35kW数据中心热管复合型空调模块设计研究.pdf

3 5 k w 数据中心热管复合型空调模块设计研究 d e s i g na n ds t u d yo f3 5 k wc o m p o s i t ea i rc o n d i t i o n i n g m o d u i ew i t hh e a tp i p ef b rd a t ac e n t e r 2 013 年3 月 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 主席： 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 铲以雪 委员：穆肠喟唧敦彳团恻邝吁 导师 伽力炀善 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他入己经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料a 与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：j 壕签字日期。纠多年午月7 白学位论文作者签字：琢签字日期堋年午月j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金a 垦王些态 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索。可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：上震 导师签名： 签字日期幺研多年牛月f 了日 签字日期2 纠 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：艾暑天垒础宠宓携宋删崩修敌回 电话：孔甥口g 宫6 ，7 通讯地址：荔灿虱廖盔箕黔碉i 大递荔弓 邮编：力多让f 3 5 k w 数据中心热管复合型空调模块设计研究 摘要 针对高性能计算机大功率、高热密度的电子冷却需求，基于节能、高可靠 性和良好的调节特性为目标，提出了一种蒸气压缩分离式热管复合制冷机组的 方案。热管复合制冷系统具有压缩式制冷、压缩式热管复合制冷和热管制冷三 种工作模式，采用屏蔽泵驱动热管系统主动循环，可根据室内外温差和热负荷 状况自动切换。在外界环境温度低于被控对象设定温度的气候条件下，运行热 管循环不仅可以大幅降低冷源设备的能耗，而且可以避免运行压缩式制冷的高 能耗、低温启动和回油润滑等问题。本文主要工作内容有：( 1 ) 收集、分析国 内外相关技术资料，了解热管技术的研究与应用现状；调研用户技术需求、空 调对象负荷特性，为空调机组的系统设计提供依据；( 2 ) 根据某高性能计算机 高热密度电子冷却需求，提出热管复合型空调模块化设计方案；( 3 ) 建立热管 系统的数学模型，模拟研究变工况运行性能，为热管复合型空调模块优化设计 和能量调节与控制建立基础；( 4 ) 进行3 5 k w 热管复合型空调模块设计，其中 包括热力循环系统设计、换热器设计、液泵设计选型、储液器设计等。本文取 得的阶段性研究成果：( 1 ) 提出了具有自主知识产权的复合型空调循环系统设 计方案，采用动力型分离式热管，复合区的引入拓宽了热管循环工作温区，可 更有效利用低温季节的自然冷源，大幅度节能减排：( 2 ) 采用模块化设计方案， 可根据空调对象的负荷状况灵活配置，便于规模化生产和降低制造成本；( 3 ) 热管复合型空调模块的制冷单元与热管单元具有独立的制冷剂流通回路，并在 蒸发冷凝器处实现复合；( 4 ) 模拟分析了热管的循环过程和工作性能，给出了 热管单元的能量调节方式，并模拟计算了3 5 k w 热管复合型空调模块的全年运 行总能耗。模拟结果表明：热管复合区的引入有效拓宽了热管的运行温区，提 高了空调系统的全年综合c o p ，与传统蒸汽压缩式冷源系统相比，节能率大于 4 0 ，特别适用于高性能计算机等高热密度电子集成系统全天候温控需要。 