Любой центр обработки данных с жидкостным охлаждением — это, по сути, проект трубопроводной системы, пролегающей под серверами. Охлаждающая жидкость должна распределяться, изолироваться, балансироваться, сливать и обслуживаться, а компонентами, обеспечивающими все это, являются клапаны. В данном руководстве объясняется, где в контуре жидкостного охлаждения центра обработки данных устанавливаются шаровые краны, почему нержавеющая сталь является стандартным материалом корпуса для систем с охлаждающей жидкостью, а также как правильно подобрать тип крана, седло и торцевое соединение для каждой части системы — от водопроводной сети объекта до блока распределения охлаждающей жидкости (CDU).
Мы пишем это с точки зрения поставщика: мы — тайваньский производитель, который с 1999 года выпускает шаровые краны из нержавеющей стали, в том числе краны для линий полупроводниковых производств, где требования к чистоте воды и защите от коррозии очень схожи с требованиями, предъявляемыми к контурам охлаждающей жидкости.
Почему серверы с искусственным интеллектом вынуждают переходить на жидкостное охлаждение
Воздушное охлаждение перестает быть целесообразным, когда мощность стоек превышает уровень тепла, который могут отводить вентиляторы и системы вентиляции помещения, а стойки для обучения ИИ уже значительно превысили этот порог. Жидкость отводит тепло гораздо эффективнее, чем воздух, поэтому операторы переходят на использование холодных пластин с прямым контактом с чипами, а в некоторых конструкциях — на полное погружное охлаждение. Отраслевые рекомендации по этим системам опубликованы Комитет ASHRAE по передаче данных и Проект «Open Compute», и в обоих случаях контур охлаждения рассматривается как постоянная инфраструктура, а не как дополнительное оборудование. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли программа повышения эффективности центров обработки данных отслеживает тот же сдвиг с точки зрения энергетики.
Для тех, кто занимается подбором компонентов, это имеет следующее практическое значение: в центре обработки данных с жидкостным охлаждением теперь имеются сотни позиций клапанов, которых не было в здании с воздушным охлаждением, и которые распределены по трем зонам.
Расположение клапанов в системе жидкостного охлаждения
Шаровые краны устанавливаются на каждом участке, где необходимо изолировать, заполнить, слить или сбалансировать часть контура. В терминологии ASHRAE система разделяется на систему технического водоснабжения объекта (FWS) — охлажденную воду или воду конденсатора со стороны здания — и технологическую систему охлаждения (TCS) — подготовленную охлаждающую жидкость, которая фактически поступает к ИТ-оборудованию. CDU служит связующим звеном между ними: это шкаф, содержащий теплообменник, насосы и средства управления, который обеспечивает изоляцию хладагента на стороне серверов от воды объекта.
| Расположение в контуре | Для чего нужен клапан | Типичный тип клапана |
|---|---|---|
| Подача воды в объект и её возврат в каждый блок CDU | Обеспечивает отключение CDU для проведения технического обслуживания без остановки технологического контура установки | Шаровой кран с фланцевым соединением, JIS 10K/20K или ANSI класс 150/300 |
| Внутри CDU (заливной, сливной, перепускной, датчиковые краны) | Ввод в эксплуатацию, промывка, слив при техническом обслуживании | Компактный шаровой кран с резьбовым соединением, от 1/2″ до 2″ |
| Коллекторы вторичного контура и рядные коллекторы | Выделяет одну строку или группу стоек; балансировка | Двух- или трёхходовой шаровой кран, с резьбовым или сварным соединением |
| Автоматическая изоляция и реагирование на утечки | Закрывает сегмент по сигналу утечки или по команде дистанционного управления | Шаровой кран с пневматическим приводом (двойного действия или с пружинным возвратом) |
Последнее соединение между коллектором и сервером, как правило, представляет собой быстроразъемное соединение, относящееся к другому семейству изделий. Однако все, что находится выше по потоку, относится к сфере традиционных клапанов, и именно здесь выбор материала начинает играть важную роль.
