שסתומי כדור ישירות-ל-קירור נוזלי שבב: הסבר על דרישות בקרת זרימה

כאשר מהנדס מרכז נתונים מציין ציוד קירור עבור מתלה GPU של 100 קילוואט, השיחה מתחילה בדרך כלל עם לוחות קרים, CDUs ופריסות סעפת. שסתומים הם מחשבה שלאחר מכן עד שמשהו משתבש. נקודת בידוד שגויה אחת יכולה לכפות כיבוי מלא של מתלה במהלך חלון תחזוקה. שסתום שלא יכול להגיב מספיק מהר לאירוע דליפה יכול לספוג מאיצים בשווי 300,000 דולר. ורכיב בקרת זרימה- בגודל של מערכת HVAC בבניין יצור חוסר איזון בלחץ שמצער את ביצועי השבב בתוך ימים ממועד ההפעלה.

קירור נוזלי ישיר-ל-שבב (D2C) - שבו נוזל הקירור מופץ ישירות דרך לוחות קרות המותקנות על מעבדים, GPUs ומודולי זיכרון - עבר מנוהג נישה לצורך מיינסטרים. שבבי מאיץ בודדים מפזרים כעת עד 1,200 וואט של חום, וצפיפות -רמת מתלים מגיעה בדרך כלל ל-60 קילוואט עד 200 קילוואט. קירור אוויר לא יכול לעמוד בקצב המספרים האלה. אבל החלפת מאווררים בלולאות נוזל פירושה הכנסת קטגוריה חדשה של רכיבים מכניים מדויקים לסביבה שהייתה יבשה בעבר. בחירת שסתום נכונה אינה אופציונלית. לטעות זה יקר.

מאמר זה מסביר מה בעצם דורשות מערכות קירור D2C משסתומי כדור, בחלוקה לפי תפקיד פונקציונלי, ומתרגם את הדרישות הללו לקריטריונים של מפרט קונקרטי למהנדסים וצוותי רכש.

 

מערכת CDU לקירור נוזלי של מרכז נתונים

 

כיצד בנויות לולאות קירור D2C

לפני שמתייחסים לדרישות השסתומים, זה עוזר להבין היכן חיים השסתומים במערכת D2C.

יחידת חלוקת קירור (CDU) פועלת כמחליף חום ומשאבה בלב הלולאה. הוא שואב מים חוזרים חמים מתלי השרת, מחליף חום עם אספקת המים המצוננים-של המתקן, ושולח נוזל קירור ממוזג בחזרה דרך סעפות האספקה ​​לכל מתלה. בתוך כל מתלה, עץ סעפת משני מסעף את הזרימה לצלחות קרות בודדות. בכל נקודת הסתעפות וחיבור, שסתומים מבצעים אחת מארבע פונקציות שונות: בידוד, מיתוג מעקף, אפנון זרימה או כיבוי חירום.

כל אחת מהפונקציות הללו נושאת דרישות טכניות משלה, ולא כל עיצוב שסתום כדורי מספק את כל הארבעה.

 

ארבעה תפקידים פונקציונליים ומה כל אחד מהם דורש

1. בידוד לתחזוקה ויתירות

היישום השסתום הכדורי הנפוץ ביותר במערכות D2C הוא בידוד מפלסים-. כאשר מגש שרת זקוק להחלפה או פלטה קרה מפתחת דליפה, הטכנאים צריכים להוריד לחץ ולנקז את הענף מבלי לסגור את שאר הלולאה.

ארכיטקטורת בידוד-מהונדסת היטב מציבה שסתומים הן בקווי האספקה ​​והן בקווי ההחזרה בחיבור -לסעפת-לסעפת. זו לא יתירות לשמה. פטנטים של מפעילי היפר-סקאלה הגדולים מתארים סכימות בידוד שסתומים כפולות- שבהן שסתום כדור עליון ותחתון פועלים באופן עצמאי, כל אחד עם מגש דליפה משלו. אם השסתום העליון נכשל, התחתון נסגר. חיישן דליפה בתוך המגש מתקשר עם מערכת ניהול הבניין (BMS) כדי להפעיל את הסגירה המשנית באופן אוטומטי, ללא התערבות אנושית.

