التبريد بالغمر مقابل. مباشر-إلى-تبريد الرقاقة: ماذا يعني بالنسبة لمواصفات الأنابيب لديك

المقدمة: القرار الذي حدث بعد فوات الأوان

يقوم معظم مهندسي مراكز البيانات باختيار تقنية التبريد - الانغماس أو المباشر-إلى-الشريحة - استنادًا إلى أهداف كثافة الحامل وميزانية رأس المال. تأتي مواصفات الأنابيب لاحقًا، وغالبًا ما يتم التعامل معها على أنها تفاصيل تنفيذ وليس محرك تصميم. وهذا التسلسل خطأ.

نظام السوائل الذي تقوم بإنشائه حول بنية التبريد التي اخترتها غير قابل للتبديل. ستفشل مواصفات الأنابيب المكتوبة للتبريد المباشر للوحة -إلى-الشريحة (D2C)- - حرفيًا وتشغيليًا - إذا تم تعديلها إلى غمر الطور الفردي-، والعكس صحيح. مع تجاوز كثافات حامل وحدة معالجة الرسومات (GPU) الآن بشكل روتيني 50 كيلووات وأحمال عمل الذكاء الاصطناعي التي تصل إلى 100 كيلووات لكل حامل، لم يعد الحصول على مواصفات الأنابيب بشكل صحيح في مرحلة التصميم التخطيطي أمرًا اختياريًا. يمكن أن يؤدي تسرب واحد في نظام D2C إلى تدمير مجموعة كاملة من أجهزة GPU بقيمة 400000 دولار في ثوانٍ.

تم إعداد هذا الدليل لمهندسي الميكانيكا والسباكة الذين اتخذوا بالفعل (أو يقومون باتخاذ) قرار هندسة التبريد ويحتاجون إلى ترجمة هذا الاختيار إلى مواصفات الأنابيب المتوافقة مع ASHRAE-.

 

 

مباشرة إلى شريحة وحدة معالجة الرسومات لمركز بيانات التبريد السائل CDU

 

1. بنيتان، منطقتان مختلفتان تمامًا لحلقة السوائل

قبل أن تتطرق إلى جدول الأنابيب، افهم أن التبريد الغاطس وD2C يعملان على مبادئ هيدروليكية مختلفة تمامًا.

مباشر-إلى-الشريحة (D2C)يقوم بتدوير السائل - الماء منزوع الأيونات عادةً أو مزيج الماء-جليكول - من خلال الألواح الباردة المثبتة مباشرة على وحدات المعالجة المركزية (CPU)، ووحدات معالجة الرسومات، ووحدات ASIC. يتم امتصاص الحرارة على سطح الرقاقة ويتم نقلها إلى وحدة توزيع سائل التبريد (CDU)، والتي تتبادلها مع نظام المياه في المنشأة. والنتيجة هي شبكة كثيفة ومضغوطة من الأنابيب - ذات القطر الصغير، والمشعبات، وتركيبات الفصل السريع-، والألواح الباردة، والتي يجب أن تعمل جميعها في توازن هيدروليكي في وقت واحد.

تبريد غمر -مرحلة واحدةغمر لوحات الخادم بالكامل في مائع عازل - عادةً ما يكون هيدروكربونًا صناعيًا أو مائعًا هندسيًا - داخل الخزان. تنتقل الحرارة من جميع المكونات إلى السائل، والذي يتم بعد ذلك ضخه من خلال مبادل حراري خارجي. شبكة الأنابيب الخارجية ضئيلة: في الأساس وصلتان لكل خزان (الإمداد والعودة) يعملان على وحدة CDU أو حلقة تبريد المنشأة.

الفرق المعماري صارخ: يقوم D2C بتوزيع التحدي الهيدروليكي عبر العشرات من نقاط الاتصال لكل حامل؛ ويدمجها الغمر في حلقة خارجية بسيطة ومنخفضة الضغط-. كل شيء في مواصفات الأنابيب الخاصة بك يتدفق من هذا التمييز.

