Guľové ventily priamo-na-chladenie kvapalín: Vysvetlenie požiadaviek na riadenie prietoku

Keď inžinier dátového centra špecifikuje chladiace zariadenie pre 100 kW GPU rack, konverzácia zvyčajne začína chladiacimi platňami, CDU a rozloženiami rozvodov. Ventily sú dodatočným nápadom, kým sa niečo nepokazí. Jediný nesprávne nakonfigurovaný izolačný bod môže vynútiť úplné vypnutie stojana počas obdobia údržby. Ventil, ktorý nedokáže dostatočne rýchlo reagovať na únik, môže zmáčať urýchľovače v hodnote 300 000 dolárov. Komponent{7}}riadenia prietoku dimenzovaný pre systém HVAC v budove vytvorí tlakovú nerovnováhu, ktorá zníži výkon čipu v priebehu niekoľkých dní od uvedenia do prevádzky.

Kvapalné chladenie priamo-na-čip (D2C) -, kde chladiaca kvapalina cirkuluje priamo cez chladiace platne namontované na procesoroch, grafických procesoroch a pamäťových moduloch -, sa zmenilo z bežnej praxe na bežnú nevyhnutnosť. Jednotlivé čipy urýchľovača teraz rozptyľujú až 1 200 W tepla a hustota na úrovni racku bežne dosahuje 60 kW až 200 kW. Chladenie vzduchom nedokáže držať krok s týmito číslami. Nahradenie ventilátorov kvapalinovými slučkami však znamená zavedenie novej kategórie presných mechanických komponentov do prostredia, ktoré bolo predtým suché. Správny výber ventilu nie je voliteľný. Pomýliť sa je drahé.

Tento článok vysvetľuje, čo chladiace systémy D2C skutočne vyžadujú od guľových ventilov, rozdelené podľa funkčnej úlohy, a premieta tieto požiadavky do konkrétnych kritérií špecifikácie pre inžinierov a obstarávacie tímy.

 

Systém CDU kvapalinového chladenia dátového centra

 

Ako sú štruktúrované chladiace slučky D2C

Pred riešením požiadaviek na ventily vám pomôže pochopiť, kde sa ventily nachádzajú v systéme D2C.

Chladiaca distribučná jednotka (CDU) funguje ako výmenník tepla a čerpadlo v srdci okruhu. Odoberá teplú vratnú vodu zo serverových stojanov, vymieňa si teplo s prívodom chladenej-vody zariadenia a posiela upravenú chladiacu kvapalinu späť cez prívodné potrubia do každého stojana. Vnútri každého stojana rozvetvuje tok sekundárny rozdeľovací strom na jednotlivé studené platne. V každom bode odbočenia a pripojení ventily vykonávajú jednu zo štyroch rôznych funkcií: izoláciu, prepínanie obtoku, moduláciu prietoku alebo núdzové vypnutie.

Každá z týchto funkcií má svoje vlastné technické požiadavky a nie každý dizajn guľového ventilu spĺňa všetky štyri.

 

Štyri funkčné roly a čo každý požaduje

1. Izolácia pre údržbu a redundanciu

Najbežnejšou aplikáciou guľového ventilu v systémoch D2C je izolácia na úrovni stojana. Keď je potrebné vymeniť zásobník servera alebo ak dôjde k úniku chladiacej platne, technici musia túto vetvu odtlakovať a vypustiť bez toho, aby odstavili zvyšok okruhu.

Dobre{0}}vyprojektovaná architektúra izolácie umiestňuje ventily na napájacie aj spätné vedenie v pripojení stojana-k-rozdeľovaču. Toto nie je nadbytočnosť sama osebe. Patenty od veľkých prevádzkovateľov hyperscale popisujú schémy dvojitej{5}}izolácie ventilov, kde horný a dolný guľový ventil fungujú nezávisle, každý s vlastnou miskou na únik. Ak horný ventil zlyhá, dolný sa zatvorí. Senzor úniku vo vnútri vaničky komunikuje so systémom riadenia budovy (BMS), aby automaticky spustil sekundárny uzáver bez zásahu človeka.

Pre túto rolu je kritickou špecifikáciou úplný-dizajn, čo znamená, že vnútorný priemer otvoru ventilu zodpovedá priemeru potrubia. Zmenšený-ventil vytvára zbytočný pokles tlaku v každom izolačnom bode a v stojane s 20 alebo viacerými paralelne prebiehajúcimi studenými doskami sa tieto kvapky rýchlo spájajú.

Požiadavky špecifikácií pre izolačnú povinnosť: geometria plného otvoru, trieda netesnosti VI (najprísnejšia norma v odvetví pre pružné-sedlové ventily), telo z nehrdzavejúcej ocele 316 na odolnosť voči korózii vo vlhkých mechanických priestoroch a ovládanie, ktoré je integrované s riadiacimi signálmi BMS.