关键词：数据中心；系统设计；动力型分离式热管；复合制冷；节能 d e s i g na n ds t u d yo f3 5 k wc o m p o s i t e a i rc o n d i t i o n i n g m o d u l ew i t hh e a tp i p ef 0 rd a t ac e n t e r a b s t r a c t a i m e da tt h e c o o l i n gr e q u i r e m e n t s o fh i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t e r a n d e l e c t r o n i c i n t e g r a t e ds y s t e m w i t h h i g h h e a tf l u x ， a d e s i g n o fc o m p o s i t e r e f r i g e r a t i o nu n i tw h i c hc o m b i n e st r a d i t i o n a lv a p o rc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o na n d s e p a r a t et y p eh e a tp i p eh a sb e e np r o p o s e db a s e do nt h et a r g e to fe n e r g ys a v i n g ， h i g hr e l i a b i l i t ya n de a s yt oa d j u s t o p e r a t i n gm o d eo ft h ec o m p o s i t er e f r i g e r a t i o n s y s t e m c a nb es w i t c h e da m o n gv a p o rc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o n ，v a p o r c o m p r e s s i o n h e a tp i p ec o m p o s i t er e f t i g e r a t i o n a n dh e a t p i p er e f - r i g e r a t i o n a c c o r d i n gt oh e a tl o a da n dt h et e m p e r a t u r ed i f f 色r e n c eb e t w e e ni n d o o ra n do u t d o o r s h i e l d i n gp u m ph a sb e e n u s e di nt h e h e a tp i p es y s t e mt od r i v et h ew o r k i n g s u b s t a n c ec y c l e w h e no u t d o o rt e m p e r a t u r ei sb e l o wt h et e m p e r a t u r es e tw h i c hi s b a s e do nt h en e e d so fe n v i r o n m e n tc o n t r 0 1 1 e d ，u s a g eo fh e a tp i p en ( ) to n l ye a n r e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o ng r e a t l y ， b u ta l s oc a na v o i dt h er e l i a b i l i t yp r o b l e m o c c u r r e di nv a p o rc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e md u r i n gt h ev e r yc 0 1 d s e a s o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w ：( 1 ) 7 r e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no fh e a tp i p ew e r e s t u d i e da c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tt e c h n o l o g ym a t e r i a l sa n dp a p e r sc 0 1 l e c t e d t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f h e a tl o a do ft h eo b j e c tc o n t r o l l e da n d t h et e c h n i e a lr e q u i r e m e n t so fu s e r ，d e s i g nb a s i so ft h ea i rc o n d i t i o n i n gm o d u l eh a s b e e np r o p o s e d 。