重力回路热管系统运行温度的优化方法及系统的设计方法

摘要

本发明公开了重力回路热管系统运行温度的优化方法及系统的设计方法，其中，重力回路热管系统运行温度的优化方法解决了重力式回路热管的各部件独立设计计算无法表达相互之间的关系，不能得出优化结果，无法实现最佳的工作状态问题，具有将蒸发器和凝结器之间建立热量传输的联系，一次性计算便可直接得到回路热管的工作温度效果，其技术方案为：将重力回路热管系统从热源到冷源之间的热量传输过程划分成若干个热量传输环节，进而构建重力回路热管系统的回路热管热阻网络模型；基于重力回路热管系统的回路热管热阻网络模型以及回路热管的热平衡约束条件，求解当重力回路热管系统的换热面积最小情况下回路热管的运行温度为最优温度。

说明书

技术领域

本发明属于重力回路热管设计领域，尤其涉及一种重力回路热管系统运行温度的优化方法及系统的设计方法。

背景技术

随着我国建筑节能尤其是数据中心建设的产业需求，以重力回路热管技术为核心的数据中心冷却技术有广阔的应用前景。重力回路热管的热管理技术的原理是：蒸发器与热源相连接，热源产生的热量传递给蒸发器，使蒸发器中的介质蒸发变为蒸汽。在密度差的驱动下，蒸汽依靠自然循环驱动力上升进入位于外界环境的凝结器。凝结器对外界环境释放热量，工作介质冷凝为液体，在重力的驱动下自动回流到蒸发器。如此往复循环，通过相变换热，通过自然循环实现介质的流动，系统相变换热效果远高于单相对流换热，而且不需要外界驱动力，实现了完全的被动式冷却。

2011年日本福岛核电站发生事故后，大众对核电站安全性的关注空间提高。核反应堆事故停运后，仍有衰变热产生，如果不能及时导出，会发生严重事故。传统的方法用泵驱动循环水来冷却。我国自主开发的华龙一号等第三代核电技术则采用非能动安全系统。核电机组的非能动安全壳冷却系统和非能动乏燃料池冷却系统均可采用重力回路热管技术，通过沸腾、凝结过程排出堆芯衰变热，利用汽液之间的密度差实现自然循环，无需外界驱动力。非能动反应堆安全系统采用全新的核电安全理念，代表了核电技术的未来。

重力式回路热管包括蒸发器、凝结器、上升管、下降管以及之间的集箱组成。目前的重力式回路热管系统设计仍然按照传统的设计思路，给定回路热管的工作温度，将蒸发器和凝结器进行单独作为部件分别设计，然后进行校核计算。事实上，重力式回路热管工作温度与其结构有关，且各部件相连，相互之间存在耦合，将其独立设计计算无法表达相互之间的关系，不能得出优化结果，无法实现最佳的工作状态。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明的目的第一目的是提供一种重力回路热管系统运行温度的优化方法。该方法将回路热管视为一个整体系统，将重力式回路热管从热源到冷源按照热量传输过程进行分段，这样将蒸发器和凝结器之间建立热量传输的联系，通过综合计算其传热和流动特性，并引入优化原理，一次性计算便可直接得到回路热管的工作温度。

本发明的一种重力回路热管系统运行温度的优化方法，包括：

步骤1：将重力回路热管系统从热源到冷源之间的热量传输过程划分成若干个热量传输环节，进而构建重力回路热管系统的回路热管热阻网络模型；回路热管热阻网络模型中的热阻为回路热管蒸发器外壁面积或回路热管凝结器外壁面积的函数；

步骤2：基于重力回路热管系统的回路热管热阻网络模型以及回路热管的热平衡约束条件，求解当重力回路热管系统的换热面积最小情况下回路热管的运行温度为最优温度；其中，重力回路热管系统的换热面积等于回路热管蒸发器外壁面积与回路热管凝结器外壁面积之和。

本发明的该重力回路热管系统运行温度的优化方法无论对于什么样的工作介质都适用，例如：水、氨、丙酮等。

进一步地，在所述步骤1中，从热源到冷源，将热量传输过程分成八个热量传输环节，分别为热源与回路热管蒸发器外壁间的换热过程；热管蒸发器固体壁面的导热过程；热管蒸发器的蒸发换热过程；热管蒸发器到凝结器间蒸汽的流动过程；热管凝结器的凝结换热过程；热管凝结器固体壁面的导热过程；热管凝结器外壁与冷源之间的换热过程；沿热管固体壁面轴向由蒸发器向凝结器的导热过程。

本发明将重力式回路热管从热源到冷源按照热量传输过程进行分段，这样将蒸发器和凝结器之间建立热量传输的联系，对于后续蒸发器和凝结器的设计以及尺寸的优化具有重要意义，最终使得重力式回路热管达到最佳工作状态。

