泵驱动二相流大型复杂冷却回路循环特性及工作机理研究

A pumped two-phase cooling macro-loop (PTCML) with multiple branches and cooling capacity scale of 10~100 kW is proposed, which owns advantages of strong driving-force to the liquid and efficient heat exchanging process, etc. And it is suitable for application in the higher heat flux, greater cooling capacity, complex installing space and precise temperature-controlling fields such as internal cooling in wind turbine generator, thermal management for dense server rack and free cooling for medium and large scale data center. The fluid distribution behavior, phase-changing heat exchange principle and flow resisting characteristics, and the coupling rules among them in PTCML are investigated comprehensively. The start-up regularity and heat-exchanging limits of PTCML are also studied in detail. Based on the above research, the design principles and methods for PTCML are brought forward. The PTCML prototype with temperature-controlling preciseness of ±0.3℃ and temperature homogenization of 0.1℃/m on the evaporator tube is developed which can run steadily and reliably under the atmosphere temperature from -40℃ to 50℃. The optimium operation condition, performance curves and controlling-modes for the condition adjustment of PTCML can be determined according to the experimental research for the prototype. The demonstration base for the prototype is eastblished. The running state and potential energy-saving effect of PTCML are totally evaluated, and the design fundamentals and application precedures for PTCML in the practical use are concluded. This proposal is helpful to improving the running energy efficiency ratio and reliability, and provides the theoretical instructions for the production and application of PTCML. Therefore, it owns broad applying prospects and remarkable energy-saving benefits.

提出一种将液体冷却驱动力大和蒸发冷却换热效率高等优点集于一体的泵驱动二相流大型复杂冷却回路，它包含多个蒸发器支路，冷却数量级为10~100kW，特别适合风电机组和数据机柜冷却控温、大中型数据中心利用自然冷源等热密度高、冷却量大、空间复杂且控温精准的场合使用。着重研究两相流体在大型复杂管路系统内的工质分布迁移规律、相变换热机理和流动特性，及其之间的动态耦合关系；研究该冷却回路的启动特性和换热极限特性，提出其设计理论和方法；研制的原型机能在-40~50℃环境中稳定可靠运行，控温精度可达±0.3℃，蒸发管段温差小于 0.1℃/m，对样机进行全面试验研究，找出其最佳工作状态和特性曲线，及适宜的调控模式；建立示范工程，全面评价其运行状况和节能潜力，提出其工程设计方法和应用方案。本研究有助于提高两相复杂管路的运行效率和稳定性，为其产业化和工程应用提供重要的理论指导，具有广阔应用前景和显著节能效益。

提出一种将液体冷却流体动力大和蒸发冷却换热效率高等优点集于一体的泵驱动二相流大型复杂冷却回路，它包含多个蒸发器支路，冷却数量级为10-100kW，特别适合风电机组和数据机柜冷却控温、大中型数据中心利用自然冷源等热密度高、冷却量大、空间复杂且控温精准的场合使用。.针对泵驱动二相流冷却回路的使用条件和工作特点，提出优选工质的基本原则和准则数，对符合环保安全要求的候选工质及其二元和多元混合物进行定量分析和比较，优选出不同工况条件下适合该冷却回路使用的工质。研究混合工质组分动态变化对系统整体的流动、换热动态响应及稳定特性的影响。.研究两相流体在大型复杂管路系统内的工质分布迁移规律、相变换热机理和流动特性，及其之间的动态耦合关系，归纳出其设计理论和方法。研制泵驱动二相流大型复杂冷却回路原型机，建立实验装置，全面实验研究其循环特性和换热规律，研究频率对泵驱动二相流冷却回路性能的影响，探究系统最佳运行状态，在对工质R22进行实验的基础上，引入R32环保工质进行替换，比较分析不同工质下的系统性能。.研究泵驱动二相流大型复杂冷却回路的动态响应特性和最佳运行方案，以及被冷却对象精准热控的调节方案，设计出实现上述方案的控制策略和方法。研制出示范工程用样机，并全面检测其性能。通过实验系统和建立示范工程，监测其运行特性，建立该冷却回路的评价体系，评价其节能潜力。.此外，在上述研究的基础上，对泵驱动回路热管与蒸气压缩复合机组开展了初步研究，还增加了对复合系统中的蒸气压缩制冷循环在不同匹数、不同室内外温差下的性能进行研究，理论研究结合实验测定给出复合机组模式转换温度。.本项目为研究两相冷却回路传热与流动耦合特性和系统性能提升奠定理论基础，有助于提高两相复杂管路的运行效率和稳定性，为其产业化和工程应用提供重要的理论指导，具有广阔应用前景和显著节能效益。