2. Premostenie a prepínanie slučky

A 3-cestný prírubový guľový ventilzvláda jednu z technicky najnáročnejších úloh v systémoch D2C: vedenie chladiacej kvapaliny medzi viacerými okruhmi v závislosti od prevádzkových podmienok.

V konfigurácii voľného-chladenia, kde sú okolité teploty dostatočne nízke, takže mechanické chladenie nie je potrebné, táto konfigurácia presmeruje tok dodávky cez obtokovú slučku, čím úplne obíde chladič a šetrí značnú energiu. V architektúrach redundantného chladenia druhý port presmeruje tok medzi primárnou a záložnou chladiacou slučkou, ak sa jednotka CDU vypne.

Požadovaná presnosť je vyššia ako pri jednoduchej izolácii zapnutia/vypnutia. Ventil musí udržiavať opakovateľný deliaci pomer medzi svojimi portami počas tisícok prevádzkových cyklov. Posun polohy aj o niekoľko stupňov môže dostatočne posunúť distribúciu chladiacej kvapaliny, aby ovplyvnil teploty prechodu triesok. Vďaka tomu je elektrické ovládanie so spätnou väzbou polohy preferovanou voľbou pred manuálnym ovládaním. Cyklus pneumatického ovládača v pol-sekundových intervaloch je dostatočne rýchly na núdzovú reakciu, ale rýchlejšie akumuluje mechanické opotrebovanie v aplikáciách, ktoré vyžadujú nepretržitú moduláciu.

Pre spínanie obtoku a slučky{0}} špecifikujte ventil s charakteristickou geometriou otvoru T-portu alebo L-portu, elektrický pohon s riadiacim vstupom 4-20 mA alebo 0-10 V DC a spätnú väzbu polohy zapojenú späť do riadiacej jednotky CDU.

 

Leadtek 3-cestný prírubový guľový ventil

 

3. Rack-úrovňová modulácia toku

Nie všetky stojany v dátovom centre bežia súčasne pri rovnakom tepelnom zaťažení. Stojan s nečinnými servermi odoberá oveľa menej tepla ako ten istý stojan pri plnom tréningovom zaťažení AI. Ak je prietok chladiacej kvapaliny pevne stanovený na maximálnu rýchlosť bez ohľadu na využitie servera, čerpadlá spotrebúvajú energiu úmerne-nepriaznivému scenáru nepretržite.

Dynamické riadenie toku to rieši. Výskum z Texaskej univerzity v Arlingtone demonštroval zariadenie na riadenie prietoku pomocou guľového ventilu V-cut pripojeného k mikro servomotoru, ktorý moduluje prietok na úrovni serverového stojana na základe využitia v reálnom-čase. Pri nečinnosti naprieč plným stojanom systém dosiahol až 87% zníženie čerpacej energie. Pri plnom zaťažení sa ventil úplne otvoril, aby sa zabezpečil maximálny prietok.

Guľový ventil V-cut (alebo V-notch) je špeciálne navrhnutý pre modulovanú prevádzku. Na rozdiel od štandardnej-gule s úplným otvorom, ktorá je efektívne buď úplne otvorená alebo úplne zatvorená, V-zárez vytvára rovnakú-percentuálnu prietokovú charakteristiku: daný prírastok rotácie ventilu vytvára proporcionálnu percentuálnu zmenu prietoku a nie absolútnu zmenu. Vďaka tomu je ventil kompatibilný s PID (proporcionálne -integrálne- odvodené) regulačné slučky, kde regulátor nepretržite upravuje prietok tak, aby udržal cieľovú nastavenú hodnotu prívodnej teploty.

4. Reakcia na únik a núdzové vypnutie

Chladiaca kvapalina na elektronike je hlavným problémom, ktorý bráni rýchlejšiemu zavádzaniu kvapalinového chladenia v dátových centrách. Moderné systémy D2C to riešia autonómnou ochranou: solenoidom{2}}ovládané guľové ventily spárované so senzormi na detekciu úniku, ktoré prerušia prietok v priebehu milisekúnd od detekcie vlhkosti v bode pripojenia.

V prípade núdzového vypnutia je rýchlosť aktivácie a{0}}bezpečné správanie pri poruche dôležitejšie ako presnosť modulácie prietoku. Pneumatické pohony sú uprednostňované, pretože ich cyklus trvá menej ako pol sekundy a je možné ich nakonfigurovať tak, aby sa pri strate riadiaceho signálu pružne- vrátili do zatvorenej polohy. Toto zlyhanie-zatvorené správanie chráni hardvér, ak samotný riadiaci systém stratí energiu.

