薛 佳 馬國遠(yuǎn) 戴 晗 周 峰 李富平 晏祥慧 姜明健

旋轉(zhuǎn)氣泵的性能特性分析

薛 佳 馬國遠(yuǎn) 戴 晗 周 峰 李富平 晏祥慧 姜明健

（北京工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 北京 100124）

泵驅(qū)動回路熱管機(jī)組是提高數(shù)據(jù)中心自然冷源利用率的重要技術(shù)手段，以應(yīng)用于回路熱管中的旋轉(zhuǎn)氣泵為研究對象，詳細(xì)分析該氣泵的熱力學(xué)和動力學(xué)性能，并與其對應(yīng)的壓縮機(jī)性能進(jìn)行比較。結(jié)果表明：氣泵壓力比可降低33%以上，排氣溫度可降低22℃以上，制冷量可提高30%，EER可提高70%以上；以R22為循環(huán)工質(zhì)時，氣泵氣體力、阻力矩的峰值為對應(yīng)壓縮機(jī)的60%左右，氣體力、阻力矩的波動幅度為對應(yīng)壓縮機(jī)的50%左右；旋轉(zhuǎn)氣泵以R410A、R32為工質(zhì)時的制冷量約是R22時的1.5倍，EER略低于R22，R410A、R32為工質(zhì)時的氣泵阻力矩曲線大致相同，而R22為工質(zhì)時的阻力矩峰值、波動幅度僅為R410A、R32的60%。

旋轉(zhuǎn)氣泵；性能；數(shù)據(jù)中心節(jié)能；自然冷卻

0 引言

隨著我國信息化快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也進(jìn)入快車道。據(jù)統(tǒng)計，我國數(shù)據(jù)中心總量已超過55萬個，2017年我國數(shù)據(jù)中心能耗高達(dá)1200億kWh，預(yù)計2020年我國數(shù)據(jù)中心耗電量將達(dá)到2500億kWh[1]，年耗電量超過全社會用電量的1.5%。但是，我國大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的PUE（平均電能使用效率）仍普遍大于2.2，這與國際先進(jìn)水平存在巨大差距。根據(jù)美國EYP公司調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)中心能耗約40%由空調(diào)制冷系統(tǒng)帶來[2]。因此，降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗，對降低數(shù)據(jù)中心PUE值是至關(guān)重要的，而提高自然冷源利用率又是降低空調(diào)能耗最有效的技術(shù)手段[3,4]。

在自然冷源利用技術(shù)中，熱管技術(shù)成為近年研究和工程應(yīng)用的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)分離式熱管主要以重力或浮升力作為其工質(zhì)循環(huán)的驅(qū)動力，當(dāng)系統(tǒng)管路復(fù)雜或長度較長時，分離式熱管僅依靠重力無法保證熱管回路正常工作。針對分離式熱管系統(tǒng)動力不足、安裝受局限等問題，人們又進(jìn)行了泵驅(qū)動環(huán)路熱管的研究。

李翠翠[5]等將泵驅(qū)動兩相循環(huán)回路系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)中心自然冷卻，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。朱萬朋[6]等提出了用于數(shù)據(jù)中心自然冷卻泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)，基于穩(wěn)流系統(tǒng)?平衡方程，對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分析。周峰[7]等為充分利用室外自然冷源，研制出泵驅(qū)動自然冷卻機(jī)組，結(jié)果表明，機(jī)組運(yùn)行EER隨室外溫度的降低而增大，機(jī)組運(yùn)行效果良好，實(shí)測EER可達(dá)11.88，改造后機(jī)房全年節(jié)能率可達(dá)22.7%。液泵驅(qū)動的回路熱管有效地解決了重力型分離式熱管的運(yùn)行穩(wěn)定性問題，且在大溫差工況下具有優(yōu)越的性能，但是其在小溫差工況下的換熱量和能效比急劇降低，嚴(yán)重限制了自然冷源利用率，同時液泵的汽蝕問題會使系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

