04.02.2009

Факты о прохождении потока воздуха через перфорированные двери.

Кейт Стикли (Keith Stickley)

Краткое содержание

Этот экспертный обзор исследует факты об эффективности перфорированных дверей в плане процентного соотношения площади перфорированных отверстий и пропускаемых потоков воздуха. Используя данные Ассоциации Производителей Промышленных Перфораторов, расчета тепловых потоков и внутреннего тестирования в Rittal будет показано, что большая площадь перфорированных отверстий в дверях серверных монтажных шкафов по существу не создает лучшей циркуляции воздуха, и что 63 % перфорации более чем достаточно для циркуляции воздуха, обеспечивая при этом прочность, целостность и безопасность монтажного шкафа.

Введение

Так как тепловыделение в ЦОД (центры обработки данных) непрерывно растет, обслуживающему персоналу ничего не остается, как пытаться максимально улучшать теплоотвод в существующих помещениях. Поскольку большинство информационных центров работает с внешним оборудованием для охлаждения воздуха, ограничения этой структуры быстро становятся самым узким местом при возрастающей плотности установки компонентов. Для решения этих проблем используется много новых продуктов и технологий, включая системы зонирования потоков воздуха (холодные и горячие зоны), перфорированные плитки настила пола (фальшпол), усовершенствованные лотки для прокладки кабеля, и т.д. Все они разработаны, чтобы улучшить циркуляцию воздуха, разделение потоков холодного и горячего воздуха, увеличить возможности теплоотвода, и двигаться к достижению двух критических задач – энергосбережению и экономии денег. Эти улучшения действительно могут произвести эффект, однако, один момент все еще является предметом полемики — это перфорированные двери, установленные на серверных монтажных шкафах, или точнее, циркуляция потока воздуха через эти двери и любые ограничения, непосредственно связанные с площадью поверхности перфорации. Были большие дебаты по проценту перфорации, требуемому для максимального прохождения воздуха через дверь. Существуют мнение, что “чем больше, тем лучше” и рекомендуются двери с более чем 80%-ой перфорацией поверхности. С первого взгляда это кажется имеющим смысл: больше поверхность отверстий = больше поток воздуха = больше отвод тепла. Очевидная цель - удаление горячего воздуха от задней стенки шкафа, что непосредственно связано с количеством холодного воздуха, поступающего через переднюю дверь. Так является ли более перфорированная поверхность лучшей? Этот обзор использует открытую информацию от Ассоциации Производителей Промышленных Перфораторов, расчетную оценку перепада давления и результаты непосредственного измерения потоков воздуха, чтобы решить вопрос влияния процента перфорации дверей на воздушный поток.

Оценка потока воздуха, необходимого для отвода тепла

Мы начинаем с оценки потока (объемного расхода) воздуха, требуемого при различных тепловых нагрузках. Результаты показаны в Таблице 1, приведенной ниже, которая показывает необходимый поток воздуха для отвода определенного количества тепла из монтажного шкафа. Тепловая нагрузка дана в киловаттах (кВт), а поток воздуха в кубических футах* в минуту (куб. фут/мин). 

Таблица 1

Тепловая нагрузка
(кВт)

Входящий поток воздуха
(куб. фут/мин)

20

2500

16

2000

12

1500

8

1000

4

500

Вышеприведенная оценка – это поток воздуха на входе в систему, который требуется для отвода тепла, чтобы поддерживать необходимую рабочую температуру системы. Так как плотность воздуха уменьшается с ростом температуры, то поток воздуха на выходе несколько увеличивается. Эти расчеты также показаны в Приложении 1, и результаты приводятся в Таблице 2 ниже. Тепловая нагрузка задана в киловаттах (кВт), а поток воздуха в кубических футах в минуту (куб. фут/мин).

Таблица 2

Теплоемкость (кВт)

Поток воздуха на выходе 
(куб. фут/мин)

20

2630

16

2100

12

1580

8

1050

4

530

*Фут - мера длины в Британской системе измерений, 1 фут равняется 0,3048 метра

Влияние перфорированных дверей на поток воздуха

Здесь мы исследуем вопрос, насколько перфорированные двери препятствуют прохождению воздуха. Установка дверей в шкаф улучшает внешний вид и безопасность, но создает понятное препятствие для прохождения потока охлаждающего воздуха. Мы исследуем фактическую величину препятствия 3-мя способами: через опубликованные данные Ассоциации Производителей Промышленных Перфораторов, через оценки расчета отвода тепла и через экспериментальное тестирование.

