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1、泵驱动制冷剂冷板相变换热冷却性能的实验研究泵驱动制冷剂冷板相变换热冷却性能的实验研究华南理工大学电力学院2023年04月05日1刘金平20232023年中国制冷展年中国制冷展绿色智慧数据中心冷却技术论坛绿色智慧数据中心冷却技术论坛目目录录1 1 概述概述2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验3 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验4 4 小结小结1 1 概述概述1 1 概述概述1 1 概述概述减少环节,降低成本,减少能耗!减少环节,降低成本,减少能耗!液冷是可选择的技术路线之一液冷是可选择的技术路线之一环节多,成本高,能耗大!环节多,成本高,能耗大
2、!芯片元器件的耐温可适当提高芯片元器件的耐温可适当提高液冷解决方案主要采用三种技术路线:1)氟化液浸没式直接冷却氟化液浸没式直接冷却1 1 概述概述3)泵驱动的制冷剂泵驱动的制冷剂相变相变冷板冷板冷却冷却3-1)高扩展倍率冷板高扩展倍率冷板3-2)铝板镶嵌铜管冷板铝板镶嵌铜管冷板2)含水介质强迫对流换热含水介质强迫对流换热冷却冷却2.1 2.1 制冷剂相变冷板冷却换热性能计算制冷剂相变冷板冷却换热性能计算氟泵驱动制冷剂在冷板内的相变性能计算采用水平管内平均沸腾换热系数计氟泵驱动制冷剂在冷板内的相变性能计算采用水平管内平均沸腾换热系数计算公式算公式,见式见式(2-1)=0.4 0.40.6(2-
3、1)式中:式中:制冷剂沸腾换热系数制冷剂沸腾换热系数,W/(m2.);物性系数物性系数,等于等于0.005730.8;液态制冷剂导热系数液态制冷剂导热系数,W/(m.);液态制冷剂动力黏度液态制冷剂动力黏度,Pa.s;质量流率质量流率(kg/m2.s);热热流流密度密度(W/m2);当量当量内径内径(m);2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验2.1 2.1 制冷剂相变冷板冷却换热性能计算制冷剂相变冷板冷却换热性能计算表表2-1 氟泵驱动制冷剂在冷板内相变换热性能计算氟泵驱动制冷剂在冷板内相变换热性能计算序号名称(单位)数值序号名称(单位)数值1冷却模式1个冷板15矩形通
4、道个数72节点液冷散热功率(W)1000.016流量冗余倍数23工质R134a17质量流率(kg/m2s)60.444温度()4518液相动力粘度l(m2/s)1.514E-045饱和压力(MPa)1.16019液相导热系数l(W/m)0.072576l(kg/m3)112520通道组数67气化潜热(kJ/kg)157.6221矩形通道长度(m)0.058质量流量(kg/s)0.006322加热表面积(m2)0.07149v(kg/m3)57.6623扩展倍率13.710气相体积流量(m3/s)1.10E-0424换热热流密度(W/m2)1400611液相体积流量(m3/s)5.64E-062
5、5物性系数A0.47312矩形通道高(m)0.01526b换热系数(W/m2.)329113矩形通道宽(m)0.00227换热温差()4.2614矩形通道当量直径(m)0.0035328加热热流密度(W/m2)19.21042 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能计算制冷剂相变冷板冷却换热性能计算结果分析结果分析氟泵驱动制冷剂在冷板内相变冷却是具有优势和值得关注的技术方向氟泵驱动制冷剂在冷板内相变冷却是具有优势和值得关注的技术方向1)氟泵驱动制冷剂冷板相变冷却具有换热系数大氟泵驱动制冷剂冷板相变冷却具有换热系数大:=329113.7
6、=45087(W/m2.)2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验3)制冷剂在常压下的相变温度均远高于环境温度制冷剂在常压下的相变温度均远高于环境温度,万一泄漏万一泄漏,也会立刻气化也会立刻气化,且呈现电绝缘特性且呈现电绝缘特性。2)制冷剂相变潜热大制冷剂相变潜热大、需循环的制冷剂质量流量小需循环的制冷剂质量流量小,吸热时是沸腾换热吸热时是沸腾换热,不需不需要较高的流速要较高的流速,故在换热部分可设计阻力较小故在换热部分可设计阻力较小,尽管气化后体积流量增大尽管气化后体积流量增大,但已但已不在换热区域不在换热区域,可有更多的措施增大流通截面减小流动阻力和泵功耗可有更多的措施
7、增大流通截面减小流动阻力和泵功耗。2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验图2-1 试验系统原理图11a)冷板外观b)冷板内部流道制冷剂进口制冷剂出口2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验2 2-2 2 制冷剂泵驱动相变换热冷板结构示意图制冷剂泵驱动相变换热冷板结构示意图(1 1)12图图2 2-2 2 制冷剂泵驱动相变换热冷板结构示意图制冷剂泵驱动相变换热冷板结构示意图(2 2)c)冷
8、板内部流道d)冷板剖面尺寸图2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验e)冷板实物图13a)加热铜块外观b)加热铜块结构尺寸2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验图图2 2-3 3 制冷剂泵驱动相变制冷剂泵驱动相变加热铜块加热铜块结构示意图结构示意图c)加热铜块实物图14a)加热铜块和液冷板b)加热铜块和液冷板实物图2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性
