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Direktexpansions-Backplane für die Verdunstungskühlung auf Schrankebene im Kühlschrank des Rechenzentrums

Mit der Anwendung und Popularisierung von Servern auf Schaltschrankebene mit hoher Dichte führt die Verwendung herkömmlicher Präzisions-Klimatisierungssysteme auf Raumebene zu einem Verlust der Kühlleistung, was zu einem hohen PUE-Wert in Rechenzentren führt. In diesem Artikel wird ein Backplane-Kühlsystem mit Direktverdampfungsverdunstung für die Schrankebene des Rechenzentrums vorgeschlagen, um den Verlust der Kühlkapazität des Kühlsystems im Computerraum zu reduzieren und die Energieeffizienz des Rechenzentrums zu verbessern. In diesem Beitrag wird eine experimentelle Studie an einer Verdunstungskühlplatte eines Kühlsystems auf Schrankebene durchgeführt. Die Temperatur der Testumgebung beträgt 30 °C, die simulierte Wärmeableitung 5-7 kW und der Einstellbereich der Kompressordrehzahl beträgt 3000-5000 U/min. Der Test wird im stationären Zustand durchgeführt, und der stabile Teil der Systemleistungsparameter wird für die Datenverarbeitung und die Analyse der Testergebnisse verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Temperatur der Verdunstungskühlplatte stabil bei 18,5 °C liegt und die Temperaturdifferenz innerhalb von 4 °C geregelt wird, was eine kontinuierliche und stabile Kühlung des Kühlschranks gewährleisten kann.

Die Beschränkungen für die Power Usage Effectiveness (PUE) für neu gebaute Rechenzentren werden immer strenger. In der Energieverbrauchsstruktur von Rechenzentren macht der Energieverbrauch von Geräten, die zur Kühlung von Servern und zur Wärmeableitung verwendet werden, etwa 40 % des gesamten Energieverbrauchs aus, was ein wichtiger Faktor ist, der sich auf den PUE-Wert auswirkt. Mit der Entwicklung der Computertechnologie und der Gesellschaft steigt die Nachfrage der Benutzer nach Hochleistungsservern, und die Anforderungen an die Schränke von Rechenzentren stellen immer höhere Anforderungen an Kühlsysteme und -geräte. Die Anwendung neuer Technologien wie Cloud Computing und Big Data hat die Leistungsdichte eines einzelnen Schranks von weniger als 5 kW auf nicht weniger als 7 kW oder sogar nicht weniger als 10 kW erhöht, und der Bedarf an Wärmeableitung in Rechenzentren ist dramatisch gestiegen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Präzisionsklimaanlagen hat das Verdunstungskühlsystem auf Schrankebene die Vorteile, dass es keine großen Lüfter, einen geringen Geräuschpegel und einen geringen Energieverbrauch gibt. Es ist eine der wichtigsten technischen Formen, um eine effiziente Kühlung im Kühlschrank von Rechenzentren zu erreichen.

Das Magnetventil wird mit dem Kondensator und dem Wärmetauscher verbunden, um die Verbindungs- und Trennfunktion des Kondensators und des Wärmetauschers zu realisieren. Das Umschalten zwischen dem Nicht-Befeuchtungs- und dem Entfeuchtungsmodus (der Forschungsinhalt des Artikels), dem Entfeuchtungsmodus und dem Befeuchtungsmodus kann durch die Ansteuerung des Verschlussluftventils, des Dreiwegeventils und des Magnetventils realisiert werden.

2 Simulationsanalyse

Da das Arbeitsmedium in einem zweiphasigen Zustand in die Verdunstungskühlplatte fließt, hat der traditionelle Serpentinen-Strömungskanal die Nachteile einer schwierigen Strömungsumleitung und einer kleinen Wärmeübertragungsfläche, und die ungleichmäßige Verteilung des Arbeitsmediums in jedem Strömungskanal führt zu einem großen Temperaturunterschied auf der Oberfläche der Verdunstungskühlplatte. Basierend auf den oben genannten Mängeln wird vorgeschlagen, das Design des Strömungskanals der Verdunstungskühlplatte zu optimieren.

