Клапаны жидкостного охлаждения для центров обработки данных: выбор, параметры, рынок и анализ основных характеристик.

Поскольку удельная мощность отдельных шкафов превышает 20 кВт, 30 кВт и даже более высокие пороговые значения, технология жидкостного охлаждения стала ключевым решением для эффективного отвода тепла и достижения целей углеродной нейтральности в центрах обработки данных с высокой плотностью размещения оборудования. Трубопроводная сеть системы жидкостного охлаждения подобна «кровеносным сосудам» системы, а клапаны, как ключевые узлы управления, играют важную роль в регулировании потока, стабилизации давления и обеспечении безопасности. Их конструкция, выбор и характеристики напрямую определяют эффективность охлаждения системы, надежность эксплуатации и общую стоимость жизненного цикла (TCO). В данной статье систематически анализируются технические аспекты и отраслевая ценность клапанов жидкостного охлаждения с пяти точек зрения: необходимость применения клапанов, научная логика выбора, основные технические параметры, данные о рыночной ситуации и будущие тенденции развития, на основе практического опыта в проектах жидкостного охлаждения центров обработки данных.

Ключевая необходимость клапанов жидкостного охлаждения: «защитные механизмы» и «интеллектуальные менеджеры» системы жидкостного охлаждения.

Непрерывная и стабильная работа системы жидкостного охлаждения центра обработки данных зависит от точного регулирования и защиты, обеспечиваемых клапанами. Их ключевая ценность охватывает весь жизненный цикл системы, включая проектирование, управление эксплуатацией и устранение неисправностей, что особенно ярко проявляется в трех основных аспектах:

1. Гарантия безопасности системы в конечном итоге.

В отношении ИТ-оборудования центров обработки данных действует политика нулевой терпимости к утечкам охлаждающей жидкости. Герметичность клапана является первой линией защиты от утечек охлаждающей жидкости и защищает чувствительное электронное оборудование. Благодаря разумной конфигурации специализированных компонентов, таких как предохранительные и обратные клапаны, потенциальные риски, такие как гидроудар и воздействие избыточного давления, могут быть эффективно подавлены, предотвращая необратимое повреждение охлаждающих пластин серверов из-за аномального давления в системе. Учитывая, что охлаждающие пластины серверов обычно рассчитаны на давление в диапазоне 0,6-0,8 МПа, клапан должен строго контролировать рабочее давление на вторичной стороне (от блока распределения питания до шкафа/охлаждающей пластины) в диапазоне 0,3-0,6 МПа, создавая систему ступенчатой ​​защиты от давления.

2. Точный контроль эффективности охлаждения

Система жидкостного охлаждения должна обеспечивать согласование потока и направления охлаждающей жидкости с динамической тепловой нагрузкой шкафа. Клапаны GEKO достигают этого за счет гидравлического балансировочного управления, которое эффективно предотвращает локальное накопление горячих точек или избыточное охлаждение. Например, электрические регулирующие клапаны, установленные на выходе блока распределения питания (CDU), получают управляющие сигналы от системы DCIM для динамического согласования потребности в потоке отдельных шкафов (10-50 л/мин). Балансировочные клапаны могут компенсировать отклонения сопротивления в различных участках трубопровода, обеспечивая стабильную эффективность охлаждения всех шкафов. Это напрямую влияет на значение PUE центра обработки данных и стабильность работы оборудования.

3. Основная поддержка для обеспечения оперативной эффективности

Оптимизированные конфигурации клапанов GEKO позволяют значительно снизить эксплуатационные и технические расходы на системы жидкостного охлаждения и минимизировать риски простоев. Быстроразъемные клапаны поддерживают режим обслуживания шкафов с возможностью «горячей замены», что позволяет проводить техническое обслуживание оборудования без слива охлаждающей жидкости. Шаровые клапаны на выходах из шкафов имеют функцию быстрого перекрытия, сокращая время устранения неисправностей в отдельных шкафах. Автоматические вентиляционные клапаны и клапаны слива в нижней точке решают проблемы накопления воздуха и осаждения примесей, минимизируя время простоя системы и обеспечивая круглосуточную бесперебойную работу центра обработки данных. Требуется регулярное оперативное управление: автоматические вентиляционные клапаны нуждаются в ежеквартальной калибровке для обеспечения плавного отвода воздуха; электрические регулирующие клапаны должны калиброваться ежегодно, при этом отклонения должны контролироваться в пределах ±1% во избежание искажения потока; уплотнения в системах с жидкостями на основе фторидов необходимо заменять каждые 3-5 лет, в то время как уплотнения в системах с деионизированной водой могут служить 5-8 лет, требуя повторной проверки герметичности после замены.

Научная логика отбора: Полномасштабная адаптация от сценария к требованиям

Выбор клапанов для жидкостного охлаждения должен основываться на функциональных потребностях, свойствах среды, уровнях давления в системе и сценариях эксплуатации, с соблюдением четырех принципов: «адаптация к месту установки, совместимость со средой, точное соответствие и контроль затрат». Основное внимание следует уделить охвату четырех ключевых узлов системы жидкостного охлаждения и адаптации семи основных типов клапанов GEKO.