為了解決液泵回路熱管技術(shù)存在的以上問題，陳東[8]等進(jìn)行熱環(huán)氣相驅(qū)動及氣泵驅(qū)動環(huán)路熱管的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，驅(qū)動裝置前后壓差在40kPa以下，并且能在較遠(yuǎn)距離冷熱源間實(shí)現(xiàn)傳熱功能。薛連政[9]等對自行設(shè)計的氣泵驅(qū)動冷卻機(jī)組在北京地區(qū)某小型數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行性能進(jìn)行研究，分析了機(jī)組的工作特性。李少聰[10]等研發(fā)出由旋轉(zhuǎn)氣泵驅(qū)動的回路熱管自然冷卻機(jī)組，結(jié)果表明：隨著室內(nèi)外溫差的增加，氣泵機(jī)組制冷量與EER呈先增大后減小的趨勢，功率始終呈下降趨勢。機(jī)組在室內(nèi)外溫差為25℃時性能最佳，制冷量為17.6kW，機(jī)組能效比為15.1，機(jī)組功率為1.16kW，氣泵功率為0.509kW。

此外，在工質(zhì)影響系統(tǒng)性能方面有學(xué)者也做了一些研究。姚遠(yuǎn)[11]和金鑫[12]等分別研究了以R410A和R134a為工質(zhì)的回路熱管系統(tǒng)在傳熱特性等方面的影響因素。Tong[13]等研究了CO2替代R22用于機(jī)房降溫的使用效果。金英[14]等針對15種工質(zhì)的分子基團(tuán)研究單原子和多原子基團(tuán)對液泵驅(qū)動自然冷卻回路系統(tǒng)性能的影響。王絢[15]等提出一種用于數(shù)據(jù)中心自然冷卻的泵驅(qū)動兩相冷卻系統(tǒng)，結(jié)果表明：R32在泵驅(qū)動兩相冷卻系統(tǒng)中的性能全面優(yōu)于R22。

盡管研究表明氣泵驅(qū)動回路熱管具有優(yōu)越的性能，但是人們對氣泵性能特性的相關(guān)研究到目前為止還比較少。本文基于全封閉旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，針對R22、R410A、R32三種工質(zhì)，詳細(xì)分析數(shù)據(jù)中心自然冷卻回路熱管用氣泵的熱、動力學(xué)性能，解析旋轉(zhuǎn)氣泵的性能特性，并與標(biāo)準(zhǔn)壓縮機(jī)的性能進(jìn)行對比，以期為回路熱管驅(qū)動用氣泵研發(fā)提供參考依據(jù)。

1 旋轉(zhuǎn)氣泵及其驅(qū)動回路熱管

1.1 氣泵驅(qū)動回路熱管

旋轉(zhuǎn)氣泵驅(qū)動回路熱管如圖1所示，由旋轉(zhuǎn)氣泵，氣液分離器、蒸發(fā)器、冷凝器及連接管組成，氣泵為機(jī)組內(nèi)的工質(zhì)循環(huán)提供動力。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）；從泵出口流入冷凝器內(nèi)，制冷劑與冷源（室外冷空氣）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)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)。

從以上分析可以看出，泵驅(qū)動回路冷卻機(jī)組中的氣泵，盡管工作原理類似于壓縮機(jī)，但其作用和工作特性是明顯不同的，氣泵僅僅給工質(zhì)循環(huán)增加動力，而不對工質(zhì)有顯著的壓縮效應(yīng)。當(dāng)室內(nèi)溫度高于室外溫度時，泵驅(qū)動回路冷卻系統(tǒng)才運(yùn)行，所以氣泵的工況完全不同于壓縮機(jī)，其壓力比和功率也明顯低于常規(guī)壓縮機(jī)。

