Entropy analysis in data center chiller operation

Full Text

Введение

Развитие цифровых технологий требует обработки и хранения больших объемов информации. Центры обработки данных (ЦОД) — критически важные и высокотехнологичные инфраструктуры, обеспечивающие хранение и обработку огромных объемов информации. Одной из главных задач в управлении ЦОД является обеспечение эффективного охлаждения, так как серверное оборудование выделяет большое количество теплоты, которое необходимо своевременно отводить. Современные ЦОДы потребляют большое количество электроэнергии, значительная часть которой потребляется системами охлаждения.

В процессе пусконаладочных работ возникает необходимость настройки оборудования для получения проектных значений эффективности.

В данной публикации приводится анализ холодильной установки для охлаждения жидкости (чиллера), применяемой для охлаждения центра обработки данных методом энтропийно-статистического анализа.

Применение энтропийно-статистического метода анализа к анализу холодильных установок не является новым [3]. Однако, часто анализу подвергаются холодильные установки на этапе проектирования [4].

В [5] показано применение энтропийно-статистического метода для выбора хладагента чиллера.

В [6] показано применение энтропийно-статистического метода к анализу холодильной установки до и после оптимизации регулирования давления конденсации холодильных установок пищевой промышленности.

Анализ чиллера, рассматриваемого в данной публикации, проводился с целью обеспечения проектных параметров работы.

Методы

Ниже приведен анализ чиллера, работающего по циклу одноступенчатого сжатия с однократным дросселированием для хладагентов R410A, предназначеннего для холодоснабжения центра обработки данных (рис. 1). В качестве метода анализа применялся энтропийно-статистический метод термодинамического анализа. Анализ проводился в три этапа — на этапе проектирования, после пуска в эксплуатацию, после внедрения мероприятий по оптимизации работы.

Рис. 1. Внешний вид холодильной машины.

Fig. 1. Chiller (exterior view).

Исходные данные для анализа чиллера на всех этапах приведены в табл. 1. Принципиальная схема цикла приведена на рис. 2.

Таблица 1. Исходные данные для анализа холодильной установки для охлаждения жидкости

Table 1. Input data for liquid refrigeration unit analysis

Рис. 2. Принципиальная схема цикла. КМ — компрессор, Кд — конденсатор, И — испаритель, РВ — регулирующий клапан.

Fig. 2. Circuit diagram of the cycle. KM, compressor, Кд, condenser, И, evaporator, РВ, control valve.

Для анализа использовались следующие основные зависимости:

удельная массовая холодопроизводительность

$q_o=h_5-h_{1.2}$ (1)

массовый расход

$G=\frac{Q_o}{q_o}$ (2)

средняя логарифмическая температура хладоносителя

$T_{п}=\frac{T_{вх}-T_{вых}}{LN\left(\frac{T_{вх}}{T_{вых}}\right)}$ (3)

необходимая удельная работа для генерации холода

$l_{min}=q_o\times \frac{T_{ос}-T_{п}}{T_{п}}$ (4)

адиабатная работа сжатия

$l_{ад}=h_{2ад}-h_{1.2}$ (5)

действительная затрачиваемая удельная работа сжатия

$l_{сж}=q_{кд}-q_o=h_2-h_4-(h_{1.2}-h_5)=\frac{l_{ад}}{{\eta }_{ад}}$ (6)

степень термодинамического совершенства

${\eta }_{терм}=\frac{l_{min}}{l_{сж}}$ (7)

холодильный коэффициент при адиабатном процессе сжатия

${\epsilon }_{ад}=\frac{q_{о}}{l_{ад}}$ (8)

действительное значение холодильного коэффициента

${\epsilon }_{д}=\frac{q_o}{l_{сж}}$ (9)

Необходимые удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии в конденсаторе складываются из суммы минимально необходимых работ для компенсации производства энтропии при охлаждении паров хладагента от температуры нагнетания до температуры насыщения Δl_пк, конденсации паров хладагента в конденсаторе Δl_кк:

$\Delta l_{кд}=\Delta l_{пк}+\Delta l_{кк}$, (10)

где

$\Delta l_{пк}=(h_{2ад}-h_3)-T_{ос}\times (s_{2ад}-s_3)$ (11)

$\Delta l_{кк}=T_{ос}\times (h_3-h_4)\times \left(\frac{1}{T_{ос}}-\frac{1}{T_{к}}\right)$ (12)

Необходимые удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии при дросселировании:

$\Delta l_{др}={Т}_{ос}\times (s_5-s_4)$ (13)

Необходимые удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии в испарителе при передаче теплоты от охлаждаемого объекта в цикле при средней температуре воздуха в потребителях (кипение жидкого хладагента):

$\Delta l_{и.кип}=\left(h_{1.1}-h_4\right)\times T_{ос}\times \frac{T_{п}-T_o}{T_o\times T_{п}}$ (14)

Необходимые удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии в испарителе при передаче теплоты от охлаждаемого объекта в цикле при средней температуре воздуха в потребителях (перегрев хладагента в испарителе):