( 2 ) ad e s i g no fc o m p o s i t ea i rc o n d i t i o n i n gm o d u l ew a sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ec o o l i n gr e q u i r e m e n t so fap a r t i c u l a rh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t e r ( 3 ) 0 p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo fh e a tp i p eu n i tu n d e rd i f f - e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sw a s s i m u l a t e db a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a tp i p eu n i td e v e l o p e d ( 4 ) t h e t h e r m o d y n a m i cc y c l e ，h e a t e x c h a n g e r ，p u m pa n da c c u m u l a t o ro f3 5 k wc o m p o s i t e a i rc o n d i t i o n i n gm o d u l ew i t hh e a tp i p ew e r ed e s i g n e di nt h i st h e s i s g r a d u a ls t u d y r e s u l t sa r ea sf o l l o w ：( 1 ) ad e s i g no fc o m p o s i t ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw i t hh e a t p i p eo w n i n gi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e n yr i g h t h a sb e e n p r o p o s e d 。 t h e o p e r a t i n gt e m p e r a t u r er a n g e o fh e a t p i p e i sw i d e n e dd u et ot h eu s a g eo f m e c h a n i c a l l yd r i v e ns e p a r a t et y p eh e a tp i p ew h i c hc a nt a k eb e n e f i t so fo u t d o o r n a t u r a lc 0 1 ds o u r c em o r ef u l l y a n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fs y s t e mc a nb e r e d u c e dg r e a t l y ( 2 ) t h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi sd e s i g n e dt ob eam o d u l ew h i c h i sc o n v e n i e n tf b rl a r g e s c a l ep r o d u c t i o na n dc a nr e d u c et h ep r o d u c i n gc o s t t h e n u m b e ro fm o d u l ei sd e t e r m i n e db yt h eh e a tl o a d ( 3 ) t h er e f r i g e r a n tn o w c h a n n e l s o fr e f r i g e r a t i o nu n i ta n dh e a tp i p eu n i t a r ei n d e p e n d e n ti nt h ec o m p o s l t e a l r c o n d i t i o n i n gm o d u l ew i t hh e a tp i p e t h et w ou n i t sa r ec o m b l n e dl nt h ee v a p o r a t l v e c o n d e n s e r ( 4 ) o p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n dc y c l i cp r o c e s so f h e a tp l p es y s t e mw a s a n a l y s e dt h r o u g hs i m u l a t i o n t h ew a y t oa c l j u s tt h ec o o l i n gc a p a c i t yo f 。