Với việc ứng dụng và phổ biến các máy chủ cấp tủ mật độ cao, việc sử dụng hệ thống làm lạnh điều hòa không khí chính xác truyền thống ở cấp phòng sẽ gây mất khả năng làm mát, dẫn đến PUE cao trong các trung tâm dữ liệu. Bài báo này đề xuất hệ thống làm mát ngược bằng bay hơi mở rộng trực tiếp cho tầng tủ dữ liệu nhằm giảm tổn thất khả năng làm mát của hệ thống làm lạnh phòng máy tính và cải thiện hiệu quả năng lượng của trung tâm dữ liệu. Bài báo này tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm trên tấm lạnh bay hơi của hệ thống làm lạnh tầng tủ. Nhiệt độ môi trường thử nghiệm là 30°C, khả năng tản nhiệt mô phỏng là 5-7kW, và dải điều chỉnh tốc độ máy nén là 3000-5000 vòng/phút. Kiểm tra được thực hiện ở trạng thái ổn định, và phần ổn định của các tham số hiệu suất hệ thống được lấy để xử lý dữ liệu và phân tích kết quả kiểm tra. Kết quả cho thấy nhiệt độ trung bình của tấm lạnh bay hơi ổn định ở 18,5°C, và sự chênh lệch nhiệt độ được kiểm soát trong phạm vi 4°C, có thể cung cấp làm mát liên tục và ổn định cho tủ làm mát.
Các hạn chế về Hiệu quả Sử dụng Điện (PUE) đối với các trung tâm dữ liệu mới xây dựng ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn. Trong cấu trúc tiêu thụ năng lượng của trung tâm dữ liệu, mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị dùng để làm mát máy chủ và tản nhiệt chiếm khoảng 40% tổng mức tiêu thụ năng lượng, đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến PUE của nó. Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính và xã hội, nhu cầu của người dùng đối với máy chủ công suất cao ngày càng tăng, và các tủ trung tâm dữ liệu ngày càng có yêu cầu cao hơn về hệ thống và thiết bị làm mát. Việc ứng dụng các công nghệ mới như điện toán đám mây và dữ liệu lớn đã làm tăng mật độ công suất của một tủ từ dưới 5kW lên không dưới 7kW, thậm chí không dưới 10kW, và nhu cầu tản nhiệt trong các trung tâm dữ liệu đã tăng lên đáng kể.
So với các máy điều hòa chính xác truyền thống, hệ thống làm mát bay hơi ở tầng tủ có ưu điểm là không có quạt lớn, tiếng ồn thấp và tiêu thụ năng lượng thấp. Đây là một trong những hình thức kỹ thuật quan trọng để đạt được làm mát hiệu quả trong tủ làm mát trung tâm dữ liệu.
Van điện từ được kết nối với bộ ngưng tụ và bộ trao đổi nhiệt để thực hiện chức năng kết nối và ngắt kết nối của bộ ngưng tụ và bộ trao đổi nhiệt. Việc chuyển đổi giữa chế độ không tạo ẩm và hút ẩm (nội dung nghiên cứu của bài báo), chế độ hút ẩm và chế độ tạo ẩm có thể thực hiện bằng cách điều khiển van khí chớp, van ba chiều và van điện từ.
Trong hệ thống, tấm lạnh bay hơi trực tiếp sử dụng tấm gia nhiệt silicone làm nguồn nhiệt mô phỏng để mô phỏng tải trọng. Tấm gia nhiệt silicone được kết nối với bộ điều chỉnh điện áp một pha. Công suất của tấm gia nhiệt được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh điện áp của tấm gia nhiệt để mô phỏng quá trình thử nghiệm tấm lạnh bay hơi dưới các điều kiện tải khác nhau. Một tấm lạnh bay hơi sử dụng bốn tấm gia nhiệt cao su silicone để thực hiện thử nghiệm mô phỏng tải. Như thể hiện trong Hình 5, với mỗi tấm lạnh bay hơi, 8 cặp nhiệt điện loại K được sắp xếp, và các cặp nhiệt điện được nhúng vào tấm mỡ nhiệt có rãnh. Khe hở được lấp đầy bằng mỡ nhiệt. Bằng cách này, nhiệt độ bề mặt trên của tấm lạnh bay hơi được đo để kiểm tra độ đồng đều nhiệt độ của nó.
Dưới cùng nguồn nhiệt mô phỏng, khi tốc độ máy nén tăng, sự chênh lệch nhiệt độ tối đa trên tấm lạnh bay hơi có xu hướng giảm, và nhiệt độ trung bình cũng có xu hướng giảm. Khi tốc độ máy nén tăng, áp suất bay hơi trong hệ thống giảm, nhiệt độ trao đổi nhiệt tương ứng trên tấm lạnh bay hơi giảm, khiến nhiệt độ của mỗi điểm đo cũng giảm, và sự chênh lệch nhiệt độ tối đa cũng có xu hướng giảm. Do đó, để đảm bảo độ đồng đều nhiệt độ tốt hơn của tấm lạnh bay hơi, tốc độ máy nén có thể được tăng lên phù hợp.
Các hạn chế về Hiệu quả Sử dụng Điện (PUE) đối với các trung tâm dữ liệu mới xây dựng ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn. Trong cấu trúc tiêu thụ năng lượng của trung tâm dữ liệu, mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị dùng để làm mát máy chủ và tản nhiệt chiếm khoảng 40% tổng mức tiêu thụ năng lượng, đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến PUE của nó. Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính và xã hội, nhu cầu của người dùng đối với máy chủ công suất cao ngày càng tăng, và các tủ trung tâm dữ liệu ngày càng có yêu cầu cao hơn về hệ thống và thiết bị làm mát. Việc ứng dụng các công nghệ mới như điện toán đám mây và dữ liệu lớn đã làm tăng mật độ công suất của một tủ từ dưới 5kW lên không dưới 7kW, thậm chí không dưới 10kW, và nhu cầu tản nhiệt trong các trung tâm dữ liệu đã tăng lên đáng kể.