Почему нержавеющая сталь является стандартным материалом для контуров охлаждающей жидкости
Причина кроется в химическом составе охлаждающей жидкости. В контурах с прямым охлаждением чипа обычно используется очищенная вода или смесь пропиленгликоля с водой, в которую добавляются ингибиторы коррозии, а в руководстве по материалам, контактирующим с жидкостью, приведенном в документации по охлаждению Open Compute Project, содержатся строгие требования к материалам, которые могут соприкасаться с этой жидкостью: металлы, выделяющие ионы или частицы ржавчины, загрязняют хладагент, забивают микроканалы холодных пластин и сокращают срок службы жидкости. Аустенитная нержавеющая сталь входит в список безопасных материалов; углеродистая сталь и железо без покрытия — нет. В некоторых контурах используется латунь, но смешивание слишком большого количества металлов повышает риск гальванической коррозии, поэтому многие операторы упрощают процесс, стандартизируя смачиваемые детали из нержавеющей стали.
Корпуса наших клапанов изготавливаются методом литья по выплавляемым моделям из сплава CF8 (литая нержавеющая сталь марки 304) или CF8M (литая нержавеющая сталь марки 316). Выбор между ними зависит в первую очередь от одного фактора: хлоридов. В составе стали 316 добавлен молибден, который обеспечивает устойчивость к точечной коррозии, вызываемой ионами хлорида в стали 304. Если в контуре используется хорошо очищенная деионизированная вода или вода с ингибиторами коррозии, а установка находится в обычных условиях внутри помещения, то, как правило, достаточно стали 304. Следует выбирать сталь 316, если охлаждающая жидкость или условия эксплуатации предполагают воздействие хлоридов, например, на прибрежных объектах, где трубопроводы, проходящие снаружи, подвергаются воздействию соленого воздуха. Это та же логика выбора между сталями 304 и 316, которую мы применяем в водопроводные и газопроводные линии полупроводникового завода, где требования к чистоте от частиц и ионов еще более строгие, чем в центрах обработки данных.
Подбор конструкции клапана для каждой зоны
Краткий ответ: фланцевые клапаны следует использовать там, где трубопровод имеет фланцевое соединение и при проектировании приоритетом является удобство обслуживания; резьбовые или сварные компактные клапаны — внутри модулей и коллекторов; а пневматические приводы — в случаях, когда изоляция должна осуществляться автоматически. Приведенные ниже сведения представляют собой технические характеристики наших собственных линеек продукции, поэтому их следует рассматривать как конкретный ориентир, а не как абстрактную рекомендацию.
Водопроводная часть установки: шаровые краны с фланцевым соединением
Контуры, проходящие по стороне здания, обычно оснащены фланцами для облегчения технического обслуживания. Наши ручные фланцевые шаровые краны поставляются в исполнении JIS 10K и ANSI Class 150 с размерами от 1/2″ до 8″, а также в соответствии со стандартами JIS 20K и Class 300 в диапазоне размеров от 1/2″ до 4″, с седлами из PTFE и диапазоном рабочих температур от -20 °C до +180 °C. Номинальное давление соответствует номинальному давлению фланца, например, 1,0 МПа для JIS 10K и 275 фунтов на квадратный дюйм при температуре окружающей среды для класса 150 в соответствии со стандартами на фланцы, что значительно превышает рабочее давление в типичном контуре охлаждения объекта. Другими словами, класс фланца, необходимый для совместимости болтовых соединений, как правило, сам по себе решает вопрос о давлении.
Внутренняя конструкция блоков управления (CDU) и коллекторов: компактные двухкомпонентные и трёхкомпонентные клапаны
Производители блочных конструкций уделяют внимание размерам корпуса, материалам, контактирующим с рабочей средой, а также способу разборки клапана. Компактный Двухсекционные шаровые краны с резьбовым соединением, рассчитанные на давление 1000 WOG выполнять работы по наполнению, сливанию и отключению приборов; если терминология в области номинальных характеристик вам незнакома, ознакомьтесь с нашим руководством по Номинальные значения давления WOG объясняет, что на практике означает обозначение «1000 WOG». Для коллекторов и распределителей, которые будут обслуживаться на месте, трехсекционный шаровой кран, также рассчитанный на 1000 WOG, является стандартным выбором: центральная секция откидывается для замены сит без необходимости разрезания трубы, а в качестве концевых соединений предлагаются резьбовые (конические PT), стыковые сварные или муфтовые сварные. Сварные концы полностью исключают потенциальный путь утечки, что предпочитают некоторые проектировщики CDU для соединений, которые никогда не будут вскрываться; наш обзор концевые соединения клапанов сравнивает все «за» и «против».