h e a tp l p e u n i th a sb e e np r o p o s e d a n n u a le n e r g yc o n s u m p t i o no t3 5 k wc o m p o s l t e a l r c o n d i t i o n i n gm o d u l ew i t hh e a tp i p e h a sb e e nc a l c u l a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n i t s h o w st h a tv a p o rc o m p r e s s i o n h e a tp i p ec o m p o s i t er e f r i g e r a t l o nm o d ec a nw l d e n t h ew o r k i n gt e m p e r a t u r er a n g eo fh e a tp i p ea n dh n p r o v et h ea n n u a lc o m p r e h e n s l v e c o po ft h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mg r e a t l y c o m p o s i t ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw l t h h e a tp i p ei sv e r ys u i t a b l e f o rt h ea l l w e a t h e rc o o l i n gr e q u l r e m e n t s o th l g h p e r f o r m a n c ec o m p u t e ra n de l e c t r o n i ci n t e g r a t e ds y s t e mw i t hh i g hh e a tn u x b e c a u s e o fi t sa d v a n t a g e so fw i d eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r er a n g e ， h l g hr e l l a b i n t y a n d e f f e c t i v e l ye n e r g ys a v i n g c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lv a p o rc o m p r e s s l o n r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，e n e r g ys a v i n gr a t eo f t h ec o m p o s i t es y s t e mc a nb em o r et h a n 4 0 k e y w o r d s ：d a t ac e n t e r ； s y s t e md e s i g n ； m e c h a n i c a l l yd r i v es e p a r a t et y p eh e a t p i p e ； c o m p o s i t er e f r i g e r a t i o n ； e n e r g ys a v i n g 致谢 在论文完成之际，回顾在合肥工业大学求学的三年风雨历程，特别是研究 生学习的这三年时光让我难以忘怀! 众多老师、同学、朋友和亲人对我的指导、 关心和支持则使我永生难忘! 首先衷心感谢我的导师一王铁军教授，在我攻读硕士学位的三年时间内给 予我亲切关怀和悉心培养。王老师严谨认真的治学态度和对学术孜孜追求的精 神深深影响了我。他渊博的学识和对学术问题的独到见解，对研究课题的敏锐 发现和研究方向的准确把握，都体现了很高的学术素养。 