磁力泵驱动两相冷却环路的换热特性

马跃征，马国远，张双

（北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124）

磁力泵驱动两相冷却环路的换热特性

马跃征，马国远，张双

（北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124）

为研究磁力泵驱动两相冷却环路的工作特性，特别是启动特性和换热性能随温差的变化规律，搭建了磁力泵驱动两相冷却环路的实验装置，并利用空气焓差法对其进行测试。结果表明：磁力泵驱动两相冷却环路启动迅速，在600 s内达到稳定状态，受蒸发器内液体过热的影响，启动过程中系统的压力和温度分布会产生微小波动；制冷量随温差的增大而增大，随制冷剂质量流量的增加呈先增大后减小的趋势。温差10℃时，系统最大制冷量为3.429 kW，能效比（EER）为12.94；温差25℃时，制冷量最大为9.241 kW，EER为29.7。

磁力泵驱动；两相冷却；能效比；启动特性

引　言

随着信息网络与电子计算机技术的飞速发展，数据中心和通信基站等设施的能耗急剧上升[1]。有资料显示，数据中心设备中，空调系统的能耗占总能耗的30%～50%[2-3]。降低空调系统的能耗是数据中心节能的关键。寒冷季节数据中心和通信基站的室外温度远低于电子设备安全运行的温度。因此，利用自然冷源为数据中心降温是一种行之有效的节能方法。Zhang等[4]分别从空气侧自然冷却、水侧自然冷却和热管系统3个方面分析了自然冷却技术用于数据中心冷却的性能，认为热管对数据中心冷却有很大的应用潜能。

传统热管以重力和毛吸力作为驱动力，虽然能通过改变换热器的高度和优化毛细结构提高其换热能力[5]，但在结构灵活性和启动特性上仍存在着传热距离短、启动复杂困难[6-10]等问题。为提高热管的驱动力，出现了电流体[11]、磁流体[12]、旋转离心力[13]和泵[14-20]等驱动方式。但电流体驱动和磁流体驱动所能提供的动力依然有限，旋转离心力也仅适用于电机等特定的设备中。泵驱动两相冷却环路是近些年来的研究热点，主要应用在航天热控领域，其动力由转鼓流体装置、活塞泵或齿轮泵等提供[14-18]。刘杰等对空间微重力环境下，航天机械泵驱动两相流冷却环路的启动特性进行了研究[8]。

针对数据中心的散热装置，张双等[19]在环路热管的基础上，设计出一种屏蔽泵驱动的环路热管，在室内外温差为10℃时，机组能效比（EER）为5.88，室内外温差为18℃时，EER为10.41。马国远等[20]将这一系统应用在某小型数据中心，实测结果显示比传统空调节电36.57%以上。对于屏蔽泵驱动的环路热管，屏蔽泵的电机封装在泵体中，系统运行时电机的无用功将转换为热能被工作介质吸收，从而给系统带来额外的热负荷，也容易引起泵的汽蚀。另外系统阻力设计过大，对系统换热特性影响很大。本文在上述基础上对系统进行了改进，搭建了一种磁力泵驱动两相冷却环路换热装置，并对其启动特性和传热特性进行研究，有关结论可为泵驱动冷却环路的设计提供参考。

1　工作原理和实验方法

1.1工作原理

图1所示为磁力泵驱动两相冷却系统的工作原理。由蒸发器、冷凝器、储液罐、磁力泵及连接管路组成，其工作过程如下：储液罐内的饱和液态制冷剂1等温进入泵入口；经泵的绝热增压过程在泵的出口达到过冷状态2；从泵出口2到蒸发器入口3，由于制冷剂管内流动阻力产生一定的压降；3到 4为过冷液态制冷剂在蒸发器内吸热达到饱和状态，同样由于流动阻力的影响，制冷剂压力有所降低；4 到5为饱和液态制冷剂在蒸发器内继续吸收热量产生相变，由于蒸发器内管道阻力的存在，制冷剂压力继续降低；5到6为蒸发器出口两相态制冷剂5经管路绝热流动到冷凝器入口6，制冷剂压力继续降低；6到1为冷凝器入口处的两相态制冷剂在冷凝器内放热冷凝为饱和液态制冷剂，经冷凝器出口进入储液罐，完成整个循环。假设制冷剂仅在换热器内进行换热，在输送过程中为绝热状态，其压焓图如图2所示。