Одно предупреждение относительно резьбы: системы конической резьбы различаются. В наших резьбовых клапанах используется коническая резьба типа PT (система JIS/BSPT, широко применяемая в оборудовании азиатского производства). Резьбы PT и NPT не являются взаимозаменяемыми, и при смешанном соединении герметичность может быть обеспечена во время испытаний, но при термоциклировании может возникнуть утечка. Перед размещением заказа убедитесь, какая система указана в чертежах вашей установки.
Автоматическая изоляция: шаровые краны с пневматическим приводом
Системы локализации утечек и дистанционное управление участками требуют использования клапанов, которые закрываются без участия человека. Наши пневматические шаровые краны с фланцевым соединением Установите корпуса с фланцами указанных выше размеров в сочетании с алюминиевыми приводами с зубчатой рейкой в исполнении двойного действия (DA) и с пружинным возвратом (SR), монтируемыми на опорной площадке по стандарту ISO 5211 и приводимыми в действие приборным воздухом под давлением от 4 до 7 бар. Версия с пружинным возвратом является естественным выбором для систем реагирования на утечки, поскольку при отключении пневмопитания она приводит клапан в заданное безопасное положение. В качестве опций доступны электромагнитные клапаны, блоки концевых выключателей и позиционеры. Обратите внимание, что температурный предел всей сборки определяется именно приводом, а не корпусом из нержавеющей стали, поэтому необходимо сверять номинальные характеристики привода с условиями эксплуатации, а не исходить из того, что диапазон корпуса применим в данном случае.
Наиболее распространённые ошибки в технических заданиях
Это типичные проблемы, возникающие при определении технических характеристик клапанов контура охлаждающей жидкости, и каждую из них можно предотвратить еще на этапе разработки чертежей.
| Ошибка | Почему это больно | Что делать вместо этого |
|---|---|---|
| Клапаны из углеродистой стали или чугуна, работающие с обработанной охлаждающей жидкостью | Частицы ржавчины и ионы приводят к износу теплоносителя и засорению холодных пластин | Детали, контактирующие с рабочей средой, изготовлены из нержавеющей стали (корпус из CF8/CF8M, шарик и шток из нержавеющей стали) |
| Совмещение резьбы PT и NPT | Первоначально герметично, но при термоциклировании возникают утечки | Унифицировать систему резьбы для каждой рамы и указать её на чертеже |
| Указание 316 везде “на всякий случай” | Обеспечивает «молибденовый эффект», но не приносит пользы в закрытых контурах без хлоридов | Зарезервировать 316 для воздействия хлоридов; указать причину |
| Оценка всего приводного узла по корпусу клапана | Уплотнения и пружины приводов имеют более низкие предельные температуры | При монтаже в «горячем проходе» необходимо отдельно проверить технические характеристики приводов |
Часто задаваемые вопросы
Какие клапаны используются в системах жидкостного охлаждения центров обработки данных?
Основную часть работ по отключению выполняют шаровые краны: фланцевые шаровые краны на подключениях системы водоснабжения объекта к каждому блоку CDU, компактные резьбовые или сварные шаровые краны внутри блоков CDU и на коллекторах рядов, а также шаровые краны с пневматическим приводом в тех местах, где сегменты должны закрываться автоматически. В определённых точках устанавливаются балансировочные клапаны и обратные клапаны, а окончательное соединение между стойкой и сервером обеспечивается быстроразъёмными соединениями. Корпус обычно изготавливается из нержавеющей стали, поскольку химический состав охлаждающей жидкости вызывает коррозию других металлов.
Совместимы ли шаровые краны из нержавеющей стали с водно-гликолевой охлаждающей жидкостью?
