數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析

王晶 林湧雙 朱坤元 林恩華

摘 要：該文設(shè)計(jì)了一種用于數(shù)據(jù)機(jī)房散熱用的熱管散熱器，建立了數(shù)值分析模型，通過(guò)熱分析軟件ICEPAK，對(duì)其使用時(shí)的溫度分布、流速分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。采用熱力學(xué)理論，對(duì)其換熱性能進(jìn)行了計(jì)算，得出其換熱功率可達(dá)900～1000W。并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)機(jī)房 熱管散熱器 功率 熱力學(xué)理論

中圖分類(lèi)號(hào)：TB657.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）02（a）-0089-02

有研究表明，在典型的數(shù)據(jù)中心的電力耗能中，IT設(shè)備、機(jī)房制冷和電源設(shè)備分別為5：4：1的關(guān)系[1]，從此可以看出機(jī)房空調(diào)運(yùn)行的能耗巨大。陳勝朋等分別從自然冷源、霧化噴淋降溫、智能控制及日常維護(hù)等方面分析和探討機(jī)房空調(diào)的節(jié)能技術(shù)[2]。侯福平介紹了應(yīng)用變頻技術(shù)、機(jī)房空調(diào)組自適應(yīng)控制、自然冷源、新型制冷劑和處理冷水機(jī)組空調(diào)水等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的原理[3]。可對(duì)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的研究均沒(méi)有涉及到空調(diào)周?chē)h(huán)境溫度的研究分析?，F(xiàn)有的南方地區(qū)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)一般采用中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)加末端（恒溫恒濕）空調(diào)風(fēng)柜形式，周峰等在對(duì)機(jī)房空調(diào)能耗研究發(fā)現(xiàn)，與室內(nèi)設(shè)定溫度相比，室外氣溫對(duì)空調(diào)能耗的影響較大，室外溫度提高1℃，空調(diào)能耗平均增加5%～6%[4]，因此對(duì)空調(diào)附近溫度進(jìn)行降溫，可以達(dá)到良好的節(jié)能效果。在機(jī)房回風(fēng)口處安裝熱管散熱器，對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)處理，降低空調(diào)附近環(huán)境溫度，能夠達(dá)到節(jié)能目的。

本文首先介紹數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，利用ICEPACK熱分析軟件對(duì)散熱器性能進(jìn)行數(shù)值模擬，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器的可行性。

1 數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

考慮到一般機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織采用下送風(fēng)上回風(fēng)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)：（1）下送風(fēng)方式是將低溫空氣直接從底部送到機(jī)柜內(nèi)，吸收機(jī)會(huì)內(nèi)通信設(shè)備的熱量后，從機(jī)房頂部回到空調(diào)機(jī)組頂部，空調(diào)風(fēng)流動(dòng)方向與空氣特性相一致，容易得到好的制冷效果（2）地板下的空間比風(fēng)管界面的面積要大得多，這就形成靜壓箱，靜電地板風(fēng)壓平衡，因此下送風(fēng)方式均勻，整個(gè)風(fēng)機(jī)區(qū)域的溫差小。

數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器是懸掛在機(jī)房出風(fēng)口外，充分利用空調(diào)冷凍水進(jìn)行冷卻。利用熱管主要考慮到熱管具有極高導(dǎo)熱性能，熱阻小的特點(diǎn)。一般情況下，用熱管制作的散熱器比實(shí)體散熱器的散熱性能可提高十倍以上。因此將熱管用在數(shù)據(jù)機(jī)房換熱器中是個(gè)優(yōu)化方案。在所設(shè)計(jì)的散熱器中，熱管與沖壓的薄鋁翅片互相組合完成主要吸熱部分的成型，組合方式采用一般熱管換熱器中熱管與翅片的帶彈性變形鈑金孔方式作過(guò)盈配合。結(jié)構(gòu)的冷凝部分主要由內(nèi)部貫通冷媒的兩塊鋁冷板組成，冷媒一般可以選擇數(shù)據(jù)機(jī)房自有的冷卻用水，內(nèi)流槽道使用線切割的方法成型出溝槽以提高換熱效率，鋁冷板與熱管的冷凝段作過(guò)盈配合。該換熱結(jié)構(gòu)可分拆成若干個(gè)散熱單元體，組合時(shí)可針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的單元數(shù)目。