进一步地，回路热管热阻网络模型中的热阻分别与一个热量传输环节相对应。本发明将每个热量传输环节与一个热阻进行等价，来构建出回路热管热阻网络模型，对于求解重力回路热管系统的换热面积的最小值，提供了数据基础。

进一步地，回路热管的热平衡约束条件为蒸发器的吸热量等于凝结器的放热量。由于重力回路热管系统工作首要的约束条件是热平衡，而且由于在该系统中蒸发器和冷凝器是最重要的两个部件，因此，这两个部件中的一个吸热量必然等于另一个部件的放热量。

进一步地，在所述步骤2中，求解重力回路热管系统的换热面积最小时，还考虑蒸发器以及凝结器的面积约束。为了更加准确地求取蒸发器以及凝结器尺寸大小，还需要进一步地考虑整个重力回路热管系统中根据实际情况来对蒸发器以及凝结器的面积约束。

本发明的目的第二目的是提供一种重力回路热管系统的设计方法。该方法将回路热管视为一个整体系统，将重力式回路热管从热源到冷源按照热量传输过程进行分段，这样将蒸发器和凝结器之间建立热量传输的联系，对于后续蒸发器和凝结器的设计以及尺寸的优化具有重要意义，最终使得重力式回路热管达到最佳工作状态；而且综合计算其传热和流动特性，并引入优化原理，一次性计算便可直接得到回路热管的工作温度以及最佳的蒸发器和凝结器结构尺寸。

本发明的一种重力回路热管系统的设计方法，包括：

步骤1：将重力回路热管系统从热源到冷源之间的热量传输过程划分成若干个热量传输环节，进而构建重力回路热管系统的回路热管热阻网络模型；回路热管热阻网络模型中的热阻为回路热管蒸发器外壁面积或回路热管凝结器外壁面积的函数；

步骤2：基于重力回路热管系统的回路热管热阻网络模型以及回路热管的热平衡约束条件，求解当重力回路热管系统的换热面积最小情况下回路热管的运行温度为最优温度以及重力回路热管系统的最小换热面积；其中，重力回路热管系统的换热面积等于回路热管蒸发器外壁面积与回路热管凝结器外壁面积之和；

步骤3：再根据回路热管蒸发器外壁面积与回路热管凝结器外壁面积分别与各自外径及长度的关系，得到蒸发器和凝结器的最佳尺寸。

本发明的有益效果为：

本发明将回路热管视为一个整体系统，将重力式回路热管从热源到冷源按照热量传输过程进行分段，这样将蒸发器和凝结器之间建立热量传输的联系，对于后续蒸发器和凝结器的设计以及尺寸的优化具有重要意义，最终使得重力式回路热管达到最佳工作状态；而且综合计算其传热和流动特性，并引入优化原理，一次性计算便可直接得到回路热管的工作温度以及最佳的蒸发器和凝结器结构尺寸。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是重力回路热管系统结构示意图；

图2是回路热管热阻网络模型；

图3是本发明的一种重力回路热管系统运行温度的优化方法流程图；

图4是本发明的一种重力回路热管系统的设计方法流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

图1是重力回路热管系统结构示意图。如图1所示，重力回路热管系统以非能动安全壳冷却系统为例。

本实施例的数据中心冷却系统使用了分离式热管的工作原理：

分离式热管的蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管和液体下降管连通形成一个自然循环回路。工作时，在热管内的工质汇集在的蒸发器中，蒸发器被室内高温热源(数据中心的发热部件)加热后，工质蒸发，产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达位于室外的冷凝器释放出潜热而凝结成液体，在重力作用下，经液体下降管回到蒸发器，如此循环往复运行。整个回路循环不需要外部驱动力，仅靠上升段和下降段的密度差形成自然循环，通过蒸发吸热和冷凝放热将安全壳内大气的热量导出至安全壳外水箱中。水箱水温升高后至饱和蒸发，最终将安全壳内热量导出至环境大气中。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在重力式回路热管工作温度与其结构有关，且各部件相连，相互之间存在耦合，将其独立设计计算无法表达相互之间的关系，不能得出优化结果，无法实现最佳的工作状态的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种重力回路热管系统运行温度的优化方法。

图3是本发明的一种重力回路热管系统运行温度的优化方法流程图。

如图3所示的一种重力回路热管系统运行温度的优化方法，包括：

步骤1：将重力回路热管系统从热源到冷源之间的热量传输过程划分成若干个热量传输环节，进而构建重力回路热管系统的回路热管热阻网络模型；回路热管热阻网络模型中的热阻为回路热管蒸发器外壁面积或回路热管凝结器外壁面积的函数。