图1　磁力泵驱动两相冷却系统原理Fig.1　Schematic diagram of cooling loop driven by magnetic pump

图2　磁力泵驱动两相冷却系统压焓图Fig.2　p-h diagram of refrigerant in cooling loop driven by magnetic pump

泵驱动两相冷却环路将环路热管中的储液器与蒸发器分离开，用泵为整个系统提供动力。与普通环路热管相比，改变了动力输出方式，克服了毛细力较弱的缺陷，从而实现更加快速、高效、可靠的热量传输。

1.2实验设置

磁力泵驱动两相冷却系统及采用空气焓差法测试的布置如图3所示。蒸发器处于室内侧，冷凝器、储液罐和磁力泵处于室外侧，蒸发器和冷凝器放置于同一水平高度，并且采用相同结构参数的翅片换热器，具体结构参数见表 1。液体和两相连接管道为φ19.05 mm×1 mm紫铜管，其中液管长4.5 m，两相管长3 m，工质为R22。蒸发器和冷凝器风机为ZIEHL•ABEGG轴流风机，由变频器控制风量为3000 m3·h-1。储液罐容量为16 L。泵选用磁力式旋涡泵，工质温度为18.5℃±0.5℃时测量泵的性能参数见表 2。磁力式联轴器不仅可以保证系统的密封，还可以将电机和制冷剂隔离，避免电机无用功转化的热能对系统增加附加热负荷，以及引起泵内饱和或过冷工质汽蚀。

图3　实验装置Fig.3　Schematic diagram of experimental setup

表1　翅片管换热器几何参数Table 1　Tube-fin heat exchanger geometric parameters

表2　R22温度18.5℃时磁力泵性能参数Table 2　Performance characteristics of magnetic pump at T=18.5℃

室内外测试间分别模拟室内外环境。室内的干球温度和湿球温度以及蒸发器的出风干球温度和湿球温度分别由4个温度传感器（INOR，Pt100，±0.05℃）测量，蒸发器风量由喷管式流量计（EJA110A，0～1000 Pa，±0.1%）测量。室外测试间的干球温度和湿球温度分别由2个Pt100温度传感器测量。磁力泵、风机和变频器的功率由功率计(YOKOGAWA，WT230，±0.02%)测量，系统总功率可由式(1)得到蒸发器的制冷量由式(2)得到

冷却环路管路上设置Pt100温度传感器和压力传感器（MBS 1900，0～1 MPa，±0.25% FS），在磁力泵出口管路设置质量流量传感器（Coriolis，0～500 kg·h-1，±0.2%）测量系统流量，数据采集仪为Agilent 34970A，5 s采集一次数据。

室内测试间干球温度和湿球温度分别设置为25和17℃，在0～15℃的范围改变室外温度，对磁力泵驱动两相冷却环路进行性能测试。

2　实验结果与讨论

2.1系统启动特性

图4所示为系统启动过程泵的启动特性。室内测试间和室外测试间干球温度分别设定为25和15℃。系统未启动时，泵的进、出口压力分别为0.817 和0.814 MPa，蒸发器进风和出风温度分别为25.05 和25.12℃。通过变频器调节启动磁力泵，泵的频率从 0到 14 Hz，流量从 0迅速增长并稳定到 289 kg·h-1，同时系统阻力也从0迅速上升到0.05 MPa。流量和系统阻力在120 s时达到稳定状态，而在0 到120 s期间，随着磁力泵叶片的旋转加速到速度稳定，会引起流量和系统阻力的波动。

图4　系统启动过程泵的启动特性Fig.4　Start-up characteristics of pump in starting process of system

图5所示为系统启动过程的温度和压力分布。未启动时，因系统漏热的影响，蒸发器进、出口温度接近室内测试间温度，泵进出口温度比冷凝器温度高。因此，在系统启动时，这些传感器温度是降低的。随着蒸发器内换热的继续进行，系统内部制冷剂的温度和压力都在迅速上升。蒸发器出口温度在250 s时出现一个峰值，然后逐渐降低，并在450 s时稳定到蒸发温度。这一现象是蒸发器内液体过热现象，液体过热现象是热管启动过程的一个普遍现象[8-10]，蒸发器内液态工质相变需要一定的过热度，因此液态工质进入蒸发器吸收热量，成为过热流体后才开始产生相变。这一现象引起系统内各关键点温度都出现一个温度波动。与温度测点相对应的各关键点的压力，随着工质在蒸发器内换热的发展而逐渐升高。系统未启动时，由于制冷剂主要储存在储液罐内，因此系统内制冷剂的压力接近于室外温度的饱和压力。系统启动后，随着工质在蒸发器内换热的进行，系统压力快速上升，因蒸发器内液体过热现象的影响出现一个压力波动后，逐渐降低到稳定状态。

