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分离式CO_2热管传热特性及在数据中心的应用研究

佟振  
【摘要】:数据中心这类建筑的耗电量巨大且逐年攀升,其中,用于空调系统的这部分能耗还有很大的节能空间。目前,分离式热管系统作为一种有效的空调系统形式已经在数据中心有了一定的实际应用,但在应用中依然存在各种问题,主要源于缺乏对分离式热管内部运行规律的认识。另外,目前的分离式热管主要以氟利昂制冷剂作为工质,出于环保的考虑,本文将研究目标转向了以CO_2作为工质的分离式热管,以实验作为主要的研究手段,重点关注热管的内部运行规律,并与工程应用相结合,分析热管性能,以及CO_2作为工质的可行性。研究分离式CO_2热管的运行状态,对其典型运行状态进行分区,分别描述了各分区的运行特点,总结并分析了热管的周期性波动运行规律。通过实验发现了CO_2热管在稳定运行状态下管内流体存在无效循环的现象。通过研究充液率、上升管和下降管管径对热管性能的影响,得到充液率在100%附近时分离式CO_2热管的热量输送能力最大,增大上升管和下降管的管径可以使热管的热量输送能力显著增大。针对热管的稳定运行状态建立了理论模型,通过管内流体的状态参数解释了充液率、管径对热管性能影响的原因。以CO_2和R22的物性参数差异为基础,从管内流态、最大热量输送能力、所需驱动温差等几个方面对CO_2热管和R22热管进行了对比研究,得到在相同的热管结构和充液率下,CO_2热管的热量输送能力要明显高于R22热管。由于CO_2的沸腾和凝结传热系数较高,CO_2热管的系统热阻低于R22热管,因此在相同的传热量下,CO_2热管所需的驱动温差较小。结合分离式热管在工程应用中多个蒸发器并联的结构特点,对双蒸发器并联热管进行了实验研究,研究发现,当两个蒸发器负荷不均匀时,大负荷蒸发器的流量略大于小负荷蒸发器,但并不能根据负荷比例实现流量的按需分配,热管的自调节能力是非常有限的。通过实测数据分析了目前数据中心典型的集中送风空调系统存在的问题,并通过实际案例指出了分离式热管作为一种解决方案的可行性和节能潜力。针对CO_2这种工质,提出了机柜侧送风的末端方式,并对比了几种不同的空调形式。本文工作是对于分离式CO_2热管内部运行规律的更为深入的认识,为其在数据中心空调系统中的应用提供了理论基础和设计思路。


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