回路热管热阻网络模型，如图2所示。从温度为T1的热源到温度为T2的冷源间的热量传输过程由以下八个环节组成：(1)热源与回路热管蒸发器外壁间的换热过程；(2)热管蒸发器固体壁面的导热过程；(3)热管蒸发器的蒸发(沸腾)换热过程；(4)热管蒸发器到凝结器间蒸汽的流动过程；(5)热管凝结器的凝结换热过程；(6)热管凝结器固体壁面的导热过程；(7)热管凝结器外壁与冷源之间的换热过程；(8)沿热管固体壁面轴向由蒸发器向凝结器的导热过程。

回路热管热阻网络模型中的热阻分别与一个热量传输环节相对应。

(1)热源与蒸发器外壁间的换热热阻R₁

这个传热环节对回路热管来说是外部过程，实现这个环节可以是导热、对流(包括相变)和辐射中的一种或者两种方式。设热管蒸发器外壁面积为A_eo，外壁面与热源之间的换热系数为α₁，则热阻R₁可按照下式计算：

式中，A_eo—热管蒸发器外壁面积，A_eo＝πd_ol_e(d_o为热管外径，l_e为热管蒸发器长度)。

(2)蒸发器固体壁的导热热阻R₂

在一般情况下，因为热管的壳体都是金属，而且比较薄，多为圆管状，所以这个导热环节的特性较固定，比较简单。其热阻R₂可以按下式进行计算：

式中，λ—管壁材料的导热系数，W/(m·K)；

d_i—热管内径；

d_o为热管外径。

当d_o/d_i<2时，R₂可按下述简化公式计算：

式中，d_m—平均直径，d_m＝12d_o+d_i；

δ_m—平均壁厚，δ_m＝12δ_o+δ_i；

δ_i—热管内径壁厚；

δ_o为热管外径壁厚。

(3)蒸发器蒸发(沸腾)换热热阻R3

这是一个相变换热过程，蒸发(沸腾)换热的换热强度相当高。若设其换热系数为α₃，则热阻R₃可按下式计算：

式中，A_ei—热管蒸发器外壁面积，A_ei＝πd_eil_e；

d_ei—热管蒸发器外径；

l_e—热管蒸发器长度。

(4)从蒸发器到凝结器间蒸汽的流动热阻R₄

在回路热管汽上升管内蒸汽流动过程是借助蒸汽分子的质量传输而实现热量传输。如果流动压差很小，在蒸发器和凝结器之间的温差很小，在大多数情况下，可以认为是等温的。该热阻可以根据当量导热系数计算。

式中，ΔT为蒸发器与凝结器之间的温差，℃；Q为热负荷kW/m²；h_fg为汽化热，kJ/kg；m为蒸发器与凝结器内的汽化介质质量。

(5)凝结器的凝结换热热阻R₅

这是一个相变换热过程，凝结换热的换热强度也相当高。若其换热系数为α₅，则热阻R₅可按下式计算：

式中，A_ci—热管凝结器内壁面积，A_ci＝πd_i>c；

d_i—热管内径；

l_c—热管凝结器长度。

(6)凝结器固体壁的导热热阻R₆

热阻R₆可以按下式进行计算：

式中，λ—管壁材料的导热系数，W/(m·K)；

d_i—热管内径；

d_o为热管外径。

当d_o/d_i<2时，R₆可按下述简化公式计算：

式中，d_m—平均直径，d_m＝12d_o+d_i；

δ_m—平均壁厚，δ_m＝12δ_o+δ_i；

δ_i—热管内径壁厚，m；

δ_o为热管外径壁厚，m。

(7)凝结器外壁与冷源之间的换热热阻R₇

和热管蒸发器外壁与热源之间的换热环节同理，是一个外部换热过程，可以是导热、对流和辐射三种方式中的任一种或者两种。则热阻R₇可按照下式计算：

式中，A_co—热管凝结器外壁面积，A_co＝πd_o>c；

d_o—热管外径；

l_c—热管凝结器长度。

(8)沿热管固体壁面轴向由蒸发器向凝结器的导热过程R₈

由于换热管壁厚很薄，而且由蒸发器向凝结器有很长的汽相管道相连，此传热回路可以忽略，认为R₈＝∞。

进一步地，由于换热管壁厚很薄，沿热管固体壁面轴向由蒸发器向凝结器的导热过程传热回路可以忽略，因此，从热源到冷源，将热量传输过程分成七个热量传输环节，分别为热源与回路热管蒸发器外壁间的换热过程；热管蒸发器固体壁面的导热过程；热管蒸发器的蒸发换热过程；热管蒸发器到凝结器间蒸汽的流动过程；热管凝结器的凝结换热过程；热管凝结器固体壁面的导热过程；热管凝结器外壁与冷源之间的换热过程。