$\Delta l_{и.пер}={Т}_{п}\times (s_{1.2}-s_{1.1})-(h_{1.2}-h_{1.1})$ (15)

Общие необходимые удельные затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии в испарителе:

$\Delta l_{и}=\Delta l_{и.кип}+\Delta l_{и.пер}$ (16)

Суммируя величины необходимых удельных затрат работ для компенсации производства энтропии во всех элементах холодильной машины, находим расчетную величину адиабатной работы сжатия:

$l_{ад.р}=l_{min}+\Delta l_{кд}+\Delta l_{др}+\Delta l_{и}$ (17)

Энергетические потери в компрессоре:

$\Delta l_{км}=l_{сж}-l_{ад.р}$ (18)

Расчетная работа сжатия:

$l_{сж.р}=l_{ад.р}+\Delta l_{км}$ (19)

Для сравнения потерь в элементах холодильной установки при использовании разных хладагентов целесообразно использовать потери мощности, определяемые по следующей зависимости:

$\Delta N_i=l_i\times G$ (20)

Результаты

Результаты анализа приведены на рис. 3 и в табл. 2.

Рис. 3. Распределение потерь мощности по элементам, кВт.

Fig. 3. Distribution of losses throughout the components, kW.Информация об авторах.

Таблица 2. Результаты анализа

Table 2. Results

После проведения анализа на основании исходных данных (этап проектирования), холодильная установка была запущена в эксплуатацию и был проведен анализ полученных данных. В результате пуска в эксплуатацию, полученные значения охлаждаемого воздуха сильно отличались от проектных значений. Вместо требуемых значений температур воздуха в охлаждаемом объеме (температура воздуха на входе в охладитель +33°С, температура воздуха на выходе из охладителя +24,5°С) были получены следующие значения: температура воздуха на входе в охладитель +35,1°С, температура воздуха на выходе из охладителя +27,2°С.

После понижения температур охлаждаемой жидкости удалось достигнуть требуемых параметров воздуха в охлаждаемом объеме.

Однако, значение холодильного коэффициента отличались от указанных в техническом задании на 7,9%. На основании данных анализа, было обнаружено, что наибольшие энергетические потери имеют место быть в конденсаторе и испарителе.

Для снижения энергетических потерь в конденсаторе был изменен алгоритм регулирования давления конденсации на алгоритм «плавающего» давления конденсации.

Для снижения энергетических потерь в испарителе было принято решение заменить испаритель холодильной машины на испаритель с большей площадью теплообменной поверхности. Площадь теплообменной поверхности была увеличена в 2,58 раза.

После реализации указанных выше действий был произведен запуск холодильной машины и анализ полученных результатов. Результаты показаны в табл. 1, а результаты анализа в табл. 2.

Также в табл. 2 показаны значения потребляемой мощности компрессора VZH170, который использовался в рассматриваемой холодильной машине, полученные на основании данных завода-производителя данных компрессоров (программа подбора оборудования CoolSelector2 версия 4.8.2. Данные, полученные от завода, и данные, полученные расчетным путем, отличаются незначительно. Максимальное отклонение составляет 3,91%.

Обсуждение

1. Применение энтропийно-статистического метода термодинамического анализа на этапах жизненного цикла холодильной установки позволяет определять элементы, требующие коррекции (настройка, замена и т.д.)
2. После пуска в эксплуатацию отклонение значений действительного холодильного коэффициента от проектного значения составило 13,67%, после замены испарителя — 4,14%
3. Поскольку в техническом задании на проектирование холодильной установки было указано, что значение холодильного коэффициента не должно быть ниже 5,4, полученное значение 5,34 при отклонении от требуемого 1,04% является приемлемым.

Заключение

Применение энтропийно-статистического метода термодинамического анализа на этапе проектирования и пуско-наладочных работ позволило получить требуемые значения эффективности при этом на основании распределение потерь был выявлен элемент с максимальными потерями, который и подвергся изменению.

Повышение эффективности работы холодильной установки и снижение потребляемой мощности снижает отрицательное влияние на окружающую среду, а также приводит к снижению стоимости владения.

Таблица 3. Условные обозначения

Table 3. Legend

Дополнительная информация

Вклад авторов. М.С. Талызин — проведение расчетов, обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, написание и редактирование текста статьи. А.В. Сколов —обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, написание текста статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

Additional information

Authors’ contribution. M.S. Talyzin: calculations, literature review, collection and analysis of literary sources, writing and editing of the text of the article. A.V. Skolov: literature review, collection and analysis of literary sources, writing of the article.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Maxim S. Talyzin

Author for correspondence.
Email: talyzin_maxim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7244-1946
SPIN-code: 6524-3085

Cand. Sci. (Tech.)

Andrey V. Skolov

Email: skolov@lekmaholod.ru
Rostov-on-Don

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Chiller (exterior view).

Download (321KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Circuit diagram of the cycle. KM, compressor, Кд, condenser, И, evaporator, РВ, control valve.

Download (50KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Distribution of losses throughout the components, kW.

Download (49KB)

Indexing metadata