3 Experimenteller Test

Aus den oben genannten Gründen wurde eine Wabenströmungskanal-Verdunstungskühlplatte mit Direktexpansion, wie in Abbildung 3 gezeigt, hergestellt. Durch die Optimierung der strukturellen Parameter des Wabenströmungskanals kann das Problem der zweiphasigen Umleitung des Arbeitsmediums in der Verdunstungskühlplatte gelöst werden; In Kombination mit den Simulationsergebnissen des Wabenströmungskanal-Festdomänenbereichs weist die Verdunstungskühlplatte mit dieser Strömungskanalstruktur theoretisch eine bessere Temperaturgleichmäßigkeitsleistung auf. Die Breite des Strömungskanals der Verdunstungskühlplatte beträgt 10 mm, die Höhe des internen Strömungskanals 3 mm und die Gesamtdicke 5 mm.

In der Anlage nutzt die Direktverdampfungs-Verdunstungskühlplatte eine Silikonheizplatte als simulierte Wärmequelle, um die Belastung zu simulieren. Die Silikon-Heizplatte ist mit einem einphasigen Spannungsregler verbunden. Die Leistung der Heizplatte wird durch Einstellen der Spannung der Heizplatte angepasst, um den Test der Verdunstungskühlplatte unter verschiedenen Lastbedingungen zu simulieren. Eine Verdunstungskühlplatte verwendet vier Heizplatten aus Silikonkautschuk, um den Belastungssimulationstest zu realisieren. Wie in Abbildung 5 gezeigt, sind für jede Verdunstungskühlplatte 8 Thermoelemente vom Typ K angeordnet, und die Thermoelemente sind in das geschlitzte Wärmeleitpastenblech eingelassen. Der Spalt wird mit Wärmeleitpaste gefüllt. Auf diese Weise wird die obere Oberflächentemperatur der Verdunstungskühlplatte gemessen, um ihre Temperaturgleichmäßigkeit zu überprüfen.

4 Ergebnisse und Analyse

Abbildung 6 ist eine Kurve, die die Verteilung der Oberflächentemperatur der Verdunstungskühlplatte über die Zeit unter den Bedingungen der Simulation einer Wärmequellenleistung von 5 kW und einer Verdichterdrehzahl von 4500 U/min zeigt. Die durchschnittliche Temperatur der Verdunstungskühlplatte beträgt 18,5 °C; Die höchste Temperatur unter den 8 Temperaturmesspunkten liegt bei 19,9 °C und die niedrigste bei 17,2 °C. Die Temperaturdifferenz in der Verdunstungskühlplatte wird auf 4°C geregelt. Die Temperatur der Verdunstungskühlplatte beginnt am Einlass T1 zu sinken. Aufgrund des großen Druckabfalls der Verdunstungskühlplatte sinkt die Plattentemperatur auf den Messpunkt T6 und steigt dann bis zum Auslass T8 an. Ausgehend vom Messpunkt T6 nimmt aufgrund der Erhöhung der Trockenheit des Arbeitsmediums der Wärmeaustauschkoeffizient zwischen dem Arbeitsmedium und der Verdunstungskühlplatte ab, der konvektive Wärmeaustausch nimmt ab und die Temperatur steigt allmählich an.

Bei der gleichen simulierten Wärmequellenleistung zeigt die maximale Temperaturdifferenz in der Verdunstungskühlplatte mit zunehmender Kompressordrehzahl einen Abwärtstrend, und die Durchschnittstemperatur zeigt ebenfalls einen Abwärtstrend. Mit zunehmender Verdichterdrehzahl sinkt der Verdampfungsdruck im System und die entsprechende Wärmeaustauschtemperatur in der Verdunstungskühlplatte, wodurch auch die Temperatur jedes Messpunktes sinkt und auch die maximale Temperaturdifferenz einen Abwärtstrend zeigt. Um eine bessere Temperaturgleichmäßigkeit der Verdunstungskühlplatte zu gewährleisten, kann daher die Kompressordrehzahl entsprechend erhöht werden.