 

2. اختيار مواد الأنابيب: حيث تقوم ASHRAE بتعيين الحدود

ASHRAE TC 9.9 وTC 9.6 صريحان فيما يتعلق بتوافق المواد. بالنسبة لحلقات التبريد المستندة إلى الماء D2C-، تحظر الإرشادات احتواء الزنك والألومنيوم والنحاس على أكثر من 15% من الزنك - والتي تعمل جميعها على تسريع التآكل الجلفاني في وجود المياه المعالجة. من الناحية العملية، يستبعد هذا التركيبات النحاسية الصفراء القياسية والأنابيب الفولاذية المجلفنة التي تظل شائعة في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) المائية.

بالنسبة لحلقة نظام التبريد التكنولوجي (TCS) -، تخدم الحلقة الثانوية الألواح الباردة مباشرةً -304 أو 316 الفولاذ المقاوم للصدأهي المواصفات القياسية. تعمل حلقة TCS عادةً على تشغيل المياه منزوعة الأيونات أو المياه المعالجة بدرجة عالية، والتي تكون في الواقع أكثر عدوانية تجاه التآكل من المياه البلدية لأنها لا تحتوي تقريبًا على قدرة تخزين مؤقتة. يلزم وجود صمام عزل عند كل رف، مُصنف وفقًا لضغط تشغيل النظام ومصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ 316، للصيانة الروتينية وعزل التسرب في حالات الطوارئ.

بالنسبة للتبريد الغاطس، يتغير التحدي المادي بالكامل. يكون السائل العازل خاملًا كيميائيًا تجاه معظم المعادن، ولكنه يهاجم بشدة المطاط الصناعي - القياسي EPDM وحشيات Buna-N المستخدمة في تطبيقات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، حيث تنتفخ وتتحلل خلال أشهر من التلامس مع السوائل العازلة المعتمدة على الهيدروكربون-. تعتبر مادة الأنابيب نفسها (الفولاذ المقاوم للصدأ والكربون) متوافقة بشكل عام، ولكن يجب تحديد كل حشية وحلقة دائرية ووصلة مرنة في الحلقة الخارجية على أنها PTFE أو مادة فلورو بوليمر مصنفة للسائل المحدد المستخدم.

 

3. تحجيم الأنابيب، وسرعة التدفق، وانخفاض الضغط

يحدد ASHRAE TC 9.6 أقصى سرعة للسوائل تبلغ2.1 م/ث للأنابيب التي يزيد قطرها عن 3 بوصاتلمنع التآكل في التركيبات والانحناءات. أقل من 3 بوصات، يكون الحد العملي أقرب إلى 1.5-1.8 م/ث قبل زيادة خطر الضوضاء والتآكل بشكل غير مقبول. تنطبق هذه الحدود على كل من بنيات التبريد ولكنها تؤدي إلى نتائج مختلفة جدًا في الحجم.

في أنظمة D2C، يتم تحديد معدل التدفق بواسطة الحمل الحراري لكل لوحة باردة. مع زيادة شريحة TDP (طاقة التصميم الحراري) - تعمل وحدات معالجة الرسوميات H100 الحديثة بقدرة 700 وات TDP، مع توقع مسرعات الجيل التالي- بقدرة 1000 وات+ -، يرتفع الطلب على التدفق لكل لوحة باردة بشكل متناسب. قد يتطلب حامل بقدرة 50 كيلووات مزود بتبريد D2C ما بين 8 إلى 12 لترًا في الدقيقة من سائل التبريد في مشعب الحامل، موزعًا على 8 إلى 16 لوحة تبريد فردية. وهذا يدفع إلى الحاجة إلى توازن هيدروليكي دقيق: يجب أن تتقاسم الصفائح الباردة المتوازية التدفق بشكل عادل، وإلا فإن الرقائق الأكثر سخونة - عادةً تلك الموجودة في نهاية فرع المتشعب - ستحرم من قدرة التبريد.

في أنظمة الغمر، تحمل حلقة الأنابيب الخارجية الحمل الحراري الكامل للخزان، ولكن بسرعة وضغط أقل بكثير لأن آلية القيادة داخل الخزان هي الحمل الحراري والضخ المنخفض-بسرعة منخفضة، وليس تدفق الضغط العالي- القسري. يتطلب خزان الغمر بقدرة 250 كيلووات عادةً 20-30 لترًا فقط في الدقيقة من خلال حلقة المبادل الحراري الخارجي، عند ضغط النظام نادرًا ما يتجاوز 2-3 بار.