综上分析，系统总热阻为：

系统总传热量为：

其中，T₁为热源温度；T₂为冷源温度。

步骤2：基于重力回路热管系统的回路热管热阻网络模型以及回路热管的热平衡约束条件，求解当重力回路热管系统的换热面积最小情况下回路热管的运行温度为最优温度；其中，重力回路热管系统的换热面积等于回路热管蒸发器外壁面积与回路热管凝结器外壁面积之和。

为了更加准确地求取蒸发器以及凝结器尺寸大小，还需要进一步地考虑整个重力回路热管系统中根据实际情况来对蒸发器以及凝结器的面积约束。在所述步骤2中，求解重力回路热管系统的换热面积最小时，还考虑蒸发器以及凝结器的面积约束。

本发明将回路热管视为一个整体系统，将重力式回路热管从热源到冷源按照热量传输过程进行分段，这样将蒸发器和凝结器之间建立热量传输的联系，对于后续蒸发器和凝结器的设计以及尺寸的优化具有重要意义，最终使得重力式回路热管达到最佳工作状态；而且综合计算其传热和流动特性，并引入优化原理，一次性计算便可直接得到回路热管的工作温度以及最佳的蒸发器和凝结器结构尺寸。

图4是本发明的一种重力回路热管系统的设计方法流程图。

本发明的一种重力回路热管系统的设计方法，包括：

步骤1：将重力回路热管系统从热源到冷源之间的热量传输过程划分成若干个热量传输环节，进而构建重力回路热管系统的回路热管热阻网络模型；回路热管热阻网络模型中的热阻为回路热管蒸发器外壁面积或回路热管凝结器外壁面积的函数；

回路热管热阻网络模型，如图2所示。从温度为T1的热源到温度为T2的冷源间的热量传输过程由以下八个环节组成：(1)热源与回路热管蒸发器外壁间的换热过程；(2)热管蒸发器固体壁面的导热过程；(3)热管蒸发器的蒸发(沸腾)换热过程；(4)热管蒸发器到凝结器间蒸汽的流动过程；(5)热管凝结器的凝结换热过程；(6)热管凝结器固体壁面的导热过程；(7)热管凝结器外壁与冷源之间的换热过程；(8)沿热管固体壁面轴向由蒸发器向凝结器的导热过程。

回路热管热阻网络模型中的热阻分别与一个热量传输环节相对应。回路热管热阻网络模型中的热阻分别为R₁～R₈。

进一步地，由于换热管壁厚很薄，沿热管固体壁面轴向由蒸发器向凝结器的导热过程传热回路可以忽略，因此，从热源到冷源，将热量传输过程分成七个热量传输环节，分别为热源与回路热管蒸发器外壁间的换热过程；热管蒸发器固体壁面的导热过程；热管蒸发器的蒸发换热过程；热管蒸发器到凝结器间蒸汽的流动过程；热管凝结器的凝结换热过程；热管凝结器固体壁面的导热过程；热管凝结器外壁与冷源之间的换热过程。

综上分析，系统总热阻为：

系统总传热量为：

其中，T₁为热源温度；T₂为冷源温度。

步骤2：基于重力回路热管系统的回路热管热阻网络模型以及回路热管的热平衡约束条件，求解当重力回路热管系统的换热面积最小情况下回路热管的运行温度为最优温度以及重力回路热管系统的最小换热面积；其中，重力回路热管系统的换热面积等于回路热管蒸发器外壁面积与回路热管凝结器外壁面积之和。

为了更加准确地求取蒸发器以及凝结器尺寸大小，还需要进一步地考虑整个重力回路热管系统中根据实际情况来对蒸发器以及凝结器的面积约束。在所述步骤2中，求解重力回路热管系统的换热面积最小时，还考虑蒸发器以及凝结器的面积约束。

本发明将回路热管视为一个整体系统，将重力式回路热管从热源到冷源按照热量传输过程进行分段，这样将蒸发器和凝结器之间建立热量传输的联系，对于后续蒸发器和凝结器的设计以及尺寸的优化具有重要意义，最终使得重力式回路热管达到最佳工作状态；而且综合计算其传热和流动特性，并引入优化原理，一次性计算便可直接得到回路热管的工作温度以及最佳的蒸发器和凝结器结构尺寸。

步骤3：再根据回路热管蒸发器外壁面积与回路热管凝结器外壁面积分别与各自外径及长度的关系，得到蒸发器和凝结器的最佳尺寸。

本发明将回路热管视为一个整体系统，将重力式回路热管从热源到冷源按照热量传输过程进行分段，这样将蒸发器和凝结器之间建立热量传输的联系，对于后续蒸发器和凝结器的设计以及尺寸的优化具有重要意义，最终使得重力式回路热管达到最佳工作状态；而且综合计算其传热和流动特性，并引入优化原理，一次性计算便可直接得到回路热管的工作温度以及最佳的蒸发器和凝结器结构尺寸。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。