9、能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验图图2 2-4 4 制冷剂泵驱动相变制冷剂泵驱动相变加热铜块和液冷板加热铜块和液冷板示意图示意图b)加热铜块和液冷温度测点分布图图2-5 机械泵驱动的相变冷板冷却实验系统(二)机械泵驱动的相变冷板冷却实验系统(二)(b)实验系统实物图)实验系统实物图(c)夹紧装置)夹紧装置G G型夹型夹(d)接触面材料)接触面材料绝热电木绝热电木模拟热源模拟热源相变冷板相变冷板压力传感器压力传感器2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验2
10、.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验加热功率加热功率2000W时时,根据加热功率根据加热功率、加热铜加热铜块横截面积块横截面积、热电偶温热电偶温度测点可以计算出不同度测点可以计算出不同段铜块的导热系数段铜块的导热系数,与与铜的导热系数铜的导热系数400W/m K进行比较进行比较,验证理论的准确性验证理论的准确性,最最大误差约大误差约25%。图2-6 测试系统显示画面2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍
11、率冷板换热性能实验0200400600800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200020040060080000 水散热功率 误差电加热功率(W)水散热功率(W)468101214 误差()图2-7 电加热功率-水散热功率/误差图热平衡热平衡误差误差小于小于7%2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验02468040000000换热系数(W/()热流密
12、度(10000W/m热流密度(10000W/m2 2)换热系数图2-8 换热系数随热流密度变化图0246800510152025温差()热流密度(10000W/m热流密度(10000W/m2 2)接触面换热温差 冷板换热温差 总换热温差图2-9 温差随热流密度变化图制冷剂流量为2.4L/m2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实高扩展倍率冷板换热性能实验验0246804060800热阻(mm2 K/W)热流密度(10000W/m2)冷板热阻 接触面热阻
13、总热阻图2-10 热阻随热流密度变化图200400600800002200304050607080温度()加热量(W)制冷剂温度 冷板表面平均温度 铜块表面平均温度 铜块最高温度 板换进水温度图2-11温度随热流密度变化图2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验换热系数随制冷剂流量变化图温差随制冷剂流量变化图3.03.54.04.55.05.56.0304050607080温度()制冷剂全部气化吸热量与电加热量之比 板换进水温度 铜块表面平均温度
14、冷板表面平均温度 制冷剂平均温度 铜块最高温度热流密度热流密度为为19.27104W/m2(加热量加热量2000W),制冷剂制冷剂泵变转速泵变转速运行运行。最大换热系数达最大换热系数达25000(W/m2)3.03.54.04.55.05.56.0600020002400026000冷板换热系数(W/()制冷剂全部气化吸热量与电加热量之比 冷板换热系数制冷剂全部气化吸热量与点加热量之比为4.22.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验热阻随制冷剂流量
15、变化图温度随制冷剂流量变化图3.03.54.04.55.05.56.0406080100120140热阻(K mm2/W)制冷剂全部气化吸热量与电加热量之比 接触面热阻 冷板热阻 总热阻3.03.54.04.55.05.56.0304050607080温度()制冷剂全部气化吸热量与电加热量之比 板换进水温度 铜块表面平均温度 冷板表面平均温度 制冷剂平均温度 铜块最高温度换热系数随制冷剂流量变化图热流密度为热流密度为19.27104W/m2(加加热量热量2000W),改变制冷剂泵变转改变制冷剂泵变转速运行速运行,换热系数随制冷剂流量变换热系数随制冷剂流量变化见图化见图,最大换热系数达最大换热系
16、数达25000(W/m2),为理论计算值的为理论计算值的42%,换热性能仍然很卓越;换热性能仍然很卓越;23456780000040000500006000070000 冷板换热系数(W/m2.)全部气化吸热量与电加热量之比 公式(2-1)计算值 冷板实验换热系数2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验2.2 2.2 制冷剂相变