圖1 旋轉(zhuǎn)氣泵驅(qū)動的回路熱管

1.2 旋轉(zhuǎn)氣泵及其工況

旋轉(zhuǎn)氣泵基本構(gòu)造類似于全封閉旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)[16,17]，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由滾動活塞、氣缸體、滑板及其背部彈簧、偏心輪軸和氣缸兩端蓋等主要零件組成。當(dāng)偏心輪軸由原動機(jī)驅(qū)動繞氣缸中心連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，吸氣腔、壓縮腔的容積周期變化，于是就實(shí)現(xiàn)了吸氣、壓縮、排氣及余隙膨脹等工作過程。與單缸結(jié)構(gòu)相比，雙缸結(jié)構(gòu)多了一組吸氣管、滑板、滾動活塞、氣缸和隔板等零部件。旋轉(zhuǎn)氣泵具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、摩擦損失小、噪聲低、壽命長、變工況性能好，同時還具有機(jī)械效率高的突出優(yōu)點(diǎn)，可以滿足大部分工況的需求。

圖2 旋轉(zhuǎn)氣泵的基本構(gòu)造

1-exhaust tube；2-shell；3-stator；4-rotor；5-crank axle；6-cylinder 1；7-baffle；8-cylinder 2；9-suction tube；10-oil container

旋轉(zhuǎn)氣泵的排氣量為36cm3，運(yùn)行時電源頻率為50Hz，轉(zhuǎn)速取2880r/min。氣泵的設(shè)計工況及其對應(yīng)壓縮機(jī)的設(shè)計工況列于表1。

表1 設(shè)計工況

在分析計算旋轉(zhuǎn)氣泵的性能時，分別選用R22、R410A、R32為循環(huán)工質(zhì)。

2 理論分析模型

2.1 熱力學(xué)計算

能效比EER為：

式中，0為制冷量，kW。

2.2 動力學(xué)計算

氣體力和阻力矩示意圖如圖3所示。

圖3 氣體力和阻力矩示意圖

氣體力F為：

（7）

阻力矩g為：

式中，為偏心距，m。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱力性能

旋轉(zhuǎn)氣泵熱力性能計算結(jié)果列于表2中。

從壓力比來看，不管采用哪種工質(zhì)，氣泵的名義壓力比均在2.24左右，而對應(yīng)的壓縮機(jī)名義壓力比均在3.40左右，前者約為后者的65%。

從排氣溫度來看，當(dāng)工質(zhì)為R22時，氣泵為62.91℃，壓縮機(jī)為85.04℃，氣泵的排氣溫度低于壓縮機(jī)22.13℃；工質(zhì)為R410A時的排氣溫度接近工質(zhì)為R22時的情況；而工質(zhì)為R32時，排氣溫度明顯升高，氣泵為72.82℃，壓縮機(jī)為101.04℃，氣泵的排氣溫度低于壓縮機(jī)28.22℃。

從制冷量來看，當(dāng)工質(zhì)為R22時，氣泵的制冷量為7.149kW，壓縮機(jī)的制冷量是5.618kW；當(dāng)工質(zhì)為R410A時，氣泵的制冷量為10.521kW，壓縮機(jī)的制冷量是8.024kW；當(dāng)工質(zhì)為R32時，氣泵的制冷量為11.273kW，壓縮機(jī)的制冷量是8.860kW。不論何種工質(zhì)，氣泵的制冷量約為對應(yīng)壓縮機(jī)的1.3倍。

從EER來看，當(dāng)工質(zhì)為R22時，氣泵的EER為6.748，壓縮機(jī)的EER為3.907；當(dāng)工質(zhì)為R410A時，氣泵的EER為6.316，壓縮機(jī)的EER為3.532；當(dāng)工質(zhì)為R32時，氣泵的EER為6.595，壓縮機(jī)的EER為3.805。不論何種工質(zhì)，氣泵能效比EER約為對應(yīng)壓縮機(jī)的1.7倍。

