旋转蒸发器蒸发水的温度(聊聊给“拉索”降温的蒸发冷却技术)

Posted 2023-05-28

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旋转蒸发器蒸发水的温度(聊聊给“拉索”降温的蒸发冷却技术)

坐落于四川稻城的高海拔宇宙线观测站——“拉索”，是世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置，它因有望破解宇宙线（宇宙线亦称为宇宙射线，是来自外太空的带电高能次原子粒子）起源这一“世纪难题”而备受瞩目。建立在“拉索”观测基地的海子山数据中心海拔4410米，是全球最高的数据中心之一。高密度服务器的散热问题，一直是制约服务器高密度计算、可靠运行的瓶颈，因此而产生的高能耗也给基地供电造成额外压力。

据了解，“拉索”的数据中心所运用的降温技术是由中国工程院院士顾国彪和中国科学院电工研究所研究员阮琳带领团队，经过数十年的研究和技术革新，成功研发出具有完全自主知识产权的常温无泵自循环蒸发冷却技术（简称：自循环蒸发冷却技术）。

自循环蒸发冷却技术原理是什么？有哪些特点？本文将从传统蒸发冷却技术出发，围绕上述问题进行讨论。

传统蒸发冷却技术

传统蒸发冷却技术分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却两种，冷却塔即是利用了直接蒸发冷却，空气和水充分混合，经过水的蒸发(相变)吸热过程，实现加湿冷却空气;间接蒸发冷却是以直接蒸发冷却后的空气水为冷源，通过间接(非接触)换热的方式，实现等湿冷却空气。

根据空气、水所需处理程度的不同，蒸发冷却又分为三级：

一级只有直接蒸发冷却一个过程，理论上可以处理到空气的湿球温度（当前环境仅通过蒸发水分所能达到的最低温度）点;

二级是间接+直接蒸发冷却两个过程，空气首先被直接蒸发冷却后的空气水间接等湿冷却，再经历直接蒸发冷却二个过程，理论上可以处理到比空气湿球温度更低的状态;

三级是间接+间接+直接蒸发冷却三个过程，空气首先被直接蒸发冷却后的空气水间接等湿冷却，再被间接+直接蒸发冷却后的空气水间接等湿冷却，最后再经历直接蒸发冷却，理论上可以处理到接近空气露点温度（在空气中水汽含量不变，保持气压一定的情况下，使空气冷却达到饱和时的温度称露点温度）的状态。

实际工程应用中，一、二、三级蒸发冷却一般可以将水空气分别处理到比空气的湿球温度高4-6℃，达到甚至低于空气湿球温度，趋近于空气露点温度。

与水冷技术相比，蒸发冷却具有相同的冷却效果，但却没有水内冷系统压力大和氧化物堵塞等问题。但由于蒸发冷却技术需要蒸发冷却系统和纯水（或其他工质）系统，设备增加的同时导致了事故率的上升，就这方面来说不如结构相对简单的全空冷机组。可同时，与空冷技术相比，蒸发冷却技术的冷却效果更好，低温能够提高系统运行的可靠性。

自循环蒸发冷却技术原理

自循环蒸发冷却技术是基于传统蒸发冷却技术的改革创新。

据了解，传统数据中心一般是采用服务器强迫通风，结合机房空调制冷的传统风冷技术，实现服务器的降温。海子山数据中心由于地处高海拔，空气稀薄，传统风冷技术难以解决CPU的局部过热问题。这不仅限制了数据中心的配置规模，对数据中心的能耗也提出了巨大的挑战。

为解决高密度服务器冷却问题，散热能力更强的液冷技术逐步成为该领域的热点，随之也产生了水冷和蒸发冷却两种具有代表性的液冷技术方案。与传统风冷相比，水冷技术的冷却性能得到了大幅度提升，但水循环冷却系统存在电气绝缘、腐蚀性和泄漏问题，导致水冷服务器的运行维护工作量极大，为服务器长期安全可靠运行带来了重大隐患。

自循环蒸发冷却技术是应用了绝缘性能好、低沸点的介质替代水作为冷却介质，充入发电机定子线棒的空心导线内部，电流产生的热量使得介质达到沸点，气化的气液二相流体（是至少一相为流体的两相物质所组成的流动系统）密度小于为沸腾的集液管中液态介质的密度，在重力的作用下，产生压差。当压差超过沿程阻力时，密度较小的二相流体将汇集于定子线棒上端，液态介质在定子线棒下层，形成内循环。二相流体进入冷凝器后，热量被冷凝器中的水热交换吸收后重新形成液态介质，进入回液管和下集液管。如此往复循环，重新进入线棒中，构成一个全封闭的自循环回路。

阮琳在接受媒体采访时介绍，自循环蒸发冷却技术利用液体冷却工质（实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质，依靠它在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得功，而做功通过工质才能传递热）液气相变原理进行热量交换，冷却工质的液气密度差在重力加速度的作用下自动循环流动，无须外部旋转机械提供循环动力，因此冷却系统运行在零压附近，降低了冷却工质泄漏的风险，冷却工质的循环完全不消耗电能。

应用

三峡大坝航拍图

除了本文提到的高海拔宇宙线观测站——“拉索”，自循环蒸发冷却技术于2011年12月15日和2012年7月4日首次运用在三峡地下电站的两台800兆瓦量级蒸发冷却水轮发电机上，这也是我国自主创新的常温自循环蒸发冷却技术首次成功应用于世界最大容量等级的大型水轮发电机，标志着我国在大型电力装备研发领域的自主创新无论是从技术上,还是从装备容量上都超越了西门子和阿尔斯通等跨国公司，达到了国际领先水平。

图片来源于网络

资料来源;

https://www.xianjichina.com/special/detail_514751.html

https://www.yiqi.com/citiao/detail_1130.html

https://www.163.com/dy/article/HCBPSTFF053169JN.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/472243382