翠翠1馬國遠(yuǎn)1李富平3

（1.北京工業(yè)大學(xué)制冷與低溫工程系 北京 100124；2.中國計量科學(xué)研究院 北京 100029；3.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院 北京 100124）

工質(zhì)泵是泵驅(qū)動兩相回路的關(guān)鍵驅(qū)動部件，在整個系統(tǒng)中起著決定性的作用。為研究工質(zhì)泵的內(nèi)部工作特性，建立旋渦泵三維模型并提取流體域，對基于制冷劑R22的旋渦泵的工作過程進(jìn)行模擬。研究結(jié)果表明：進(jìn)口壓力從0.95MPa增至1.25MPa，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的迭代次數(shù)縮減一半以上，最大總體積分?jǐn)?shù)從0.6降至0.007；旋渦泵穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，葉輪受到的離心力作用使葉輪外邊緣處總壓力分布大于葉輪內(nèi)邊緣處約0.1MPa。葉輪汽蝕破壞區(qū)域位于泵進(jìn)出口葉輪內(nèi)邊緣，此處是泵內(nèi)葉輪待改進(jìn)設(shè)計的區(qū)域。

旋渦泵；工作特性；泵驅(qū)動兩相回路；制冷劑；空化

0 前言

隨著大數(shù)據(jù)、云計算與人工智能的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模逐年增加并帶來了遠(yuǎn)大于其他建筑類型的能源消耗。數(shù)據(jù)中心裝載了大量高發(fā)熱量的IT設(shè)備，能耗密度大且需全年8760h不間斷冷卻[1]，單位面積能源需求相較辦公室住宅高出100倍[2,3]。近年來，數(shù)據(jù)中心節(jié)能冷卻技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。尋求高效率、低能耗、高可靠性的冷卻方法顯得尤為重要，熱管技術(shù)以其高效傳熱的特點(diǎn)成為了眾多冷卻方案中的一大選擇[4-6]。泵驅(qū)動兩相回路熱管系統(tǒng)利用室外自然冷源實(shí)現(xiàn)冷卻，具有傳熱能力高、傳輸距離遠(yuǎn)、適用性廣、啟動速度快等特點(diǎn)，可以有效解決數(shù)據(jù)中心大空間、高熱流、長距離、大落差的熱量輸送問題[7]。

在泵驅(qū)動制冷劑兩相回路研究方面，朱萬朋等[7]對實(shí)驗(yàn)工況下采用R22的泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)的?損失及分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，工質(zhì)泵?損占比約為25%，對泵優(yōu)化時盡量保證其熱力學(xué)過程接近定熵過程。Zhang等[8]在工質(zhì)為R134a的兩相自然循環(huán)回路中添加機(jī)械泵，對五種典型工況下的傳熱速率、循環(huán)流量、溫度場和制冷劑的分布進(jìn)行了比較研究。劉賢良等[9]基于Matlab對機(jī)械泵驅(qū)動兩相熱控系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)仿真計算，得到了系統(tǒng)分別在熱負(fù)荷和冷凝器側(cè)環(huán)境溫度變化情況下的溫度分布和變化情況。李翠翠等[10]通過改變系統(tǒng)溫差、泵頻率、換熱面積、高低溫水源溫度，對工質(zhì)泵的冷損失性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為減小工質(zhì)泵的冷損失、提高系統(tǒng)能效及優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)控等提供參考。

上述自然冷卻工況下的研究主要集中在系統(tǒng)性能與泵的外部工作特性，有關(guān)泵尤其是旋渦泵的專門研究方面，操瑞嘉等[11]針對艦船用泵葉輪所受徑向力分布不均的問題提出一種斜葉片的設(shè)計方法，比較作用于斜葉片葉輪與常規(guī)設(shè)計直葉片葉輪上的徑向力特性和水力特性。沙毅[12]提出了一種旋渦泵設(shè)計方法，并推導(dǎo)了旋渦泵容積效率、機(jī)械效率和流動效率經(jīng)驗(yàn)計算公式。陶佳欣等[13]研究了旋渦泵縱向旋渦的形成和消失與壓力速度變化的聯(lián)系，闡述縱向旋渦對旋渦泵外特性的影響機(jī)理。劉志超等[14]采用非等距葉片的分布方式，設(shè)計了三種葉片分布葉輪，分別對旋渦泵進(jìn)行穩(wěn)態(tài)性能和壓力脈動分析。

