系統識別號 | U0002-0407201710413300 |
---|---|
DOI | 10.6846/TKU.2017.00101 |
論文名稱(中文) | 應用於機房散熱之熱管散熱器研究 |
論文名稱(英文) | The Research of Data Center Cooling Using Heat Pipes Heat Exchanger |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 機械與機電工程學系博士班 |
系所名稱(英文) | Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 105 |
學期 | 2 |
出版年 | 106 |
研究生(中文) | 李哲尹 |
研究生(英文) | Che-Yin Lee |
學號 | 800370016 |
學位類別 | 博士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2017-06-23 |
論文頁數 | 81頁 |
口試委員 |
指導教授
-
李世鳴
委員 - 李世鳴 委員 - 林顯群 委員 - 陳增源 委員 - 楊龍杰 委員 - 管衍德 |
關鍵字(中) |
能源使用效率 自然冷卻 熱管 田口法 熱管散熱器 |
關鍵字(英) |
PUE Free Cooling Heat pipe Taguchi method Heat Pipe Heat Exchanger |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
大數據時代的來臨,強悍的電腦運算速度、大量的資料儲存空間及高速的網際網路需求造就大量資料中心的興起。而在全球暖化、資源短缺的21世紀,如何將資料中心的耗能降到最低,即將資料中心的能源使用效率(PUE),降到最低是現今非常重要的節能減排課題。 空調是資料中心耗能最大的來源,自然冷卻是降低空調耗能最佳的手段,本研究嘗試以熱管散熱器來達到資料中心自然冷卻的目的。本研究分成三部分,第一部分是以田口法做虹吸熱管的各種參數,包括真空度、填充率、展弦比、傾斜角做最佳化模擬。第二部分是將熱管組成熱管散熱器之參數,包括鰭片間距、鰭片厚度、熱管排列做最佳化模擬分析,第三部份是將熱管散熱器放置於資料中心內的參數,包括熱管散熱器的數量、熱管散熱器的配置做最佳化模擬分析。 最後的結果顯示本研究所採用之數值離散方法確實對於虹吸熱管物理機制及傳熱性能分析具有適用性,也與實驗值相當一致、經數值模擬後熱管散熱器性能與實驗值相當吻合及資料中心節能率實驗值也與數值模擬值非常接近,並能得到最佳熱管散熱器的配置與數量。本研究能以最佳化的熱管、熱管散熱器設計及熱管散熱器配置來實現最低的資料中心PUE及最佳的節能率。 |
英文摘要 |
Big data age, the advent of powerful computer computing speed, a lot of data storage space and high-speed Internet needs to create a large number of data center rise. In the 21st century, the global warming and resource shortages, how to minimize the energy consumption of the data center, that is, the data center PUE (Power Usage Effectiveness) to a minimum is now very important energy-saving emission reduction issues. Air conditioning is the most power consumption of data center, Free Cooling is the best way to reduce the power consumption of air conditioning, this study attempts to heat pipe heat exchanger to achieve the purpose of Free Cooling data center. This study is divided into three parts, the first part is the Taguchi method to do various parameters of the thermosyphon, including the vacuum, filling rate, aspect ratio, incline angle to do the optimization simulation, the second part is the heat pipe heat exchanger parameters , including fin spacing, fin thickness, heat pipe arrangement to do the best simulation analysis, the third part is the heat pipe heat exchanger placed in the data center parameters, including the number of heat pipe heat exchanger, heat pipe heat exchanger configuration to do optimization simulation analysis. This study aims to achieve the lowest data center PUE (Power Usage Effectiveness) with optimized heat pipe heat exchanger arrangement and heat pipe heat exchanger design. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 目錄 VI 表目錄 VIII 符號索引 X 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機 2 1.3 虹吸熱管 9 1.4 自然冷卻 ( Free Cooling) 15 1.5 風側自然冷卻法 18 1.6 文獻回顧 18 第二章 數學及物理模型 25 2.1 虹吸熱管模擬模型 25 2.2 二相流模式概述 25 2.3 基本假設和統御方程式 28 2.4 初始條件與邊界條件 31 2.5 最佳填充率 31 2.6 熱阻定義 32 2.7 田口法 32 2.8 熱管熱交換器模擬模型 36 2.9 機房模擬模型 37 第三章 數值方法 40 3.1 概述 40 3.2 有限體積法( Finite Volume Method ) 40 3.3 離散法則 41 3.4 離散項數值求解方法 43 3.5 數值模擬設定 43 3.6 數值模擬流程 44 第四章 結果與討論 47 4.1 虹吸熱管數值驗證 47 4.2 熱管熱交換器數值驗證 64 4.3 案例一電信機房實證 65 4.4 案例二電信機房模擬分析 70 第五章 結論與未來展望 74 5.1 結論 74 5.2 未來研究方向 76 參考文獻 77 論文著述目錄 80 期刊論文 80 專利 81 圖目錄 圖1-1 原油月比較趨勢圖(美金/桶) 1 圖1-2 資料中心所面臨挑戰 2 圖1-3 資料中心的硬體設備耗電量 4 圖1-4 目前機房常用的散熱方式 5 