分离式CO2热管流动传热机理及性能研究

作     者：臧国健 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：佟振

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：分离式CO2热管 流动传热特性 不稳定运行 传热极限 

摘      要：分离式热管具有结构简单、可远距离传输热量、传热性能好等优点,在数据机房的排热中有广泛的应用前景。目前应用于数据中心的分离式热管主要以氟利昂制冷剂作为工质,为了减少制冷剂排放及泄漏所带来的温室效应,本研究选取了低GWP值(温室效应潜能值)的CO工质,其传热系数较高、流动阻力较小,可进一步提升热管的工作性能。本文通过实验研究了分离式CO热管的流动传热机理,系统分析了不同传热量和充液率下热管的运行特性及传热性能。设计并搭建了分离式CO热管实验台,研究了20%～70%充液率下分离式CO热管的运行规律,根据实验结果,将分离式CO热管的运行状态划分为预启动运行阶段、周期性波动运行阶段和稳定运行阶段,分析了不同运行阶段下热管运行状态随传热量变化的被动调节规律。同时,研究了不同充液率下热管各运行状态的表现形式,分析了热管运行状态随充液率变化的被动调节规律。结果表明,在预启动运行阶段,中等充液率下热管的上升管容易出现过热现象,而在高充液率下热管的下降管易出现过冷现象,并且在预启动阶段,中高充液率下热管的下降管内容易出现气泡逆流现象。在周期性波动运行阶段,由于充液率和传热量的不同,热管出现了三种不稳定现象:间歇泉沸腾、自然循环振荡、密度波波动。在45%的中等充液率下,热管达到最佳的运行状态,具有最大的传热极限,过高或过低的充液率均会降低热管的传热极限。通过对管内流型的拍摄记录以及管内压力的测量分析,进一步研究了分离式CO热管不稳定运行的机理和特性。根据实验结果分析了热管内不稳定运行的类型和成因,以及出现不稳定运行的工况条件。采用功率谱方法对管内压差数据进行分析,通过客观指标获得了两相流不稳定波动的强度和频率。最后,从传热热阻、传热极限、正常工作负荷范围三个方面进一步研究了CO热管的工作性能,结合热管的不同运行阶段,分析了充液率对热管性能的影响,为分离式CO热管在数据中心的实际应用提供理论指导。