目前對泵的內(nèi)部流動、空化和汽蝕的研究大多集中在以水為工質(zhì)的場景，對于使用制冷劑等有機(jī)工質(zhì)時旋渦泵的研究不多?？紤]到制冷劑與水的物性差異較大，制冷劑兩相回路中工質(zhì)泵的內(nèi)部工作特性具有特殊性和復(fù)雜性。因此，本文通過構(gòu)建旋渦泵的理論模型，模擬旋渦泵的工作過程，分析泵內(nèi)部工作特性，為適用于泵驅(qū)動制冷劑兩相回路的專用旋渦泵的改進(jìn)和優(yōu)化提供參考。

1 泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)

泵驅(qū)動兩相冷卻回路原理如圖1所示，主要由工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、冷凝器和儲液罐組成。工質(zhì)泵為系統(tǒng)提供循環(huán)動力，蒸發(fā)器負(fù)責(zé)將低溫工質(zhì)與室內(nèi)高溫?zé)嵩催M(jìn)行換熱，而冷凝器則將高溫工質(zhì)中的熱量與低溫?zé)嵩催M(jìn)行換熱而排出熱量，儲液器能夠保證進(jìn)入工質(zhì)泵的為液體工質(zhì)，兼有穩(wěn)流與穩(wěn)壓作用。工質(zhì)經(jīng)冷凝器冷凝后輸送到儲液罐，然后被工質(zhì)泵抽送到蒸發(fā)器，工質(zhì)與熱環(huán)境在蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)換熱，之后進(jìn)入冷凝器中冷卻降溫，然后回到儲液罐，從而完成一個制冷循環(huán)。

圖1 泵驅(qū)動兩相冷卻回路原理

2 旋渦泵仿真模型

2.1 旋渦泵

工質(zhì)泵采用旋渦泵作為整個循環(huán)的動力部件。其組成部分主要包括泵蓋、泵體、葉輪和流道，結(jié)構(gòu)相對較簡單。旋渦泵由于其流量小、揚(yáng)程高、體積小、重量輕的特性而被廣泛應(yīng)用。如圖2所示為旋渦泵工作時內(nèi)部流體的運(yùn)動狀態(tài)，液體產(chǎn)生與葉輪轉(zhuǎn)向相同的“縱向旋渦”，此縱向旋渦使流道中的液體多次返回葉輪內(nèi)，再度受到離心力作用，而每經(jīng)過一次離心力的作用，揚(yáng)程就增加一次，隨著流量的增加，液體產(chǎn)生縱向旋渦減弱。由于流道內(nèi)液體是通過液體撞擊而傳遞能量，同時也造成較大撞擊損失，因此旋渦泵的效率比較低[15]。

圖2 泵內(nèi)液體流動情況

從旋渦泵三維實(shí)體模型中抽取泵的流體域模型，主要參數(shù)包括：泵進(jìn)口直徑1=14.5mm；泵出口直徑2=19.3mm；葉輪直徑=79mm；轉(zhuǎn)速=2800rpm；揚(yáng)程=60m；額定功率=1kW。利用旋渦泵對R22實(shí)現(xiàn)增壓，20℃時R22工質(zhì)的物性參數(shù)如下表1所示。

表1 R22物性參數(shù)

2.2 控制方程

構(gòu)建旋渦泵的三維模型并提取相應(yīng)的流體域，基于該流體域建立守恒方程、湍流模型與空化模型。

根據(jù)質(zhì)量、動量和能量守恒定律以及流體湍流效應(yīng)和空化特性，假定域內(nèi)流體為紊流狀態(tài)，建立了模型的守恒方程和流動控制方程。