So với các máy điều hòa chính xác truyền thống, hệ thống làm mát bay hơi ở tầng tủ có ưu điểm là không có quạt lớn, tiếng ồn thấp và tiêu thụ năng lượng thấp. Đây là một trong những hình thức kỹ thuật quan trọng để đạt được làm mát hiệu quả trong tủ làm mát trung tâm dữ liệu.
Van điện từ được kết nối với bộ ngưng tụ và bộ trao đổi nhiệt để thực hiện chức năng kết nối và ngắt kết nối của bộ ngưng tụ và bộ trao đổi nhiệt. Việc chuyển đổi giữa chế độ không tạo ẩm và hút ẩm (nội dung nghiên cứu của bài báo), chế độ hút ẩm và chế độ tạo ẩm có thể thực hiện bằng cách điều khiển van khí chớp, van ba chiều và van điện từ.
2 Phân tích mô phỏng
Vì chất làm việc chảy vào tấm lạnh bay hơi ở trạng thái hai pha, kênh dòng chảy uốn lượn truyền thống có nhược điểm là khó chuyển hướng dòng chảy và diện tích truyền nhiệt nhỏ, và sự phân bố không đều của chất lỏng làm việc trong mỗi kênh sẽ dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ lớn trên bề mặt tấm lạnh bay hơi. Dựa trên các khuyết điểm trên, đề xuất tối ưu hóa thiết kế kênh dòng chảy tấm lạnh bay hơi.
3 Kiểm tra thực nghiệm
Dựa trên các lý do trên, một tấm làm mát bay hơi trực tiếp giãn nở kênh dòng tổ ong như hình 3 đã được tạo ra. Bằng cách tối ưu hóa các thông số cấu trúc của kênh dòng tổ ong, có thể giải quyết vấn đề chuyển hướng chất làm việc hai pha trong tấm làm mát bay hơi; Kết hợp với kết quả mô phỏng của miền rắn kênh dòng chảy tổ ong, tấm làm mát bay hơi với cấu trúc kênh dòng chảy này có hiệu suất đồng đều nhiệt độ tốt hơn về lý thuyết. Chiều rộng kênh dòng chảy của tấm làm mát bay hơi là 10mm, chiều cao kênh dòng bên trong là 3mm, và tổng độ dày là 5mm.
Trong hệ thống, tấm lạnh bay hơi trực tiếp sử dụng tấm gia nhiệt silicone làm nguồn nhiệt mô phỏng để mô phỏng tải trọng. Tấm gia nhiệt silicone được kết nối với bộ điều chỉnh điện áp một pha. Công suất của tấm gia nhiệt được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh điện áp của tấm gia nhiệt để mô phỏng quá trình thử nghiệm tấm lạnh bay hơi dưới các điều kiện tải khác nhau. Một tấm lạnh bay hơi sử dụng bốn tấm gia nhiệt cao su silicone để thực hiện thử nghiệm mô phỏng tải. Như thể hiện trong Hình 5, với mỗi tấm lạnh bay hơi, 8 cặp nhiệt điện loại K được sắp xếp, và các cặp nhiệt điện được nhúng vào tấm mỡ nhiệt có rãnh. Khe hở được lấp đầy bằng mỡ nhiệt. Bằng cách này, nhiệt độ bề mặt trên của tấm lạnh bay hơi được đo để kiểm tra độ đồng đều nhiệt độ của nó.
4 Kết quả và Phân tích
Hình 6 là đường cong thể hiện phân bố nhiệt độ bề mặt của tấm lạnh bay hơi theo thời gian dưới điều kiện mô phỏng công suất nguồn nhiệt 5kW và tốc độ máy nén 4500 vòng/phút. Nhiệt độ trung bình của tấm lạnh bay hơi là 18,5°C; nhiệt độ cao nhất trong 8 điểm đo nhiệt độ là 19,9°C, và nhiệt độ thấp nhất là 17,2°C. Sự chênh lệch nhiệt độ bên trong tấm lạnh bay hơi được kiểm soát trong phạm vi 4°C. Nhiệt độ của tấm lạnh bay hơi bắt đầu giảm từ cửa vào T1. Do độ sụt áp lớn của tấm lạnh bay hơi, nhiệt độ tấm giảm xuống điểm đo T6, rồi tăng lên điểm đầu ra T8. Bắt đầu từ điểm đo T6, do độ khô của chất làm việc tăng lên, hệ số trao đổi nhiệt giữa chất làm việc và tấm lạnh bay hơi giảm, trao đổi nhiệt đối lưu giảm, và nhiệt độ tăng dần.
Dưới cùng nguồn nhiệt mô phỏng, khi tốc độ máy nén tăng, sự chênh lệch nhiệt độ tối đa trên tấm lạnh bay hơi có xu hướng giảm, và nhiệt độ trung bình cũng có xu hướng giảm. Khi tốc độ máy nén tăng, áp suất bay hơi trong hệ thống giảm, nhiệt độ trao đổi nhiệt tương ứng trên tấm lạnh bay hơi giảm, khiến nhiệt độ của mỗi điểm đo cũng giảm, và sự chênh lệch nhiệt độ tối đa cũng có xu hướng giảm. Do đó, để đảm bảo độ đồng đều nhiệt độ tốt hơn của tấm lạnh bay hơi, tốc độ máy nén có thể được tăng lên phù hợp.