图5　系统启动过程的温度和压力分布Fig.5　Temperature and pressure distribution in starting process of system

图6　系统启动过程蒸发器进出风温度响应特性Fig.6　Inlet and outlet air temperature of evaporator in starting process of system

图6所示为蒸发器进出风温度与启动时间的变化关系。蒸发器的进、出风温度是衡量蒸发器制冷量的关键参数。当蒸发器的进出风温度达到稳定状态时，系统制冷量达到最大。从图中可以看出，磁力泵驱动环路热管从0 Hz启动，仅需要600 s就能达到最佳稳定状态。

2.2系统换热特性

图7给出了不同温差下，系统制冷量随着质量流量变化的关系。从图中可以看出，随着温差的增大，系统制冷量显著增大，ΔT=10℃时最大制冷量达到3.429 kW，ΔT=25℃时最大制冷量达到9.241 kW，这主要是由于随着室内外温差的增大，蒸发器的换热温差也随之增大，从而引起制冷量变大；在不同温差下，随着质量流量的增加，系统的制冷量先增加，然后缓慢降低，在质量流量 290～339 kg·h-1时制冷量达到最大。这主要是由于：①随着流量的增加，制冷剂流速加快，管内侧传热系数增大，制冷量逐渐增大，然而蒸发器的热阻主要存在于空气侧，系统制冷量的增加逐渐趋于平缓；②流速的增加也导致了制冷剂流动阻力增大，这将会导致蒸发器入口处的过冷度增大，蒸发器内制冷剂的显热换热量变大，使显热换热占据蒸发器的面积增大，导致相变换热面积减小，从而引起制冷量的降低；同时蒸发器入口阻力的增加，引起蒸发温度升高，使蒸发器内制冷剂与室内空气换热温差减小，导致系统制冷量降低，从这些方面来说过冷度过大对系统的换热特性不利。

图8所示为蒸发器传热系数随质量流量的变化关系，蒸发器的传热系数可由式(3)得到

图7　不同室内外温差下质量流量与制冷量的关系Fig.7　Variation of Q with mrefin different indoor and outdoor temperature difference

由图8可知，一方面，蒸发器的总传热系数随制冷剂质量流量的增加迅速增大，后趋于平稳。其原因主要是：制冷剂流量增大流速增加迅速，引起制冷剂侧传热系数的提高，蒸发器总的传热系数迅速增大。但由于蒸发器的热阻主要存在于空气侧，所以，制冷剂侧传热系数增加到一定程度时，对整个传热系数的影响不再占主要地位，总传热系数趋于平稳。另一方面，当制冷剂质量流量较小时，蒸发器总的传热系数呈现随室内外温差的增加而稍显减小的特征。其原因可能是：室内外温差较大时，制冷剂的相变换热较充分，甚至出现过热，气体含量增加导致总传热系数较低。

图8　不同室内外温差下质量流量与蒸发器传热系数的关系Fig.8　Variation of kevawith mrefin different indoor and outdoor temperature difference

图9所示为EER随质量流量的变化关系。泵驱动两相冷却环路的 EER是系统从室外自然冷源获得的制冷量与系统总功耗的比值，是衡量系统性能的重要参数，可由式(4)得到

由图9可以看出，在系统制冷量最大时，EER并不是最高的。这是因为蒸发器和冷凝器风机功率为定值，系统输入功率的变化也就是磁力泵的功率变化，见表 2，随着泵频率的增加，流量增加的同时泵功耗急剧上升，而系统制冷量随着质量流量的增加迅速增大后出现缓慢降低，导致EER呈现随质量流量的增加先增大后减小的趋势。由于系统制冷量和总功率的变化并不同步，因此由式（4）得到的最大EER和系统最大制冷量对应的EER出现在不同的质量流量下。如温差25℃，系统达到最大制冷量时EER为29.7，而最大EER为32.1时系统制冷量为8.357 kW；温差10℃，系统达到最大制冷量时EER为12.94，而最大EER为13.4时系统制冷量为3.237 kW。因此，当系统最大制冷量高于数据中心或通信基站的需求时，通过减小制冷剂流量，可以使能源得到最佳利用。

