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随着我国数据中心规模不断扩大，其能耗问题也备受关注，在数据中心能耗占比中，冷却散热系统能耗达到43％左右。而自然冷却技术因其高效、节能、成本低等优势在数据中心中具有较好的应用前景。目前相关研究主要集中于制冷能力、效率、结构形式、能量输配、驱动部件等系统性能参数上，对循环回路适配工质、内部工质气液转换及分布等运行状态的基础研究还不足，因此本文对自然冷却循环回路系统中工质的气液流动分布检测以及不同系统与工质的匹配情况进行了理论和实验研究，从而为提高数据中心自然冷却系统能效、实现气液两相高效转换提供理论依据。具体进行工作如下:
(1)设计并制作电容检测系统，利用电容检测系统对自然冷却循环回路系统管路内部进行工质电容测定，基于工质R22和R134a实验验证结果，优化传感器参数。结果表明:制冷剂工质电容值较水工质总体偏小相差10倍左右，但所制作电容检测系统能较好地区分工质种类及电容的变化。相同温度和液位下，R134a的电容值在136.76pF左右，而R22的则是在159.86pF左右。
(2)在不同工况下，分别对R134a、R410A、R290、R32、R125、R1234yf及R1234ze(E)等7种工质进行电容值测定，并与相应的理想管计算进行对比。理想管计算结果表明:七种工质的介电常数均随液位下降而减小，介电常数值在0.05-0.4之间;但液位≤30％时，R134a和R410A的介电常数反而增加，增幅在0.04-0.29之间。温度为变量时，液位在40％-100％时，工质介电常数随温度升高而下降，液位≤40％时，介电常数则会随温度升高而上升，其变化范围在0.002-0.02之间，不同工质对应的电容回升转折点液位略有不同。实验结果显示R290的变化规律与理论计算结果一致，但其他六种工质与理论结果不同，液位≥50％时，由于管内寄生电容和两相流动的存在，工质的电容值随温度上升而增加，增幅在0.1-2.3pF之间;液位＜50％时，R1234yf和R134a的电容值随温度的上升而增加，增幅在0.07-2.2pF左右;而R410A、R32、R125和R1234ze(E)的电容值则随温度的上升而下降，降幅在0.9-2.8pF之间。
(3)针对介质材料和管路气液两相状态对电容测定的影响，以管材介质为目标，对上述三种不同介质电容模型进行了对比分析，结果表明:液位较大(≥50％)且选用电导体材质会导致测定的变化规律与电绝缘材质刚好相反，紫铜管电容增加2.2-2.8pF，而石英管材质电容下降0.01-0.12pF;而液位较小时(＜50％)管材介质对电容检测没有影响，此外管内流型也对测量结果的变化趋势有一定影响。
(4)通过计算蒸发和冷凝段对流传热系数，研究工质种类、电容、流型、温度与传热系数间的耦合关系，揭示管内两相传热流动机理，结果表明:随温度的上升，所产生的气泡量及尺寸也会不断加大，并且电容值也会随之增加0.9-2.8pF不等;气泡和液膜的产生会影响管内气液密度不利于电容值检测，但却有利于传热效果改善。
上述结果从另一个侧面表明，工质不同，其在系统中的气液转换和分布也会有所变化，从而带来系统性能的差异。故，从不同工质构成基团角度，综合四种数据中心制冷剂工质冷却系统形式:
(5)分析不同工质基团对系统性能的影响规律，为系统工质选择提供参考。综合考虑环境因素、安全因素等筛选出17种工质的单原子基团(C、H、F)和多原子基团(C、CH、CH2、 CH3、 F)，在不同运行工况下，分别带入分离式热管系统、液泵驱动回路冷却系统、气泵驱动回路冷却系统及单级蒸汽压缩系统四种不同热力循环过程，比较分析不同基团对其系统制冷量和能效比的影响。结果表明:按单原子基团划分时，随着C原子数的增加，系统制冷量和EER均增加，每增加单位C原子，系统制冷量和能效比分别增加2.82-7.93kW和17.8％-48％，而当C原子数恒定时，系统制冷量和EER则与H、F原子数有关。按多原子基团划分时，C原子成键饱和度对系统制冷量和EER影响较大，含有CH3、CH2原子基团的工质制冷量和能效比较高，均大于平均值。
