基于三介质换热器的蒸气压缩/回路热管一体式空调的基础问题研究

This project aims at solving the basic problems of integrated air conditioner of vapor compression and loop thermosyphon based on three-fluid heat exchanger: coupled heat transfer mechanism of three different phase fluid, heat transfer characteristics of three-fluid heat exchanger and thermodynamic characteristics of the system. Visual heat transfer experiment platform will be established. Distributed-parameter models of three-fluid heat exchanger and the system will be built based on the embedded structure of “element-branch-circuit-heat exchanger-system”. Experimental and simulation investigation will be conducted simultaneously. The regularity of fluid flow, heat transfer and phase distribution of heat transfer between three different phase fluids will be revealed. The variation and coupled mechanism of heat transfer rate, flow resistance, thermal resistance based on entransy and entropy generation number under difference design parameters and boundary conditions will be achieved. The static and dynamic characteristics and the variation of EER, exergy and other criteria of different structural parameters and operating parameters will be summarized. Optimal control strategy of varied outdoor disturbance will be analyzed. Based on these researches on the basic scientific problems of heat transfer and thermodynamics, this project will improve the energy-saving effect of integrated air conditioner of vapor compression and loop thermosyphon.

本项目针对基于三介质换热器的蒸气压缩/回路热管一体式空调涉及的非同态三介质耦合传热机理、三介质换热器换热特性和蒸气压缩/回路热管一体式空调热力学特性等基础科学问题，搭建三介质耦合传热可视化实验台、建立“微元-支路-回路-换热器-系统”嵌入式结构的分布参数法三介质换热器和一体式空调通用仿真模型，采用仿真与实验相结合的方法进行研究。揭示非同态三介质间耦合作用下各介质的流动、传热、相分布规律，得到不同设计参数和边界条件下三介质换热器的传热量、压降、火积热阻和熵产数等性能的变化规律及相互耦合特性，总结不同结构参数和运行参数下一体式空调两回路相互耦合影响的稳态和动态规律和系统EER、火用效率等性能的变化规律，分析在全年变化室外扰动条件下不同品位冷源的优化控制策略。通过上述传热学和热力学等基础问题的研究，提升蒸气压缩/回路热管一体式空调的节能效果。

数据中心冷却及北方清洁供暖都迫切需求新型高效制冷热泵系统，本项目提出了基于三介质换热器的复合能源制冷热泵系统，并针对所涉及的非同态三介质耦合传热机理、三介质换热器换热特性和一体式空调热力学特性等基础科学问题展开研究。首先搭建小管径管内制冷剂流动沸腾可视化实验台，得到了流动沸腾换热系数和两相流动压降的实验数据，建立了具有较高精度的预测模型；建立了基于流量-压差测量方法和红外测温法的管路制冷剂泄漏监测方法，可准确判断制冷剂泄漏及预测泄漏点位置；提出了翅片管式和微通道式三介质换热器的结构，建立了“微元-支路-回路-换热器-系统”嵌入式结构的非同态三介质换热器和一体式空调系统的通用仿真模型，误差<±10%；得到了三种非同态介质的耦合传热规律，建立了基于传热能力、火积热阻评价指标下的换热器结构、设计与运行参数协同优化设计方法；为三介质换热器及相关制冷热泵系统的性能分析和优化设计提供了仿真工具。针对带有微通道平行流蒸发器和冷凝器的回路热管，得到了制冷剂充注量对回路性能的影响规律及最佳充液率；以可视化材料搭建了具有双热源热虹吸回路性能实验台，揭示了充液率和热源输入热量分配对于回路热管过度时间的影响规律；提出了基于三介质换热器的回路热管/蒸气压缩制冷一体式机房空调系统、数据中心冷却与热回收系统、基于喷雾蒸发冷却的回路热管冷却系统、太阳能-空气源热泵清洁供暖系统等新型系统形式。上述系统不仅提高了冷却系统的运行效率，通过热回收或者太阳能等可再生能源的应用提高了清洁供暖用空气源热泵系统的效率，在我国多个地区都有较好的适用性，在数据中心及通信基站的高效冷却及北方地区高效清洁供暖等领域都有较好的应用前景。参与出版著作6部，发表论文38篇（20被SCI收录），申请专利发明专利11（1项已授权）、6项授权实用新型专利；培养2名博士生和6名硕士生毕业；获得国家科技进步二等奖1项，广东省科学技术三等奖1项。