从开始收集与本论文相关资料，一直到论文的完成，我每一次取得的进步 都离不开王老师的许多悉心教导，给予了我很大帮助。王老师渊博的专业知识， 严谨的治学态度，严以律己、宽以待人的人格魅力对我影响深远，是我今后工 作生活的榜样。本论文从选题、方案的制定、具体工作进展到最后的完成，每 一步都是在王老师的指导下完成的，倾注了王老师大量的心血，在此谨向王老 师表示崇高的敬意和衷心的感谢。 本论文顺利完成，离不开各位老师、同学的关心和帮助。在此衷心感谢制 冷教研室各位老师指导和帮助，感谢各位同学的帮助，在此对他们表示诚挚的 谢意。 整个研究生学习期间，家人给予我很大的支持，最后在这里向他们表示最 深的谢意。 目录 第l 章绪论1 1 1 数据中心热管复合型空调模块研究背景及意义1 1 2 热管技术在数据中心空调领域的应用1 1 2 1 热管技术国内外研究现状1 1 2 2 热管技术在数据中心空调系统领域的应用4 1 3 本文主要研究内容6 第2 章热管技术基础理论研究。7 2 1 热管技术简介7 2 1 1 热管的基本结构及工作原理7 2 1 2 热管的基本特性及重要应用价值7 2 1 3 热管和热管换热器的类型和结构9 2 1 4 热管的传热极限1 3 2 2 分离式热管理论特性研究15 2 2 1 重力型分离式热管的结构特点及传热原理1 6 2 2 2 重力型分离式热管的特性17 2 2 3 重力型分离式热管的传热极限1 7 2 3 动力型分离式热管1 9 2 3 1 动力型分离式热管的结构形式及工作原理1 9 2 3 2 动力型分离式热管与重力型分离式热管的比较。1 9 2 4 本章小结2 0 第3 章3 5 k w 数据中心热管复合型空调模块设计计算21 3 1 热管复合型空调模块设计目的及依据2 1 3 1 1 设计目的2 1 3 1 2 技术要求2 1 3 2 热管复合型空调模块设计方案2 1 3 3 制冷单元设计计算2 4 3 3 1 制冷循环设计工况2 4 3 3 2 制冷单元热力计算2 5 3 3 3 冷凝器设计计算2 6 3 3 4 制冷单元系统附件3 0 3 4 热管单元设计计算31 3 4 1 热管循环设计工况3 1 3 4 2 热管单元工质的选择。31 3 4 3 热管单元热力计算3 2 3 4 4 冷凝器设计计算3 3 3 4 5 蒸发器的设计计算3 7 3 4 6 氟泵的选择4 3 3 4 7 热管单元系统附件选择4 4 3 5 换热器设计计算结果分析4 5 3 6 本章小结。4 6 第4 章热管工作性能模拟研究4 7 4 1 热管模型简化4 7 4 2 热管单元数学模型4 8 4 。3 热管单元模拟结果分析5 0 4 4 热管单元能量调节方式51 4 5 热管复合型空调系统全年运行能耗模拟分析5 2 4 6 本章小结5 7 第5 章工作总结及展望5 8 5 1 总结5 8 5 2 展望5 8 参考文献6 0 攻读硕士期间发表的论文6 4 攻读硕士期间申请的专利。6 4 插图清单 图2 1 热管工作原理示意图7 图2 2 重力式热管1 0 图2 3 回转式热管1 0 图2 4 径向热管：l1 图2 5 可变导热管结构及原理示意图1 2 图2 6 整体式热管换热器1 2 图2 7 热管传热极限1 4 图2 8c 3 0 0 0 数据中心1 6 图2 9 重力型分离式热管1 6 图2 1 0 动力型分离式热管示意图1 9 图3 1 热管复合型空调模块方案( a ) 2 2 图3 2 热管复合型空调模块方案( b ) 2 3 图3 3 热管复合型空调模块工作温区划分2 4 图3 4 制冷循环的妒忍图2 5 图3 5 流体温度变化图31 图3 6 热管循环过程示意图3 2 图3 7 屏蔽泵结构示意图4 3 图3 8 屏蔽泵预想性能曲线4 4 图3 9 储液罐安装高度示意图。4 5 图3 1 0v 型冷凝器结构示意图4 5 图4 1 动力型分离式热管式示意图4 7 图4 2 热管系统物理模型示意图= - 4 8 图4 3 热管单元制冷量随室外侧温度变化曲线5 0 图4 4 送风温度随室外侧温度变化曲线5 0 图4 5 热管单元能量调节方式示意图5 2 图4 6 北京地区标准气象年干球温度年度变化曲线5 4 图4 7 北京地区标准气象年全年各级干球温度频数图5 4 图4 8 热管复合型空调模块全年各工作模式运行时数及比例一5 5 图4 93 5 k w 热管复合型空调模块各工作温区运行总能耗5 6 表格清单 表3 1 制冷单元性能试验工况2 4 表3 2 制冷循环各状态点具体参数一2 5 表3 3 热力性能指标计算2 6 表3 4 冷凝器设计参数_ 2 6 表3 5 冷凝器结构参数3 0 表3 6 热管单元使用工况3 1 表3 7 热管循环各点热力状态参数3 