图9　不同室内外温差下质量流量与EER的关系Fig.9　Variation of EER with mrefin different indoor and outdoor temperature difference

3　结　论

通过对泵驱动两相冷却环路的优化，搭建了磁力泵驱动两相冷却环路系统，利用空气焓差法，对其性能进行实验研究，得到以下结论。

（1）磁力泵驱动两相冷却环路的启动响应十分迅速。系统启动后，泵频率从0提升到14 Hz，流量和系统阻力响应快速；系统内压力和温度在450 s时达到稳定状态；在600 s时系统制冷量达到最大，达到最佳稳定状态。在启动过程中，蒸发器内工质出现液体过热现象，造成系统内出现温度和压力的波动，这是由于工质相变需要一定过热度引起的。

（2）系统制冷量随着质量流量的增加呈现先增加后缓慢降低的特征。这是系统阻力变化引起蒸发器入口过冷度的变化导致的，过冷度过大对系统不利。系统最大 EER和最大制冷量并不同步，温差25℃，系统最大制冷量为9.241 kW时EER为29.7，而系统最大EER为32.1时系统制冷量为8.357 kW；温差10℃，系统最大制冷量为3.429 kW时EER为12.94，而系统最大 EER为 13.4时系统制冷量为3.237 kW；其节能潜力远远高于传统空调。

符号说明

A——换热面积

EER——能效比

hair,inlet——蒸发器入口空气焓值，kJ·kg-1

hair,outlet——蒸发器出口空气焓值，kJ·kg-1

keva——蒸发器总传热系数，kW·m-2·K-1

mair——空气质量流量，kg·h-1

mref——制冷剂质量流量，kg·h-1

Δp ——压差，kPa

Q ——制冷量，kW

ΔT ——室内外温差，换热温差，℃

W ——功率，kW

下角标

air ——空气

con ——冷凝器

eva ——蒸发器

fan ——风机

fc ——变频器

inlet ——进口

outlet ——出口

pump ——泵

ref ——制冷剂

References

[1] Koomey J. Growth in data center electricity use 2005 to 2010 [R]. Oakland, CA: Analytics Press, 2011.

[2] Ebrahimi K, Jones G F, Fleischer A S. A review of data center cooling technology, operating conditions and the corresponding low-grade waste heat recovery opportunities [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 31: 622-638.

[3] Johnson P, Marker T. Data center energy efficiency product profile [R/OL]. Equipment energy efficiency committee (E3) of The Australian Government Department of the Environment, Water, Heritage and the Arts (DEWHA), 2009.

[4] Zhang Hainan, Shao Shuangquan, Xu Hongbo, Zou Huiming, Tian Changqing. Free cooling of data centers: a review [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 35: 171-182.

[5] Kiseev V M, Vlassov V V, Muraoka I. Experimental optimization of capillary structures for loop heat pipes and heat switches [J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30 (11): 1312-1319.

[6] Gai Dongxing (盖东兴), Liu Zhichun (刘志春), Liu Wei (刘伟), Yang Jinguo (杨金国). Characteristics of temperature oscillation in miniature loop heat pipe with flat evaporator [J]. CIESC Journal (化工学报), 2009, 60 (6): 1390-1397.

[7] Wang Yiwei (王亦伟), Cen Jiwen (岑继文), Zhu Xiong (朱雄), Jiang Fangming (蒋方明)，Liu Pei (刘培). Experimental study on the heat transfer performance of a loop heat pipe [J]. Journal of Optoelectronics·Laser (光电子·激光), 2012, 23 (8): 1458-1462.

[8] Zhang Hongxing (张红星), Lin Guiping (林贵平), Ding Ding (丁汀), Shao Xingguo (邵兴国), Sudakov R G, Maidanik Y F. The experimental investigation of the startup of loop heat pipe [J]. Science in China, Ser. E (中国科学：E 辑), 2005, 35 (1): 17-30.

[9] Wang Xinyu (王鑫煜), Xin Gongming (辛公明), Tian Fuzhong (田富中), Cheng Lin (程林). Start-up behavior of gravity heat pipe with small diameter [J]. CIESC Journal (化工学报), 2012, 63 (S1): 94-98.

