L'unità di refrigerazione, detta chiller, è una componente fondamentale del sistema di climatizzazione di un data center. Il refrigerante utilizzato è generalmente l'acqua. Il raffreddamento del condensatore avviene tramite scambio termico e raffreddamento dell'acqua a temperatura ambiente, pertanto si parla anche di unità raffreddate ad acqua. I data center richiedono un'elevata capacità di raffreddamento e, scegliendo un'unità centrifuga, è possibile ottenere una maggiore efficienza energetica. In questo articolo, il termine chiller si riferisce specificamente all'unità centrifuga.
Il compressore centrifugo per la refrigerazione è un compressore rotativo. Il tubo di aspirazione introduce il gas da comprimere nell'ingresso della girante. Il gas ruota ad alta velocità con la girante sotto l'azione delle pale. Il gas compie lavoro, aumentando la sua velocità, e viene quindi aspirato dall'uscita della girante e introdotto nella camera del diffusore; poiché il gas fuoriesce dalla girante con un'elevata velocità di flusso, per convertire parte di questa velocità in energia di pressione, è installato un diffusore con una sezione di flusso gradualmente più ampia che converte l'energia per aumentare la pressione del gas; dopo che il gas diffuso viene raccolto nella voluta, entra nel condensatore dell'unità per la condensazione. Il processo sopra descritto rappresenta il principio di compressione centrifuga, come mostrato in Figura 1; inoltre, per condensare e rimuovere il freddo, il sistema di condizionamento dell'aria comprende un sistema di acqua di raffreddamento e un sistema di acqua refrigerata.
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Composizione dell'unità centrifuga
La composizione dell'unità centrifuga è la seguente: include compressore centrifugo, evaporatore, condensatore, orifizio di strozzamento, dispositivo di alimentazione dell'olio, quadro elettrico, ecc., come mostrato nelle Figure 2 e 3. Il compressore è composto principalmente da una camera di aspirazione, una girante, un diffusore, una curva, un dispositivo di riflusso e una voluta.
Caratteristiche dell'unità centrifuga
Le caratteristiche dell'unità centrifuga di grandi dimensioni sono le seguenti:
1. Elevata capacità di raffreddamento. Poiché la capacità di aspirazione del compressore centrifugo non può essere troppo piccola, la capacità di raffreddamento di una singola unità è relativamente elevata. La struttura compatta, il peso ridotto e le dimensioni contenute gli consentono di occupare poco spazio. A parità di capacità di raffreddamento, il peso del compressore centrifugo è solo da 1/5 a 1/8 di quello di un compressore a pistoni, e questo vantaggio è ancora più evidente all'aumentare della capacità di raffreddamento.
2. Minore usura dei componenti e alta affidabilità. I compressori centrifughi non presentano quasi nessuna usura durante il funzionamento, pertanto sono durevoli e hanno bassi costi di manutenzione e di esercizio.
3. La parte di compressione nel compressore centrifugo è a movimento rotatorio e la forza radiale è bilanciata, quindi il funzionamento è stabile, le vibrazioni sono ridotte e non è necessario alcun dispositivo speciale di riduzione delle vibrazioni.
4. La capacità di raffreddamento può essere regolata in modo economico. I compressori centrifughi possono utilizzare metodi come la regolazione delle pale direttrici per regolare l'energia entro un determinato intervallo.
5. È facile implementare la compressione e la strozzatura multistadio e consente di realizzare il funzionamento dello stesso frigorifero con temperature di evaporazione multiple.
Guasti comuni dei refrigeratori
Durante la costruzione e la messa in servizio, le macchine a freddo possono presentare alcuni problemi, e si possono verificare guasti anche durante il funzionamento. La gestione di questi problemi e guasti è fondamentale per la sicurezza operativa e di manutenzione del data center. Di seguito vengono riportati alcuni casi verificatisi durante la costruzione e il funzionamento delle macchine a freddo. I metodi di elaborazione e le esperienze pertinenti sono forniti a solo scopo di riferimento.
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Nessun debug di carico
【Fenomeno problematico】
Un data center necessita di eseguire il debug e il collaudo del sistema di raffreddamento, ma l'installazione delle apparecchiature di condizionamento dell'aria del terminale non è stata completata e il sito non dispone del carico fittizio necessario, pertanto i lavori di messa in servizio non possono essere eseguiti.