Данные Ассоциации Производителей Промышленных Перфораторов

Далее следует график, опубликованный в «Справочнике Проектировщика, Заказчика и Покупателя по Перфорированным Металлам», Ассоциация Производителей Промышленных Перфораторов (IPA), 1993. Этот график предоставляет информацию о перепаде или падении давления при прохождение потока воздуха через перфорированную металлическую стенку (давление дано в дюймах** водяного столба) в зависимости от нормальной к поверхности скорости воздушного потока (в футах в минуту fpm) при различном проценте перфорации тонких металлических пластин. Нет никаких специфических особенностей для типа, размера, или распределения отверстий. Единица измерения давления - дюймы водяного столба - часто используется, когда измеряемое давление низко. Чтобы проиллюстрировать это, если мы преобразуем 32 фунта на квадратный дюйм (PSI) (типичное давление для автомобильной шины) к дюймам водяного столба, мы получим 882.6 дюйма водяного столба – давление, которое намного выше, чем то, что показано в графике Ассоциации Производителей Промышленных Перфораторов (IPA).

График 1

График 1

**дюйм - мера длины в Британской системе измерений, 1 дюйм равняется 1/12 фута или 2,54 см

Изучая График 1, приведенный выше, можно увидеть значительное снижение падения давления с увеличением процента перфорации. Кроме того, нет данных по падению давления для процента перфорации свыше 63 %, но, как можно увидеть, при 63%-ой перфорации падение давления весьма мало при низких скоростях и возрастает до приблизительно 1/2 дюйма водяного столба выше 2200 футов в минуту. 1/2 дюйма водяного столба преобразовывается в .018 фунта на квадратный дюйм (PSI), это очень низкий перепад давления. Можно также отметить, что форма некоторых кривых близка к параболической. 

Чтобы использовать этот график, мы должны вычислить скорость потока воздуха через наши перфорированные двери. Так как наш стандартный процент перфорации составляет 64.3 %, то кривая 63%-ой перфорации должна дать нам пессимистичную оценку падения давления. 

С целью вычисления скорости потока и перепада давления на перфорированных дверях были выбраны 2 типа размеров стоек: серверная стойка Rittal TS 42U шириной 600 мм и серверная стойка Rittal PS 52U также шириной 600 мм. Детализация дается в Приложении 2. Результаты показаны в Таблицах 3 и 4, приведенных ниже. Тепловая нагрузка задана в киловаттах (кВт), и скорость прохождения воздуха в футах в минуту (фут/мин, fpm).

Таблица 3 - Rittal TS 42Ux600mm

Тепловая нагрузка
     (кВт)

Скорость входящего воздуха
(фут/мин, fpm)

Скорость исходящего воздуха
(фут/мин, fpm)

20

454

597

16

362

476

12

273

361

8

181

236

4

924

120

Таблица 4 - Rittal PS 52Ux600mm

Тепловая нагрузка
     (кВт)

Скорость входящего воздуха
(фут/мин, fpm)

Скорость исходящего воздуха
(фут/мин, fpm)

20

362

587

16

288

468

12

218

355

8

144

232

4

73,6

118

 

Сразу видно, что скорость исходящего потока воздуха выше, чем скорость входящего потока воздуха из-за того, что площадь перфорации на задних дверях меньше, а температура воздуха выше. Это могло бы создать заметно большее падение давления на задней стенке. Диапазон скоростей воздушных потоков, выделенный жирным курсивом в Таблицах 3 и 4, был добавлен в График 1, чтобы составить График 2. Скорости, показанные на Графике 2, настолько низки, что не могут даже располагаться рядом с данными, отображенными на графике для металла с 63%-ой перфорацией. Падение давления очень незначительно, его даже нельзя измерить без использования микроманометра.

График 2

График 2
 
Расчеты перепадов давления

Оценки перепада или падения давления на циркуляцию были рассчитаны для исходящего потока воздуха. Подробности вычислений даны в Приложении 3. Результаты показаны в Таблицах 5 и 6, приведенных ниже. Тепловая нагрузка выражена в киловаттах (кВт), скорость потока воздуха в футах в минуту (фут/мин, fpm) и падение давления в дюймах водного столба (inches w.c.).