[10] Liu Jie(刘杰), Pei Nianqiang(裴念强), Guo Kaihua (郭开华). Experimental investigation on start-up characteristics of mechanically pumped Two-phase cooling system [J]. Chinese Space Science and Technology (中国空间科学技术), 2008, 28 (1): 64-70.

[11] Ebrahimi S, Hasanzadeh-Barforoushi A, Nejat A, et al. Numerical study of mixing and heat transfer in mixed electroosmotic/pressure driven flow through T-shaped microchannels [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 75: 565-580.

[12] Kabeel A E, El-Said E M S, Dafea S A. A review of magnetic field effects on flow and heat transfer in liquids: present status and future potential for studies and applications [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 45: 830-837.

[13] Song F, Ewing D, Ching C Y. Heat transfer in the evaporator section of moderate-speed rotating heat pipes [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, 51 (7): 1542-1550.

[14] Chen Y, Chyu M C. Two-phase active thermal control systems for spacecrafts// Energy Conversion Engineering Conference, 1996. IECEC 96, Proceedings of the 31st Intersociety[C]. 1996, 2: 1488-1493.

[15] Liu Jie, Pei Nianqiang, Guo Kaihua, He Zhenhui, Li Tingxuen, Lü Mou. Experimental investigation on mechanical pumped cooling loop for application in future space missions [J]. Energy Conversion and Management, 2008, 49 (10): 2704-2710.

[16] Liu Jie, Pei Nianqiang, Guo Kaihua, He Zhenhui, Li Tingxue. Experimental investigation on a mechanically pumped two-phase cooling loop with dual-evaporator [J]. International Journal of Refrigeration, 2008, 31 (7): 1176- 1182.

[17] Liu Jie (刘杰), Pei Nianqiang (裴念强), Guo Kaihua (郭开华). Theoretical and experimental investigation on characters of mechanical pumped two phase cooling system [J]. Journal of Refrigeration (制冷学报), 2007, 28 (2): 27-31.

[18] Liu Jie (刘杰) , Li Yang (李杨), Pei Nianqiang (裴念强). Theoretical and experimental investigation on characteristics of CO2mechanically pumped two phase cooling system [J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University (上海交通大学学报), 2008, 42 (1): 133-137.

[19] Zhang Shuang (张双), Ma Guoyuan (马国远), Zhou Feng (周峰). Experimental analysis on function of free cooling unit with a pump-driven loop heat pipe for internet data center [J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering (土木建筑与环境工程), 2013, 35 (4): 145-150.

[20] Ma Guoyuan (马国远), Wei Chuancheng(魏川铖), Zhang Shuang (张双). Application of a pumped loop heat pipe heat exchanger unit for a small data center [J]. Journal of Beijing University of Technology (北京工业大学学报), 2015, 41 (3): 439-445.

Heat transfer characteristics of two-phase cooling loop driven by magnetic pump

MA Yuezheng, MA Guoyuan, ZHANG Shuang
(College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

An experimental setup of two-phase cooling loop driven by magnetic pump was built. The performance and start-up characteristics of the two-phase cooling loop are evaluated by the air enthalpy difference method. Experimental results show that the two-phase cooling loop driven by magnetic pump presents excellent performance for energy saving. Its start-up is quick and the system reaches a steady state after 600 s. The fluctuations of pressure and temperature in the system are caused by the superheat of the liquid refrigerant in the evaporator during the start-up. The cooling capacity of the system increases with the temperature difference, and increases rapidly with the mass flow rate and then decreases slowly. When the temperature difference is 10℃, the maximum cooling capacity is 3.429 kW and the energy efficiency ratio is 12.94. When the temperature difference is 25℃, they reach 9.241 kW and 29.7, respectively.

magnetic pump-driven; two-phase cooling; energy efficiency ratio; start-up characteristics

date: 2015-05-04.

Prof. MA Guoyuan, magy@bjut.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51376010).

10.11949/j.issn.0438-1157.20150551

TU 831.6

A

0438—1157（2015）11—4388—06

2015-05-04收到初稿，2015-06-17收到修改稿。

联系人：马国远。第一作者：马跃征（1985—），男，博士研究生。

国家自然科学基金项目（51376010）。