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

空化模型選擇恒定氣體質(zhì)量模型，該模型的方程式表示如下：

蒸氣產(chǎn)生速率e和蒸氣冷凝速率c表示為：

2.3 網(wǎng)格劃分與條件設(shè)置

將流體域模型導(dǎo)入至模擬軟件內(nèi)，為保證結(jié)果收斂及計算精度，將模型分為四部分，分別對流體域葉輪、流道、進(jìn)出口進(jìn)行網(wǎng)格劃分。特殊的二叉樹網(wǎng)格創(chuàng)建具有優(yōu)異正交性的笛卡爾單元格，可以對較大單元格的間隙、尖銳邊緣等自動劃分，從而提高劃分精度。網(wǎng)格數(shù)為445863，面元數(shù)為1804701，節(jié)點(diǎn)數(shù)為748656，局部區(qū)域的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 泵的局部區(qū)域網(wǎng)格劃分

在仿真過程中，對模型做了如下的簡化和假設(shè)：

（1）分別建立了流體域的各流道區(qū)域（流道、進(jìn)出口、葉輪流體域），通過交互面進(jìn)行聯(lián)通；

（2）假設(shè)壁面光滑無沿程阻力；

（3）假設(shè)泵在運(yùn)行過程中無熱傳遞。

根據(jù)泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)實(shí)際沖注的制冷劑，選定R22作為仿真工質(zhì)。邊界條件的具體設(shè)置為：

（1）進(jìn)口邊界：泵的進(jìn)口總壓力分別為0.95MPa、1.05MPa、1.1MPa、1.15MPa、1.2MPa、1.25MPa。

（2）出口邊界：泵出口處R22的體積流量為6.88×10-5m3/s。

（3）壁面絕熱且無滑移壁面。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同進(jìn)口壓力時旋渦泵啟動特性

分別改變泵進(jìn)口總壓力，保持泵中制冷劑工質(zhì)體積流量為6.88×10-5m3/s，模擬在不同泵進(jìn)口總壓力（0.95MPa、1.05MPa、1.1MPa、1.15MPa、1.2MPa、1.25MPa），泵由啟動到穩(wěn)定時的穩(wěn)態(tài)變化過程。在模擬時可以檢測泵進(jìn)出口總壓力、泵的進(jìn)出口流量以及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動功率參數(shù)，由于模擬時各個參數(shù)由啟動到穩(wěn)定時的迭代次數(shù)不同，而為了避免泵在工作過程中由于空化對泵流量和功率的影響，所以此處將泵出口總壓作為泵由啟動到穩(wěn)定狀態(tài)時的檢測指標(biāo)。得到如圖4所示的泵啟動穩(wěn)定迭代次數(shù)。

圖4 泵由啟動到穩(wěn)定狀態(tài)的變化趨勢圖

由圖4可以看出：在各個進(jìn)口壓力下，隨著迭代次數(shù)增加，泵出口總壓力趨于穩(wěn)定，并且隨著進(jìn)口壓力增大，泵出口總壓力穩(wěn)定時的時間縮短。當(dāng)泵進(jìn)口總壓力為0.95MPa時，泵出口總壓力趨于穩(wěn)定時迭代次數(shù)約為2200次左右，而當(dāng)泵進(jìn)口總壓增大到1.25MPa時，泵出口總壓力達(dá)到穩(wěn)定時的迭代次數(shù)接近于1000次。隨著泵進(jìn)口壓力的增大，泵出口壓力達(dá)到穩(wěn)定的迭代次數(shù)減小，主要原因是當(dāng)泵進(jìn)口壓力小時，接近于泵內(nèi)工質(zhì)的飽和蒸汽壓力，此時泵工作時會出現(xiàn)空化現(xiàn)象，對工質(zhì)流動產(chǎn)生擾流作用，從而使工質(zhì)出口壓力達(dá)到穩(wěn)定用時比較長，當(dāng)進(jìn)口壓力增大，空化現(xiàn)象減弱，泵內(nèi)工質(zhì)的流動狀況減弱，從而泵出口壓力達(dá)到穩(wěn)定的時間縮短。

