基于AMESim泵驱动两相回路热管系统的传热特性_邓欢.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：作者简介：邓欢（），女，硕士，研究方向为泵驱动两相回路冷却技术，电话：，：；涂淑平，男，硕士，副教授，通信联系人，：。基于 泵驱动两相回路热管系统的传热特性邓 欢，涂淑平（上海海事大学 商船学院，上海）摘要：为降低机柜的散热负荷，减小散热系统的体积和质量，并且提高冷却系统的能量利用效率，提出利用微通道平行流换热器泵驱动两相回路热管系统方案，基于 软件研究质量流量、换热器风量、环境温度、冷凝器结构参数对系统换热性能的影响。研究结果表明：制冷剂质量流量过大、换热器风量过大对系统制冷量无显著影响。室外温度是系统换热性能的重要影响因素，室外温度由增加至时，制冷量降低了。冷凝器流程布置和扁管排布需要考虑换热性能和流动阻力之间的平衡，平行流冷凝器为 流程，扁管数目为（，）时，系统运行性能最佳。关键词：热管；换热性能；平行流冷凝器；质量流量；扁管中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，（，），：；热管是一种解决高热流密度散热问题的新型被动传热技术，被广泛应用于航空航天、余热回收、电子器件等领域。目前，在热管的基础上已经开发了多种两相传热设备，如毛细管泵送回路（），回路热管（）和微热管（）等。但是这些设备常常受到驱动力的限制而启动困难，并且对安装也有一定的要求。泵驱动两相回路热管因稳定的换热性能得到关注。等对工质为 的机械泵驱动两相冷却回路进行研究，并对工作点的温度控制进行实验。研究表明，该冷却系统具有控温精度高、传热距离长、散热能力高、稳定能力高等优点。换热器的选择对于系统传热性能有着重要的影响。等和 等对一种采用特殊的蒸发器（液体室和气室由薄膜多孔结构隔开）化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：的泵辅助驱动两相流冷却系统进行实验。发现这种结构的换热器可以提高冷却系统的性能。王绚等对用翅片管换热器的泵驱动两相系统的换热性能进行试验研究，揭示内部阻力、不同制冷剂和风速等对传热性能的影响，发现内部阻力过大，风速过高过低都对换热性能有较大的影响。马国远等等研究数据中心用泵驱动回路热管换热机组的性能，发现相比之前的空调散热，节省电能至少达到。目前，微通道的高表面体积比使微通道换热器具有高传热速率和更好的热性能等优点，受到了广泛关注。近年来由于风力发电的发展，单机容量不断上升。机柜内的控制变频系统承担的任务也越来越复杂，产生热量日益增多，维持机柜内的温度是影响系统性能的关键因素。因高能效、低能耗等特点，泵驱动回路热管在风电机组机柜的散热方面具有独特优势，两者的结合是未来风电机组机柜的重要发展方向。基于此，文中对用微通道换热器的泵驱动两相回路进行研究，通过模拟的方法探究泵驱动两相回路换热性能的影响因素，并研究冷凝器结构变化对其换热性能的影响。泵驱动两相回路的工作机理为了分析泵驱动两相回路的换热机理，对回路模型进行了简化处理，作出了基本假设：工质在泵进出口为等温压缩；工质在换热器为一维流动状态；两相状态下的工质处于热力学平衡，视为均相流。依据三大定律，得到以下方程：质量守恒方程（）（）动量守恒方程（）()（）能量守恒方程 ()()（）式中：为制冷剂密度，；为制冷剂流速，；为时间，；为空间维度；为压力，；为摩擦因数；为分离角度；为工质流通面积，；为热流量，；为工质流通直径，；为液面高度，。制冷剂侧的换热量()（）空气侧的换热量（）（）式中：，分别为制冷剂侧和空气侧换热系数，（）；，分别为管侧，制冷剂侧和空气侧温度，；，分别为制冷剂侧和空气侧面积，；为管壁厚度，；为导热系数，（）；为翅片效率。