王晶 林湧雙 朱坤元 林恩華

摘 要：該文設計了一種用于數(shù)據(jù)機房散熱用的熱管散熱器，建立了數(shù)值分析模型，通過熱分析軟件ICEPAK，對其使用時的溫度分布、流速分布進行了數(shù)值模擬分析。采用熱力學理論，對其換熱性能進行了計算，得出其換熱功率可達900～1000W。并通過試驗進行了驗證。

關鍵詞：數(shù)據(jù)機房 熱管散熱器 功率 熱力學理論

中圖分類號：TB657.2 文獻標識碼：A 文章編號：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設備、機房制冷和電源設備分別為5：4：1的關系[1]，從此可以看出機房空調(diào)運行的能耗巨大。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等方面分析和探討機房空調(diào)的節(jié)能技術[2]。侯福平介紹了應用變頻技術、機房空調(diào)組自適應控制、自然冷源、新型制冷劑和處理冷水機組空調(diào)水等技術手段實現(xiàn)通信機房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的原理[3]?？蓪C房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的研究均沒有涉及到空調(diào)周圍環(huán)境溫度的研究分析?，F(xiàn)有的南方地區(qū)機房空調(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)風柜形式，周峰等在對機房空調(diào)能耗研究發(fā)現(xiàn)，與室內(nèi)設定溫度相比，室外氣溫對空調(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]，因此對空調(diào)附近溫度進行降溫，可以達到良好的節(jié)能效果。在機房回風口處安裝熱管散熱器，對空氣進行預處理，降低空調(diào)附近環(huán)境溫度，能夠達到節(jié)能目的。

本文首先介紹數(shù)據(jù)機房熱管散熱器的結(jié)構和特點，利用ICEPACK熱分析軟件對散熱器性能進行數(shù)值模擬，最后進行實驗研究，得出數(shù)據(jù)機房熱管散熱器的可行性。

1 數(shù)據(jù)機房熱管散熱器結(jié)構和特點

考慮到一般機房內(nèi)氣流組織采用下送風上回風，這種方式的優(yōu)點：（1）下送風方式是將低溫空氣直接從底部送到機柜內(nèi)，吸收機會內(nèi)通信設備的熱量后，從機房頂部回到空調(diào)機組頂部，空調(diào)風流動方向與空氣特性相一致，容易得到好的制冷效果（2）地板下的空間比風管界面的面積要大得多，這就形成靜壓箱，靜電地板風壓平衡，因此下送風方式均勻，整個風機區(qū)域的溫差小。

數(shù)據(jù)機房熱管散熱器是懸掛在機房出風口外，充分利用空調(diào)冷凍水進行冷卻。利用熱管主要考慮到熱管具有極高導熱性能，熱阻小的特點。一般情況下，用熱管制作的散熱器比實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)機房換熱器中是個優(yōu)化方案。在所設計的散熱器中，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盈配合。結(jié)構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盈配合。該換熱結(jié)構可分拆成若干個散熱單元體，組合時可針對實際應用場合選擇合適的單元數(shù)目。

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

2 數(shù)據(jù)機房熱管散熱器數(shù)值模擬

該文應用熱分析軟件ICEPAK對散熱器進行數(shù)值模擬。

2.1 建立模型

在建立模型時做以下假定：（1）假定流動空氣為定常連續(xù)不可壓縮流體，在風道內(nèi)做強制紊流流動，其物理參數(shù)為常數(shù)。（2）散熱器放置在非封閉的空間，周圍空間設定壓力為1.01×105Pa，同時設定環(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環(huán)境空氣分布的影響。（4）進風速度假定為均勻。風道出口與散熱器間留有足夠長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。完成基本邊界條件設置后，進行網(wǎng)格分化及后處理。