 

Prevod rolí do špecifikácií

Väčšina špecifikácií ventilov pre aplikácie D2C je nedostatočne špecifikovaná, pretože sú skopírované z HVAC alebo všeobecných priemyselných šablón. Nasledujúce kritériá sa vzťahujú konkrétne na clo D2C.

Materiál:Telo a obloženie z nehrdzavejúcej ocele 316 pre kompatibilitu s deionizovanou vodou, zmesou vody-glykolu a korozívnym prostredím kvapalinou-chladenej dátovej haly. 304 nehrdzavejúca oceľ je prijateľná pre armatúry s nízkym namáhaním, ale neodporúča sa pre primárnu izoláciu.

Materiál sedadla:PTFE alebo TFM (upravený PTFE s lepšou rozmerovou stabilitou) pre kompatibilitu s bežnými chemickými zložkami chladiacej kvapaliny D2C a dlhodobý tesniaci výkon pri prevádzkovom rozdiele 5 až 15 PSI, čo je typické tlakové okno v rozvádzači D2C.

Koncové pripojenia:Posun k sanitárnym hadičkám v moderných dizajnoch serverových stojanov znamená, že mnohé stojanové{0}}úrovňové ventily teraz vyžadujú troj-svorkové alebo podobné hygienické koncové spoje namiesto závitových NPT alebo prírubových spojov. Konfigurácia guľového ventilu s 3 PC s tromi oddeliteľnými časťami tela umožňuje výmenu sedla bez odstránenia ventilu z potrubia, čo je významná výhoda údržby v prostredí s hustými stojanmi, kde je obmedzený prístup. Trojdielna séria Leadtek-je navrhnutá presne tak, aby spĺňala tieto požiadavky na prevádzkyschopnosť, pričom využíva presné CNC-obrobené telesá z nehrdzavejúcej ocele 316, ktoré si zachovávajú rozmerovú presnosť vďaka rozšírenému tepelnému cyklovaniu.

Trieda úniku:Trieda VI podľa ANSI/FCI 70-2, najtesnejšia norma netesnosti dosiahnuteľná v dizajne štvrťotáčkového guľového ventilu.

Životnosť cyklu:Dátové centrá AI fungujú nepretržite a riadiace ventily v obtokových obvodoch CDU sa môžu cyklovať stokrát za deň. Minimálny počet cyklov 500 000 aktivácií pre elektricky-poháňané ventily predstavuje primeranú hranicu obstarávania. Pred potvrdením overte u výrobcu{5}}porovnanie s očakávanou frekvenciou kontroly BMS.

Integrácia BMS:Systémy D2C sú riadené systémami správy budov, ktoré monitorujú teplotu, prietok a tlak v celom zariadení. Ventily by mali akceptovať štandardné analógové riadiace signály a vracať spätnú väzbu o polohe na rovnakom protokole, aby umožnili overenie uzavretej-slučky, že sa ventil skutočne presunul do svojej prikázanej polohy.

 

Výber konfigurácie pravého ventilu podľa polohy

Čím širšieguľový ventil z nehrdzavejúcej ocelekategória zahŕňa širokú škálu konfigurácií a nie každá konfigurácia je vhodná pre každú pozíciu v slučke D2C.

Na primárnom pripojení CDU, kde sú priemery potrubí najväčšie a tlaky najvyššie, sú prírubové guľové ventily s ručným{0}}poháňaním kolies typické pre zriedkavú izoláciu. Na úrovni rozdeľovacieho stojana sú kompaktnejšie 2-alebo 3{6}}dielne telesá s elektrickými pohonmi praktickejšie, pretože prístup k stojanu je obmedzený. Na úrovni serverových zásobníkov, kde je rýchlospojiteľný dizajn pohonov, sa sanitárne guľové ventily s trojsvorkovými koncami stávajú priemyselným štandardom.

Jeden princíp výberu platí bez ohľadu na polohu: autorita ventilu, ktorá popisuje, koľko z celkového tlakového rozdielu systému ventil riadi, by malo byť aspoň 50 % poklesu tlaku v odbočke. Ventily s nedostatočnou autoritou nemôžu efektívne modulovať, pretože ostatné odpory systému dominujú v správaní prietoku.

Spoločnosť Leadtek Fluid, pôsobiaca vo výrobnom závode s rozlohou 37 000 metrov štvorcových v Quzhou, Zhejiang, vyrába celý rad konfigurácií ventilov používaných v systémových vrstvách D2C, od prírubových izolátorov na CDU až po sanitárne ventily na vetve studenej dosky. S viac ako 30-ročnými skúsenosťami v oblasti presného odlievania a CNC obrábania, certifikáciou ISO 9001 a CE a 100 alebo viac certifikovanými variantmi guľových ventilov vyvinutých prostredníctvom-vlastného výskumu a vývoja, Leadtek dodáva systémovým integrátorom D2C a operátorom dátových centier vo viac ako 80 krajinách.

