喷淋式直接液冷系统结构及工作原理

作者:兰洋科技    浏览量:6600    时间:2023年02月17日    标签: 喷淋式液冷 CDU 液冷机柜

图1 喷淋式直接液冷系统工艺流程原理图

图1 喷淋式直接液冷系统工艺流程原理图.jpg

注:CDU 与喷淋液冷机柜之间用防火墙隔离。

一、喷淋式直接液冷系统

图1示意了一种典型的喷淋式直接液冷系统原理图,其要分为冷却水循环、冷冻水循环和冷却液循环。设备主要由冷却塔冷水机组、CDU、喷淋液冷机柜构成。上图的冷却循环可以是分布式的、也可以是集群式的,但分布式的冷却方案具有更高的可靠性、灵活性以及可扩展性。在实际项目中,冷冻水或冷却水建议分配到多个CDU中,CDU中的冷却液也分配到多个机柜。

在具体工程项目中,上述循环过程和设备并不是充分或者必须的。根据环境的干球温度、湿球温度、建筑物规模、供液温度等因素,选择冷却循环与室外散热模块。

例如图2 所示的冷却循环与室外散热模块方式均可以实现。

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图2几种常见的喷淋式直接液冷系统原理图

二、喷淋式直接液冷机柜

喷淋式直接液冷机柜是整个系统中实现液冷过程的核心部件,常见液冷标准机柜尺寸有600mm×1200mm×2000mm和600mm×1200mm×2200mm,图3示意了两种典型的喷淋式液冷实现方法。

图3 典型喷淋式液冷实现方法.jpg

对上述两种典型喷淋机柜的基本工作原理描述如下:

  • a)被CDU冷却之后的冷媒被泵通过管路输送至机柜内部;

  • b)冷媒进入机柜后直接通过分液支管进入与服务器相对应的布液装置,或者将冷媒输送至储液箱以提供固定大小的重量势能以驱动冷媒通过布液装置进行喷淋;c)之后,冷媒将通过布液器对IT设备中的发热器件或与之相连的导热材料(如:金属散热器、VC、热管等)进行喷淋制冷;

  • d)被加热之后的冷媒将通过集液装置(如:回液管、集液箱等)进行收集并通过泵输送至CDU进行下一次制冷循环。

三、换热设备

a)各类换热设备

整个喷淋液冷工艺流程循环中,通过换热设备将不同的子循环过程串连起来,其中换热设备的具体形式需要根据换热温差(接近点温差或对数平均温差)、安全性、体积、重量、成本、可靠性等参数确定。以下给出几种常见换热器的接近点温度,见表1。

表1常见换热器的接近点温度

表1 常见换热器的接近点温度.jpg

在使用冷却塔的时候,需按照相关标准配或用户要求配置足够大的补水水箱或水塔,大型数据中心通常需储备12h的补水量。

b)冷水机组

冷水机组按照废热排放方式分为风冷式冷水机组与水冷式冷水机组,两种形式的冷水机组均可以在系统中作为补充使用。

标准冷水机组的设计出水温度通常为7℃,回水温度通常为12℃。除非在有除湿需求的运用工况下,这样的温度对于任何形式的液冷系统往往过低。而对于喷淋液冷散热需求,可适当调高出水温度来降低能耗,比如25℃进,20℃出,同时防止冷冻水管的结露。为了防冻,可以在水中添加防冻液降低凝固点,但需注意,防冻液的添加会导致混合液的物理性质和换热设备的性能产生变化。同时,管路、阀门、水泵及水箱等选型需耐防冻液腐蚀。

四、中间换热与分配单元CDU及其布局

CDU是被推荐使用的一个中间换热设备。CDU并非只是承担一个换热器的功能,该设备还肩负着制冷量(而不仅是冷却液流量)分配的功能。CDU的主要功能及特点如下:

  • a)提供并调节冷却液的流量或供液压力;

  • b)调节冷却液的温度;

  • c)对冷却液进行在线过滤或旁路过滤;

  • d)对冷却液进行预加热(通常不需要)。

上述功能并非在所有应用中都是必须的,可以根据实际需求进行选择。图4示意了一种典型的CDU实现形式。

图4 一种典型的CDU 实现形式.jpg

图4示意的CDU为众多实现方式的一种,其中示意的部件并非是充分的或必须的,其主要功能通过以下方式实现。

  • a)供液流量和压力控制:系统可以在泵出口的管路配置比例调节阀或者对泵进行变频控制,从而调整CDU的供液流量或者供液压力,为提高控制精度,可将泵的运行频率或比例阀的开度与布置在供液管道上的压力传感器或温度传感器进行闭环控制;

  • b)供液温度调节:若CDU并没有流量或者压力控制需要,则可以将循环泵设置在换热器的前段,并在泵出口配置比例调节阀且连通至换热器后的管路,通过控制流经换热器的流量占比调节供液温度;但更为稳健的做法是通过调节二次冷却环路系统的水量来调节温度,这样的做法可以通过在二次冷却环路系统增设比例调节阀或节流阀实现;

  • c)过滤:过滤包括过滤冷却液中的固体杂质或液体杂质(尤其是水分),过滤装置(不限于固体颗粒过滤器)可以是并联在冷却液循环系统管路上的,也可以是串联的;

  • d)预加热:预加热仅需在循环设备中增设加热器即可,但须注意的是,加热器在加热过程中的表面温度不宜过高,以避免冷却介质的老化。

为消除液冷机房环境内的结露风险,建议将CDU的供液温度调整至液冷机房环境露点温度以上。

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