يؤثر قرار التوجيه العلوي مقابل التوجيه السفلي أيضًا على الحجم. تشير إرشادات ASHRAE إلى أن تمديدات الأنابيب تحت الأرضية يجب أن تأخذ في الاعتبار سمك العزل وخلوص تقاطع الأنابيب - إضافة 50 مم إلى قطر الأنبوب عند مراعاة غلاف العزل يعد خطأ تخطيط شائعًا يؤدي إلى تعارض التنسيق مع تخطيطات بلاط الأرضية المرتفعة-.

 

4. صمامات العزل، والمصافي، والتحكم في التسرب: تفاصيل المواصفات التي تحمي وقت التشغيل

وهذا هو المكان الذي تحدد فيه مواصفات الأنابيب المرونة التشغيلية بشكل مباشر، وحيث يتم ضمان معظم وثائق المواصفات.

لأنظمة D2C، يجب أن يحتوي كل حامل على صمام عزل على كل من أرجل الإمداد والإرجاع، مما يتيح عزل رف واحد وتصريفه للصيانة دون إغلاق الرفوف المجاورة. نوع الصمام المفضل لهذا التطبيق هو أ3 قطع صمام كروي ملولبفي 304 أو 316 الفولاذ المقاوم للصدأ. يعتبر تصميم الجسم المكون من ثلاث قطع- أمرًا بالغ الأهمية هنا: على عكس الصمامات المكونة من قطعة واحدة-أو قطعتين-من الصمامات، يمكن تفكيكها في مكانها - دون قطع الأنبوب أو إزالة جسم الصمام من الخط - لاستبدال موانع التسرب أو تنظيف المقعد. في بيئة مركز البيانات المباشرة حيث يكون تقليل وقت تعطل الحامل أمرًا بالغ الأهمية، فإن إمكانية الخدمة-المضمنة هذه تعد ميزة تشغيلية ذات معنى، وليست ترفًا في المواصفات.

في الجزء العلوي من كل مشعب حامل، يلزم وجود مصفاة على شكل حرف Y من الفولاذ المقاوم للصدأ لحماية القنوات الصغيرة للوحة الباردة -من التلوث بالجسيمات. تستخدم هندسة اللوحة الباردة لوحدات معالجة الرسوميات عالية الأداء- عروض قناة ضيقة تصل إلى 0.5-1.0 مم؛ يمكن لجسيم بحجم 200 ميكرون أن يسد قناة جزئيًا ويخلق نقطة ساخنة محلية قد لا تلتقطها المراقبة الحرارية حتى يبدأ اختناق الرقاقة. قم بتحديد المصافي ذات معدل شبكي يبلغ 50 ميكرون أو أقل على حلقة TCS، وفقًا لإرشادات جودة المياه ASHRAE TC 9.9.

في ساق العودة، يمنع صمام الرجوع المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ التدفق العكسي عبر المبادل الحراري CDU عندما يتم عزل الحامل أو رحلة المضخة - وهو حدث التدفق العكسي الذي يمكن أن يدخل سائلًا دافئًا في رأس الإمداد ويرفع درجات حرارة سائل التبريد عبر الصف بأكمله قبل أن تستجيب عناصر التحكم.

بالنسبة لاتصالات الخادم -إلى-المشعبة، حدد تركيبات قطع الاتصال الجافة-السريعة- مع الحد الأقصى المسموح به من الانسكاب وهو 1 سنتيمتر مكعب لكل دورة قطع، بما يتماشى مع معايير اتصال OCP (مشروع الحوسبة المفتوحة). يجب تأمين أجزاء الخراطيم المرنة في هذه الوصلات بمشابك إضافية على فترات تبلغ 150 مم لمنع الترهل - الناجم عن انخفاض الضغط والضغط على خيوط التركيب.

لأنظمة الغمر، مواصفات العزل أبسط ولكنها ليست تافهة. يحتاج كل خزان إلى صمامات عزل للإمداد والعودة بحجم مناسب لتدفق الخزان بالكامل، بالإضافة إلى منفذ عينة لمراقبة جودة السائل. حدد وصلات الحلقة الخارجية في مادة متوافقة مع السائل العازل المحدد - وتأكد من التوافق مع مورد السائل كتابيًا قبل الانتهاء من المواصفات، نظرًا لاختلاف تركيبات السوائل الخاصة.

