Die Kältemaschine, auch Kaltwassersatz genannt, ist ein wichtiger Bestandteil der Klimaanlage eines Rechenzentrums. Als Kältemittel dient üblicherweise Wasser. Die Kühlung des Kondensators erfolgt durch Wärmeaustausch und Kühlung von Wasser mit normaler Temperatur; daher spricht man auch von einer wassergekühlten Einheit. Rechenzentren haben einen hohen Bedarf an Kühlleistung, und eine höhere Energieeffizienz lässt sich durch den Einsatz einer Zentrifugalkältemaschine erzielen. Der Begriff „Kaltwassersatz“ bezieht sich in diesem Artikel speziell auf eine Zentrifugalkältemaschine.
Der Zentrifugal-Kältekompressor ist ein Rotationskompressor. Das zu verdichtende Gas wird über das Saugrohr in den Laufradeinlass geleitet. Durch die Kraft der Laufradschaufeln rotiert das Gas mit hoher Geschwindigkeit. Dabei verrichtet das Gas Arbeit, seine Geschwindigkeit erhöht sich, und es wird anschließend aus dem Laufradauslass in die Diffusorkammer geleitet. Da das Gas beim Austritt aus dem Laufrad eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist, wird diese in Druckenergie umgewandelt. Ein Diffusor mit sich allmählich erweiterndem Strömungsquerschnitt erhöht den Gasdruck. Das diffundierte Gas sammelt sich im Spiralgehäuse und gelangt zur Kondensation in den Kondensator des Geräts. Dieses Verfahren ist das Prinzip der Zentrifugalkompression (siehe Abbildung 1). Zur Kondensation und Abfuhr der Kälte umfasst das Klimatisierungssystem zusätzlich ein Kühlwassersystem und ein Kaltwassersystem.
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Zusammensetzung der Zentrifugaleinheit
Die Zentrifugaleinheit setzt sich wie folgt zusammen: Sie umfasst Zentrifugalkompressor, Verdampfer, Kondensator, Drosselblende, Ölzufuhrvorrichtung, Schaltschrank usw., wie in Abbildung 2 und Abbildung 3 dargestellt. Der Kompressor besteht hauptsächlich aus einer Saugkammer, einem Laufrad, einem Diffusor, einem Krümmer und einer Rücklaufvorrichtung sowie einem Spiralgehäuse.
Merkmale der Zentrifugaleinheit
Die Merkmale der großen Zentrifuge sind wie folgt:
1. Hohe Kühlleistung. Da die Saugleistung des Radialverdichters nicht zu gering sein darf, ist seine Kühlleistung im Vergleich zu anderen Geräten relativ hoch. Kompakte Bauweise, geringes Gewicht und kleine Abmessungen sorgen für einen geringen Platzbedarf. Bei gleicher Kühlleistung wiegt ein Radialverdichter nur 1/5 bis 1/8 so viel wie ein Kolbenverdichter, und dieser Unterschied wird umso deutlicher, je höher die Kühlleistung ist.
2. Weniger Verschleißteile und hohe Zuverlässigkeit. Zentrifugalkompressoren weisen im Betrieb nahezu keinen Verschleiß auf, sind daher langlebig und zeichnen sich durch geringe Wartungs- und Betriebskosten aus.
3. Der Kompressionsteil im Zentrifugalkompressor ist eine Drehbewegung, und die Radialkraft ist ausgeglichen, sodass der Betrieb stabil ist, die Vibrationen gering sind und keine spezielle Schwingungsdämpfungsvorrichtung erforderlich ist.
4. Die Kühlleistung lässt sich wirtschaftlich anpassen. Zentrifugalkompressoren können Methoden wie die Leitschaufelverstellung nutzen, um die Energie innerhalb eines bestimmten Bereichs zu regulieren.
5. Mehrstufige Kompression und Drosselung lassen sich leicht realisieren, und der Betrieb desselben Kühlschranks mit mehreren Verdampfungstemperaturen ist möglich.
Häufige Fehler von Kältemaschinen
Bei der Entwicklung und Inbetriebnahme von Kaltrechnern können Probleme auftreten, und auch im laufenden Betrieb sind Ausfälle möglich. Der Umgang mit diesen Problemen und Störungen ist für die Sicherheit des Rechenzentrumsbetriebs und die Wartung von entscheidender Bedeutung. Im Folgenden werden einige Fälle aus der Zeit der Entwicklung und des Betriebs von Kaltrechnern aufgeführt. Die angegebenen Vorgehensweisen und Erfahrungen dienen lediglich als Referenz.
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Debugging ohne Last
【Problemphänomen】
Ein Rechenzentrum muss den Kaltwassersatz debuggen und testen, aber die Installation der Klimaanlage am Terminal ist noch nicht abgeschlossen, und es fehlt am Standort auch die notwendige Dummy-Last, sodass die Inbetriebnahme nicht durchgeführt werden kann.