表2 氣泵與其對應(yīng)壓縮機(jī)的熱力學(xué)性能

3.2 動力性能

當(dāng)工質(zhì)為R22時，氣泵及對應(yīng)壓縮機(jī)的氣體力變化曲線如圖4所示，從中可以看出，氣泵的氣體力峰值要明顯低于壓縮機(jī)，僅為壓縮機(jī)的氣體力最大值的61.6%；氣泵的氣體力波動幅度相比較于壓縮機(jī)也得到了大大減少，氣泵的波動幅度僅為372N，壓縮機(jī)高達(dá)723N，約是氣泵的2倍；由于受吸、排氣壓力的影響，氣泵較早出現(xiàn)氣體力峰值。

當(dāng)工質(zhì)為R22時，氣泵及對應(yīng)壓縮機(jī)的阻力矩變化曲線如圖5所示，可知，阻力矩曲線呈現(xiàn)與氣體力曲線大致相同的變化趨勢，氣泵的阻力矩峰值、波動幅度均遠(yuǎn)小于對應(yīng)的壓縮機(jī)，分別為對應(yīng)壓縮機(jī)的65%和54%。

圖4 氣體力Fg隨轉(zhuǎn)動角度變化曲線

圖5 阻力矩Mg隨轉(zhuǎn)動角度變化曲線

當(dāng)分別采用R22、R410A、R32為工質(zhì)時，氣泵的阻力矩曲線如圖6所示。從中可以看出，R32、R410A為工質(zhì)時阻力矩曲線的波動幅度大致相同，R410A略低于R32；R22為工質(zhì)時阻力矩曲線的波動幅度明顯小于R410A、R32時的波動幅度，僅為它們的60%。R32的阻力矩峰值最大，達(dá)到了7.57N·m，R22的阻力矩峰值最小，為4.73N·m，R22僅為R32的62%。從不同工質(zhì)給氣泵阻力矩曲線帶來的差異來看，R22明顯優(yōu)于R410A、R32，因?yàn)楦〉淖枇胤逯岛妥枇夭▌臃瓤梢允箽獗眠\(yùn)行更加平穩(wěn)。

圖6 采用不同工質(zhì)時氣泵的阻力矩曲線

4 結(jié)論

通過以上對旋轉(zhuǎn)氣泵的性能特性進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）旋轉(zhuǎn)氣泵運(yùn)行于回路熱管自然冷卻系統(tǒng)中，名義壓力比均在2.24左右，制冷量可提高30%，能效比EER均在6.3以上。

（2）以R22為循環(huán)工質(zhì)時，氣泵氣體力的峰值和波動幅度分別為對應(yīng)壓縮機(jī)的62%和51%，阻力矩的峰值和波動幅度分別為對應(yīng)壓縮機(jī)的65%和54%。

（3）在相同工況下，以R410A、R32分別為工質(zhì)時，旋轉(zhuǎn)氣泵的制冷量約是R22為工質(zhì)時的1.5倍，而能效比EER略低于R22；R410A、R32為工質(zhì)時的阻力矩曲線大致相同，而R22為工質(zhì)時的阻力矩曲線的峰值和波動幅度明顯小于R410A、R32，僅為它們的60%。

[1] 中國制冷學(xué)會數(shù)據(jù)中心冷卻工作組.中國數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)年度發(fā)展研究報告2016[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.

[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(2):622-638.

[3] 張海南,邵雙全,田長青.數(shù)據(jù)中心自然冷卻技術(shù)研究進(jìn)展[R].制冷學(xué)報,2016,37(4):46-57.

[4] 錢曉棟,李震.數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究[J].暖通空調(diào),2012,42(3):91-96.

[5] 李翠翠,周峰,金英,等.泵驅(qū)動兩相循環(huán)回路中工質(zhì)泵的冷損失特性分析[J].制冷學(xué)報,2020,41(2):1-8.

