被动式冷却系统中的流动冷凝及其对系统换热特性的影响

发布时间：2017-11-14 01:00

  本文关键词：被动式冷却系统中的流动冷凝及其对系统换热特性的影响

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【摘要】：电力电子设备高强度的发热量在器件上的累积,将使器件和系统的工作温度升高,工作特性变差,大大降低了系统的稳定性和可靠性。相变冷却,依靠液体工质的汽化潜热在小温差下就可以获得高强度的强化换热效果,能够满足电力电子设备高发热热流密度的散热需求,而以相变技术为基础的被动式冷却系统中蒸汽管路内均存在两相流动,并对整个系统的性能存在影响。本文借助于电容层析成像技术(ECT)和高速摄影仪可视化研究发现,大量的凝结液滴粘附在管路内表面上,在重力的作用下,凝结液滴从蒸汽管路顶端顺着周壁滑落至底部形成积液区,管路中心则是大量的未凝结蒸汽。这种带液滴的流型是一种稳定流型,称之为滴状流。壁面上的凝结液滴存在一个周期性的生长过程,而且各个子过程相互影响。与Mandhane流型图作比较发现,大部分的实验数据点落入层状流区域,小部分的数据点则落在波状流区域。截面含气率的计算关系式很多,滑速比模型关系式与实验值吻合的最好,而且滑速比的选择显得至关重要,选择不当也会导致较大的偏差。通过加权平均的方式得到了一个形式简单、经验参数少、适用范围较广,可以用来预测截面含气率大小的关系式。进一步,采用凝结和称重法对流动冷凝中的质量含气率进行了精确测量。实验测量低质量流速条件下的流动冷凝中的流动阻力特性,结合具体的汽液两相分布和流动特征,将液滴等效成壁面的粗糙度,对管路中的流动压降做理论分析,并与现有的流动阻力预测模型进行对比,扩展模型的实用性和适用范围。实验测量管路沿程管壁温度和蒸汽温度的变化,分析沿程蒸汽与壁面的换热特性,建立相应的流动换热模型,并结合可视化实验结果,对流动冷凝中的换热系数进行模型预测。上述方法得到的预测流动压降和换热系数的计算关系式,均方根偏差分别为19.9%和22.04%,预测值和实验值的偏差均分布在士30%以内。选取热源的表面温度和冷却系统的热阻作为整个系统换热特性在稳态条件下的表征参数,系统在非稳态条件下的运行性能则以响应时间作为衡量标准。蒸汽管路中的换热系数增加时,导致蒸汽温降增加,凝结液的温度偏低,有利于降低热源表面温度,但冷却系统的热阻比较大。蒸发器及蒸汽管路中积累大量的未凝结蒸汽时,蒸汽的热容量增加,系统内部温度扯平所需要的时间增加,系统的响应时间越长。本文以被动式相变冷却系统为基础模型,集中研究冷却系统绝热段或蒸汽管路内的流动冷凝现象,揭示低质量流速条件下管内冷凝的流动和换热的耦合规律,阐述管路几何尺寸以及放置方式对流动冷凝的具体影响,最终得到流动冷凝对相变冷却系统运行性能和换热特性的影响机理。本文的研究成果将丰富管路内流动冷凝的研究,并为相变冷却系统的管路优化设计提供指导原则。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124

【参考文献】

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本文编号：1183136