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分离式co2热管运行特性模拟研究

分离式CO2热管运行特性模拟研究

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作者：李晓瑞青岛理工大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,数据中心的数量日益增多,该类建筑的空调系统能耗占比较大,在节能方面有着较大空间。分离式热管作为高效的传热元件,蒸发器与冷凝器可以分开布置,具有远距离传输热量、结构简单、无需外驱动力等优点,目前已经在数据中心... 详细信息

随着科技的发展,数据中心的数量日益增多,该类建筑的空调系统能耗占比较大,在节能方面有着较大空间。分离式热管作为高效的传热元件,蒸发器与冷凝器可以分开布置,具有远距离传输热量、结构简单、无需外驱动力等优点,目前已经在数据中心有了一定的实际应用。本文出于对环保与实现“双碳”目标的考虑,选用co作为管内工质,以CFD模拟手段研究分离式co热管的内在运行特性。本文建立了分离式co热管的CFD仿真模型,选择VOF模型模拟管内气液两相流动过程;选择Lee模型模拟气液之间的相变过程。将模拟结果与实验数据进行了对比,验证了模型的准确性。在此基础上,用CFD方法直观展示了分离式co热管的气液分布和运行状态,分析了热管的传热性能,以及不同结构尺寸(高差及管径)对热管运行特性的影响。对不同传热量下热管运行特性的研究发现,当充液率不变时,热管在低、中、高传热量下依次处于预启动运行阶段、周期性波动运行阶段和稳定运行阶段,热管在各个阶段表现出了不同的运行特点,且在每个阶段内,随着传热量的变化,热管的沿程压差、循环流量等均发生有规律的改变。对不同充液率下热管运行特性的研究发现,热管在不同充液率下气液分布有较大差别。通过大量模拟数据分析了不同工况下热管的传热性能和循环流量,结果表明热管在中等充液率下,热管的传热极限最大,环路热阻最小,传热性能最佳。在不同充液率下,热管的有效质量流量与实际质量流量之间存在不同程度的差异,充液率越低,有效质量流量与实际质量流量差值越小。蒸发器与冷凝器之间的高差对热管流动换热起到一定的积极影响,高差从1000mm增加到1200mm,热管传热极限提高了14.8%。增加管径也是提高热管传热性能的有效方式之一,研究结果表明,热管绝热段管径从9mm增大到12mm后,热管的环路热阻减小,传热性能增强,管径对热管传热极限的提高效果显著。通过本文的研究,对分离式co热管的运行特性有了更加深入的认识,为其在数据中心空调系统中的应用提供了理论基础和设计思路。

关键词：分离式co2热管运行特性 CFD 充液率传热极限

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分离式co2热管流动传热机理及性能研究

分离式CO2热管流动传热机理及性能研究

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作者：臧国健青岛理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：分离式co2热管流动传热特性不稳定运行传热极限

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