[6] 朱萬朋,馬國遠(yuǎn),李翠翠,等.數(shù)據(jù)中心自然冷卻用泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)?分析[J].制冷學(xué)報,2019,40(3):24-30.

[7] 周峰,王絢,馬國遠(yuǎn).數(shù)據(jù)機(jī)房泵驅(qū)動自然冷卻機(jī)組工程運(yùn)行節(jié)能分析[J].制冷與空調(diào),2016,16(11):72-76.

[8] 陳東,徐堯潤,劉振義,等.非相鄰冷熱源間強(qiáng)化傳熱新技術(shù)——熱環(huán)的研究[J].工程熱物理學(xué)報,2000,21(6): 724-728.

[9] 薛連政,馬國遠(yuǎn),周峰,等.氣泵驅(qū)動冷卻機(jī)組在某小型數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行性能分析[J].制冷學(xué)報,2019,40(4):1-9.

[10] 李少聰,馬國遠(yuǎn),薛連政,等.旋轉(zhuǎn)氣泵驅(qū)動環(huán)路冷卻機(jī)組的工作特性[J].制冷學(xué)報,2019,40(1):1-7.

[11] 姚遠(yuǎn).應(yīng)用于空調(diào)的重力型分離式熱管換熱器的設(shè)計和實(shí)驗(yàn)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2010.

[12] 金鑫,瞿曉華,祁照崗,等.微通道型分離式熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報,2011,32(3):15-19.

[13] TONG Z, DING T, LI Z, et al. An experimental investigation of an R744 two-phase thermosyphon loop used to cool a data center[J]. Applied Thermal Engineering, 2015,90:362-365．

[14] 金英,周峰,李翠翠,等.工質(zhì)基團(tuán)對液泵驅(qū)動自然冷卻回路系統(tǒng)性能的影響[J].制冷學(xué)報,2019,40(6):21-26, 33.

[15] 王絢,馬國遠(yuǎn),周峰.泵驅(qū)動兩相冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)化與變工質(zhì)特性研究[J].制冷學(xué)報,2008,4(3):89-98.

[16] 馬國遠(yuǎn).制冷壓縮機(jī)及其應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008:4-6.

[17] 馬國遠(yuǎn),李紅旗.旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)[M].北京:中國機(jī)械工業(yè)出版社,2001:23.

Study on Performance Characteristics of Rotary Booster

Xue Jia Ma Guoyuan Dai Han Zhou Feng Li Fuping Yan Xianghui Jiang Mingjian

( College of Energy and Power Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124 )

Booster-driven loop heat pipe unit is an important technical means to utilize ambient cooling reservoir in data center. In this paper, the thermodynamic and dynamic performance of the rotary booster applied in the loop heat pipe were analyzed in detail, The results showed that, for the rotary booster, the norminal pressure ratio could be reduced by more than 33%, the discharge temperature could be reduced by more than 22℃, the cooling capacity could be increased by 30%, and the EER could be increased by more than 70%, comparing with the ones of its corresponding rotary compressor. When the rotary booster using R22 as working fluid, the peak values of the gas force and torque are about 60% of the ones for the corresponding compressor, and the fluctuation amplitude of the gas force and torque is about 50%. The cooling capacity of the rotary booster with R410A or R32 as working fluid is about 1.5 times of that with R22, but the EER is slightly lower than that with R22. When using R410A and R32 are working fluid, respectively, the torque curves for the booster almost keep same. When using R22 as working fluid, the peak value and the fluctuation amplitude of the torque curve are only 60% of that with R410A or R32.

rotary booster; performance; energy saving in data center; free cooling

1671-6612（2021）03-435-05

TB69

A

北京市教委科技計劃一般項(xiàng)目（KM201910005017）；中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（CRY0201913）；國家自然科學(xué)基金（51776004）

薛 佳（1996.06-），女，碩士，E-mail：643501581@qq.com

周 峰（1982.01-），男，博士，副研究員，E-mail：zhoufeng@bjut.edu.cn

2020-09-07