2 表3 8 热力性能指标计算3 3 表3 9 冷凝器设计参数3 3 表3 1 0 系数甲及指数，2 3 5 表3 11 系数c 及指数m 3 5 表3 1 2 冷凝器结构参数3 7 表3 1 3 蒸发器设计参数3 7 表3 1 4 蒸发器结构参数4 2 表3 1 5 屏蔽泵性能参数表4 3 表4 13 5 k w 热管复合型空调模块全年运行能耗模拟计算结果5 5 表4 23 5 k w 热管型空调系统全年运行能耗模拟计算结果5 6 第1 章绪论 1 1 数据中心热管复合型空调模块研究背景及意义 伴随着我国信息化产业及数字化建设的快速发展，数据中心的建设速度大 大加快，其数量迅速增加，越来越成为能耗大户。为了响应国家节能减排发展 绿色经济的号召，数据中心的节能减排越来越受到重视。数据中心内各类数据 存储、交换和处理设备具有发热量大，且发热量持续稳定的特点，一般通信机 房空调热负荷达到3 0 0 w m 2 【。为了维持数据中心内设备正常运行所需要的温 湿度环境，数据中心空调系统必须全年全时的为数据中心提供所需的冷量。因 此，数据中心空调系统的能耗在数据中心总能耗中占有相当一部分比例。据统 计，数据中心空调系统消耗的电能可以占到数据中心总耗电量的4 0 6 0 【2 j 。 目前，我国电信业每年耗电量为2 0 0 多亿度，其中基站空调年耗电量就高达7 0 亿度。因此，数据中心空调系统的节能是数据中心节能减排的关键点1 3 ，4 j 。 由于数据中心具有显热负荷大、围护结构封闭的特点，即使在室外侧温度 低于数据中心室内侧的时间段，空调系统仍需继续运行为室内侧提供冷量。此 时，若能利用室外自然冷源对数据中心进行冷却，将大大降低数据中心空调系 统的能耗【5 8 】。传统的数据中心专用空调采用蒸气压缩式制冷技术能耗大，且在 温度较低的冬季，制冷系统还存在低温启动、润滑、能量调节等可靠性问题。 目前，利用室外空气低温冷源为室内侧提供冷量已成为数据中心节能减排的研 究热点，并有一定的工程应用，如直接采用新风系统，此外还有不同形式的气 气、气水热交换系统，以及采用热管技术的热管型机房空调【l 1 。但新风系统 不能保证机房内空气的，洁净度及湿度，无法杜绝室外的灰尘、水分等进入数据 中心内，对服务器等电子设备会造成损害【】2 】；气气、气水热交换系统在热负 荷较大和温度均匀度要求较高时，需要庞大的换热器面积以克服传热效率低的 弊端，占用空间大，经济性不佳；已有的热管型机房空调在利用室外自然冷源 为室内提供冷量和确保室内空气品质方面弥补了上述系统的不足，但现有复合 制冷技术和双冷源供冷技术是在某一温度点切换，室外低温冷源的利用不够充 分，同时还存在频繁切换、冷量能平稳衔接及可靠性等问题。为了实现数据中 心空调系统大幅度降低能耗，最大化利用室外自然冷源，实现室内余热的低成 本转移，本课题计划研发一种能够充分利用室外自然冷源的热管复合型空调系 统。 1 2 热管技术在数据中心空调领域的应用 1 2 1 热管技术国内外研究现状 热管是一种高效换热元件，由热管元件组成的换热器叫做热管换热器。热 管和热管换热器在当今工业中得到广泛的应用。从化工、石油、冶金、电力到 电子、航天、暖通空调热回收等，都可以看到热管和热管换热器的使用，并且 都会有一些创新的产品出现，推动着热管技术的进步和发展。 热管从发明至今已有近7 0 年历史。19 4 2 年，美国通用公司的r s g a u l e r l l 3 】 在美国专利( n o 2 3 5 0 4 3 8 ) 中首次提出了热管的概念及原理，但当时并没有使 用热管( h e a tp i p e ) 这个名称。他设想在一根封闭的管内充入某种工质，液体 工质在管内一端吸热蒸发后，在下方的某个装置里放热冷凝，在没有任何外力 的辅助下，冷凝液体借助管内毛细吸液芯产生的毛细力回到上方继续吸热蒸发， 如此不断循环，从而实现热量的持续转移，但最终他的这一设想并未得到工程 应用，直到1 9 6 4 年，热管“h e a tp i p e ”这个名词才第一次出现。美国l o sa 1 a m o s n a t i o n a l l a b o r a t o r v 的g r o v e r l l 4 】等人独立发明并制造出了类似于g a u l e r 专利中提 出的传热元件，他制作了不锈钢为管壳、纳为工作液体、金属丝网为毛细结构 材料的热管，并进行了实验与理论研究，研究结果表明热管的导热率超过任何 一种已知的金属，并在美国学术期刊“a p p l i e dp h y s i c s 上公开发表了一篇学 术论文，文中首次出现了热管“h e a tp i p e ”这个名称，从此以后此类传热元件 被统一命名为热管“h e a tp i p e ”。