עבור תפקיד זה, המפרט הקריטי הוא עיצוב קידוח מלא-, כלומר הקוטר הפנימי של פתח השסתום מתאים לקוטר הצינור. שסתום קידוח מופחת מציג ירידת לחץ מיותרת על פני כל נקודת בידוד, ובמתלה עם 20 פלטות קרות או יותר הפועלות במקביל, נפילות אלו מתרככות במהירות.

דרישות מפרט עבור חובת בידוד: גיאומטריית קידוח מלאה-, דירוג דליפות Class VI (התקן ההדוק ביותר בתעשייה עבור שסתומים גמישים-), גוף נירוסטה 316 לעמידות בפני קורוזיה בחדרים מכאניים לחים, והפעלה המשתלבת עם אותות בקרת BMS.

2. מיתוג עוקף ולולאה

A שסתום כדור בעל אוגן תלת כיוונימטפל באחת העבודות התובעניות ביותר מבחינה טכנית במערכות D2C: ניתוב נוזל קירור בין מספר מסלולי מעגל בהתאם לתנאי ההפעלה.

בתצורת-קירור חופשית, שבה טמפרטורות הסביבה נמוכות מספיק כדי שקירור מכני מיותר, תצורה זו מפנה מחדש את זרימת האספקה ​​דרך לולאה עוקפת, עוקפת את המצנן לחלוטין וחוסכת אנרגיה משמעותית. בארכיטקטורות קירור מיותרות, יציאה שנייה מסיטה את הזרימה בין לולאות קירור ראשוניות ללולאות המתנה אם CDU נכשל במצב לא מקוון.

הדיוק הנדרש כאן גבוה יותר מאשר בידוד פשוט להפעלה/כיבוי. השסתום חייב לשמור על יחס פיצול שניתן לחזור עליו בין היציאות שלו לאורך אלפי מחזורי פעולה. סחף מיקום של אפילו כמה מעלות יכול לשנות את פיזור נוזל הקירור מספיק כדי להשפיע על טמפרטורות צומת שבבים. זה הופך הפעלה חשמלית עם משוב מיקום לבחירה המועדפת על פני פעולה ידנית. מפעיל פנאומטי שנוסע במרווחים של חצי-שנייה הוא מהיר מספיק לתגובת חירום אך צובר בלאי מכני מהר יותר ביישומים הדורשים אפנון מתמשך.

עבור חובת מיתוג מעקף ולולאה-, ציין שסתום עם גיאומטריית קידוח T- או L- מאופיינת, מפעיל חשמלי עם כניסת בקרה של 4-20 mA או 0-10 V DC, ומיקום משוב מחווט בחזרה לבקר ניהול ה-CDU.

 

Leadtek 3-way Flanged Ball Valve

 

3. מדף-אפנון זרימה ברמה

לא כל המתלים במרכז נתונים פועלים באותו עומס תרמי בו-זמנית. מתלה של שרתים לא פעילים שואבת הרבה פחות חום מאשר אותו מתלה תחת עומס מלא של אימון בינה מלאכותית. אם זרימת נוזל הקירור קבועה בקצב המרבי ללא קשר לשימוש בשרת, משאבות צורכות אנרגיה פרופורציונלית לתרחיש הגרוע ביותר- מסביב לשעון.

בקרת זרימה דינמית מטפלת בכך. מחקר מאוניברסיטת טקסס בארלינגטון הדגים מכשיר בקרת זרימה באמצעות שסתום כדורי V-חתוך המחובר למנוע מיקרו סרוו, המווסת את הזרימה ברמת מדף השרת בהתבסס על ניצול בזמן אמת-. בתנאי סרק על פני מתלה מלא, המערכת השיגה עד 87% הפחתה באנרגיית השאיבה. בעומס מלא, השסתום נפתח במלואו כדי לספק זרימה מקסימלית.