【analisi del problema】
Dopo il completamento dell'installazione dell'unità centrifuga nel data center, le apparecchiature terminali nella sala computer non sono ancora installate, il canale dell'acqua di congelamento presso il terminale è bloccato e il refrigeratore non può essere sottoposto a debug. Il carico è troppo basso per raggiungere il limite inferiore di carico del refrigeratore e le operazioni di debug non possono essere eseguite. D'altra parte, poiché la macchina frigorifera non è stata sottoposta a debug, le apparecchiature server nella sala computer principale non possono essere accese e utilizzate, creando un ciclo infinito; inoltre, durante il processo di debug, la potenza di carico fittizio richiesta è elevata e il processo operativo consumerà molta energia; i fattori sopra descritti rendono il debug della macchina frigorifera un problema.
【problema risolto】
Utilizzare il metodo di debug a vuoto per il debug. Questo processo consiste nello sfruttare appieno la capacità di scambio termico dello scambio di piastre, trasferendo il freddo generato dall'evaporatore del frigorifero al lato condensatore attraverso lo scambio di piastre e il calore rilasciato dal condensatore del frigorifero nuovamente al lato evaporatore attraverso lo scambio di piastre, in modo da ottenere una perfetta corrispondenza tra la capacità di raffreddamento del frigorifero e il carico termico, con la torre di raffreddamento che assorbe solo la potenza dell'albero del compressore. Utilizzando questo metodo, è facile eseguire un test completo delle prestazioni in diverse condizioni di carico. La circolazione del circuito dell'acqua durante la sostituzione e il debug delle piastre fredde è mostrata in Figura 4.
Le fasi di debug del sistema sono sostanzialmente le seguenti:
1. Aprire la valvola di bypass nel collettore secondario e assicurarsi che il condotto dell'acqua non sia ostruito per consentire la circolazione quando il condizionatore d'aria terminale non è installato;
2. Aprire completamente il refrigeratore sul lato dell'acqua refrigerata e la valvola di scambio a piastre per garantire che il passaggio dell'acqua tra il refrigeratore e lo scambiatore di piastre sia regolare e che l'acqua fredda aspirata dal refrigeratore e il calore restituito dallo scambiatore di piastre si mescolino uniformemente; aprire normalmente la pompa dell'acqua refrigerata e regolare manualmente la frequenza a 45 Hz o superiore, assicurandosi che la circolazione dell'acqua sia normale;
3. Aprire completamente la valvola dell'acqua di raffreddamento del refrigeratore, aprire parzialmente la valvola sul lato dell'acqua di raffreddamento del pannello di ricambio e accendere la pompa dell'acqua di raffreddamento per garantire la normale circolazione dell'acqua. Regolare la frequenza della pompa a 41-45 Hz; non accendere prima la ventola della torre di raffreddamento;
4. In condizioni normali di acqua refrigerata e acqua di raffreddamento, accendere il refrigeratore ed eseguire una prova di funzionamento autonomo;
5. La temperatura dell'acqua di raffreddamento del refrigeratore inizia ad aumentare e l'acqua refrigerata inizia a raffreddarsi;
6. Regolare la capacità di scambio termico dello scambiatore di piastre in base all'apertura della valvola dell'acqua di raffreddamento dello scambiatore di piastre e regolare l'apertura della valvola tra 1/4 e completamente aperta;
7. Accendere parzialmente la ventola della torre di raffreddamento in base alla temperatura dell'acqua di raffreddamento, fino a quando non si riesce a ridurre la potenza assorbita dall'albero del compressore.
【Esperienza】
Al fine di ottimizzare il consumo energetico e sfruttare il raffreddamento naturale, i data center sono generalmente progettati con tecnologia di raffreddamento a torre e piastre. Durante la fase di messa in servizio, la capacità di scambio termico delle piastre può essere utilizzata per ottenere calore sufficiente dal condensatore del chiller, necessario per il suo funzionamento iniziale; in altre parole, il freddo generato dal chiller viene dissipato dalle piastre.
Il principio del debug a vuoto consiste nello sfruttare appieno la capacità di scambio termico dello scambiatore di calore a piastre, trasferendo il freddo generato dall'evaporatore del frigorifero al condensatore attraverso lo scambiatore di calore e il calore rilasciato dal condensatore all'evaporatore sempre attraverso lo scambiatore di calore, in modo da ottenere l'accoppiamento tra la capacità di raffreddamento e il carico termico del frigorifero. Questo metodo è semplice da utilizzare e facile da implementare.
Data di pubblicazione: 15 febbraio 2023
