數據中心熱管背板空調熱管充液率對系統能效的影響研究

2022-01-10 11:39:50朱向東馬衛兵劉帥領

通信電源技術 2021年14期

朱向東，馬衛兵，劉帥領

（1.中國移動通信集團湖南有限公司,湖南長沙 430100；2.北京工業大學，北京 100124）

0 引言

隨著政府政策及社會實際生產生活需求的引導，數據中心建設需求呈爆炸式遞增，同時碳中和、碳達峰雙碳思想的逐步貫徹，發改委與工信部對于數據中心能耗管控要求也逐年增高，如何使得數據中心既要保持行業內競爭優勢，提升機架裝機密度的同時，做好高密度服務器散熱及機房節能成為數據中心新的考驗。熱管型背板空調作為一種機柜級冷卻新型空調末端，安裝于機柜背面，貼近機柜內熱源為IT設備進行精確供冷，對于降低數據中心局部熱點、實現高熱密度機柜冷卻、降低數據中心PUE具有十分重要的意義，是解決機房高熱密度部署和提高機房面積利用率最佳的選擇。

充液率對熱管性能影響較大，其表示工質的充注量與熱管內部總容積之比，張瑞瑛等基于不銹鋼—水重力熱管，實驗研究了變傾角在不同充液率（15%、30%和45%）下對傳熱的影響，分析討論了傾角對壁溫時間響應特性、上下壁面溫差分布及傳熱系數等傳熱性能的影響[1]。蒸發段和冷凝段管壁上下表面傳熱系數均隨傾角增大呈先增后減的趨勢。卿倩等研究了重力熱管內部的相變及傳熱過程，計算了4種不同充液率下熱管的壁溫分布及熱阻大小，發現熱管總熱阻隨著加熱功率的增大而減少[2]。禹法文等開展了矩形槽道鋁—乙醇小型重力熱管的傳熱特性的實驗研究，分析討論了充液率對壁面溫度分布、氣液兩相分布、熱阻等熱管傳熱性能的影響，發現低充液率時,液塞易被氣流沖破形成環狀流,壁面溫度幾乎無波動[3]。中等充液率時,在蒸汽和液塞的交替沖刷作用下，熱管各段壁面溫度均表現出脈動特性。高充液率時，液塞脈動速度的減小削弱了液塞對壁面的沖刷作用,壁面溫度未出現明顯波動，同時中等充液率工況下氣液兩相的快速脈動增強了熱管的傳熱性能,使得均溫性和傳熱極限均優于低充液率和高充液率的情況。王建國等研究了熱管不同充液率條件下煤堆內部高溫點的降溫速率[4]。研究結果表明，熱管可以有效地破壞煤堆內部蓄熱環境，充液率對熱管的傳熱性能有明顯影響。王迅等研究了銅-水鏈式平板型環路熱管不同熱負荷、不同充液率、不同傾角對其啟動特性的影響，發現環路熱管啟動過程中,蒸發器內部相變產生的氣體有兩次匯聚過程,熱管穩定運行階段,主要集中在蒸發器前段,所占體積較大且形狀較為規則[5]。熱管啟動過程中存在兩次溫升,分別以金屬導熱和沸騰傳熱為主要原因,后者導致的溫升速率明顯大于前者。

考慮市面上未對數據中心熱管背板空調充液率對系統性能影響進行專項研究，本文通過建立數學模型對重力型熱管背板空調系統進行模擬計算研究，同時選取A品牌7 kW重力熱管背板空調，依據GB50174—2017《數據中心設計規范》，GB/T 19413—2010《計算機和數據處理機房用單元式空氣調節機》、GB/T 17758—2010 《單元式空氣調節機》，采用50 kW焓差實驗臺，研究了本次重力熱管背板空調不同能力需求下冷媒充注量對性能的影響，并與理論計算結果進行對比分析。

1 模擬計算

1.1 系統工作原理

重力型熱管背板系統主要由CDU、蒸發器、連接管路組成，如圖1所示。其工作原理為服務器排出的廢熱（35～40 ℃）與安裝在機柜背面的背板空調蒸發器內的工質進行熱交換后變成冷風（23～25 ℃），在背板空調風扇的作用下循環至室內環境。重力熱管型背板空調內的工質通過相變傳熱，工質受熱后由液態變為氣態，通過氣管將熱量帶至CDU換熱，在CDU內再次完成相變傳熱，工質冷卻后由氣態變為液態，液態循環工質依靠自身重力回流到背板空調，構建了一個完整的熱力循環。

圖1 重力熱管背板空調系統圖

1.2 整體性原則

通過建立數學模型對重力型熱管背板空調系統進行模擬計算研究，系統分為3個部分進行模擬計算，其中包括蒸發器模型、CDU冷凝器模型和上升下降管絕熱模型，系統各部件相互耦合，分析系統熱管充液率等參數對性能的影響。