系统内的制冷工质经过泵驱动输送至蒸发器，与蒸发器外部的空气进行热交换，工质在蒸发器内相变吸热变为气体状态，气态工质流出蒸发器进入冷凝器，与外界空气进行热交换，工质在冷凝器冷凝放热变为液体状态，液态工质流入储液罐经泵驱动再次流入蒸发器，如此反复循环。泵驱动两相回路数值仿真及模型验证 泵两相回路数值模型基于 搭建的仿真模型如图 所示。主要包括平行流蒸发器、平行流冷凝器、储液罐、工质泵以及连接管路等部件。换热器均为 流程，且结构参数相同，尺寸为 ，具体参数如表 所示。机柜温度要求低于 ，选择 为制冷工质。作为应用广泛的制冷剂，分子式为，不含氯原子，不会破坏臭氧层，基本无毒性，不易燃易爆，具有良好的换热性能，单位质量汽化潜热大。标准大气压下沸点为，满足应用工况要求。输入对应数值；转速；热量；温度，压力；温度；风量图 泵驱动两相回路热管模型 邓 欢等 基于 泵驱动两相回路热管系统的传热特性 投稿平台：表 换热器几何参数 翅片参数值扁管参数值间距 高度 厚度 水力直径高度长度 数值模型验证设定仿真工况参数与实验工况参数一致，具体参数如表 所示。将仿真结果与实验结果进行对比，对比结果如图 所示。可以看出，仿真结果与实验值的误差均在 之内，说明模型仿真结果精度较高，可用于后续数据分析。表 实验工况 工况室外温度 室内温度 冷凝器风量（）蒸发器风量（）图 实验数据与仿真结果验证 影响因素泵驱动两相冷却系统中，泵作为驱动装置主要作用是输送冷却介质，蒸发温度、冷凝温度、蒸发压力、冷凝压力等决定系统换热能力，在实际运行中影响换热器温度和压力的因素主要分为可控因素和不可控因素。可控因素包括制冷剂的质量流量、蒸发器的风量、冷凝器的风量等，不可控因素包括外部温度和换热器的结构布置等。制冷剂质量流量为研究系统质量流量对换热性能的影响，通过调节泵转速控制质量流量为 ，。换热器风量蒸发器和冷凝器都带有风机。为了研究换热器风量对换热性能的影响，设定了 组蒸发器风量和冷凝器风量进行研究：控制蒸发器的风量为 ，冷凝器的风量分别为 ，；控制冷凝器的风量为 ，蒸发器的风量分别为 ，；室外温度为 和 ，蒸发器和冷凝器风量同时变化为，。室外温度为研究室外温度对换热性能的影响，调节室外温度从 增加至 ，每次增幅为 。冷凝器结构为研究冷凝器结构对换热性能的影响，改变冷凝器流程以及管道分布进行 组模拟：室外温度为，时，管流程为，；流程数为 时，管道布置分别为（，），（，），（，），（，）。实验结果讨论 制冷剂质量流量变化图 中给出了系统换热性能随质量流量的变化，从图中可以看出随着质量流量的增加，系统制冷量的增速逐渐减小。质量流量从 增至 ，换热量分别增加了，。这是因为质量流量过小时无法满足换热器的流量需求，蒸发器出口干度过大，同时工质在蒸发器和冷凝器中流速较小，换热能力低下。图 制冷量随工质质量流量变化 化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：当流量开始增加，蒸发器内的显热换热量减小，显热换热面积减小的同时相变换热面积增加，蒸发器的换热能力充分利用，换热器内的传热系数增加，制冷量显著增强。流量继续增加，由于系统的制冷量受到空气侧的影响，达到极限时即使增加质量流量换热量也无明显变化，因此过大的质量流量对制冷量增加无益。风机风量变化时系统的运行特性图 中给出了系统换热性能随换热器风量的变化。从图（）和（）中可以看出，蒸发器和冷凝器的换热量随风量的变化幅度一致，经计算得出换热量增加了 ，。当保持蒸发器风量一定时，系统制冷量随冷凝器风量的增加不断增加，而增加幅度逐渐减小。这是因为当蒸发器风量不变时，冷凝器的风量增加引起空气侧的换热系数增加，使得冷凝器内的工质冷凝程度增大，从而增加了制冷量。图 制冷量随换热器风量变化 图 是室外温度 和 时，系统换热量随蒸发器和冷凝器风量的变化。从图 可以看出，系统制冷量随着蒸发器和冷凝器风量增加而增加。温度为 时，系统换热量随风量先增加后趋于稳定，而温度为 时，系统换热量随风量的增加不断增加。