圖1為數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器結(jié)構(gòu)示意圖，表1為數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器幾何參數(shù)，表2數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器翅片的幾何參數(shù)，表3數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器熱管的參數(shù)。

2 數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器數(shù)值模擬

該文應(yīng)用熱分析軟件ICEPAK對(duì)散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 建立模型

在建立模型時(shí)做以下假定：（1）假定流動(dòng)空氣為定常連續(xù)不可壓縮流體，在風(fēng)道內(nèi)做強(qiáng)制紊流流動(dòng)，其物理參數(shù)為常數(shù)。（2）散熱器放置在非封閉的空間，周?chē)臻g設(shè)定壓力為1.01×105Pa，同時(shí)設(shè)定環(huán)境溫度穩(wěn)定。（3）不考慮輻射散熱，由于模擬的是散熱器的散熱性能，不考慮散熱器升溫對(duì)環(huán)境空氣分布的影響。（4）進(jìn)風(fēng)速度假定為均勻。風(fēng)道出口與散熱器間留有足夠長(zhǎng)的距離以防止回流現(xiàn)象產(chǎn)生。（5）熱管與翅片接觸良好，接觸熱阻忽略不計(jì)。完成基本邊界條件設(shè)置后，進(jìn)行網(wǎng)格分化及后處理。

2.2 邊界條件

（1）流場(chǎng)邊界條件：假設(shè)流體水為定常連續(xù)不可壓縮的水，其性質(zhì)為定值，進(jìn)口速度均勻?yàn)?m/s。假定入口平均風(fēng)速為5m/s。（2）溫度邊界條件：環(huán)境溫度穩(wěn)定在30℃。（3）壁面邊界條件：由于不考慮輻射散熱，風(fēng)道的四個(gè)側(cè)面定義為wall類(lèi)型的表面，并設(shè)置為絕熱條件，同時(shí)不考慮散熱器升溫對(duì)空氣分布的影響，翅片邊界條件也設(shè)置為絕熱邊界條件。

2.3 數(shù)值模擬理論計(jì)算

2.3.1 以空氣為參數(shù)的數(shù)值模擬理論計(jì)算

根據(jù)圖3、圖4、圖5的ICEPAK軟件模擬結(jié)果，可看出30℃的空氣經(jīng)過(guò)散熱翅片后下降大約0.7℃，散熱體上部分出風(fēng)溫度大約為29.1℃，下部分出風(fēng)大約為29.5℃。在計(jì)算出風(fēng)溫度時(shí)按29.3℃計(jì)算，由圖3可看出回風(fēng)速度大約為4.5m/。所以單個(gè)散熱器單位時(shí)間換熱量的計(jì)算為：

式中：

q—— 散熱器單位時(shí)間換熱量 ；

Q—— 是總換熱量；

t—— 時(shí)間；

c—— 空氣比熱容；

m—— t時(shí)間內(nèi)參與換熱的空氣總質(zhì)量；

—— 進(jìn)出空氣溫度差；

—— 空氣流量4.5m/s×0.4m×0.6m；

—— 空氣密度

2.3.2 以冷水為參數(shù)的數(shù)值模擬理論計(jì)算

由圖2可以看出，冷水出口溫度大致為14.72℃，冷水進(jìn)水溫度設(shè)置為14℃，則進(jìn)出口溫度差為ΔT為0.72℃；流量為qv，管徑為10mm，流速為1 m/s。則冷水單位時(shí)間帶走的熱量的計(jì)算公式為：

式中：

q—— 散熱器單位時(shí)間換熱量；

c—— 水比熱容；

—— 進(jìn)出水溫度差；

—— 水的體積流量，πvD2/4（4個(gè)水道）；

D—— 水管直徑；

V—— 水速；

—— 水密度

可以看出以空氣和冷水為參數(shù)的模擬計(jì)算結(jié)果相差不大，因此可認(rèn)為每個(gè)散熱器單位時(shí)間換熱量為900～1000 W。

