Với việc ứng dụng và phổ biến các máy chủ cấp tủ mật độ cao, việc sử dụng hệ thống điều hòa chính xác cấp phòng truyền thống sẽ gây tổn thất công suất làm lạnh, dẫn đến PUE cao trong trung tâm dữ liệu. Bài báo này đề xuất một hệ thống làm lạnh tấm lưng bay hơi giãn nở trực tiếp cho cấp tủ trung tâm dữ liệu để giảm tổn thất công suất làm lạnh của hệ thống làm lạnh phòng máy và nâng cao hiệu quả năng lượng của trung tâm dữ liệu. Bài báo này tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên một tấm lạnh bay hơi của hệ thống làm lạnh cấp tủ. Nhiệt độ môi trường thử nghiệm là 30℃, tản nhiệt mô phỏng là 5-7kW, và phạm vi điều chỉnh tốc độ máy nén là 3000-5000 vòng/phút. Thử nghiệm được thực hiện ở trạng thái ổn định, và phần ổn định của các thông số hiệu suất hệ thống được lấy để xử lý dữ liệu và phân tích kết quả thử nghiệm. Kết quả cho thấy nhiệt độ trung bình của tấm lạnh bay hơi ổn định ở 18,5℃, và chênh lệch nhiệt độ được kiểm soát trong phạm vi 4℃, có thể cung cấp làm mát liên tục và ổn định cho tủ làm mát.
Các hạn chế về Hiệu quả sử dụng năng lượng (PUE) đối với các trung tâm dữ liệu mới xây dựng ngày càng nghiêm ngặt. Trong cơ cấu tiêu thụ năng lượng của trung tâm dữ liệu, năng lượng tiêu thụ của thiết bị dùng để làm mát máy chủ và tản nhiệt chiếm khoảng 40% tổng năng lượng tiêu thụ, đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến PUE của nó. 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 có yêu cầu ngày càng cao đối với 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 đơn từ dưới 5kW lên không dưới 7kW, hoặc thậm chí không dưới 10kW, và nhu cầu tản nhiệt trong trung tâm dữ liệu đã tăng lên đáng kể.
So với điều hòa chính xác truyền thống, hệ thống làm mát bay hơi cấp tủ có ưu điểm là không có quạt lớn, độ ồn thấp và tiêu thụ năng lượng thấp. Đây là một trong những dạng 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 bình ngưng và bộ trao đổi nhiệt để thực hiện chức năng kết nối và ngắt kết nối của bình ngưng và bộ trao đổi nhiệt. Việc chuyển đổi giữa chế độ không tạo ẩm và khử ẩm (nội dung nghiên cứu của bài báo), chế độ khử ẩm và chế độ tạo ẩm có thể được thực hiện bằng cách điều khiển van gió chớp, van ba ngả và van điện từ.
Trong hệ thống, tấm lạnh bay hơi giãn nở trực tiếp sử dụng tấm gia nhiệt silicone làm nguồn nhiệt mô phỏng để mô phỏng tải. 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 thử nghiệm tấm lạnh bay hơi trong 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 trong Hình 5, đối với mỗi tấm lạnh bay hơi, 8 cặp nhiệt điện loại K được bố trí, và các cặp nhiệt điện được nhúng vào tấm keo tản nhiệt có rãnh. Khe hở được lấp đầy bằng keo tản 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 công suất nguồn nhiệt mô phỏng, khi tốc độ máy nén tăng, chênh lệch nhiệt độ tối đa trong 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, và nhiệt độ trao đổi nhiệt tương ứng trong tấm lạnh bay hơi giảm, điều này làm cho nhiệt độ của mỗi điểm đo cũng giảm, và 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, có thể tăng tốc độ máy nén một cách thích hợp.
Các hạn chế về Hiệu quả sử dụng năng lượng (PUE) đối với các trung tâm dữ liệu mới xây dựng ngày càng nghiêm ngặt. Trong cơ cấu tiêu thụ năng lượng của trung tâm dữ liệu, năng lượng tiêu thụ của thiết bị dùng để làm mát máy chủ và tản nhiệt chiếm khoảng 40% tổng năng lượng tiêu thụ, đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến PUE của nó. 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 có yêu cầu ngày càng cao đối với 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 đơn từ dưới 5kW lên không dưới 7kW, hoặc thậm chí không dưới 10kW, và nhu cầu tản nhiệt trong trung tâm dữ liệu đã tăng lên đáng kể.