17、冷板冷却换热性能制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证试验验证2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验加热量频率流量冷板进出口压差系统压降是冷板压降的10倍,泵总效率为15%,泵能耗加热量与泵功耗比WHzL/minkPaW807.0162.473.4699.584.81220.0162.428.0113.590.31603.2162.3876.99518.586.42005.0162.377.720.298.9表表2 2-2 2 加热量与泵功耗比加热量与泵功耗比2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能制冷剂相变冷板冷
18、却换热性能试验验证试验验证铜及铜及铝制铝制高扩散倍率高扩散倍率冷板及接口冷板及接口2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验2.2 2.2 制冷剂相变冷板冷却换热性能制冷剂相变冷板冷却换热性能试验验证试验验证表表2-3 铜及铜及铝制铝制高扩散倍率高扩散倍率冷板冷板换热性能汇总换热性能汇总(热流密度 22104W/m2时)编号外形尺寸(mm)(长宽厚)材质质量(g)备注制冷剂流量冗余倍率制冷剂温度()加热铝块表面温度()温差(过热度)()压降(kPa)CU-251108425Cu1366加热快在冷板上部5.9 30.7 49.4 18.7 1.9 11.7 30.4 44.4
19、13.9 12.3 加热快在冷板下部3.0 30.4 48.8 18.4 7.0 30.0 44.1 14.2 5.9 CU-201108420Cu1191加热快在冷板上部4.1 29.5 46.5 17.0 11.4 30.0 41.8 11.8 15.6 加热快在冷板下部3.0 28.6 44.0 15.4 7.0 29.3 41.5 12.2 5.3 AI-251108425Al423/黄铜接头:110g加热快在冷板上部11.5 29.6 50.9 21.3 14.8 加热快在冷板下部8.0 29.3 49.1 19.8 8.7 11.5 29.5 48.7 19.3 15.2 AI-2
20、01108420Al373/黄铜接头:110g加热快在冷板上部6.0 28.5 48.7 20.2 4.8 11.1 29.0 45.0 16.0 19.3 加热快在冷板下部4.1 28.5 48.6 20.1 11.0 29.1 46.5 17.4 20.5 2 2 高扩展倍率冷板换热性能实验高扩展倍率冷板换热性能实验1 1)、高扩展倍率冷板具有优良的换热性能!)、高扩展倍率冷板具有优良的换热性能!当当热流密度 为22104W/m2时,铜质冷板换热温差可低至14/12;铝质冷板换热温差可低至20/17;2 2)、成本较高。)、成本较高。2.3 2.3 小结小结加热块加热面积:加热块加热面积:
21、30mm52mm 8块块,总加热功率总加热功率1000W时时,加热热流密度为加热热流密度为8.01W/cm2;总加热功率总加热功率2000W时时,加热热流密度为加热热流密度为16.02W/cm2总加热功率总加热功率3000W时时,加热热流密度为加热热流密度为24.03W/cm23 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验采用采用10组组液冷板液冷板,每个液冷板的负荷约为每个液冷板的负荷约为737W,针对超级快充充电柜针对超级快充充电柜冷板尺寸:长冷板尺寸:长300mm、宽宽250mm、厚厚8.6mm换热管:内径换热管:内径4mm 壁厚壁厚1mm长度长度 0.92m3条条3
22、3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验加热块加热面积:加热块加热面积:30mm52mm 8块块,面积比:面积比:(300*250)/(30*52*8)=6总加热功率总加热功率2000W时时,冷板冷板热流密度为热流密度为2.7W/cm2总加热功率总加热功率3000W时时,冷板冷板热流密度为热流密度为4.0W/cm2三种冷板三种冷板换热性能实验换热性能实验-不同加热量下变流量阻力特性研究不同加热量下变流量阻力特性研究6mm管冷板在同加热量同流量下阻力远小于4mm管冷板,2排管冷板阻力稍大于3排管冷板1.01.52.02.53.03.54.04.55.0020406080100
23、0200冷板阻力(kPa)流量(L/min)4mm三排管冷板 6mm三排管冷板 6mm两排管冷板1.01.52.02.53.03.54.04.55.00204060800180200冷板阻力(kPa)流量(L/min)4mm三排管冷板 6mm三排管冷板 6mm两排管冷板2000W加热量下三种冷板阻力流量对比图3000W加热量下三种冷板阻力流量对比图铝板铜管冷板实验3 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验3 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验三块板在换热实验,表明铜管与冷板可能有较大的接触热阻。2000
24、W与3000W加热量下三种冷板不同加热块沿流动温差变化01520253035温差()编号(流动顺序)2000W4mm三排管冷板 2000W6mm三排管冷板 2000W6mm两排管冷板02530354045温差()编号(流动顺序)3000W4mm三排管冷板 3000W6mm三排管冷板 3000W6mm两排管冷板制冷剂沿冷板流动顺序铝板铜管冷板实验3 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验在6mm两排管冷板下部,三个加热块下布置热电偶,布置在加热块下方铝板处与加热块下方铜管处。将测点温度与接触面温度对比得到下图:测点1 测点2 测点