 

Zhrnutie a akčné odporúčania

Chladenie priamo-na-čip nezlyhá, pretože studené platne sú zle navrhnuté. Zlyhá na distribučnej vrstve, kde tlaková nerovnováha, nedostatočná izolácia a pomalá núdzová reakcia premenia zvládnuteľné udalosti na nákladné incidenty.

Pred uvoľnením objednávky na guľové ventily D2C potvrďte nasledovné:

Geometria s úplným{0}}vŕtaním na všetkých izolačných bodoch, aby sa predišlo zloženým poklesom tlaku

Troj{0}}konfigurácia so spätnou väzbou polohy v každej polohe premostenia alebo slučky-

Telo z nehrdzavejúcej ocele 316 a materiál sedadla TFM cez sekundárnu slučku stojana

Hodnotenie životnosti cyklu overené oproti očakávanej frekvencii riadenia BMS

Trieda netesnosti pre akýkoľvek ventil v nepretržitej prevádzke

Typ koncového pripojenia prispôsobený štandardu hadičiek používaných v stojane

Získanie týchto špecifikácií tesne pred inštaláciou je podstatne lacnejšie ako diagnostikovanie problémov s nerovnováhou toku po spustení serverov.

 

Často kladené otázky

Aký je rozdiel medzi 2-cestným a 3-cestným prírubovým guľovým ventilom v chladiacom systéme D2C?2-cestný ventil má jeden vstup a jeden výstup a ovláda zapínanie/vypínanie alebo modulačné ovládanie v jednom potrubí. Troj-cestný dizajn má tri porty, ktoré mu umožňujú presmerovať tok medzi dvoma cestami (T-port) alebo prelínať toky z dvoch zdrojov (L-port). V systémoch D2C táto konfigurácia slúži na obtokové obvody, redundantné prepínanie a riadenie ekonomizéra s voľným chladením.

Prečo je nehrdzavejúca oceľ 316 uprednostňovaná pred oceľou 304 v slučkách chladenia kvapalinou?Nerez 316 obsahuje molybdén, ktorý výrazne zlepšuje odolnosť voči chloridom-indukovanej jamkovej a štrbinovej korózii. Chladiaca voda dátového centra, dokonca aj keď je chemicky upravená, vystavuje vnútorné časti ventilov podmienkam, ktoré 304 zvláda primerane v nízko-kontaktných armatúrach, ale menej spoľahlivo v sedlách a telesách s vysokým{5}}cyklom pri nepretržitom prúdení.

Ako často by sa mali guľové ventily v systéme D2C kontrolovať?Ručné izolačné ventily, ktoré sa cyklujú iba počas údržby, si zvyčajne vyžadujú každoročnú kontrolu. Cyklovanie elektricky-ovládacích ventilov pod príkazom BMS by sa malo riadiť cyklom{2}}od výrobcu, pričom kontrola sedla je naplánovaná na 50 % menovitej životnosti. Trojdielne prevedenie karosérie zjednodušuje túto kontrolu, pretože karoséria je oddelená pre prístup k sedadlu bez vyradenia linky z prevádzky.

Čo znamená „autorita ventilu“ a prečo je dôležitá pre moduláciu prietoku D2C?Autorita ventilu je pomer poklesu tlaku na ventile pri úplnom otvorení k celkovému poklesu tlaku v okruhu odbočky. Ventil s nízkou autoritou nemôže efektívne regulovať prietok, pretože dominujú ostatné odpory okruhu. Vo vetvách D2C pracujúcich s rozdielom 5 až 15 PSI by mal regulačný ventil predstavovať aspoň polovicu tohto tlaku pri plnom-otvorenom prietoku, aby sa zachoval zmysluplný rozsah modulácie.

Dajú sa štandardné guľové ventily HVAC použiť v aplikáciách priameho-na-chladenie čipov?Nie spoľahlivo. Štandardné ventily HVAC sú dimenzované na oveľa vyššie prietoky a hrubšie ovládanie, ako vyžadujú vetvy stojanov D2C. Ich ovládače sú často príliš pomalé na načasovanie systému riadenia CDU a materiály ich sediel nemusia byť kompatibilné s balíkmi inhibítorov korózie používanými v deionizovanej chladiacej vode. Ventily kompatibilné s D2C-sú vybrané pre nízky-rozdiel tlaku, vysoké menovité cykly, sanitárne alebo korózne-materiály a kompatibilitu so signálom BMS. Použitie predimenzovaného ventilu HVAC vo vetve D2C je bežným zdrojom nestability v riadiacich slučkách CDU.