3.2 不同進(jìn)口壓力時葉輪流場總壓力分布

不同泵出口靜壓力下葉輪上流場總壓力的分布云圖如圖5所示。

由圖5（a）～（e）可知：隨著泵進(jìn)口總壓力的增大，葉輪上流場總壓力增大，且在各個進(jìn)口壓力下，制冷劑工質(zhì)在葉輪上的總壓力由入口進(jìn)入葉輪處逐漸增大直到泵出口處葉輪上總壓力達(dá)到最大；特別地，由圖5（d）和（e）可以更清晰地觀察到，隨著葉輪的逆時針轉(zhuǎn)動，葉輪外邊緣部分的總壓力大于葉輪內(nèi)邊緣部分的總壓力，葉輪外邊緣處總壓力最大達(dá)到1.41MPa左右，而葉輪內(nèi)邊緣處總壓力最大為1.3MPa左右。這是因?yàn)橹评鋭┕べ|(zhì)由葉輪內(nèi)邊緣轉(zhuǎn)動到葉輪外邊緣處，葉輪在轉(zhuǎn)動過程中的離心力作用提升了其壓力，所以葉輪外邊緣處總壓力分布大于葉輪內(nèi)邊緣處，且隨著葉輪的轉(zhuǎn)動，較大處總壓力由葉輪外邊緣逐漸向葉輪內(nèi)邊緣擴(kuò)散。

3.3 不同進(jìn)口壓力時葉輪總體積分?jǐn)?shù)分布

不同泵進(jìn)口總壓力下葉輪上流場總體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖6所示。

由圖6（a）～（e）可以看出：隨著泵進(jìn)口總壓力增大，葉輪上總體積分?jǐn)?shù)減小，當(dāng)泵進(jìn)口總壓力為0.95MPa時，葉片上最大總體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.6，而當(dāng)泵進(jìn)口總壓力增大到1.25MPa時，葉片上總體積分?jǐn)?shù)最大為0.007左右；工質(zhì)由泵入口進(jìn)入葉輪后總體積分?jǐn)?shù)相對較高，且隨著葉輪的轉(zhuǎn)動，壓力變大的同時總體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，到達(dá)泵出口時葉輪總體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最小；葉片上總體積分?jǐn)?shù)最大處在葉輪內(nèi)邊緣部分上，且高于葉輪外邊緣部分，當(dāng)泵進(jìn)口總壓越大時，這種現(xiàn)象越明顯?？梢?，在葉輪上易發(fā)生空化區(qū)域?yàn)楣べ|(zhì)由泵入口進(jìn)入葉輪處和葉輪內(nèi)邊緣部分處。葉輪上總體積分?jǐn)?shù)隨泵進(jìn)口總壓力增大而減小的原因是在此溫度下，制冷劑工質(zhì)的飽和蒸汽壓力不變，而隨著泵進(jìn)口總壓力的增大其與工質(zhì)飽和蒸汽壓力差值越來越大，則工質(zhì)進(jìn)入泵之后不宜發(fā)生空化，所以總體積分?jǐn)?shù)隨泵進(jìn)口總壓力增大而減小。

3.4 葉輪汽蝕破壞區(qū)域預(yù)測

葉片上總體積分?jǐn)?shù)越大，則葉片越容易發(fā)生空化現(xiàn)象，因?yàn)楸玫娜肟趬毫Φ停⑶医咏谥评鋭┕べ|(zhì)的飽和蒸汽壓力，而當(dāng)泵入口壓力低于工質(zhì)的飽和蒸汽壓力時泵就會發(fā)生空化現(xiàn)象。從葉輪的總體積分?jǐn)?shù)圖可以預(yù)測，葉輪上氣體體積分?jǐn)?shù)高的區(qū)域是易發(fā)生空化的區(qū)域。預(yù)測空化發(fā)生的位置，并進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，防止泵發(fā)生進(jìn)一步的汽蝕破壞。