圖1-5 企業機房PUE值一覽 7 圖1–6 傳統熱管 8 圖1–7 平板熱管 8 圖1–8環路熱管 8 圖1–9 熱柱 9 圖1–10 虹吸熱管示意圖 13 圖1–11 單管式虹吸熱管示意圖 14 圖1–12 迴路式虹吸熱管示意圖 15 圖1-13直接式水側自然冷卻流程示意圖 16 圖1-14間接式水側自然冷卻流程示意圖 17 圖1-15熱管熱交換器 17 圖1–16 虹吸熱管蒸發端長度比示意圖 19 圖1–17 虹吸熱管蒸發冷凝時程圖 20 圖1–18 虹吸熱管溫度分布圖 21 圖1–19 虹吸熱管路堤計算模型圖 22 圖1–20 虹吸熱管溫度分布圖 23 圖2–1 台隆節能3kW熱交換器 36 圖2–2 案例一電信機房 37 圖2–3 案例二電信機房 38 圖2–4 ASHRAE 機房設備入口溫、濕度規範 39 圖3–1 有限體積法二維控制體積示意圖 41 圖3–2 SIMPLE算則流程圖 45 圖3–3 數值模擬流程圖 46 圖4–1 M. Karthikeyan實驗模型 52 圖4–2 近邊加密網格示意圖 52 圖4–3 液汽相變化示意圖 53 圖4–4 30秒虹吸熱管底部蒸發現象 53 圖4–5 30秒虹吸熱管頂部蒸汽 54 圖4–6 30秒虹吸熱管壁面冷凝現象 54 圖4–7 30秒虹吸熱管底部液體 55 圖4–8 60秒虹吸熱管頂部蒸汽 55 圖4–9 60秒虹吸熱管底部液體 56 圖4–10 實驗與模擬比較圖 56 圖4–11 網格數31,360網格分佈 57 圖4–12 網格數62,720網格分佈 57 圖4–13 網格數87,220網格分佈 58 圖4–14 不同網格數壁面溫度比較圖 58 圖4–15 不同真空度比較圖 59 圖4–16 不同填充率比較圖 59 圖4–17 不同展弦比比較圖 60 圖4–18 不同傾斜角比較圖 60 圖4–19 因子回應圖 61 圖4–20 合肥通用機電產品檢測院熱交換器測試報告 64 圖4–21全年實測節能率 66 圖4–22 聯動模式下設備入口溫度分布圖 68 圖4–23 6部6kW熱交換器設備入口溫度分布圖 71 圖4–24 8部6kW熱交換器設備入口溫度分布圖 71 圖4–25 10部6kW熱交換器設備入口溫度分布圖 72 圖4–26 熱交換器冷卻能力比與空調取代率及節能率圖 72 表目錄 表1 1 去離子水與奈米流體熱通量比較表 22 表2 1 模型尺寸 25 表2 2 L9(34)直交表 33 表3 1 變量參數表 42 表4 1 模擬數據 61 表4 2 不同傾角模擬數據 62 表4 3 L9(34)直交表模擬結果 63 表4 4 變異數分析表 63 表4 5 因子各水準的平均值 63 表4 6 熱管熱交換器各參數模擬結果 65 表4 7 全年實測結果 67 表4 8 模擬值與實測值比較結果 70 表4 9 裝置6、8、10部熱交換器模擬結果 73 |
參考文獻 |
[1] Christian L. Belady, Don Beaty,” Roadmap for Datacom Cooling,” ASHRAE Journal, Vol. 47, No. 12, pp. 52-55, December 2005. [2] R.S. Gaugler, “Heat Transfer Devices”, U.S. Patent 2, 350,348, 1944. [3] G.M., “Grover,Evaporation-Condensation Heat Transfer Device” ,U.S.Patent 3,229,759, 1964. [4] 黃俊賢, “迴路式虹吸熱管之研製與可視化觀察” ,淡江大學機械與機電工程學系碩士班碩士論文,2010 [5] Khosrow Ebrahimi, Gerard F. Jones, Amy S. Fleischer,” A review of data center cooling technology, operating conditions and the corresponding low-grade waste heat recovery opportunities,” Renewable and Sustainable Energy Review, Vol. 31, pp. 622-638, 2014. [6] Kuei-Peng Lee, Hsiang-Lun Chen,” Analysis of energy saving potential of air-side free cooling for data centers in worldwide climate zones,” Energy and Buildings, Vol. 64, pp. 103-112, 2013 [7] Jayantha Siriwardana, Saliya Jayasekara, Saman K. Halgamuge,” Potential of air-side economizers for data center cooling: A case study for key Australian cities,” Applied Energy, Vol. 35, pp. 207-219, 2013. [8] Tom Harvey, Michael Patterson, John Bean, “ Updated air-side Free Cooling Maps: The Impact of ASHRAE 2011 Allowable Rangers” The Green Grid White paper#46. [9] E Schmidt, in : Proc. Instn. Mech. Engrs., Conf. ASME, London, pp. 361-363, 1951. [10] H. Imura, K. Sasaguchi, H. Kozai, S. Humata, “Critical heat flux in a closed two-phase thermosypon,” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.26(8), pp. 1181-1188, 1983. [11] S.H. Noie, “Heat transfer characteristics of a two-phase closed thermosyphon,” Journal of Applied Thermal Engineering, Vol.25, pp. 495-506, 2005. [12] A. Alizadehdakhel, M. Rahimi, A. A. Alsairafi, “CFD modeling of flow and heat transfer in a thermosyphon,” International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol.37, Issue 3, pp. 312-318, 2010. [13] E. Azad 及F. Geoola,” A Design Procedure for Gravity-Assisted Heat Pipe Heat Exchanger,” Heat Recovery Systems, Vol 4, No.2, pp. 101-111, 1984 [14] S.H. Noie-Baghban, G.R. Majideian,” Waste heat recovery using heat pipe heat exchanger(HPHE) for surgery rooms in hospitals,” Applied Thermal Engineering, Vol. 