С внедрением и популяризацией высокоплотных серверов уровня стойки использование традиционных систем кондиционирования с точным охлаждением на уровне помещения приводит к потерям холодопроизводительности, что вызывает высокий PUE в центрах обработки данных. В данной статье предлагается система охлаждения задней панели с прямым расширением и испарительным охлаждением для уровня стойки центра обработки данных, чтобы снизить потери холодопроизводительности системы охлаждения машинного зала и повысить энергоэффективность центра обработки данных. В данной статье проводится экспериментальное исследование испарительной охлаждающей пластины системы охлаждения уровня стойки. Температура окружающей среды при испытаниях составляет 30℃, моделируемое тепловыделение — 5-7 кВт, диапазон регулировки частоты вращения компрессора — 3000-5000 об/мин. Испытания проводятся в установившемся режиме, для обработки данных и анализа результатов испытаний берётся стабильная часть параметров работы системы. Результаты показывают, что средняя температура испарительной охлаждающей пластины стабильно держится на уровне 18,5℃, а перепад температур поддерживается в пределах 4℃, что позволяет обеспечивать непрерывное и стабильное охлаждение охлаждающего шкафа.
Ограничения по показателю эффективности использования энергии (PUE) для вновь строящихся центров обработки данных становятся всё более жёсткими. В структуре энергопотребления центров обработки данных энергопотребление оборудования, используемого для охлаждения серверов и отвода тепла, составляет около 40% от общего энергопотребления, что является основным фактором, влияющим на его PUE. С развитием компьютерных технологий и общества растёт спрос пользователей на высокопроизводительные серверы, и стойки центров обработки данных предъявляют всё более высокие требования к системам и оборудованию охлаждения. Применение таких новых технологий, как облачные вычисления и большие данные, привело к увеличению плотности мощности одной стойки с менее чем 5 кВт до не менее 7 кВт или даже не менее 10 кВт, а потребность в отводе тепла в центрах обработки данных резко возросла.
По сравнению с традиционными прецизионными кондиционерами, система испарительного охлаждения уровня стойки имеет преимущества отсутствия больших вентиляторов, низкого уровня шума и низкого энергопотребления. Это одна из важных технических форм для достижения эффективного охлаждения охлаждающего шкафа центров обработки данных.
Электромагнитный клапан соединён с конденсатором и теплообменником для обеспечения функции соединения и разъединения конденсатора и теплообменника. Переключение между режимом без увлажнения и режимом осушения (содержание исследования статьи), режимом осушения и режимом увлажнения может быть реализовано путём управления жалюзийным воздушным клапаном, трёхходовым клапаном и электромагнитным клапаном.
В системе испарительная охлаждающая пластина прямого расширения использует силиконовую нагревательную пластину в качестве моделируемого источника тепла для имитации нагрузки. Силиконовая нагревательная пластина подключена к однофазному регулятору напряжения. Мощность нагревательной пластины регулируется путём изменения напряжения нагревательной пластины для имитации испытаний испарительной охлаждающей пластины при различных условиях нагрузки. Для одной испарительной охлаждающей пластины используются четыре силиконовые резиновые нагревательные пластины для реализации испытания с моделированием нагрузки. Как показано на рисунке 5, для каждой испарительной охлаждающей пластины установлено 8 термопар типа K, которые встроены в термопастовую пластину с пазами. Зазоры заполнены термопастой. Таким образом измеряется температура верхней поверхности испарительной охлаждающей пластины для проверки её температурной равномерности.
При одинаковой мощности моделируемого источника тепла с увеличением частоты вращения компрессора максимальный перепад температур в испарительной охлаждающей пластине имеет тенденцию к снижению, а средняя температура также имеет тенденцию к снижению. С увеличением частоты вращения компрессора давление испарения в системе снижается, и соответствующая температура теплообмена в испарительной охлаждающей пластине снижается, что приводит к снижению температуры в каждой точке измерения, а максимальный перепад температур также имеет тенденцию к снижению. Поэтому для обеспечения лучшей температурной равномерности испарительной охлаждающей пластины частоту вращения компрессора можно соответствующим образом увеличить.
Ограничения по показателю эффективности использования энергии (PUE) для вновь строящихся центров обработки данных становятся всё более жёсткими. В структуре энергопотребления центров обработки данных энергопотребление оборудования, используемого для охлаждения серверов и отвода тепла, составляет около 40% от общего энергопотребления, что является основным фактором, влияющим на его PUE. С развитием компьютерных технологий и общества растёт спрос пользователей на высокопроизводительные серверы, и стойки центров обработки данных предъявляют всё более высокие требования к системам и оборудованию охлаждения. Применение таких новых технологий, как облачные вычисления и большие данные, привело к увеличению плотности мощности одной стойки с менее чем 5 кВт до не менее 7 кВт или даже не менее 10 кВт, а потребность в отводе тепла в центрах обработки данных резко возросла.