שסתום הכדור V-חתוך (או V-חריץ) תוכנן במיוחד עבור מווסת עבודה. שלא כמו כדור רגיל מלא- שלמעשה פתוח לחלוטין או סגור לחלוטין, חריץ V- יוצר מאפיין זרימה שווה-באחוז: תוספת נתונה של סיבוב השסתום מייצרת שינוי אחוז פרופורציונלי בקצב הזרימה ולא שינוי מוחלט. זה הופך את השסתום לתואם ללולאות בקרה של PID (פרופורציונלי-אינטגרלי-נגזרת), שבהן הבקר מכוון את הזרימה באופן רציף כדי לשמור על נקודת קביעת יעד של טמפרטורת אספקה.

4. תגובה לדליפה וכיבוי חירום

נוזל קירור על אלקטרוניקה הוא החשש העיקרי המעכב אימוץ מהיר יותר של קירור נוזלי במרכזי נתונים. מערכות D2C מודרניות מטפלות בכך עם הגנה אוטונומית: שסתומי כדור-מתופעלי סולנואיד בשילוב חיישני זיהוי דליפות שמפריעים לזרימה תוך אלפיות שניות מזיהוי לחות בנקודת חיבור.

לעבודות כיבוי חירום, מהירות ההפעלה והתנהגות בטוחה-של כשל חשובים יותר מדיוק אפנון זרימה. מפעילים פניאומטיים מועדפים מכיוון שהם עוברים מחזור תוך פחות מחצי שנייה וניתן להגדיר אותם כך שיחזרו-בקפיץ למצב סגור עם אובדן אות הבקרה. התנהגות סגורה של כשל-מגינה על החומרה אם מערכת הבקרה עצמה מאבדת מתח.

 

תרגום תפקידים למפרטים

רוב מפרטי השסתומים עבור יישומי D2C מצוינים בחסר מכיוון שהם מועתקים מתבניות HVAC או תבניות תעשייתיות כלליות. הקריטריונים הבאים חלים במיוחד על חובת D2C.

חוֹמֶר:גוף ועיטור מנירוסטה 316 עבור תאימות עם מים מופחתים, תערובות גליקול- במים, והסביבה הקורוזיבית של נירוסטה-מקורר. 304 נוזלי מקובלים עבור אביזרי מתח נמוכים- אך לא מומלץ לעבודת בידוד ראשונית.

חומר מושב:PTFE או TFM (PTFE שונה עם יציבות מימדית טובה יותר) להתאמה לכימיה נפוצה של נוזל קירור D2C וביצועי איטום לטווח ארוך בטווח של 5 עד 15 PSI, חלון הלחץ הטיפוסי בענף מתלה D2C.

סיום חיבורים:המעבר לצינורות סניטריים בעיצובים מודרניים של מדפי שרתים פירושו שסתמי רמה רבים של -מתלים דורשים כעת חיבורי קצה תלת- או חיבורי קצה היגייניים דומים במקום NPT עם הברגה או חיבורי אוגן. תצורת 3 PC Ball Valve, עם שלושה חלקי גוף הניתנים להפרדה, מאפשרת החלפת מושב מבלי להסיר את השסתום מהקו, יתרון תחזוקה משמעותי בסביבות מתלה צפופות בהן הגישה מוגבלת. סדרת שלושת-החלקים של Leadtek תוכננה בדיוק סביב דרישת השירות הזו, תוך שימוש בגופי CNC- מדויקים בעיבוד 316 מפלדת אל חלד, השומרים על דיוק ממדי באמצעות רכיבה תרמית ממושכת.