1. Схема расположения клапанов в четырех ключевых местах.

- Выходной блок насоса: используется стандартная конфигурация "Задвижка + Бесшумный обратный клапан + Датчик давления". Задвижка обеспечивает минимальные потери давления в полностью открытом состоянии и гарантирует надежную изоляцию во время технического обслуживания насоса. Бесшумный обратный клапан, благодаря пружинной конструкции, предотвращает обратный поток охлаждающей жидкости после остановки насоса и снижает воздействие гидроударов на рабочее колесо насоса.

- Вход и выход блока распределения охлаждения (БРО): На входе установите Y-образный фильтр с размером ячейки 100-200 меш и манометр для удаления примесей из охлаждающей жидкости и предотвращения засорения микроканалов в серверах. На выходе следует установить электрический регулирующий клапан и расходомер для управления контуром регулирования потока. Обводной трубопровод должен включать ручной балансировочный клапан для калибровки гидравлической балансировки во время отладки системы и в качестве резервного пути потока в случае неисправностей.

- Разводка трубопроводов шкафа: На входе должен быть установлен либо ручной балансировочный клапан (для стандартных сценариев), либо автоматический балансировочный клапан (для высокопроизводительных вычислительных центров). На выходе должен быть установлен шаровой кран для быстрого перекрытия шкафа. Диаметр клапана должен точно соответствовать номинальному расходу шкафа, чтобы обеспечить соответствие потребности в охлаждении его пропускной способности.

- Высокие и низкие точки системы: В высоких точках установите автоматический вентиляционный клапан для удаления воздуха, скопившегося в трубопроводе, и предотвращения газовых засоров и кавитации. В низких точках установите шаровой или задвижной клапан в качестве сливного клапана для откачки воды из системы, очистки от примесей и проведения технического обслуживания.

2. Семь основных типов клапанов GEKO, их характеристики и сценарии применения.

3. Основные принципы выбора материалов: совместимость со средними материалами в первую очередь.

Совместимость материала клапана с охлаждающей жидкостью является ключевым фактором обеспечения долгосрочной стабильной работы. Необходимо избегать коррозии материалов, набухания уплотнений и осаждения примесей. План адаптации материала для различных охлаждающих сред выглядит следующим образом:

- Деионизированная вода: Корпус клапана должен быть изготовлен из нержавеющей стали 304/316, а уплотнения — из EPDM или фторкаучука. Следует избегать использования латуни во избежание осаждения цинка и загрязнения охлаждающей жидкости.

- Раствор этиленгликоля: Корпус клапана должен быть изготовлен из нержавеющей стали марки 316 для повышения коррозионной стойкости, а уплотнения должны быть выполнены из нитриловой резины или фторкаучука, при этом особое внимание следует уделить надежности герметизации в условиях низких температур.

- Изоляция фторированных жидкостей: корпус клапана должен быть изготовлен из нержавеющей стали марки 316 или углеродистой стали с никелевым покрытием, а уплотнения должны быть выполнены из фторкаучука или перфторэфирной резины (FFKM), перед использованием необходимо провести 72-часовое испытание на совместимость.

- Минеральные масла: Корпус клапана может быть изготовлен из углеродистой или нержавеющей стали, а уплотнения могут быть выполнены из фторкаучука или ПТФЭ с учетом влияния коэффициента расширения среды на герметичность.

4. Распространенные ошибки отбора и ключевые моменты, которых следует избегать.

В практической инженерной работе выбор клапанов часто сопровождается недоразумениями. К основным проблемам, которых следует избегать, относятся:

- Путаница между «рабочим давлением» и «расчетным давлением», выбор клапанов, основанный исключительно на рабочем давлении, приводит к недостаточному запасу прочности. Выбор должен строго основываться на расчетном давлении (рабочее давление × 1,1-1,2 коэффициент безопасности).

- Игнорирование долгосрочной совместимости уплотнений и фторированных жидкостей, использование только краткосрочных испытаний перед использованием. Поставщики должны предоставлять отчеты независимых лабораторий о 72-часовых испытаниях на погружение для подтверждения отсутствия набухания или старения.

- Отсутствие измерительных интерфейсов на балансировочных клапанах делает невозможным точное количественное определение гидравлических регулировок на более поздних этапах. Убедитесь, что в выборку включены стандартные интерфейсы измерения давления G1/4 или G3/8.

- Слепое стремление к использованию исключительно импортных клапанов, игнорируя эталонные примеры отечественных марок. При модернизации следует отдавать приоритет выбору отечественных марок, имеющих опыт работы в Северной Америке или на Ближнем Востоке, чтобы найти баланс между стоимостью и надежностью.

Основные технические параметры: ключевые показатели, определяющие производительность клапана.

Клапаны жидкостного охлаждения для центров обработки данных требуют более высокой точности управления и надежности в эксплуатации, чем те, которые используются в традиционных системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) или в нефтегазовой отрасли. Они должны соответствовать уровню Tier и долгосрочным эксплуатационным потребностям центра обработки данных, при этом ключевые показатели подразделяются на две категории: общие основные параметры и специализированные параметры.