热管简单独特的结构及其优异的传热性能吸引 到大批学者对其进行理论与应用研究。1 9 6 5 年，较完整的热管理论由c o t t e r 【1 5 j 首次提出，这套理论的提出对之后热管理论研究工作有着相当重要的指导意义。 19 6 6 年，为了减小从冷凝段到蒸发段通道的压降，k a t z o m j 发明了一种带有干 道的热管。l e v y 、k e m m e 【1 7 1 和d e v e r a l l 【1 8 】以及b u s s e 【1 9 】在热管声速极限方面进 行了大量的研究。d u n n 2 0 】针对液态金属热管的启动过程专门提出了与之适用的 粘性极限理论。k a t z o 群2 k2 2 】提出了一种可控热管，而m a r c u s 进一步对这种可 控热管的设计和理论进行了完善。美籍华人田长霖【2 3 j 在双组分热管、毛细吸液 芯、热管内蒸汽流动以及热管性能方面进行了大量研究。 除了大量的理论研究，学者们也努力尝试着将热管应用于各个工程领域， 为热管开拓更宽广的应用市场。热管的首次应用是在卫星上进行温度控制。19 6 7 年，最先提出“热管 的美国l o sa l a m o s 国家实验室成功的将一根充入水作 为工质的实验用不锈钢热管送入地球卫星轨道，通过遥测技术获得热管运行性 能的实验数据，实验数据表明热管在失重条件下仍能成功运行【2 4 l 。1 9 6 8 年，热 管首次被应用在地球同步卫星上，用以减小卫星上不同仪器之间的温差，所使用 热管管壳材料为铝合金，管内充入工质r 1 1 1 2 5 j 。l9 6 9 年，美国将一颗安装有8 根环形热管的地球同步卫星发射上天，与没有安装热管的同类卫星相比，卫星 表面温差由1 l8 减小至1 4 【2 6 1 。众多工程实践证明热管用于空间技术具有及 其良好的效果。随后，越来越多的科学家致力于热管应用研究。19 6 9 年，日本 和苏联学者都在相关学术期刊上发表了关于热管应用的文章。为了冷却旋转物 体，g r a y 【2 7 】设计了一种称之为旋转热管的热管，旋转热管不需要毛细吸液芯， 而是利用管子自身旋转所产生的离心力使冷凝液体回到蒸发段。b i e n e r t 【2 副和 t u m e r 2 9 提出利用可变热导率热管热导率可变的特性，根据热流密度的变化改 变热管热导率，从而达到恒温控制的目的。不同类型、不同作用热管的出现大 大促进了热管技术的应用发展。除了在空间技术领域被广泛应用，热管还被应 用到电子工业领域中，为电子元器件冷却降温。19 6 9 年，s h u a k l a 【3 0 j 在文章中 首次介绍了热管换热器用于大功率半导体电子元器件冷却降温的工程应用，利 用热管换热器对电力机车上的电子器件进行冷却降温，热管换热器用在机车上 具有寿命长且重量轻的突出优点，热管换热器与传统换热元件相比重量减小了 8 0 。此外，由于热管具有等温特性，其还被大量用在半导体制造过程及测量 技术中，以维持半导体制造过程及测量时所需的恒温环境。随着热管理论及应 用技术的迅速发展，热管的应用范围越来越广，不仅仅局限于空间技术及电子 工业领域，还涉及到电机转子及高速轴承等机械部件的冷却降温。7 0 年代中期， 热管成功应用到医用手术刀上。19 7 4 年以后，由于能源问题日趋严重，科学家 们开始积极探索热管在能源节约及新能源开发利用领域的应用。经过探索发现 热管用于工业热回收具有极佳的效果，相继发明了用于回收热量的热管换热器 及热管锅炉等相关产品。关于热管在工业热回收领域的应用研究，美国和日本 走在了世界的前面。早在1 9 6 9 年，日本学者就已在文章中描述了一种为了回收 工业废热而设计的带有翅片的热管换热器，翅片增加了管外侧换热面积，从而 达到强化热管换热器换热效果的目的f 3 。7 0 年代中期，美国推出了热管换热器 的系列产品。1 9 8 0 年，美国q d o t 公司【3 2 】生产了一种能够利用工业高温废气的 热管锅炉，热量回收效果相当显著。日本帝人工程公司1 3 l j 也采用了与美国q d o t 公司类似的方法利用热管换热器回收工业废热为水预热，并利用热管换热器工 作温度可控的特性成功解决了露点腐蚀问题。19 8 4 年，c o t t e r 【3 j j 经过长期研究， 针对卫星热管提出了一套较完整的理论体系，并且对卫星热管的应用发展进行 了展望，为之后微型热管的研究应用奠定了理论基础。随后，热管的研究热点 转向了适用性强、结构灵活且能够以较小截面实现远距离大热量传输的回路热 管系统和毛细泵热管回路。 2 0 世纪7 0 年代初，我国学者开始进行大量的热管理论及应用研究，并获 得了突出的进展【22 1 。1 9 7 2 年，我国首次将一根纳热管投入工程应用，并取得了 良好的运行效果【3 4 】。