[發明專利]重力回路熱管系統運行溫度的優化方法及系統的設計方法

有效

• 申請號: 201710012798.5
• 申請日: 2017-01-09
• 公開（公告）號: CN106595361B
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發明（設計）人: 王乃華
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: F28D15/02
• 分類號: F28D15/02;F28D15/06
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

本發明公開了重力回路熱管系統運行溫度的優化方法及系統的設計方法，其中，重力回路熱管系統運行溫度的優化方法解決了重力式回路熱管的各部件獨立設計計算無法表達相互之間的關系，不能得出優化結果，無法實現最佳的工作狀態問題，具有將蒸發器和凝結器之間建立熱量傳輸的聯系，一次性計算便可直接得到回路熱管的工作溫度效果，其技術方案為：將重力回路熱管系統從熱源到冷源之間的熱量傳輸過程劃分成若干個熱量傳輸環節，進而構建重力回路熱管系統的回路熱管熱阻網絡模型；基于重力回路熱管系統的回路熱管熱阻網絡模型以及回路熱管的熱平衡約束條件，求解當重力回路熱管系統的換熱面積最小情況下回路熱管的運行溫度為最優溫度。

技術領域

本發明屬于重力回路熱管設計領域，尤其涉及一種重力回路熱管系統運行溫度的優化方法及系統的設計方法。

背景技術

隨著我國建筑節能尤其是數據中心建設的產業需求，以重力回路熱管技術為核心的數據中心冷卻技術有廣闊的應用前景。重力回路熱管的熱管理技術的原理是：蒸發器與熱源相連接，熱源產生的熱量傳遞給蒸發器，使蒸發器中的介質蒸發變為蒸汽。在密度差的驅動下，蒸汽依靠自然循環驅動力上升進入位于外界環境的凝結器。凝結器對外界環境釋放熱量，工作介質冷凝為液體，在重力的驅動下自動回流到蒸發器。如此往復循環，通過相變換熱，通過自然循環實現介質的流動，系統相變換熱效果遠高于單相對流換熱，而且不需要外界驅動力，實現了完全的被動式冷卻。

2011年日本福島核電站發生事故后，大眾對核電站安全性的關注空間提高。核反應堆事故停運后，仍有衰變熱產生，如果不能及時導出，會發生嚴重事故。傳統的方法用泵驅動循環水來冷卻。我國自主開發的華龍一號等第三代核電技術則采用非能動安全系統。核電機組的非能動安全殼冷卻系統和非能動乏燃料池冷卻系統均可采用重力回路熱管技術，通過沸騰、凝結過程排出堆芯衰變熱，利用汽液之間的密度差實現自然循環，無需外界驅動力。非能動反應堆安全系統采用全新的核電安全理念，代表了核電技術的未來。

重力式回路熱管包括蒸發器、凝結器、上升管、下降管以及之間的集箱組成。目前的重力式回路熱管系統設計仍然按照傳統的設計思路，給定回路熱管的工作溫度，將蒸發器和凝結器進行單獨作為部件分別設計，然后進行校核計算。事實上，重力式回路熱管工作溫度與其結構有關，且各部件相連，相互之間存在耦合，將其獨立設計計算無法表達相互之間的關系，不能得出優化結果，無法實現最佳的工作狀態。

發明內容

為了解決現有技術的缺點，本發明的目的第一目的是提供一種重力回路熱管系統運行溫度的優化方法。該方法將回路熱管視為一個整體系統，將重力式回路熱管從熱源到冷源按照熱量傳輸過程進行分段，這樣將蒸發器和凝結器之間建立熱量傳輸的聯系，通過綜合計算其傳熱和流動特性，并引入優化原理，一次性計算便可直接得到回路熱管的工作溫度。

本發明的一種重力回路熱管系統運行溫度的優化方法，包括：

步驟1：將重力回路熱管系統從熱源到冷源之間的熱量傳輸過程劃分成若干個熱量傳輸環節，進而構建重力回路熱管系統的回路熱管熱阻網絡模型；回路熱管熱阻網絡模型中的熱阻為回路熱管蒸發器外壁面積或回路熱管凝結器外壁面積的函數；

步驟2：基于重力回路熱管系統的回路熱管熱阻網絡模型以及回路熱管的熱平衡約束條件，求解當重力回路熱管系統的換熱面積最小情況下回路熱管的運行溫度為最優溫度；其中，重力回路熱管系統的換熱面積等于回路熱管蒸發器外壁面積與回路熱管凝結器外壁面積之和。

本發明的該重力回路熱管系統運行溫度的優化方法無論對于什么樣的工作介質都適用，例如：水、氨、丙酮等。

進一步地，在所述步驟1中，從熱源到冷源，將熱量傳輸過程分成八個熱量傳輸環節，分別為熱源與回路熱管蒸發器外壁間的換熱過程；熱管蒸發器固體壁面的導熱過程；熱管蒸發器的蒸發換熱過程；熱管蒸發器到凝結器間蒸汽的流動過程；熱管凝結器的凝結換熱過程；熱管凝結器固體壁面的導熱過程；熱管凝結器外壁與冷源之間的換熱過程；沿熱管固體壁面軸向由蒸發器向凝結器的導熱過程。