系統在模擬計算中滿足質量守恒方程、能量守恒方程和動量守恒方程，為方便系統迭代計算，對系統做出如下假設：

（1）管內制冷劑及管外空氣均作一維計算，沿管長方向，制冷劑和空氣物性一致，不考慮管壁熱阻；

（2）忽略系統向外界的漏熱；

（3）換熱器通道內的制冷劑流量均勻分配，不考慮制冷劑壓降；

（4）忽略管內外的污垢熱阻；

（5）忽略管內其他雜質及污垢影響；

（6）在換熱器進口截面上，空氣均勻分布且進口速度一致。

1.3 蒸發器模型

1.3.1 制冷劑側模型

蒸發器制冷劑側模型和冷凝器制冷劑側模型相似。根據制冷劑在蒸發器中的狀態，可分為單相區和兩相區，通過微元段制冷劑出口狀態采用不同的換熱關聯式和壓降關聯式。

（1）單相區

蒸發器中過熱區對流換熱系數由Dittus-Boeler換熱關系式計算[6]：

式中，Re為制冷劑氣體雷諾數；Pr為制冷劑氣體普朗特數。

（2）兩相區

蒸發器中兩相區對流換熱系數采用Kandlikar提出的制冷劑管內沸騰通用關聯式：

式中，αrefr.l為液相單獨流過管內的表面傳熱系數，W/（m2·K）；αrefr為管內沸騰兩相表面傳熱系數，W/（m2·K）；C1—C5為制冷劑R134a選取的特征數，C1為1.136，C2為-0.9，C5為0.3，C3為667.2，C4為0.7；C0為對流特征數；Ffl為液相弗勞德數；B0為沸騰特征數。

式中，Rel為制冷劑液體雷諾數；Prl為液相普朗特數；λl為液相導熱率，W/（m2·K）；dl為管內徑。

式中，G為質量流率，kg/（m2·s）；X為質量含氣率（干度）；μl為液相動力黏度，Pa·s。

式中，ρg為制冷劑氣相密度，kg/m3；ρl為液相密度，kg/m3。

式中，ψ為熱流密度，W/m2；rrefl氣化潛熱，J/kg；g為重力加速度，m/s2。

1.3.2 空氣側模型

由于數據中心背板空調系統不允許換熱器表面凝露，換熱器表面只進行顯熱交換，為此不需要考慮室內側相對濕度對系統性能的影響

式中，e為翅根直徑；s為翅片間距；s1為沿空氣流動方向管間距；N為管排數。

1.4 連接管路模型

本文將系統的連接管路按絕熱處理，即與環境之間沒有熱交換，在模擬計算中按等焓處理。系統的連接管路包括集液管、集氣管、上升管和下降管。對于連接管路的壓降主要包括重力壓降和阻力壓降。其中阻力壓降包括沿程阻力壓降和局部阻力壓降，阻力壓降和重力壓降計算式如下：

式中，ΔPc、ΔPm分別為阻力壓降和重力壓降，Pa；λ為沿程阻力系數；H為上升管或下降管高度，m；ρr為制冷劑密度，kg/m3。

1.5 模擬計算結果分析

室內側空氣干球溫度為35℃，CDU進水溫度為14℃，流量為0.68 m3/h，背板空調蒸發側風量為1 930 m3/h，由于數據中心背板空調系統不允許換熱器表面凝露，換熱器表面只進行顯熱交換，為此不需要考慮室內側相對濕度對系統性能的影響。通過迭代計算，迭代結果如圖2所示，系統制冷量隨著充液率的增加先增加后降低，在70%時為最佳充液率，并且充液率超過最佳充液率時，系統制冷量下降幅度較小。在不明確系統最佳充液率時，為保證系統制冷量應選擇較大的充液率。

圖2 制冷量隨充液率的變化關系

2 試驗測試

本人選取A品牌7 kW、B品牌7.5 kW重力熱管背板空調，依據GB50174—2017《數據中心設計規范》，GB/T 19413—2010《計算機和數據處理機房用單元式空氣調節機》、GB/T 17758—2010 《單元式空氣調節機》，采用50 kW焓差實驗臺，對本次重力熱管背板空調不同能力需求下冷媒充注量下對性能的影響進行對比研究。系統由圍護結構、空氣處理設備、風量焓差測量裝置、電氣設備等組成，通過測定實驗室溫濕度、風量壓力、壓差以及電氣性能等參數，使用空氣焓差法，對空調器的送風參數、回風參數以及循環風量進行測量，用測出的風量與送風、回風焓差的乘積，進行空調制冷量、制熱量及其他各種性能的測試。

其實驗原理如圖3所示。

圖3 焓差實驗室測定原理

實驗測試中控制冷凝側循環水進水溫度為14 ℃，水流量為0.68 m3/h，蒸發側設置環溫35℃恒定，由于數據中心背板空調系統不允許換熱器表面凝露，換熱器表面只進行顯熱交換，為此不需要考慮室內側相對濕度對系統性能的影響。其中制冷劑選用R134a，實驗中所用的溫度、壓力、流量及電功率等儀表均達到了相關規定的精度要求。

測試結果:控制冷凝側循環水進水溫度為14 ℃，水流量為0.68 m3/h，蒸發側設置環溫35℃恒定，送風溫度22.5℃，額定工況下A品牌與B品牌熱管背板空調系統制冷量與充液率的關系如圖4所示。

由圖4（a）和圖4（b）可知，制冷劑種類相同，不同品牌、不同型號重力型熱管背板空調制冷量隨著充液率的增加呈現先增加后降低的趨勢，均存在一個最佳充液率，且最佳充液率在70%左右。當充液率超過70%后，制冷量逐步降低，充液率達到100%時，A品牌熱管背板空調制冷量較最佳充液率時的制冷量衰減6.7%，B品牌制冷量較最佳充液率時的制冷量衰減6.5%。