如圖7為泵內(nèi)部汽蝕損傷區(qū)域?qū)Ρ?，圖7（a）為葉輪上總體積分?jǐn)?shù)分布。可知，此時在泵進(jìn)出口之間葉輪內(nèi)邊緣區(qū)域上總體積分?jǐn)?shù)最大，在此處易發(fā)生空化。圖7（b）為預(yù)測的葉輪汽蝕破壞區(qū)域，其汽蝕破壞區(qū)域也在泵進(jìn)出口之間葉輪的內(nèi)邊緣部分，汽蝕破壞功率超過108W。從圖7可知，總體積分?jǐn)?shù)最大處與汽蝕破壞區(qū)域在同一位置，即在泵進(jìn)出口葉輪內(nèi)邊緣上。為了防止由于空化而帶來的汽蝕破壞，此處是泵內(nèi)葉輪待改進(jìn)設(shè)計的區(qū)域。

圖7 葉輪上汽蝕損傷區(qū)域?qū)Ρ?/p>

4 結(jié)論

（1）旋渦泵體積流量一定時，隨著泵進(jìn)口壓力的增加，泵由啟動到穩(wěn)定時的出口總壓力趨于穩(wěn)定，且趨于穩(wěn)定的時間逐漸縮短，表現(xiàn)為泵出口壓力達(dá)到穩(wěn)定的迭代次數(shù)減小，泵進(jìn)口總壓力越低空化現(xiàn)象越嚴(yán)重。當(dāng)進(jìn)口總壓力從0.95MPa增大到1.25MPa時，泵出口壓力穩(wěn)定時的迭代次數(shù)從約為2200次降為接近1000次。

（2）旋渦泵穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，從進(jìn)口到出口處是制冷劑壓力不斷提升的過程，葉輪在轉(zhuǎn)動過程受到離心力作用，使葉輪外邊緣處總壓力分布大于葉輪內(nèi)邊緣處。隨著泵進(jìn)口總壓力增大，葉輪上總體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，當(dāng)進(jìn)口總壓力為0.95MPa時，葉輪上總體積分?jǐn)?shù)最大為0.6，而當(dāng)泵進(jìn)口總壓力增大到1.25MPa時，葉輪上總體積分?jǐn)?shù)減小到0.007。

（3）葉輪上汽蝕破壞功率超過108W時會發(fā)生損傷，汽蝕破壞區(qū)域與總體積分?jǐn)?shù)最大處位置一致，均在泵進(jìn)出口葉輪內(nèi)邊緣，防止此處空化帶來的汽蝕破壞對泵的優(yōu)化非常重要。

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Analysis of Internal Working Characteristics of Vortex Pump for Pump Driven Two-phase Cooling Loop

Liu Peng1Hang Chenzhe2Li Zhun2Zhou Feng1Li Cuicui1Ma Guoyuan1Li Fuping3

( 1.Department of Refrigeration and Cryogenics Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124;2.National Institute of Metrology, Beijing, 100029;3.College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing, 100124 )

The working fluid pump as the key driving component of a pump driven two-phase loop plays a crucial role for the system. In order to study the internal working characteristics of working fluid pump, a three-dimensional model of vortex pump was established and the fluid region was extracted. The working process of vortex pump was simulated based on R22 refrigerant. The results show that the steady state iterations reduces over a half and the maximum total volume fraction decreases from 0.6 to 0.007 when the inlet pressure increases from 0.95 MPa to 1.25MPa. During the steady operation of the vortex pump the total pressure distribution at the outer edge of the impeller caused by the centrifugal force on the impeller was 0.1 MPa greater than that at the inner edge of the impeller. The impeller cavitation damage area is located on the inner edge of the pump inlet and outlet impeller, which is the area to be improved.

vertex pump; working characteristics; pump driven two-phase loop; refrigerant; cavitation

1671-6612（2021）03-321-07

TB657

A

北京市朝陽區(qū)科技計劃項(xiàng)目（CYSF2005）；北京市教委科技計劃一般項(xiàng)目（KM201910005017）；國家自然科學(xué)基金（51776004）

劉 鵬（1996），男，碩士研究生，E-mail：1749008560@qq.com

周 峰（1982），男，工學(xué)博士，副研究員，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail：zhoufeng@bjut.edu.cn

2020-11-20