Główny sekret chłodzenia: jak odprowadzanie ciepła przez wyparowanie chłodzi koncentratory sprzętu?

Wieża chłodnicza to urządzenie umożliwiające wymianę ciepła pomiędzy wodą i powietrzem. Składa się głównie z ramy konstrukcyjnej, bocznych paneli konserwacyjnych, wentylatora, silnika, materiału wypełniającego, systemu dystrybucji wody, korpusu wieży i zbiornika na wodę. Wymiana ciepła odbywa się głównie poprzez interakcję termiczną pomiędzy powietrzem o stosunkowo niskiej-temperaturze (napędzanym przez wentylator) a wodą w materiale wypełniającym, zmniejszając w ten sposób temperaturę wody. W przypadku projektów centrów danych całkowite obciążenie cieplne sprzętu i urządzeń elektrycznych pozostaje stosunkowo stabilne. System wody lodowej, system wody chłodzącej i konstrukcja wieży chłodniczej mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia ciągłego chłodzenia w pomieszczeniu komputerowym. Dlatego wieże chłodnicze muszą działać nieprzerwanie-przez cały rok (centra danych w regionach północnych zazwyczaj wykorzystują-bezpłatne chłodzenie wodą w swoich systemach wody lodowej, które działają również przez cały rok).

Zasada działania wież chłodniczych

Zasada działania wież chłodniczych opiera się na wymianie ciepła i masy przez parowanie. Napędzana wentylatorem gorąca woda jest natryskiwana na powierzchnię materiału odprowadzającego ciepło i wchodzi w kontakt z przepływającym przez nią poruszającym się powietrzem. W tym momencie następuje wymiana ciepła i wilgoci pomiędzy gorącą wodą i zimnym powietrzem. Jednocześnie część gorącej wody odparowuje, a utajone ciepło parowania zostaje uwolnione do powietrza. Na koniec schłodzona woda wpada do zbiornika na wodę, a następnie krąży z powrotem do wymaganego sprzętu w celu ponownego wykorzystania. W mokrych wieżach chłodniczych gorąca woda ma wysoką temperaturę, podczas gdy powietrze przepływające nad powierzchnią wody ma niską temperaturę. Woda przekazuje ciepło do powietrza, które je odprowadza i oddaje do atmosfery. Woda odprowadza ciepło do powietrza na trzy sposoby: (1) jawny transfer ciepła; (2) Wymiana ciepła przez parowanie; (3) Radiacyjny transfer ciepła. Wieże chłodnicze opierają się głównie na dwóch pierwszych metodach wymiany ciepła. Promieniowe przenoszenie ciepła jest pomijalne ze względu na jego małą wielkość. Wśród nich przenoszenie ciepła przez parowanie odbywa się poprzez wymianę masy, w szczególności ciągłą dyfuzję cząsteczek wody do powietrza. Cząsteczki wody posiadają różne poziomy energii, przy czym średnia energia zależy od temperatury wody. W pobliżu powierzchni wody niektóre cząsteczki wody o wysokiej energii kinetycznej pokonują siły przyciągające sąsiednich cząsteczek, uciekają z powierzchni wody i stają się parą wodną. W miarę ucieczki tych-cząsteczek o wysokiej energii energia wody w pobliżu powierzchni maleje, co powoduje spadek temperatury wody. Jest to wymiana ciepła przez parowanie. Powszechnie uważa się, że parujące cząsteczki wody najpierw tworzą w pobliżu powierzchni wody cienką warstwę nasyconego powietrza, o temperaturze równej temperaturze powierzchni wody. Szybkość dyfundowania pary wodnej z warstwy nasyconej do atmosfery zależy od różnicy ciśnień pomiędzy parą wodną w warstwie nasyconej i w atmosferze.

Podstawowa konstrukcja wież chłodniczych

Rama wieży: zapewnia wsparcie zewnętrzne.

Materiał wypełniający wymianę ciepła: maksymalizuje powierzchnię wymiany ciepła pomiędzy wodą i powietrzem.

Zbiornik wody (zbiornik wody chłodzącej): Znajduje się na dole wieży chłodniczej i służy do gromadzenia schłodzonej wody.

Dysze rozprowadzające wodę: Zapewniają równomierne rozprowadzanie wody po materiale wypełniającym wymianę ciepła.

Wentylator osiowy: Przyspiesza przepływ powietrza.

Klasyfikacja według kierunku przepływu wody i powietrza

Wieże chłodnicze dzielą się na wieże chłodnicze z przepływem przeciwprądowym i wieże chłodnicze z przepływem krzyżowym w oparciu o kierunek przepływu wody i powietrza.

