连续循环型热化学吸附热管的原理与特性研究

The conventional heat pipes transfer the heat by the evaporation-condensation cycle, which is driven by the capillary force, thus the maximum allowable heat flux is limited by a heat transfer crisis occurring in the wick of the evaporator. The chemical heat pipes utilize a set of reversible endothermic/exothermic chemical reactions to transfer the heat between a heat source and a heat sink, and don't have the heat transfer limitations caused by the wick of conventional heat pipes. But they generally only can be used for the heat source temperature higher than 200oC. The thermochemical adsorption/desorption processes, i.e. adsorption/desorption of a gas in a solid, are available for the low temperature heat source (lower than 150oC), but they are generally intermittent and can only used for the intermittent energy transfer or seasonal energy storage. In order to overcome the above mentioned limitations, a new type thermochemical adsorption heat pipe is proposed. Inside the heat pipe the composite adsorbents of chemical adsorbents and porous materials are utilized to substitute the wicks of the conventional heat pipes, and the desorption process between the thermochemical material and the working fluid replaces the capillary force, and the condensate flows into the solid adsorbent by the gravitational force to make the material saturated for completing the continuous thermal energy transfer and energy transportation. In the research first the endothermic and exothermal properties of thermochemical materials will be studied to choose the optimal materials, and then the chemical reaction kinetic models will be studied under the condition of non-equilibrium heat and mass transfer conditions for optimizing the design of the heat pipe. Lastly the heat transfer mechanics and limitations of the new type thermochemical adsorption heat pipe will be researched by the experiments and theory analysis.

传统的热管采用毛细力驱动作用形成连续的蒸发-冷凝循环，热管的最大传热能力受到了蒸发段毛细结构的限制。化学热管采用可逆的吸、放热反应传热，可以解决传统热管的毛细芯限制问题，但一般只能用于热源温度为200℃以上的热量回收。而用于低温热源（150℃及以下）的热化学储能则只适用于间歇式的能量输送或者跨季节的能量储存。为了突破以上限制，提出了一种新型的热化学吸附式热管。这种热管采用化学吸附剂与多孔介质的复合材料来替代传统热管的毛细芯，利用热化学材料与工质的解吸作用来代替毛细驱动力，并利用冷凝液的强制回流实现热化学吸附材料的饱和，从而实现连续的热量传递与能量输送。项目研究过程中，首先将通过热化学反应材料的吸、放热特性研究初步筛选热化学反应材料，然后通过非平衡传热传质条件下的热化学反应动力学模型研究，来优化不同温区条件下热管的设计，最后通过实验与理论分析，完成新型热化学吸附热管的传热机理与传热极限研究。

传统的热管采用毛细力驱动作用形成连续的蒸发-冷凝循环，热管的最大传热能力受到了蒸发段毛细结构的限制。化学热管采用可逆的吸、放热反应传热，可以解决传统热管的毛细芯限制问题，但一般只能用于热源温度为200℃以上的热量回收。另一方面，使用低温热源（150℃及以下）的热化学储能则只适用于间歇式的能量输送或者跨季节的能量储存。为了突破以上限制，提出了一种新型的热化学吸附式热管，分别对热化学反应材料的吸/放热、非平衡传热传质条件下的热化学反应动力学模型、新型传热管的热化学传热机理与传热极限进行了理论与实验研究。. 对匹配低品位余热温区的三种不同混合吸附剂的导热系数与渗透率测试结果表明，通过吸附剂与多孔介质的均匀混合及固化技术，大幅度提高了混合吸附剂的传热传质性能。吸附/解吸特性表明，在非平衡条件下化学吸附解吸过程是双变量（温度和压力）控制的，同时吸附和解吸曲线表现出明显的滞后现象。热化学吸附热管在连续运行过程中，吸附段内的工质对处于固-气-液三相共存状态，内部动态反应过程耦合了蒸发相变过程（液-气）和吸附解吸过程（固-气）。不同温区（NaBr、SrCl2、MnCl2）热化学吸附传热管的实验结果表明，增加倾斜角、降低冷凝温度、减小充注量有助于提高热管的传热性能。将热化学吸附传热管与传统热管在传热性能指标和主要尺寸参数方面进行综合比较，发现热化学吸附传热管在传热极限与传输热流密度方面均具有较大的优势。. 基于热化学吸附热管提出了数据中心双模式散热方案，分别建立了数据中心机房级别和服务器机柜级别的三维计算模型，并参数化模拟了其在不同工况下的流场和温度场分布，定量分析了该新型散热冷却系统应用在规模化的数据中心中的节能经济性潜力。测算结果表明，针对位于我国夏热冬冷地区典型的数据中心机房，采用该新型双模式散热冷却方式，其PUE值可从2.0降低到1.7，达到显著节能减排的效果。