(1)设计并制作电容检测系统，利用电容检测系统对自然冷却循环回路系统管路内部进行工质电容测定，基于工质R22和R134a实验验证结果，优化传感器参数。结果表明:制冷剂工质电容值较水工质总体偏小相差10倍左右，但所制作电容检测系统能较好地区分工质种类及电容的变化。相同温度和液位下，R134a的电容值在136.76pF左右，而R22的则是在159.86pF左右。
(2)在不同工况下，分别对R134a、R410A、R290、R32、R125、R1234yf及R1234ze(E)等7种工质进行电容值测定，并与相应的理想管计算进行对比。理想管计算结果表明:七种工质的介电常数均随液位下降而减小，介电常数值在0.05-0.4之间;但液位≤30％时，R134a和R410A的介电常数反而增加，增幅在0.04-0.29之间。温度为变量时，液位在40％-100％时，工质介电常数随温度升高而下降，液位≤40％时，介电常数则会随温度升高而上升，其变化范围在0.002-0.02之间，不同工质对应的电容回升转折点液位略有不同。实验结果显示R290的变化规律与理论计算结果一致，但其他六种工质与理论结果不同，液位≥50％时，由于管内寄生电容和两相流动的存在，工质的电容值随温度上升而增加，增幅在0.1-2.3pF之间;液位＜50％时，R1234yf和R134a的电容值随温度的上升而增加，增幅在0.07-2.2pF左右;而R410A、R32、R125和R1234ze(E)的电容值则随温度的上升而下降，降幅在0.9-2.8pF之间。
(3)针对介质材料和管路气液两相状态对电容测定的影响，以管材介质为目标，对上述三种不同介质电容模型进行了对比分析，结果表明:液位较大(≥50％)且选用电导体材质会导致测定的变化规律与电绝缘材质刚好相反，紫铜管电容增加2.2-2.8pF，而石英管材质电容下降0.01-0.12pF;而液位较小时(＜50％)管材介质对电容检测没有影响，此外管内流型也对测量结果的变化趋势有一定影响。
(4)通过计算蒸发和冷凝段对流传热系数，研究工质种类、电容、流型、温度与传热系数间的耦合关系，揭示管内两相传热流动机理，结果表明:随温度的上升，所产生的气泡量及尺寸也会不断加大，并且电容值也会随之增加0.9-2.8pF不等;气泡和液膜的产生会影响管内气液密度不利于电容值检测，但却有利于传热效果改善。
上述结果从另一个侧面表明，工质不同，其在系统中的气液转换和分布也会有所变化，从而带来系统性能的差异。故，从不同工质构成基团角度，综合四种数据中心制冷剂工质冷却系统形式:
(5)分析不同工质基团对系统性能的影响规律，为系统工质选择提供参考。综合考虑环境因素、安全因素等筛选出17种工质的单原子基团(C、H、F)和多原子基团(C、CH、CH2、 CH3、 F)，在不同运行工况下，分别带入分离式热管系统、液泵驱动回路冷却系统、气泵驱动回路冷却系统及单级蒸汽压缩系统四种不同热力循环过程，比较分析不同基团对其系统制冷量和能效比的影响。结果表明:按单原子基团划分时，随着C原子数的增加，系统制冷量和EER均增加，每增加单位C原子，系统制冷量和能效比分别增加2.82-7.93kW和17.8％-48％，而当C原子数恒定时，系统制冷量和EER则与H、F原子数有关。按多原子基团划分时，C原子成键饱和度对系统制冷量和EER影响较大，含有CH3、CH2原子基团的工质制冷量和能效比较高，均大于平均值。