يجب توجيه كابل اكتشاف التسرب على طول كامل طول جميع خطوط أنابيب الإمداد D2C، ويتم وضعه عند أدنى نقطة يمكن الوصول إليها في كل علبة أنابيب أو علبة كابلات. بالنسبة لأنظمة الغمر، تكون أجهزة كشف التسرب ذات مستشعر النقطة-في كل قاعدة خزان وفي وحدة CDU كافية، مع الأخذ في الاعتبار أن توصيلات الأنابيب الخارجية قليلة وشديدة-الرؤية.

 

 

صمام كروي ملولب 3 قطع من Leadtek

 

5. قائمة مرجعية للمواصفات العملية قبل إصدارها للبناء

قبل أن يغادر الفريق الهندسي مواصفات الأنابيب الخاصة بك، تحقق مما يلي مقابل بنية التبريد التي اخترتها:

الامتثال المادي: جميع المعادن المبللة خالية من سبائك الزنك والألومنيوم (D2C)؛ جميع اللدائن المؤكدة متوافقة مع كيمياء السوائل العازلة (الغمر)

فحص السرعة: الحد الأقصى 2.1 م/ث في الأنابيب التي يزيد قطرها عن أو يساوي 3 بوصة، وفقًا لمعيار ASHRAE TC 9.6

صمامات العزل: صمام كروي ملولب مكون من 3 قطع لكل حامل، توريد وإرجاع، مع إمكانية الخدمة في الخط - (D2C)

تصنيف مصفاة: أقل من أو يساوي 50 ميكرون من الشبكة على مصدر TCS، في أعلى كل مشعب حامل (D2C)

تحقق من وضع الصمام: ساق العودة CDU، كل فرع عودة الحامل (D2C)

مواصفات قطع الاتصال السريع-: فاصل جاف-، انسكاب أقل من أو يساوي 1 سم مكعب، متوافق مع OCP - (D2C)

كشف التسرب: كابل مستمر على جميع مسارات العرض (D2C)؛ أجهزة استشعار نقطة في قاعدة الخزان ووحدة CDU (الغمر)

تخليص تحت البلاط: تم تأكيد عزل الأنابيب OD بالإضافة إلى الخلوص المتقاطع بمقدار 50 مم في نموذج الأرضية الفارغة

خطة معالجة المياه: يتم تشغيل برنامج الكيمياء الخاص بالموقع-قبل ملء النظام، مع تحديد بروتوكول المراقبة المستمرة

 

الخلاصة: تحديد نظام الأنابيب ليتناسب مع بنية التبريد، وليس العكس

إن قرار تقنية التبريد ومواصفات الأنابيب ليسا خطوات متسلسلة - بل هما قرار هندسي متكامل واحد. يحدد الاختيار بين الغمر والتبريد D2C المنطق الهيدروليكي، وقيود المواد، واستراتيجية العزل، وملف تعريف مخاطر التسرب لنظام السوائل بأكمله. إن محاولة تكييف مواصفات أنابيب التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) العامة مع أي من البنيتين سوف ينتج عنها نظام ذو أداء ضعيف من الناحية التشغيلية ويخلق تعرضًا غير ضروري للصيانة.

استخدم مواصفات الأنابيب الخاصة بك في التصميم التخطيطي، جنبًا إلى جنب مع اختيار بنية التبريد. استخدم ASHRAE TC 9.6 وTC 9.9 كإطار عمل أساسي للامتثال، وتحقق من كل اختيار للمواد مقابل كيمياء السوائل الفعلية في نظامك - وليس افتراضًا عامًا "للماء". إن قضاء 30 دقيقة في الحصول على تصنيف نوع صمام العزل وشبكة المصفاة في مرحلة المواصفات سيوفر بشكل كبير أكثر من 30 دقيقة في وقت التوقف عن العمل في المستقبل.

 

التعليمات

س: هل يمكنني استخدام أنابيب الفولاذ الكربوني القياسية لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) للحصول على حلقة تبريد مباشرة-إلى-الرقاقة؟

يتم استخدام الفولاذ الكربوني في حلقات الماء المبرد (FWS) الجانبية للمنشأة، ولكنه غير مناسب لحلقة نظام التبريد التكنولوجي (TCS) التي تخدم الألواح الباردة بشكل مباشر. تعمل حلقة TCS على تشغيل مياه نقية للغاية ذات محتوى أيوني منخفض، وهو أكثر تآكلًا للفولاذ الكربوني من مياه التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) المعالجة. حدد الفولاذ المقاوم للصدأ 304 أو 316 لجميع الأنابيب والتركيبات الحلقية TCS.