Да. Аустенитные нержавеющие стали, такие как 304 и 316, в целом совместимы с очищенной водой и смесями пропиленгликоля, используемыми в системах охлаждения «прямо на чип», и нержавеющая сталь фигурирует в перечнях материалов, контактирующих с рабочей средой, в отраслевых руководствах по охлаждению. Материал седла также имеет значение: седла из ПТФЭ, устанавливаемые в стандартной комплектации на наших клапанах, химически инертны по отношению к гликолевым хладагентам во всём диапазоне температур, в котором работают эти контуры. Всегда проверяйте совместимость с комплексом ингибиторов, поставляемым вашим конкретным поставщиком хладагента.
Что лучше выбрать для контура охлаждения: нержавеющую сталь марки 304 или 316?
Принимайте решение с учетом воздействия хлоридов. Сталь марки 316 содержит молибден, который обеспечивает устойчивость к точечной коррозии, вызванной хлоридами; сталь марки 304 — нет. Для внутренних контуров, в которых циркулирует деионизированная или обработанная ингибиторами охлаждающая жидкость без источников хлоридов, обычно подходит сталь марки 304 (литой сорт CF8). Выбирайте сталь марки 316 (CF8M) при наличии хлоридов, например, на прибрежных объектах, где наружные трубопроводы и градирни подвергаются воздействию соленого воздуха, или там, где программа водоподготовки допускает превышение допустимых уровней хлоридов. Сама по себе кислотность не является определяющим фактором; определяющим фактором являются хлориды.
Какой номинальный рабочий давление должны выдерживать клапаны CDU и контура охлаждающей жидкости?
Контуры охлаждающей жидкости работают при давлениях, которые являются умеренными по сравнению с условиями эксплуатации в общей промышленности, поэтому номинальные параметры стандартных клапанов обеспечивают достаточный запас прочности. Компактные шаровые краны с резьбовым соединением, рассчитанные на 1000 WOG (вода, масло, газ при температуре окружающей среды), многократно превышают типичные требования к контурам, а фланцевые клапаны соответствуют номиналу своего класса фланцев, например JIS 10K или ANSI Class 150. На практике класс фланца выбирается в соответствии с соединительными трубопроводами, а требуемое давление определяется автоматически.
Можно ли автоматизировать шаровые краны в контуре охлаждения?
Да. Любой шаровой кран с поворотом на четверть оборота и монтажной площадкой по стандарту ISO 5211 совместим со стандартным приводом. Чаще всего выбирают пневматические приводы с зубчатой рейкой: двухстороннего действия (DA), при котором воздух приводит в действие оба хода, или с пружинным возвратом (SR), при котором пружина закрывает клапан при сбое подачи воздуха или сигнала, что подходит для изоляции в случае утечки. Такие опции, как электромагнитные клапаны, блоки концевых выключателей для обратной связи по положению и позиционеры, позволяют интегрировать клапан в систему управления зданием.
Резюме: Сначала определите контур, а затем — клапаны
Подбор арматуры для жидкостного охлаждения не представляет собой ничего сложного. Определите три зоны (техническая вода, CDU, вторичный контур), установите фланцевые клапаны из нержавеющей стали там, где трубопроводы имеют фланцевые соединения, компактные двух- или трёхкомпонентные клапаны — внутри блоков и коллекторов, а также клапаны с пружинным возвратом — там, где отключение должно происходить без участия человека. Выбирайте сталь марки 304 или 316 в зависимости от воздействия хлоридов, соблюдайте единообразие резьбовых соединений и учитывайте температурные ограничения приводов отдельно от номинальных параметров корпусов.
Мы производим эти клапаны на собственном заводе в Тайчжуне (Тайвань) в соответствии с системой управления качеством ISO 9001 и с маркировкой CE, и уже 27 лет поставляем шаровые клапаны из нержавеющей стали для трубопроводных систем объектов. Если вы занимаетесь строительством или модернизацией установки CDU, коллекторного блока или трубопроводов системы охлаждения на объекте и хотите, чтобы производитель принимал непосредственное участие в разработке технических требований, свяжитесь с нами по адресу sales@ballvalves.tw или в WhatsApp по номеру +886-917-368-980, указав размеры линий, типы концевых соединений и параметры охлаждающей жидкости, и мы проверим совместимость материалов и седелок для каждой детали в отдельности.