- 项目背景
能源是人类得以生存的基本保障，已经成为了社会不可缺少的重要物质基础，最重要的是作为世界各国经济高速发展和社会进步的主要驱动力。在中国，经济得以迅速发展的同时必然也伴随着煤、石油等传统化石燃料的大量消耗，即使我国的能源蕴藏量数量很大，但由于近年来的超高速发展，我国的能源消费量增长速度也远大于世界大多数国家，大量能源依然需要进口。加之国际环境风云变幻，世界正经历百年未有之大变局与我国实现中华民族伟大复兴的战略全局不断演化，急需要走出一条可持续发展，可自我满足，不怕封锁的有别于传统能源道路的新路子。当前，我国正处于从高速发展阶段向高质量发展阶段转型的关键时期，能源的需求依然会不断增长。面对能源浪费越来越突出的问题，其中重要一点就是大量的低品位能源未能够充分利用，因此解决这一重大问题对于提高能源利用效率，实现节能减排的目标具有重大意义。国务院在《中国制造2025》中提出，要在2025年将单位工业增加值对CO2的排放量降低到2015年的60％[1]，并且，党中央甚至把减排作为了实现中华民族的伟大复兴一环，提出要在2050年实现碳中和的长远目标，也体现出中国人民的世界担当，同时，也对我国能源领域的广大科技工作者提出了较高的目标。目前的形势下，在常规热能利用中，约50％的被浪费，约67％的能源在工业生产中直接排放［2-3］，能源的巨大浪费尤使人担心。世界各国在环保人士和环境能源危机的压力下相继制定了节能减排目标［4］。近年来，低品位能源的利用已经引起了广大学者和研究人员的重视，对低品位能源的利用已经成为节能减排工作的重要环节，同时也是一个挑战。目前，对于低品位能源的利用主要集中在工业低温余热及新能源领域的地热能，生物质能和太阳能等，这些可再生能源相比于化石能源储量丰富且在利用过程中不产生污染，对优化能源结构促进节能减排具有重要意义[5]。 其中，电子设备的运行过程中，热量仍会大量产生，而目前解决这一问题的主要途径，主要是强迫风冷，强迫液冷，属于用能量驱散能量的方法，不仅不利于环保，而且浪费能源。即使现在各大电子芯片厂商都在提高制程，部分高端芯片运用的是5nm技术，但是对于算力的需求也在日益提升，电子设备大量散热，能源运用率低的局面并未得到显著改善。本项目试图利用传统的有机低温朗肯循环，利用电子设备的余热回收利用，实现能源高效利用。
图1.简单示意图
- 文献综述
对于电子设备的散热，目前的主要措施可以分为热传导，热对流以及辐射散热几种。区嘉洁[6]等在热流密度不大的情况下，以优化结构和安装方向，以场协同原理为理论支撑的散热研究开展较多。夏侯国伟[7]等在强迫风冷散热的研究中，得出其效率高于为自然风冷的5-10倍，另外，由于液体的导热性明显高于空气，因此强迫液冷散热效果明显优于强迫风冷散热，其散热能力可以达到风冷的6-10倍。张建等[8]研究表明，虽然强制风冷的散热效果不如强制液冷，但其复杂程度、体积、重量和后期维护方面明显优于液冷，而且成本较强制液冷低很多，因此在能够在大功率电力电子器件的热设计中广泛应用和快速发展。王德辉[9] 提出了将液态金属作为冷却工质应用于电子器件散热，并通过了仿真加实验的方法验证了液态金属应用于大功率电力电子器件液冷散热的可能性。目前已经应用于市场上的高端游戏笔记本（华硕玩家国度系列），官方显示，较传统风冷散热，噪音减小4%，温度降低12K。另外，有研究提出利用相变散热应用于电子元器件，其中分为了直接相变散热和间接相变散热两种。沈英东[10]等研究了大功率LED三维相变热沉设计及优化，将电子元器件直接沉浸与工质中，对工质的导电导热有较高的要求，目前在个人电脑领域，有部分爱好者制作了一类主机，将主机的主板等全部浸泡在工质中，但需要极高的工艺要求，笔者估计较难推广。刘海洋[11]等将工质与电子元器件分开，虽然对工质要求降低了，但导热性受导热元件影响较大。郭常青[12]等利用半导体材料的帕贴尔效应，研究了利用热电冷却效应的散热过程，但散热受限于热端散热能力，且系统整体较为复杂，应用较为困难。沈晶晶[13]等研究了利用重力热管效应进行散热的过程，发现可以使服务器的电子器件温度降低到347K。洪芳军[15]等研究了利用电子元器件的微通道散热，通过优化通道结构，实现良好的效果。但综上看来，目前的主要研究方向还是倾向于极限散热，甚至于不惜于浪费更多能源，对于节能减排的作用不大。
而在工业领域，近年来关于有机低温朗肯循环（ORC）的研究很多，因此笔者根据导师的指导，试图将传统工业领域的低温朗肯循环应用于电子器件的散热中去，打破传统散热依赖于强迫对流而再耗能源的局面。Saleh等[15]在热源温度低于100ordm;C的情况下，采用 BACKONE状态方程对30种氟化烷烃和烷烃类纯工质在 ORC 中的循环性能进行了研究。研究结果表明干工质的性能较湿工质更低。chanche等[16]在以太阳能为驱动热源的微型ORC 系统中，研究了20种纯工质的性能表现。研究结果显示在相同的外界条件和运行条件下，R134a，R152a和R600是最为合适的工质。Papadopoulos 等[17]借助计算机，提出了如何选用最优工质的方法。在驱动热源为80-200ordm;C的条件下，Lakew和Bolland[18]等研究发现，采用R227ea为循环工质时，ORC系统净输出功最大。Hettiarachchi等[19]以温度在 70-90ordm;C之间变化的地热水为驱动热源，以相同面积输出功最大为目标，研究发现氨的性能最差，而HCFC123和有机材料正戊烷的循环性能更为优秀。韩文龙[南航]等的研究显示，80ordm;C时，循环效率在8-10%。因此，在研究过程中，如何优化材料与结构设计将十分重要，本研究也将基于这些问题，寻求解决方法，进行模拟或试验验证。
3.研究方案
3.1研究内容：
本课题将围绕电子设备废热特征，分析通过低温朗肯循环来高效利用电子设备废热的可行性，建立低温朗肯循环的热力学模型，将从能量守恒和质量守恒等基本理论出发，首先确定各部件和系统的能量控制方程，并根据假设条件和不同参数之间的关系建立系统各部件传热模型和系统热效率及其它效率等性能仿真模型。然后根据不同假设条件建立不同设计方案，进行对比后遴选出最适合的系统设计方案。筛选电子设备温度范围最优工质，通过改变不同工况，分析流体流量、集热温度及蒸发温度等设计参数对系统热效率、火用效率和输出净功量等性能的影响。提出废热回收利用效率最优参数设计方法，建立朗肯发电系统与高效散热系统耦合最优参数。
3.2研究目标：
- 建立低温朗肯循环的热力学模型，筛选电子设备温度范围最优工质；
- 设计实验系统，验证其可行性并提出废热回收利用效率最优参数设计方法，建立朗肯发电系统与得出高效散热系统耦合最优参数；
3.3研究方法：