דרגת דליפה:Class VI לכל ANSI/FCI 70-2, תקן הדליפה ההדוק ביותר שניתן להשיג בעיצוב שסתום כדורי רבע סיבוב.

חיי מחזור:מרכזי נתונים בינה מלאכותית פועלים ברציפות, ושסתומי בקרה במעגלי עוקף CDU עשויים להסתובב מאות פעמים ביום. דירוג מחזור מינימלי של 500,000 פעולות עבור שסתומים- חשמליים הוא קרקע סבירה לרכישה. אמת עם היצרן והצלב-תדירות הבקרה הצפויה של BMS לפני הביצוע.

שילוב BMS:מערכות D2C נשלטות על ידי מערכות ניהול מבנים המנטרות טמפרטורה, זרימה ולחץ על פני כל המתקן. שסתומים צריכים לקבל אותות בקרה אנלוגיים סטנדרטיים ולהחזיר משוב מיקום על אותו פרוטוקול כדי לאפשר אימות לולאה סגורה שהשסתום אכן זז למצב הפקודה שלו.

 

בחירת תצורת השסתום הנכונה לפי מיקום

הרחב יותרשסתום כדורי נירוסטההקטגוריה משתרעת על מגוון רחב של תצורות, ולא כל תצורה מתאימה לכל מיקום בלולאת D2C.

בחיבור הראשי של CDU, שבו קוטר הצינורות הוא הגדול ביותר והלחצים הם הגבוהים ביותר, שסתומי כדור עם אוגן עם הפעלת גלגל-ידנית אופייניים לבידוד נדיר. ברמת סעפת המתלה, גופים קומפקטיים של 2- או 3- חלקים עם מפעילים חשמליים הם מעשיים יותר מכיוון שהגישה למתלה מוגבלת. ברמת מגש השרתים, שבה מתכננים כונני שירות לניתוק מהיר, שסתומי כדור סניטריים עם קצוות תלת מהדקים הופכים לסטנדרט בתעשייה.

עיקרון בחירה אחד חל ללא קשר למיקום: סמכות שסתום, המתארת ​​כמה מהפרש הלחץ הכולל של המערכת שהשסתום שולט, צריכה להיות לפחות 50% ממפל הלחץ הענף. שסתומים עם סמכות לא מספקת אינם יכולים לווסת ביעילות מכיוון ששאר ההתנגדויות של המערכת שולטות בהתנהגות הזרימה.

Leadtek Fluid, הפועלת ממתקן ייצור בשטח של 37,000 מ"ר בקוז'ו, ג'ה-ג'יאנג, מייצרת את כל מגוון תצורות השסתומים המשמשות על פני שכבות מערכת D2C, ממבודדי אוגן ב-CDU ועד שסתומים סניטריים בסניף הפלטה הקרה. עם ניסיון של למעלה מ-30 שנה של יציקה מדויקת ועיבוד CNC, הסמכת ISO 9001 ו-CE, ו-100 גרסאות או יותר של שסתומים כדוריים שפותחו באמצעות מו"פ-ביתי, Leadtek מספקת אינטגרצי מערכות D2C ומפעילי מרכזי נתונים ביותר מ-80 מדינות.

 

סיכום והמלצות לפעולה

קירור ישיר-ל-שבב אינו נכשל מכיוון שצלחות קרות מעוצבות בצורה גרועה. היא נכשלת בשכבת ההפצה, שבה חוסר איזון בלחץ, בידוד לא הולם ותגובת חירום איטית הופכים אירועים שניתנים לניהול לאירועים יקרים.

לפני שחרור הזמנת רכש עבור שסתומי כדור D2C, אשר את הדברים הבאים:

גיאומטריה מלאה-בכל נקודות הבידוד כדי למנוע נפילות לחץ מורכבות

תלת-תצורה עם משוב מיקום בכל מיקום מעקף או לולאה-

גוף מנירוסטה 316 וחומר מושב TFM על פני הלולאה המשנית של המתלה

דירוג חיי מחזור מאומת מול תדירות בקרת BMS צפויה

דירוג דליפות Class VI עבור כל שסתום בפעילות רציפה

סוג חיבור הקצה מותאם לתקן הצינורות המשמש במתלה

קבלת מפרטים אלו ממש לפני ההתקנה זולה משמעותית מאבחון בעיות בחוסר איזון בזרימה לאחר שהשרתים פועלים.

