数据中心运维基础教程：离心式冷水机

考虑到数据中心的实际情况以及负荷容量,数据中心制冷大多采用水冷离心式冷水机组作为冷源制冷,满足机房的制冷需求。但是综合考虑之后,冷机供冷方式或者说冷冻水供水方式会有不同,分别为低温供水(10℃)和中温供水(15℃)。

1.离心式冷水机制冷原理

利用冷媒的相变潜热的吸收与释放,完成冷冻水以及冷却水之间的热交换,进而达到冷冻水制冷、冷却水散热的功能作用。冷机的主要组成结构可以简单分析有四个部分,分别为蒸发器、压缩机、冷凝器以及节流装置,制冷原理简单介绍如下。

蒸发器是一个热交换器,机房冷冻高温回水在经过蒸发器的时候将热量转移到冷机冷媒介质,从而制得低温冷冻水输送到机房末端供冷。冷媒介质会吸收此部分热量,完成一个相变的过程,使得冷媒介质由低压低温液态转变为低压低温气态,相变潜热原理完成冷冻水的制冷工作。

压缩机组件由发动机和离心式压缩机组成,通过将动能转化成压力来提高制冷剂的压力和温度,使得冷媒介质由低压低温的气态转变为高压高温的气态。

冷凝器同蒸发器一样,也是一个热交换器,冷媒介质在这里将自身携带的热量传递给冷却系统的下塔低温水,冷媒介质状态由高压高温气态转化为高压高温液态,利用相变潜热的原理完成热量的转化,使得冷却水温度升高,并且由冷却塔排放到大气层。

膨胀装置(节流装置)其实就是一个降压装置,使得冷媒介质状态由高压高温液态转化为低压低温液态。

2.流量Q 与制冷能效比COP

冷水机组制冷量:Q=CMΔT式中,C——冷冻系统介质水的比热容,取值4.138 kJ/(kg·℃);

M——单位时间内流经冷机的冷冻水的质量,需要用到流量值,参考管道水流量计;

ΔT——冷水机组蒸发器进水温度与出水温度的差值;

COP(Coefficient of Performance),即能量与冷量之间的转化比率,简称制冷能效比,数据中心制冷计算式为

冷水机组COP:COP=

式中,P——冷水机组耗电功率,由冷水机组配电柜智能仪表读取。(www.xing528.com)

3.运维经验分享

冷水机组冷凝器由于环境的影响容易发生结垢现象,影响冷水机组高效节能运行,所以需要判断结垢情况以便及时处理。

当冷水机组冷凝器(冷却水)侧结垢严重时,最容易判断的是冷凝器外壁温度明显比正常机组高,用手就能感觉到。同时,通过冷机的冷凝压力可以发现,冷凝器结垢的冷凝压力明显比正常冷机高。

此处提到两个参考值,冷凝器外壁温度和冷凝压力,通过结垢机组与正常机组的参数对照,从而确定冷凝器结垢程度。这就需要运维工作中的观察留意,能够对正常机组的运行状态有清晰的了解,这样才能通过比对发现问题。这里建议在新项目运行或者进行清理过后,对一些重要参数数据记录,以便日后运维工作中分析对照。

4.附图(图3-7、图3-8)

图3-7　冷水机组制冷原理简图

图3-8　制冷循环压焓图

图3-8显示了与图3-7一样的制冷循环的压焓(P-H)图。每个组成部分的过程都表示在图上。蒸发过程从点1到点2,当制冷剂从液体变成气体时,压力(和温度)保持不变,热量被吸收后发生相变(潜能)。制冷效果是从点1到点2的焓值变化,简单表示为循环制冷剂的单位制冷量BTU/1b。

从点2到点3的曲线表示压缩过程。做功等于从点2到点3的焓值变化与制冷剂流量的乘积。简单表示为BTU/1b乘以1b/min等于压缩机做功。压缩机将压缩功最终转化成制冷剂的热量。开启式电动机将电动机绕组的热量排放到机房,由于冷水机组电动机的效率通常高于95%,小于电动机额定功率5%的功率最终转化为热量排到机房中。曲线的垂直部分表示制冷剂压力(和温度)从点2升高到点3。

下一个过程发生在冷凝器。第一部分(在制冷剂圆弧曲线外面)是将过热蒸汽降温的过程。一旦制冷剂成为饱和气体,就出现冷凝过程将制冷剂从气体变为液体,同压焓图上很容易看出过冷是如何增加总的冷却效果的,过冷延长了制冷剂单位质量的制冷效果(较大的ΔH),这样在没有增加耗功的情况下增加了冷却量。

最后的过程是在膨胀装置,图3-8中从点④到点①的垂直直线表示在制冷剂通过热力膨胀阀时压力(和温度)降低。