分离式CO2热管运行机理及传热特性研究

Buildings like data centers have huge heat generation and consume a large amount of energy for cooling. In recent years, the energy-saving effect of the two-phase thermosyphon loop (TPTL) applied to the cooling system of data centers has been widely recognized. CO2 is a kind of natural working fluid with good flow and heat transfer performance. It is meaningful to replaceFreonrefrigerant with CO2 in the TPTL system of data centers from the perspective of energy efficiency and environment conservation. In this project,study of the operating mechanism and heat transfer characteristics of CO2 TPTL will be conducted. High pressure visible experiment rig will be built up. The flow regime and the distribution of the vapor and liquid in the tube will be observed and the operating parameters will be measured under different working conditions.Then, the flow and heat transfer mechanism of the CO2 TPTL can be revealed according to the experimental results. On this basis, the mathematical model of the CO2 TPTL can be built. Through the experiment and theoretical simulation, the maximum heat transfer ability, the normal operation load range and the driving temperature difference of the CO2 TPTL will be investigated. R134a, a commonly used refrigerant in TPTL, will be taken as the contrast under the same experimental devices. Both the operating mechanism and the heat transfer characteristics will be compared between CO2 and R134a TPTLs, and the feasibility of the substitution of Freon with CO2 in the TPTL in data centers can be analyzed. The study is expected to promote the application of the natural working fluid.

数据中心这类建筑产热量大、制冷能耗高，近年来，将分离式热管应用于数据中心冷却系统，其节能效果得到了广泛认可。CO2是一种具有较好流动传热性能的天然工质，以CO2替代氟利昂应用于数据中心的热管系统将具有重要的节能和环保意义。本课题拟对分离式CO2热管的运行机理和传热特性展开研究，搭建高强度可视化实验台，分析不同工况下热管的管内工质的流动状态、气液分布情况及运行参数，揭示CO2热管的流动传热机理，进一步建立热管流动传热的数学模型，通过实验测试和理论计算相结合的方法，研究CO2热管的最大热量输送能力、正常工作负荷范围、所需的驱动温差等传热特性。在此基础上，利用相同的实验装置对目前分离式热管中应用较多的氟利昂工质R134a进行实验测试，对比CO2热管和R134a热管在内部运行规律及传热特性方面的差异，进而分析CO2替代氟利昂应用于数据中心分离式热管系统的可行性，有望推动环保工质的应用。

本项目搭建完成了可视化分离式热管实验台，通过对CO2热管的实验测试，研究了CO2热管的流动传热机理，分析了热管的不同运行状态及其发展变化的规律，研究了CO2热管的传热极限、正常工作负荷范围、驱动温差及传热热阻等方面的传热性能。在此基础上，又进行了R134a、R410A热管的实验测试，对比了CO2热管与R134a热管、R410A热管在运行机理、传热性能等方面的差异性，结合在数据中心的实际应用，分析了三种工质热管各自的适用条件及优缺点，分析了CO2热管应用于数据中心的可行性。.研究发现，由于工质物性参数的差异，CO2热管与R134a热管、R410A热管的管内流态存在较大差异，CO2的气泡较小，上升管内易形成泡状流、波动环状流等，而R134a和R410A两相流中的气体更易聚集成较大的弹状气泡，其上升管内更易形成搅混流和段塞流。在稳定运行阶段，CO2热管的管内气液混合较为充分，其被动调节过程，主要是依靠上升管和下降管内两相流干度的变化，实现两侧密度差的改变，从而为管内工质提供不同大小的循环驱动力。而对于R134a热管和R410A热管，当传热量增大时，一方面，上升管内两相流干度逐渐增大，增大了两侧的密度差，提高了循环驱动力，这一调节机制与CO2热管相似；另一方面，下降管内的液柱逐渐增高，也起到了增大循环驱动力的作用。因此，R134a热管和R410A热管的被动调节是在两种调节机制共同作用下实现的。不同工质热管的最佳充液率是不同的，CO2热管的最佳充液率为45%，而R134a热管和R410A热管的最佳充液率为35%。三种热管的正常工作负荷范围分别为600~1200W、230~1160W、280~1300W，R134a热管和R410A热管由于在最佳充液率下并未出现周期性波动运行状态，而较早地进入了稳定运行阶段，因此，其正常工作负荷范围比CO2热管更大，在实际应用中也更适合用于负荷变化范围较大的情况。CO2热管的传热热阻小于R134a热管和R410A热管，因此，将CO2热管应用在数据中心可以实现更大的节能效益。