So với điều hòa chính xác truyền thống, hệ thống làm mát bay hơi cấp tủ có ưu điểm là không có quạt lớn, độ ồn thấp và tiêu thụ năng lượng thấp. Đây là một trong những dạng 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 bình ngưng và bộ trao đổi nhiệt để thực hiện chức năng kết nối và ngắt kết nối của bình ngưng và bộ trao đổi nhiệt. Việc chuyển đổi giữa chế độ không tạo ẩm và khử ẩm (nội dung nghiên cứu của bài báo), chế độ khử ẩm và chế độ tạo ẩm có thể được thực hiện bằng cách điều khiển van gió chớp, van ba ngả và van điện từ.
2 Phân tích mô phỏng
Vì chất lỏng làm việc chảy vào tấm lạnh bay hơi ở trạng thái hai pha, kênh dẫn dạng ngoằn ngoèo truyền thống có nhược điểm là khó phân phối dòng chảy và diện tích truyền nhiệt nhỏ, và sự phân bố không đều của chất lỏng làm việc trong mỗi kênh dẫn sẽ dẫn đến chênh lệch nhiệt độ lớn trên bề mặt của tấm lạnh bay hơi. Dựa trên các khuyết điểm trên, đề xuất tối ưu hóa thiết kế kênh dẫn của tấm lạnh bay hơi.
3 Thử nghiệm thực nghiệm
Dựa trên các lý do trên, một tấm làm mát bay hơi giãn nở trực tiếp với kênh dẫn dạng tổ ong như trong Hình 3 đã được chế tạo. Bằng cách tối ưu hóa các thông số cấu trúc của kênh dẫn dạng tổ ong, có thể giải quyết vấn đề phân phối chất lỏng làm việc hai pha trong tấm làm mát bay hơi; kết hợp với kết quả mô phỏng miền rắn của kênh dẫn dạng tổ ong, tấm làm mát bay hơi với cấu trúc kênh dẫn này có hiệu suất đồng đều nhiệt độ tốt hơn về mặt lý thuyết. Chiều rộng kênh dẫn của tấm làm mát bay hơi là 10mm, chiều cao kênh dẫn bên trong là 3mm, và tổng độ dày là 5mm.
Trong hệ thống, tấm lạnh bay hơi giãn nở trực tiếp sử dụng tấm gia nhiệt silicone làm nguồn nhiệt mô phỏng để mô phỏng tải. 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 thử nghiệm tấm lạnh bay hơi trong 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 trong Hình 5, đối với mỗi tấm lạnh bay hơi, 8 cặp nhiệt điện loại K được bố trí, và các cặp nhiệt điện được nhúng vào tấm keo tản nhiệt có rãnh. Khe hở được lấp đầy bằng keo tản 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 sự phân bố nhiệt độ bề mặt của tấm lạnh bay hơi theo thời gian trong 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℃; nhiệt độ cao nhất trong 8 điểm đo nhiệt độ là 19,9℃, và nhiệt độ thấp nhất là 17,2℃. Chênh lệch nhiệt độ bên trong tấm lạnh bay hơi được kiểm soát trong phạm vi 4℃. Nhiệt độ của tấm lạnh bay hơi bắt đầu giảm từ đầu vào T1. Do độ giảm áp suất lớn của tấm lạnh bay hơi, nhiệt độ tấm giảm xuống điểm đo T6, sau đó tăng lên đến đầu ra T8. Bắt đầu từ điểm đo T6, do độ khô của chất lỏng làm việc tăng, hệ số trao đổi nhiệt giữa chất lỏng làm việc và tấm lạnh bay hơi giảm, trao đổi nhiệt đối lưu giảm, và nhiệt độ tăng dần.
Dưới cùng công suất nguồn nhiệt mô phỏng, khi tốc độ máy nén tăng, chênh lệch nhiệt độ tối đa trong 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, và nhiệt độ trao đổi nhiệt tương ứng trong tấm lạnh bay hơi giảm, điều này làm cho nhiệt độ của mỗi điểm đo cũng giảm, và 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, có thể tăng tốc độ máy nén một cách thích hợp.