Wieże chłodnicze przeciwprądowe

Korpus wieży: Nadaje się do obszarów o zmiennym kierunku wiatru.

Materiał wypełniający rozprowadzający wodę: Idealny do środowisk o dobrej jakości wody.

Wentylator: Wieże przeciwprądowe mają nieco wyższe ciśnienie statyczne, a niektóre modele wymagają silników o nieco większej mocy.

Ograniczenia środowiskowe: Pojedyncza wieża z przepływem krzyżowym tego samego modelu zajmuje większą powierzchnię niż wieża z przepływem przeciwprądowym. Jednakże, gdy używanych jest wiele wież, wieże z przepływem krzyżowym można łączyć równolegle, podczas gdy wieże z przepływem przeciwprądowym wymagają odległości większej niż połowa średnicy wieży pomiędzy dwoma jednostkami. Zatem połączone wieże z przepływem krzyżowym mogą zmniejszyć powierzchnię podłogi. Wieże przeciwprądowe są korzystne w obszarach, w których znajdują się-wieżowce, kominy lub inne źródła ciepła, a także w scenariuszach wymagających niewielkiej liczby wież chłodniczych ze względu na ich kompaktową powierzchnię.

Znoszenie i hałas: Zapewniają dobrą wentylację, dzięki czemu nadają się do obszarów o mniej rygorystycznych wymaganiach w zakresie ochrony środowiska i hałasu.

Codzienna konserwacja: Wymiana wypełniacza jest uciążliwa, dlatego nadają się do stosowania w obszarach o czystej wodzie i niskim poziomie piasku i pyłu.

Wieże chłodnicze z przepływem krzyżowym

Korpus wieży: W wieżach z przepływem krzyżowym główną konstrukcję nośną stanowi stalowa rama, co skutkuje większym zużyciem materiału i cięższym korpusem wieży w porównaniu z wieżami okrągłymi z przepływem przeciwprądowym. Można je łączyć równolegle i nadają się do stosowania na otwartych przestrzeniach.

Materiał wypełniający do dystrybucji wody: Objętość materiału wypełniającego wież z przepływem krzyżowym jest w przybliżeniu dwukrotnie większa niż w przypadku wież z przepływem przeciwprądowym, co prowadzi do wyższych kosztów. Nadają się do środowisk o złej jakości wody.

Ograniczenia środowiskowe: Wieże o przepływie krzyżowym lub kombinowanym nadają się do stosowania na otwartych przestrzeniach o dużym zapotrzebowaniu na wodę chłodzącą i ograniczonej przestrzeni, ponieważ są bardziej kompatybilne z otaczającymi budynkami.

Dryft i hałas: Wieże z przepływem krzyżowym mają niższą prędkość powietrza na wlocie niż wieże z przepływem przeciwprądowym, co skutkuje mniejszymi stratami z powodu unoszenia się (0,005% dla wież z przepływem krzyżowym w porównaniu z 0,1% dla okrągłych wież z przepływem przeciwprądowym). Hałas generowany przez wieże z przepływem przeciwprądowym pochodzi głównie ze spadającej wody i pracy wentylatorów, podczas gdy wieże z przepływem krzyżowym generują głównie hałas wentylatorów przy minimalnym hałasie wody. W związku z tym ogólny poziom hałasu wież z przepływem krzyżowym jest niższy niż w przypadku wież z przepływem przeciwprądowym, chociaż wieże z przepływem przeciwprądowym o bardzo-niskim poziomie hałasu również działają cicho. Podsumowując, wieże z przepływem krzyżowym sprawdzają się lepiej w obszarach o rygorystycznych wymaganiach w zakresie hałasu i ochrony środowiska.

Zużycie energii: Wieże z przepływem krzyżowym mają duże wloty powietrza, niską prędkość wiatru i małe straty oporu, dlatego niektóre modele mają mniejszą moc silnika niż wieże z przepływem przeciwprądowym. Porównując koszty, opłaty za transport, wydatki na konserwację i zużycie energii przez silnik obu typów, ich całkowite koszty są mniej więcej podobne w ciągu 2-4 lat. Im dłuższa żywotność, tym niższy względny koszt wież z przepływem krzyżowym.

Codzienna konserwacja: Wymiana i konserwacja różnych elementów wież z przepływem krzyżowym jest wygodna, natomiast konserwacja systemu dystrybucji wody i wymiana arkuszy wypełniających w wieżach z przepływem przeciwprądowym jest uciążliwa. Wieże z przepływem krzyżowym można lepiej dostosować do projektów o złej jakości wody i wymagają od użytkowników prostszej codziennej konserwacji.