س: لماذا تحدد الشركة المصنعة لوحدة CDU حجم توصيل الأنابيب مختلفًا عن ذلك الذي يحدده بائع اللوحة الباردة الخاص بي؟

غالبًا ما يتم الحصول على وحدات CDU والألواح الباردة من شركات مصنعة مختلفة ومصممة وفقًا لافتراضات مختلفة لمقاومة التدفق الداخلي. يعد عدم تطابق حجم الاتصال مشكلة موازنة هيدروليكية: إذا كانت وحدة CDU تتوقع 10 لتر/دقيقة عند ضغط 2 بار وكانت الألواح الباردة تتطلب مجتمعة 14 لتر/دقيقة للحفاظ على درجات حرارة وصلات الشريحة، فإن مواصفات البائع ليست خاطئة -، فإن تصميم النظام لم يوفق بينهما. يجب إكمال النموذج الهيدروليكي لحلقة TCS الكاملة، من مخرج CDU إلى كل لوحة باردة وظهر، قبل الانتهاء من تحديد حجم أي اتصال.

س: كم مرة يجب تنظيف مصافي Y في حلقة التبريد D2C؟

خلال أول 90 يومًا من التشغيل، قم بفحص سلال المصفاة شهريًا - حيث تتخلص أنظمة الأنابيب الجديدة من الجسيمات أثناء معالجة طلاءات الأنابيب واستقرار التركيبات. بعد انقطاع-الفترة، يكون الفحص ربع السنوي كافيًا عادةً لأنظمة الحلقة-المغلقة مع المراقبة المستمرة لجودة المياه. إذا كانت وحدة CDU الخاصة بك تشتمل على مستشعر ضغط تفاضلي عبر المصفاة، فاضبط المنبه عند 0.3 بار دلتا -P كخط أساسي للسلة النظيفة-.

س: هل تحديد أنابيب التبريد الغاطس أسهل من تحديد D2C؟

تتميز شبكة الأنابيب الخارجية للتبريد الغاطس بأنها أبسط بشكل ملحوظ - مع عدد أقل من نقاط الاتصال، وضغط أقل، وعدم وجود توزيع مشعب على مستوى الحامل-. ومع ذلك، فإن مواصفات المواد أكثر تعقيدًا لأنه يجب التحقق من توافق السوائل العازلة لكل المطاط الصناعي والحشية والموصل المرن في النظام. يعتبر وضع الفشل في الحصول على خطأ في توافق المواد في نظام الغمر بطيئًا ويصعب اكتشافه: تدهور الختم على مدى 12-18 شهرًا، يليه فقدان تدريجي للسوائل والتلوث، بدلاً من حدث التسرب الفوري والمرئي الذي تنتجه أنظمة D2C.

س: ما هو الحد الأدنى لارتفاع فراغ الأرضية المطلوب لأنبوب التبريد D2C الذي يعمل تحت أرضية مرتفعة؟

لا تحدد إرشادات ASHRAE حدًا أدنى عالميًا، لأنها تعتمد على قطر الأنبوب ومواصفات العزل وما إذا كانت الأنابيب تتقاطع مع بعضها البعض. تتمثل قاعدة التخطيط العملية في السماح بأكبر OD للأنبوب في التشغيل، بالإضافة إلى 75 مم من العزل على جميع الجوانب، بالإضافة إلى خلوص 50 مم في الأعلى للأنابيب المتقاطعة، بالإضافة إلى 25 مم في الأسفل للدعامات. بالنسبة إلى مصدر إمداد رئيسي مقاس 4-بوصة مع عزل بقطر 25 مم، يؤدي هذا إلى الحد الأدنى من فراغ الأرضية بمقدار 300 مم تقريبًا - أكبر من الفراغ البالغ 250 مم الشائع في مراكز البيانات القديمة ذات الأرضية المرتفعة، وهو قيد تحديث يستحق تحديده مبكرًا.