2.2 邊界條件

（1）流場邊界條件：假設流體水為定常連續(xù)不可壓縮的水，其性質(zhì)為定值，進口速度均勻為1m/s。假定入口平均風速為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，風道的四個側(cè)面定義為wall類型的表面，并設置為絕熱條件，同時不考慮散熱器升溫對空氣分布的影響，翅片邊界條件也設置為絕熱邊界條件。

2.3 數(shù)值模擬理論計算

2.3.1 以空氣為參數(shù)的數(shù)值模擬理論計算

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)過散熱翅片后下降大約0.7℃，散熱體上部分出風溫度大約為29.1℃，下部分出風大約為29.5℃。在計算出風溫度時按29.3℃計算，由圖3可看出回風速度大約為4.5m/。所以單個散熱器單位時間換熱量的計算為：

式中：

q—— 散熱器單位時間換熱量 ；

Q—— 是總換熱量；

t—— 時間；

c—— 空氣比熱容；

m—— t時間內(nèi)參與換熱的空氣總質(zhì)量；

—— 進出空氣溫度差；

—— 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)值模擬理論計算

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

式中：

q—— 散熱器單位時間換熱量；

c—— 水比熱容；

—— 進出水溫度差；

—— 水的體積流量，πvD2/4（4個水道）；

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)的模擬計算結(jié)果相差不大，因此可認為每個散熱器單位時間換熱量為900～1000 W。

3 數(shù)據(jù)機房熱管散熱器試驗驗證

3.1 試驗條件

測試平臺包括風扇，冰水機，數(shù)據(jù)機房熱管散熱器，數(shù)字風速風量計，紙箱，泡沫等。測試過程：設置冰水機供水溫度14℃，實際出水溫度（15～16℃）。利用數(shù)字風速風量計測定空氣風速及進出口溫度。

3.2 測試結(jié)果

測試中分別對數(shù)據(jù)機房熱管散熱器出風口的上部、中部、下部溫度進行采樣測試。用數(shù)字風速風量計測試上部、中部、下部出風溫度分別為30.5℃、30.8℃、31.1℃。取平均溫度30.8℃，進出口溫差0.7℃。

3.3 換熱計算

根據(jù)公式

式中：

q—— 散熱器單位時間換熱量；

Q—— 總換熱量；

t—— 時間；

c—— 空氣比熱容；

m—— t時間內(nèi)參與換熱的空氣總質(zhì)量；

—— 進出空氣溫度差，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)值模擬計算散熱器單位時間換熱量約為950W，實際測試散熱器單位時間換熱量為872W，實際和理論結(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對散熱器的建模和邊界條件進行理想假定。（2）測試環(huán)境（如風速、水溫、水速等）與數(shù)值模擬的偏差以及測試工具的精度。在工程應用上，通常數(shù)值模擬結(jié)果和試驗結(jié)果之間誤差在15%內(nèi)認為是正常的。因此可以認定實際測試結(jié)果與理論數(shù)值模擬相符，即所設計的數(shù)據(jù)熱管散熱器換熱量可以達到900～1000W，適合用在數(shù)據(jù)機房進行節(jié)能散熱。

4 結(jié)論

該文設計介紹了一種數(shù)據(jù)機房熱管散熱器的結(jié)構和特點，采用熱管作為核心傳熱元件，對其進行結(jié)構設計及性能分析。由模擬分析和試驗得出以下結(jié)論：

（1）對數(shù)據(jù)機房散熱用的熱管散熱器建立了數(shù)值分析模型，通過熱分析軟件ICEPAK，對其使用時的溫度分布、流速分布進行了數(shù)值模擬分析。采用熱力學理論，對其換熱性能進行了計算，得出其換熱功率可達900～1000W。

（2）對數(shù)據(jù)機房散熱器進行試驗驗證，得到散熱器換熱功率約為900W，在誤差范圍內(nèi)，可認為實際測試結(jié)果與理論數(shù)值模擬相符，數(shù)據(jù)機房散熱器能夠達到良好的散熱效果。

參考文獻

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