20. pp. 1271-1282, 2000. [15] M.S. Soylmez, “On the thermoeconomical optimization of heat pipe heat exchanger HPHE for waste heat recovery,” Energy Conversion and Mangement, Vol. 44, pp. 2509-2517, 2003. [16] Leonard L. Vasiliev, “Review Heat Pipes in Modern Heat Exchangers,” Applied Thermal Engineering, Vol. 25. pp. 1 -19, 2005. [17] W. Srimuang, P. Amatachaya,”A review of the Applications of Heat Pipe Heat Exchanger for recovery,” Renewable and Sustainable Reviews, Vol. 16, pp. 4303-4315, 2012. [18] Mostafa A. Abd El-Baky, Mousa M. Mohamed,” Heat pipe heat exchanger for heat recovery in air conditioning,” Applied Thermal Engineering, Vol. 27, pp. 795-801, 2007. [19] Y.H. Yau, M. Ahmadzadehtalatapeh,” A review on the application of horizontal heat pipe heat exchangers in air conditioning systems in the tropics,” Applied Thermal Engineering, Vol. 30, pp. 77-84, 2010. [20] Y.H. Yau, “The use of a double heat pipe heat exchanger system for reducing energy consumption of treating ventilation air in an operating theatre—A full year energy consumption model simulation,” Energy and Buildings, Vol. 40, pp. 917-925, 2008. [21] Hainan Zhang, Shuangquan Shao, Hongbo Xu, Huiming Zou, Changqing Tian,” Free cooling of data centers: A review”, Renewable and Sustainable Energy Review, No. 35, pp. 171-182, 2014. [22] Hainan Zhang, Shuangquan Shao, Hongbo Xu, Huiming Zou, Changqing Tian,” Integrated system of mechanical refrigeration and thermosyphon for free cooling and data centers,” Applied Thermal Engineering, No. 75, pp. 185-192, 2015. [23] M. Zhang, Y. Lai, J. Zhang, Z. Sun, “Numerical study on cooling characteristics of two-phase closed thermosyphon embankment in permafrost regions,” Cold Regions Science and Technology, Vol. 65, Issue 2, pp. 203-210, 2011. [24] L. Asmaie, M. Haghshenasfard,A. Mehrabani-Zeinabad, M. N. Esfahany, “Thermal performance analysis of nanofluids in a thermosyphon heat pipe using CFD modeling,” Heat and Mass Transfer, Vol. 49, Issue 5, pp. 667-678, 2013. [25] K. Kafeel, A. Turan, “Axi-symmetric simulation of a two phase vertical thermosyphon using Eulerian two-fluid methodology,” Heat and Mass Transfer, Vol. 49, Issue 8, pp. 1089-1099, 2013. [26] W. H. Lee, R. W. Lyczkowski, “The basic character of five two-phase flow model equation sets,” International Journal for Numerical Methods in Fluids, Vol.33, Issue 8, pp. 1075-1098, 2000. [27] ANSYS FLUENT, User Guide (Release 14.0),2011. [28] B. Fadhl, Luiz C. Wrobel, H. Jouhara, “Numerical modelling of the temperature distribution in a two-phase closed thermosyphon,” Applied Thermal Engineering ,Vol. 60, Issue 1-2, pp. 122-131, 2013. [29] 李輝煌著,田口方法:品質設計的原理與實務,高立圖書有限公司出版, 2000。 [30] 李人宪,有限體積法基礎,北京國防工業出版社, 2005。 [31] M. Karthikeyan, S. Vaidyanathan, B. Sivaraman, “Thermal Performance of a two phase closed Thermosyphon Using Aqueous Solution,” International Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 2,Issue 5,pp. 913-918, 2010. [32] P. Terdtoon, M. Shiraishi, and M. Murakami, “Investigation of effect of inclination angle on heat transfer characteristics of closed two phase thermosyphon,” Proceedings of the 7th International Heat Pipe Conference, Heat Pipe Technology ,Volume I : Fundamentals and Experimental Studies, Begell House Inc., New York, pp. 517 – 524, 1990 |
論文全文使用權限 |
如有問題,歡迎洽詢!
圖書館數位資訊組 (02)2621-5656 轉 2487 或 來信