这是因为在温差为 时，热力作用减小，提高风机风量能够增大风速，从而影响空气侧换热系数，增加系统换热量。风机风量由 升至 时，系统换热量提升了。图 不同室外温度下制冷量随风量变化图 室外温度对换热的影响图 中给出了系统换热性能随室外温度的变化。从图 可以看出，随着室外温度的升高，蒸发器出口干度下降，制冷量呈线性增加。室外温度由 增加至 时，制冷量降低了 。因此温差是泵驱动两相回路换热的主要影响因素。当室外温度为 时，此时蒸发器出口干度为 ，工质在蒸发器内的两相换热比例较少，导致系统换热量降低。图 制冷量和蒸发器出口干度随室外温度变化 冷凝器流程对换热性能的影响图 显示了系统换热量随冷凝器流程的变化。从图中可以看出，不同室外温度下，流程数从 增至，系统换热量都增大了 左右，当流程数为 时，与流程为 时的换热量相差无几。这是因为流程数邓 欢等 基于 泵驱动两相回路热管系统的传热特性 投稿平台：增加使得进入管内的质量流量增加，换热热阻减小，因此换热系数增加，换热能力增强。在流程数为 时，制冷剂已达到充分换热，当再增加流程数，换热量无明显变化。图 显示了室外温度为 时，冷凝器进出口阻力随流程变化，可以看出阻力随流程数增加而不断增大，并且增加幅度升高。在室外温度为时，流程数由 增加到，压降增大了，达到了近 倍的增长量。尽管流程数增加对制冷量有有利影响，但同时会导致系统阻力大幅增长，因而增加了不可逆损失，造成了能量浪费。同时过多的压降影响换热器内工质的温度，会对换热器造成一定程度的损伤。综合考虑后得出，当冷凝器的流程数目为 时，既能保证系统较强换热能力，又能使得系统内总阻力较小，因而冷凝器流程数选择为。图 不同室外温度下制冷量随冷凝器流程数变化 图 不同室外温度下压降随流程数变化 图 显示了流程数为 时，在不同温度下系统的制冷量随扁管布置的变化。第 流程的冷凝扁管布置越多，系统换热性能越好。这是因为工质入口扁管数越多，制冷工质流动越均匀。扁管数量按 和 布置时，换热性能较好且压降小。此时，制冷工质在冷凝器内得到了充分的换热。由图 可以看出，不同温度下扁管数目不同的布置，流动阻力有所不同。在不同的温度下，冷凝器扁管的布置对其换热性能以及阻力影响是一致的。扁管数目为（，）的流动阻力大于扁管数目为（，）的流动阻力，因此扁管数目为（，）时，换热性能最佳。图 不同温度下制冷量随扁管布置变化 图 不同温度下压降随扁管布置变化 结论（）换热器内制冷剂质量流量和换热器空气侧风量对系统换热量有一定影响。随着质量流量的增加，制冷剂侧换热能力增强，随着空气侧风量的增加，空气侧换热系数增强，但两者均具有极限，当达到极限后，换热量无明显变化。（）室外温度越低，室内外温差越大，在热力作用的影响下，蒸发器内的两相换热比例增加，系统换热性能越强。【下转第 页】赵海超等 细颗粒物在旋风分离器内流动特性 投稿平台：彭丽，柳冠青，董方，等 基于 的旋风分离器结构设计优化 中国粉体技术，（）：，（）：，（）：，（）：，（），（）：，（）：【上接第 页】（）平行流冷凝器的流程增加，系统换热性能增强的同时流动阻力也会增加。入口扁管数越多，制冷工质流动越均匀，越利于冷凝器内工质充分换热，并且流动阻力较小。流程数目为 时，冷凝器扁管数目布置为（，）时，系统换热性能最佳。参考文献：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，：王绚，马国远，周峰 泵驱动两相冷却系统性能优化与变工质特性研究 制冷学报，（）：马国远，魏川铖，张双，等 某小型数据中心散热用泵驱动回路热管换热机组的应用研究 北京工业大学学报，（）：，：，：，：沈德昌 当前风电设备技术发展现状及前景 太阳能，（）：马跃征，许树学，马国远，等 磁力泵驱动两相冷却复合制冷系统特性分析和实验研究 制冷学报，（）：杨友进 基于小传热温差的多元平行流换热器传热与流动性能研究 合肥：合肥工业大学，