25、3 测点4 测点5出口入口700080009000200050004045505560657075808590温度()流量(制冷能力)(W)出口加热块接触面温度 测点2温度 测点1温度铝板铜管冷板实验3 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验在6mm两排管冷板下部,三个加热块下布置热电偶,布置在加热块下方铝板处与加热块下方铜管处。将测点温度与接触面温度对比得到下图:测点1 测点2 测点3 测点4 测点5出口入口70008000900020005000404550556065707580
26、85温度()流量(制冷能力)(W)中间加热块接触面温度 测点3 测点4温度铝板铜管冷板实验3 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验冷板冷板换热性能实验换热性能实验-不同加热量下变流量实验研究不同加热量下变流量实验研究3000W加热量下,四种同规格不同类型冷板总换热温差对比,换热效果为新型冷板效果最佳,铝板-铜管(锡焊)冷板次之,铝板-铝管/铜管(环氧树脂)换热效果相近,换热效果较差。2.02.53.03.54.04.5628303234温差()流量(L/min)测试总温差 新型冷板 测试总温差 铝板-铝管(树脂)测试总温差 铝板-铜管(树脂)测试总
27、温差 铝板-铜管(锡焊)3000W加热下不同冷板总温差对比3 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验2000W加热量下,新型冷板换热性能3 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验2.02.53.03.54.04.5051015202530温差()C 测试总温差(2000W)计算总温差(2000W)计算换热温差(2000W)计算接触面温差(2000W)冷板表面至换热孔计算温差(2000W)流量(L/min)3 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验2.02.53.03.54.04.5055温差()流量(L/m
28、in)测试总温差(3000W)计算总温差(3000W)计算换热温差(3000W)计算接触面温差(3000W)冷板表面至换热管计算温差(3000W)3000W加热量下,新型冷板换热性能冷板冷板换热性能数值模拟换热性能数值模拟序号名称(单位)数值1长度方向尺寸(mm)1252宽度方向尺寸(mm)753冷板厚(mm)154管内径(mm)65换热管长度(m)1256换热管数38加热面块长宽(mm)52309加热面个数110流体温度()3511流体在管内与冷板的换热系数(W/m2.)1000012加热面热流密度(W/m2)240000模拟计算结果温度分布俯视图模拟计算结果温度分布俯视图3 3 铝板镶嵌铜
29、管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验模拟计算结果换热管垂直截面温度分布图模拟计算结果换热管垂直截面温度分布图推测电子元器件温度:实验结果:52.1,模拟结果:60.3 元器件附近冷板温度:实验结果:41.2,模拟结果:443 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验冷板冷板换热性能数值模拟换热性能数值模拟新设计冷板新设计冷板模拟计算结果模拟计算结果俯瞰图俯瞰图新设计冷板加热块新设计冷板加热块模拟计算结果模拟计算结果3 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验冷板冷板换热性能数值模拟换热性能数值模拟3 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管
30、冷板换热性能实验冷板冷板换热性能数值模拟换热性能数值模拟推测电子元器件温度:实验结果:52.1,新设计冷板模拟结果:57.3,原冷板模拟结果:60.33 3 铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验铝板镶嵌铜管冷板换热性能实验冷板冷板换热性能数值模拟换热性能数值模拟4 4 总结总结2.1)2.1)、新型铝板冷板具有优良的换热性能!、新型铝板冷板具有优良的换热性能!当热源当热源热流密度热流密度为为16.02104W/m2,热流密度热流密度为为2.7104W/m2,时时,铜质冷板换热温差可低至铜质冷板换热温差可低至13.6;当热源当热源热流密度热流密度为为24.04104W/m2,热流密度热流密度为为4.01
31、04W/m2,时时,铜质冷板换热温差可低至铜质冷板换热温差可低至18.3;2.2)2.2)、具有极高的工程化应用潜力!、具有极高的工程化应用潜力!1.11.1)、高扩展倍率冷板具有优良的换热性能!)、高扩展倍率冷板具有优良的换热性能!当当热流密度 为22104W/m2时,铜质冷板换热温差可低至14/12;铝质冷板换热温差可低至20/17;1.21.2)、但成本较高)、但成本较高谢谢谢谢!43欢迎莅临华南理工大学指导交流!欢迎莅临华南理工大学指导交流!浓郁的人文情怀!久远的南粤古韵!秀丽的自然风光!浓郁的人文情怀!久远的南粤古韵!秀丽的自然风光!身在华园,四季花开!身在华园,四季花开!,