1. Основные параметры (необходимые для всех типов клапанов)

- Коэффициент утечки: Внешняя утечка должна соответствовать стандартам нулевой терпимости, при этом коэффициент утечки в масс-спектрометре гелия составляет <1×10⁻⁹ Па·м³/с. Внутренняя герметичность запорных клапанов должна соответствовать стандарту ANSI класса VI или выше, при этом в системах с фторидами или сверхчистой водой не должно быть обнаруживаемых утечек.

- Устойчивость к давлению: Рабочее давление должно соответствовать расчетному давлению системы (обычно 0,5-6 бар) с запасом прочности в 1,5-2 раза. Расчетное давление системы, как правило, не превышает 1,6 МПа, и клапан должен выдерживать кратковременные высокие давления (гидроудар) в 1,3-1,5 раза выше расчетного.

- Надежность и срок службы: Среднее время безотказной работы (MTBF) должно соответствовать 10-летнему сроку службы, требуемому центром обработки данных, при этом механические циклы работы электрических и электромагнитных клапанов должны составлять не менее 100 000 раз. Уровень защиты приводов должен быть не ниже IP65, а для экстремально влажных сред — IP66/IP67.

- Чистота: Внутренний трубопровод должен быть гладким, без застойных зон. Система должна пройти точную очистку перед отгрузкой, при этом чистота по содержанию частиц должна соответствовать классу NAS 1638 Class 6 или выше, чтобы предотвратить засорение микроканалов в серверах.

- Рабочая температура: Клапан должен соответствовать стандартному диапазону рабочих температур 5℃-60℃ для систем жидкостного охлаждения, а также поддерживать температуру до 80℃ и выше в сценариях с высокотемпературной обратной подачей.

2. Специализированные параметры (основные требования, специфичные для данного типа)

- Электрический регулирующий клапан: должен поддерживать аналоговые управляющие сигналы 0-10 В постоянного тока/4-20 мА и может быть оснащен протоколами Modbus, BACnet и другими цифровыми протоколами связи. Значение Kv должно быть точно рассчитано на основе расчетного расхода и допустимого перепада давления.

- Электромагнитный клапан: питается от безопасного напряжения 24 В постоянного тока, имеет предохранительные положения в нормально замкнутом (NC) или нормально разомкнутом (NO) режиме. Время отклика ≤50 мс и соответствует сертификатам UL, CE, RoHS.

- Балансировочный клапан: Оснащен измерительными интерфейсами стандарта G1/4 или G3/8. Производитель должен предоставить калиброванную сторонней организацией кривую зависимости значения KV открытия и функцию блокировки для предотвращения неправильной работы, влияющей на гидравлическую балансировку.

- Предохранительный клапан: заданное давление должно быть в 1,1-1,2 раза выше максимального рабочего давления системы, а пропускная способность клапана должна быть равна или превышать максимальный выходной расход насосного агрегата. Он должен соответствовать требованиям сертификации ASME BPVC Section VIII (стандарт США) или PED 2014/68/EU (стандарт ЕС).

3. Стандарты испытаний и приемки

Клапаны должны пройти строгие процедуры испытаний и приемки, чтобы гарантировать их соответствие техническим требованиям. Основные процессы и стандарты следующие:

1. Заводские испытания: Давление при испытании на прочность должно быть в 1,5 раза выше расчетного давления. Клапан должен выдерживать давление в течение 30 минут без утечек или деформаций. Для проверки герметичности используется гелиевый масс-спектрометр для обнаружения утечек, при этом скорость утечки составляет... <1×10⁻⁹ Па·м³/с.

2. Приемка на месте: Проверка модели клапана, материала, сертификационных документов и соответствия конструкции. Для ключевых клапанов — повторная проверка герметичности и тестирование электрических клапанов на реакцию управляющего сигнала и точность положения клапана.

3. Системная интеграция и приемка: Проверка надежности взаимодействия клапанов с системой DCIM. Предохранительные клапаны должны быть откалиброваны на месте для обеспечения своевременного сброса давления в условиях избыточного давления.

Тенденции будущего: ускорение развития интеллекта, стандартизация и внутреннее замещение.

1. Технические тенденции: интеллектуальные и модульные обновления

В настоящее время происходит модернизация клапанов жидкостного охлаждения в сторону цифровизации и модульности, при этом наблюдаются следующие основные тенденции:

- Интеллектуальная интеграция: благодаря встраиванию датчиков и коммуникационных модулей клапаны обеспечивают мониторинг состояния клапана в режиме реального времени, предупреждение о неисправностях и дистанционное управление, глубоко интегрированные в систему управления DCIM.

- Модульная конструкция: упрощение процессов интеграции и расширения системы. Быстроразъемные клапаны стали стандартом в центрах обработки данных с высокой плотностью размещения оборудования.

- Модернизация основных компонентов: Исполнительные механизмы развиваются в направлении снижения энергопотребления и повышения уровня защиты. Автономность микросхем и алгоритмов управления стала ключевым конкурентным преимуществом для компаний.