3 數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)條件

測(cè)試平臺(tái)包括風(fēng)扇，冰水機(jī)，數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器，數(shù)字風(fēng)速風(fēng)量計(jì)，紙箱，泡沫等。測(cè)試過(guò)程：設(shè)置冰水機(jī)供水溫度14℃，實(shí)際出水溫度（15～16℃）。利用數(shù)字風(fēng)速風(fēng)量計(jì)測(cè)定空氣風(fēng)速及進(jìn)出口溫度。

3.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試中分別對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器出風(fēng)口的上部、中部、下部溫度進(jìn)行采樣測(cè)試。用數(shù)字風(fēng)速風(fēng)量計(jì)測(cè)試上部、中部、下部出風(fēng)溫度分別為30.5℃、30.8℃、31.1℃。取平均溫度30.8℃，進(jìn)出口溫差0.7℃。

3.3 換熱計(jì)算

根據(jù)公式

式中：

q—— 散熱器單位時(shí)間換熱量；

Q—— 總換熱量；

t—— 時(shí)間；

c—— 空氣比熱容；

m—— t時(shí)間內(nèi)參與換熱的空氣總質(zhì)量；

—— 進(jìn)出空氣溫度差，31.5-30.8=0.7℃；

—— 空氣流量，4.2m/s×0.4m×0.6 m；

—— 空氣密度

ICEPAK數(shù)值模擬計(jì)算散熱器單位時(shí)間換熱量約為950W，實(shí)際測(cè)試散熱器單位時(shí)間換熱量為872W，實(shí)際和理論結(jié)果有一定的偏差，偏差為8.2%。存在偏差主要是以下原因：（1）ICEPAK對(duì)散熱器的建模和邊界條件進(jìn)行理想假定。（2）測(cè)試環(huán)境（如風(fēng)速、水溫、水速等）與數(shù)值模擬的偏差以及測(cè)試工具的精度。在工程應(yīng)用上，通常數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果之間誤差在15%內(nèi)認(rèn)為是正常的。因此可以認(rèn)定實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論數(shù)值模擬相符，即所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)熱管散熱器換熱量可以達(dá)到900～1000W，適合用在數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行節(jié)能散熱。

4 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)介紹了一種數(shù)據(jù)機(jī)房熱管散熱器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，采用熱管作為核心傳熱元件，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析。由模擬分析和試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房散熱用的熱管散熱器建立了數(shù)值分析模型，通過(guò)熱分析軟件ICEPAK，對(duì)其使用時(shí)的溫度分布、流速分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。采用熱力學(xué)理論，對(duì)其換熱性能進(jìn)行了計(jì)算，得出其換熱功率可達(dá)900～1000W。

（2）對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房散熱器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到散熱器換熱功率約為900W，在誤差范圍內(nèi)，可認(rèn)為實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論數(shù)值模擬相符，數(shù)據(jù)機(jī)房散熱器能夠達(dá)到良好的散熱效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐遠(yuǎn)明.高熱流密度服務(wù)器機(jī)柜散熱策略分析與實(shí)現(xiàn)[J].Computer Knowledge Technology.2009，5（15）：4043-4051.

[2] 陳勝朋，梁立平，陳紅，等.機(jī)房空調(diào)節(jié)能技術(shù)探討[J].制冷與空調(diào)（四川），2013， 27（5）：458-461.

[3] 侯福平.通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討[J].電信技術(shù)，2006（6）：20-21.

[4] 周峰，田昕，馬國(guó)遠(yuǎn).數(shù)據(jù)機(jī)房用熱管換熱器節(jié)能特性試驗(yàn)研究[J].土木建筑與環(huán)境工程，2011，33（1）：111-117

[5] KIM Kwang-soo，WON Myong-hee，KIM Jong-wook，el al. Heat pipe cooling technology for desktop PC CPU[J].Applied Thermal Engineering，2003，23；1137-1144

[6] 喜娜，白敏麗，徐哲，等.集成熱管散熱器的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，27（5）：868-870.

[7] 袁斌.矩形平翅片熱管散熱器的傳熱分析和數(shù)值模擬[J].江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006（12）：54-56.