По сравнению с традиционными прецизионными кондиционерами, система испарительного охлаждения уровня стойки имеет преимущества отсутствия больших вентиляторов, низкого уровня шума и низкого энергопотребления. Это одна из важных технических форм для достижения эффективного охлаждения охлаждающего шкафа центров обработки данных.
Электромагнитный клапан соединён с конденсатором и теплообменником для обеспечения функции соединения и разъединения конденсатора и теплообменника. Переключение между режимом без увлажнения и режимом осушения (содержание исследования статьи), режимом осушения и режимом увлажнения может быть реализовано путём управления жалюзийным воздушным клапаном, трёхходовым клапаном и электромагнитным клапаном.
2 Анализ моделирования
Поскольку рабочая жидкость поступает в испарительную охлаждающую пластину в двухфазном состоянии, традиционный змеевиковый канал имеет недостатки, заключающиеся в сложности распределения потока и малой площади теплообмена, а неравномерное распределение рабочей жидкости по каналам приводит к большому перепаду температур на поверхности испарительной охлаждающей пластины. На основе вышеуказанных недостатков предлагается оптимизировать конструкцию канала испарительной охлаждающей пластины.
3 Экспериментальные испытания
На основе вышеуказанных причин была изготовлена испарительная охлаждающая пластина с сотовым каналом прямого расширения, как показано на рисунке 3. Путём оптимизации конструктивных параметров сотового канала можно решить проблему распределения двухфазной рабочей жидкости в испарительной охлаждающей пластине; в сочетании с результатами моделирования твёрдотельной области сотового канала, испарительная охлаждающая пластина с такой структурой канала теоретически обладает лучшей равномерностью температуры. Ширина канала испарительной охлаждающей пластины составляет 10 мм, высота внутреннего канала — 3 мм, общая толщина — 5 мм.
В системе испарительная охлаждающая пластина прямого расширения использует силиконовую нагревательную пластину в качестве моделируемого источника тепла для имитации нагрузки. Силиконовая нагревательная пластина подключена к однофазному регулятору напряжения. Мощность нагревательной пластины регулируется путём изменения напряжения нагревательной пластины для имитации испытаний испарительной охлаждающей пластины при различных условиях нагрузки. Для одной испарительной охлаждающей пластины используются четыре силиконовые резиновые нагревательные пластины для реализации испытания с моделированием нагрузки. Как показано на рисунке 5, для каждой испарительной охлаждающей пластины установлено 8 термопар типа K, которые встроены в термопастовую пластину с пазами. Зазоры заполнены термопастой. Таким образом измеряется температура верхней поверхности испарительной охлаждающей пластины для проверки её температурной равномерности.
4 Результаты и анализ
На рисунке 6 показана кривая распределения температуры поверхности испарительной охлаждающей пластины во времени при условиях моделируемой мощности источника тепла 5 кВт и частоте вращения компрессора 4500 об/мин. Средняя температура испарительной охлаждающей пластины составляет 18,5℃; самая высокая температура среди 8 точек измерения — 19,9℃, а самая низкая — 17,2℃. Перепад температур внутри испарительной охлаждающей пластины поддерживается в пределах 4℃. Температура испарительной охлаждающей пластины начинает снижаться от входа T1. Из-за большого перепада давления в испарительной охлаждающей пластине температура пластины снижается до точки измерения T6, а затем повышается до выхода T8. Начиная с точки измерения T6, из-за увеличения сухости рабочей жидкости коэффициент теплообмена между рабочей жидкостью и испарительной охлаждающей пластиной уменьшается, конвективный теплообмен снижается, и температура постепенно повышается.
При одинаковой мощности моделируемого источника тепла с увеличением частоты вращения компрессора максимальный перепад температур в испарительной охлаждающей пластине имеет тенденцию к снижению, а средняя температура также имеет тенденцию к снижению. С увеличением частоты вращения компрессора давление испарения в системе снижается, и соответствующая температура теплообмена в испарительной охлаждающей пластине снижается, что приводит к снижению температуры в каждой точке измерения, а максимальный перепад температур также имеет тенденцию к снижению. Поэтому для обеспечения лучшей температурной равномерности испарительной охлаждающей пластины частоту вращения компрессора можно соответствующим образом увеличить.