最初，热管在我国的应用领域相当局限，主要用于空间技 术以及电子设备中电子元器件的冷却。7 0 年代中后期，我国也开始在卫星上使 用热管，利用热管换热器将电子设备产生的热量传递给电池，不仅冷却了电子 设备，还能够维持电池的正常工作温度1 22 1 。1 9 7 5 年，我国出版了第一部关于热 管研究应用发展状况的译著，对国内热管技术研究与应用的发展起到了启蒙及 推动作用。 由于我国是一个能源消耗大国，8 0 年代初期，我国热管研究应用的重点转 向了热量回收再利用领域，重点研究并推广了适用于工业热回收领域的碳钢- 水热管换热器，并先后开发了利用工业废热余热的热管锅炉、高温热管蒸汽发 生器以及气气热管换热器等不同用途、不同形式的热管产品【3 5 】。热管作为热回 收领域的有效手段，在我国得到了广泛的应用。我国学者对重力型热管换热器 的理论及应用进行了进一步的研究，得到了一些极具指导意义的研究成果，涉 及到重力型热管换热极限、分离式热管充液率等方面的问题。国内许多相关学 术会议以及学会年会都会开展热管相关技术应用的研讨，而且我国已连续召开 了几届全国性的热管技术应用研讨会议。1 9 9 2 年，第八次国际热管会议在北京 顺利召开，预示着我国的热管研究应用水平己与国际接轨。 几代科学家的努力研究使得我国热管的研究及应用日趋成熟完备。如今， 我国热管应用领域已相当广泛，例如空间技术、电子工业、化工、机械部件冷 却、工业热回收、锅炉、机载设备温控系统、基站以及雷达设备冷却系统等， 甚至还涉及到铁路道路修建领域。尤其值得一提的是，在修建青藏铁路时，为 了解决冻土路基冻融的难题，在青藏铁路冻土路基路段沿线埋入大量碳钢氨重 力型热管，重力型热管的蒸发段埋入冻土层，冷凝段露出地面，由于重力型热 管传热的单向性，热量只能沿与重力相反的反向传递，因此在冬季冻土层的热 量通过热管传递到路面上，避免了冻土层发生冻融而引起路基下陷1 36 | 。由于热 管的适用范围十分宽广，我国学者们针对热管不同应用领域，研制了适用于不 同工作环境下的热管，通过改变热管充注工质及热管结构使得热管与特定的工 作环境相匹配。例如，专门适用于高温环境下的高温热管换热器，适用于大热 量的大型热管换热器，中央空调热回收用的热管换热器、热管化学反应器、低 温热管换热器【35 j 等等。根据不同的应用场合，选取对应的热管。经过近4 0 年 的发展，我国热管技术研究及应用已相当成熟，已达到国际先进水平】。 进入2 1 世纪，热管研究与应用有了新的发展趋势，研究重点转向了不需要 毛细吸液芯而仅仅依靠重力使冷凝液回落的简单重力型热管以及蒸发段冷凝端 分开的分离式热管。另外，热管还朝着两个极端的方向发展能够传递大量 热量的大型热管以及体积十分小的微型热管【” 3 9 1 。 1 2 2 热管技术在数据中心空调系统领域的应用 热管技术在数据中心空调系统的应用源于热管技术在暖通空调热回收系统 应用的发展和延伸。早在19 6 9 年，为了回收工业废热，在日本就已经出现了带 有翅片热管束的空气加热器。澳大利亚学者w a d o w sk i t ，a k b a r z a d e h a ，a n d j o h n s o n 等人1 4 0 j 测试了多种暖通空调工况下热管换热器的换热性能，实验研究 了热管换热器在小温差时的传热效果，并通过实验证明了热管换热器用于回收 热量具有很好的效果，能够有效降低机组能耗，扩宽机组的工作范围。马来西 亚学者y hy a u 【4 卜4 3 】对热管换热器在手术室空调的热回收系统的应用进行了一 系列研究，利用系统流程模拟仿真软件t r n s y s 对系统能耗进行模拟计算，研 究表明在热回收设备和除湿设施中布置水平热管换热器，可以利用室外自然冷 源直接或间接为室内提供冷量，能够有效减小机组能耗，值得大力推广。埃及 学者m o s t a f aa 等人【删研究了热管换热器用于暖通空调系统中回收排风冷量， 用于冷却空调系统的新风，研究指出当进口新风温度与热管里工质工作温度相 匹配时，热管换热器能够接近最佳传热性能。 热管技术应用于暖通空调热回收系统中，可以有效回收热量以及利用室外 自然冷源，从而降低空调机组的能耗【4 5 7 1 。但国外学者的研究主要集中在热管 换热器在暖通空调热回收系统中的应用，很少涉及到热管技术在数据中心空调 系统中的工程应用。热管在暖通空调热回收系统中的应用研究为热管复合型数 据中心空调机组的应用研究奠定了理论及实践基础。 与国外相比，国内很多专家学者都进行了热管技术应用于数据中心空调系 统的研究，并有相关机组生产及投入使用。浙江大学陈光明的专利中h m 公开了 一种风冷式热管型机房空调系统，系统具有蒸汽压缩式制冷和热管循环制冷两 种工作模式。当室外温度三2 0 时，开启制冷模式，利用第一制冷工质冷却第 二制冷工质，再由第二制冷