远程热输运对被动式相变冷却系统传热特性的影响机理

大型特高压直流输电站的整流逆变设备对其冷却系统提出了高热流密度取热、被动式远程热输运的特殊要求。微槽群结构复合相变冷却系统能够满足其取热要求，但针对被动式远程热输运问题尚缺乏系统深入的研究。本项目研究被动式远程热输运的相关基础问题，主要包括得到流动与传热的耦合规律、热输运的非线性尺度效应及其对冷却系统换热性能的影响。实验方面，研究蒸汽的凝结过程、汽-液两相的流场和温度场分布，以及沿程的阻力特性，分析工质的非稳态流动与传热特性；理论方面，分析热负荷、管路几何尺寸对两相流动的影响，揭示蒸汽凝结与汽液摩擦阻力的耦合规律，建立被动式远程热输运管路中的流动换热模型，探索远程热输运管路对冷却系统换热性能的影响机理，为大型特高压直流输电冷却系统的优化设计提供理论依据。

大型特高压直流输电站的整流逆变设备对其冷却系统提出了高热流密度取热、被动式远程热输运的特殊要求。微槽群结构复合相变冷却系统能够满足其取热要求，但针对被动式远程热输运问题尚缺乏系统深入的研究。本课题利用高速摄像仪和层析成像技术对热输运管路中工质蒸汽的凝结过程和流型变化进行了研究，研究发现管路中的液滴凝结呈周期性过程，两相流型为层状流；提出了新的含气率计算关系式，经与实验值比较，能够准确地反映出质量流率、管径与工质物性等参数对含气率的影响，且具有形式简单、经验参数少及模型基础明确等优点。将实验得到的两相压降数据与现有计算两相流动阻力的实验关联式进行统计分析，发现两者之间存在较大的偏差，本课题发现导致较大偏差的原因是由于直接将管路的内壁面看成是光滑表面，忽略了内壁面的冷凝液滴对两相摩擦阻力的影响，因此通过修正现有关联式，得到了与实验值更加吻合的关联式。根据热输运管路中的流型和两相流的流动特征，分析得到了描述热输运管路中对流换热系数和热阻的实验关联式，揭示了不同运行工况条件下热输运管路中流动换热特性的变化规律。当热负荷发生变化时，由于热输运管路较长，其对系统重新建立平衡的响应时间及发热体表面温度的影响显著，本课题系统的研究了热输运管路的管径、管长、倾斜角度等对这些参数的影响。总体上本课题在考虑蒸发器和冷凝器影响的条件下，将热输运管路中涉及到的汽液两相流重要参数进行了深入的剖析，得到了描述阻力变化特性的实验关联式及热输运管路中的能量耗散量，获得了热输运管路的几何尺寸对整个冷却系统换热性能的影响规律，为大型特高压直流输电冷却系统的优化设计提供了理论依据。根据本课题研究得到的结论，设计了具有远程热输运管路的电厂烟气余热利用系统、大功率陶瓷电阻冷却系统、LED冷却系统等，进一步说明了课题的研究成果对被动式相变冷却系统的设计具有重要的作用和价值。