 

שאלות נפוצות

מה ההבדל בין שסתום כדורי אוגן דו-כיווני ל-3 כיווני במערכת קירור D2C?לשסתום דו-כיווני יש כניסה ויציאה אחת והוא מטפל בהפעלה/כיבוי או בקרה מווסתת בקו אחד. לעיצוב תלת-כיווני יש שלוש יציאות, המאפשרות לו להסיט זרימה בין שני נתיבים (T-port) או למזג זרימות משני מקורות (L-port). במערכות D2C, תצורה זו משרתת מעגלי עוקפים, מיתוג יתירות ובקרת חסכון בקירור חופשי.

מדוע פלדת אל חלד 316 מועדפת על פני 304 בלולאות קירור נוזלי?נירוסטה 316 מכיל מוליבדן, אשר משפר באופן משמעותי את העמידות בפני כלוריד-לקורוזיה ולקורוזיה של חריצים. מי קירור של מרכז נתונים, אפילו כשהם מטופלים כימי, חושפים את חלקי השסתומים לתנאים ש-304 מטפל בהם בצורה נאותה באביזרי מגע-נמוכים אך פחות מהימן במושבים ובגופים בעלי מחזור- גבוהים בזרימה מתמשכת.

באיזו תדירות יש לבדוק שסתומים כדוריים במערכת D2C?שסתומי בידוד ידניים המופעלים רק במהלך תחזוקה מחייבים בדרך כלל בדיקה שנתית. שסתומי בקרה-חשמליים הפועלים על אופניים תחת פקודת BMS צריכים לעקוב אחר דירוג החיים-של היצרן, עם בדיקת מושב המתוכננת ב-50% מהחיים המדורגים. עיצובי גוף של שלושה- חלקים מפשטים את הבדיקה הזו מכיוון שהגוף נפרד לגישה למושב מבלי לבטל את הקו.

מה המשמעות של "סמכות שסתום", ולמה זה משנה עבור אפנון זרימת D2C?סמכות שסתום היא היחס בין ירידת הלחץ על פני השסתום בפתיחה מלאה לבין ירידת הלחץ הכוללת במעגל הסניף. שסתום בעל סמכות נמוכה לא יכול לווסת את הזרימה ביעילות מכיוון ששאר ההתנגדויות של המעגל שולטות. בסניפי D2C הפועלים בהפרש של 5 עד 15 PSI, שסתום הבקרה צריך להוות לפחות מחצית מתקציב הלחץ הזה בזרימה פתוחה מלאה- כדי לשמור על טווח אפנון משמעותי.

האם ניתן להשתמש בשסתומי כדור HVAC סטנדרטיים ביישומי קירור ישיר-ל-שבב?לא מהימן. שסתומי HVAC סטנדרטיים מותאמים לקצבי זרימה גבוהים בהרבה ובקרה גסה יותר ממה שדורשים ענפי מתלים D2C. המפעילים שלהם הם לרוב איטיים מדי עבור תזמון מערכת ניהול CDU, וייתכן כי חומרי המושב שלהם לא יהיו תואמים לחבילות מעכבי קורוזיה המשמשות במי קירור מופחתים. שסתומים תואמים D2C-נבחרים עבור הפרש לחץ נמוך-, דירוגי מחזור גבוהים, חומרים עמידים סניטריים או- בפני קורוזיה ותאימות אות BMS. שימוש בשסתום HVAC גדול מדי בענף D2C הוא מקור נפוץ לאי יציבות ציד בלולאות בקרה של CDU.