【Problemanalyse】
Nach Abschluss der Installation der Zentrifuge im Rechenzentrum ist die Endgeräteanlage im Serverraum noch nicht installiert. Dadurch ist der Kühlwasserkanal am Endgerät blockiert, und die Kältemaschine kann nicht in Betrieb genommen werden. Die Last ist zu gering, um die untere Leistungsgrenze der Kältemaschine zu erreichen, sodass die Inbetriebnahme nicht möglich ist. Da die Kältemaschine nicht in Betrieb genommen wurde, können die Server im Hauptserverraum nicht eingeschaltet werden, wodurch eine Endlosschleife entsteht. Zudem ist der benötigte Dummy-Last-Leistungsbedarf während der Inbetriebnahme enorm, was den Stromverbrauch erhöht. All diese Faktoren führen dazu, dass die Inbetriebnahme der Kältemaschine problematisch wird.
【Problem gelöst】
Verwenden Sie für die Fehlersuche die Leerlauf-Fehlersuche. Dabei wird die Wärmeaustauschkapazität des Plattenwärmetauschers optimal genutzt. Die vom Verdampfer erzeugte Kälte wird über den Plattenwärmetauscher zur Kondensatorseite des Kühlschranks transportiert, und die vom Kondensator abgegebene Wärme wird über denselben Mechanismus zurück zum Verdampfer geführt. So wird eine optimale Abstimmung zwischen Kühlleistung und Wärmelast erreicht, und der Kühlturm beansprucht lediglich die Wellenleistung des Kompressors. Mit dieser Methode lassen sich umfassende Leistungstests unter verschiedenen Lasten einfach durchführen. Der Wasserkreislauf für den Austausch und die Fehlersuche der Kühlplatten ist in Abbildung 4 dargestellt.
Die Schritte zur Systemfehlersuche sind im Wesentlichen folgende:
1. Öffnen Sie das Bypassventil im Unterkollektor und stellen Sie sicher, dass der Wasserweg frei ist, um eine Zirkulation zu gewährleisten, wenn die Klimaanlage nicht installiert ist.
2. Öffnen Sie den Kühler auf der Kaltwasserseite und das Plattenwärmetauscherventil vollständig, um einen reibungslosen Wasserdurchfluss im Kühler und Plattenwärmetauscher zu gewährleisten und eine reibungslose Vermischung des vom Kühler aufgenommenen Kaltwassers mit der vom Plattenwärmetauscher abgegebenen Wärme sicherzustellen; schalten Sie die Kaltwasserpumpe normalerweise ein und stellen Sie die Frequenz manuell auf 45 Hz oder mehr ein, um eine normale Wasserzirkulation zu gewährleisten;
3. Öffnen Sie das Kühlwasserventil des Kaltwassersatzes vollständig, öffnen Sie das Ventil auf der Kühlwasserseite des Austauschpanels teilweise und schalten Sie die Kühlwasserpumpe ein, um eine normale Wasserzirkulation zu gewährleisten. Stellen Sie die Pumpenfrequenz auf 41–45 Hz ein; schalten Sie den Lüfter des Kühlturms nicht zuerst ein.
4. Unter normalen Bedingungen von Kaltwasser und Kühlwasser schalten Sie den Kaltwassersatz ein und führen Sie einen Probebetrieb im Standalone-Betrieb durch.
5. Die Kühlwassertemperatur des Kaltwassersatzes beginnt zu steigen, und das gekühlte Wasser beginnt abzukühlen;
6. Passen Sie die Wärmeübertragungskapazität des Plattenwärmetauschers entsprechend der Öffnung des Kühlwasserventils des Plattenwärmetauschers an und stellen Sie die Ventilöffnung zwischen 1/4 und vollständig geöffnet ein;
7. Schalten Sie den Lüfter des Kühlturms entsprechend der Kühlwassertemperatur teilweise ein, sodass die Wellenleistung des Kompressors reduziert werden kann.
【Erfahrung】
Um den Energieverbrauch zu senken und natürliche Kühlung zu ermöglichen, werden Rechenzentren üblicherweise mit Kühltürmen und Plattenwärmetauschern ausgestattet. Bei der Inbetriebnahme kann die Wärmeaustauschkapazität des Plattenwärmetauschers genutzt werden, um dem Kondensator der Kältemaschine ausreichend Wärme für die Inbetriebnahme zuzuführen. Das heißt, die von der Kältemaschine erzeugte Kälte wird vom Plattenwärmetauscher abgeführt.
Das Prinzip der Leerlauf-Optimierung besteht darin, die Wärmeaustauschkapazität des Plattenwärmetauschers voll auszunutzen, die vom Verdampfer des Kühlschranks erzeugte Kälte über den Plattenwärmetauscher an die Kondensatorseite des Kühlschranks abzugeben und die vom Kondensator des Kühlschranks abgegebene Wärme über die Plattenwärmetauscherseite zurück an den Verdampfer zu transportieren, um so die Kühlleistung und die Wärmelast des Kühlschranks aufeinander abzustimmen. Diese Methode ist einfach zu bedienen und leicht umzusetzen.
Veröffentlichungsdatum: 15. Februar 2023