Расчет верхней и нижней границы перепада давления показан и объяснен в Приложении 3.

Таблица 5 - Rittal TS 42Ux600mm

Тепловая нагрузка
     (кВт)

Скорость исходящего потока (фут/мин)

Верхняя граница перепада давления (inches w.c.)

Нижняя граница перепада давления (inches w.c.)

20

587

.055

.024

16

468

.035

.017

12

355

.020

.0095

8

232

.0088

.0041

4

118

.0023

.0011

Таблица 6 - Rittal PS 52Ux600mm

Тепловая нагрузка
     (кВт)

Скорость исходящего потока (фут/мин)

Верхняя граница перепада давления (inches w.c.)

Нижняя граница перепада давления (inches w.c.)

20

597

.054

.025

16

476

.034

.016

12

361

.019

.0093

8

236

.0085

.0039

4

120

.0022

.0010

Расчетные величины чрезвычайно малы и сопоставимы с опубликованными данными Ассоциации Производителей Промышленных Перфораторов (IPA). Если учитывать, что обычные крыльчатые вентиляторы, используемые для циркуляции воздуха в оборудовании, создают перепад давления приблизительно .2-.4 дюймов водного столба, снижение давления получается приблизительно на 1/8 или меньше от возможности вентиляторов, что незначительно, по сравнению с падением давления на других элементах охлаждаемой системе.

Экспериментальное тестирование

Последний метод, задействованный, чтобы оценить уменьшение циркуляции воздуха из-за препятствия, созданного перфорированными дверями, заключался в установке измерительного оборудования для непосредственного измерения скорости потока воздуха, создаваемого вентилятором, путем измерения потока воздуха (с использованием обычного переносного флюгерного анемометра) с нагревом воздуха и без, а также с открытой и закрытой задней перфорированной двустворчатой дверью шкафа.

Подробности объяснены и показаны в Приложении 4. Результаты показаны в Таблицах 7 и 8, приведенных ниже.

Таблица 7

Тепловая нагрузка
     (кВт)

Задние перфорированные створки открыты/закрыты

Поток воздуха (куб. фут/мин, cfm)

0

Закрыты

544

0

Открыты

552

0

Закрыты

559

0

Открыты

562

Таблица 8

Тепловая нагрузка
     (кВт)

Задние перфорированные створки открыты/закрыты

Поток воздуха (куб. фут/мин, cfm)

3.08

Закрыты

560

3.08

Открыты

563

3.01

Закрыты

563

3.01

Открыты

561

 
Выводы

Результаты этих исследований показывают, что если и есть эффект уменьшения потока воздуха из-за уменьшения процента перфорации дверей на серверной стойке, создающий сопротивление воздушному потоку, то этот эффект очень маленький.
В то время как полученные результаты могут казаться парадоксальными по отношению к тому, что можно было бы ожидать, высокий процент перфорации и большая доля области перфорации в совокупности с относительно небольшим потоком воздуха и, соответственно, низкими скоростями движения, создают пренебрежимо малое сопротивление потоку. Надо признать, что эти результаты были получены в предположение о равномерном распределении потока по поверхности. Локальные эффекты могут иметь место, но чтобы оказывать значимое воздействие, локальные скорости должны будут быть в 3 или 4 раза больше чем имеющиеся максимальные скорости на сегодняшний день. Что является более существенным для охлаждения, так это подача достаточного для охлаждения объема воздуха в самой серверной комнате, приток которого (необходимой температуры) обеспечивается кондиционерами, к каждому серверному шкафу, и уменьшение стратификации потоков холодного воздуха в серверной комнате со стороны приточных отверстий. 

Основываясь на данных тестирования, содержащихся в этом экспертном обзоре, становится, очевидно, что процент перфорации дверей выше 63-64% не добавляет никаких преимуществ в отношении циркуляции воздуха или эффективности охлаждения.

Ссылки:
www.engineeringtoolbox.com/air-properties-d_156.html
www.engineeringtoolbox.com/orifice-nozzle-venturi-d_590.html

Об Авторе

Кейт Стикли (Keith Stickley) занимает должность Менеджера Проектирования Конструкций и работает в Rittal с 2006 года. Кейт имеет степени Бакалавра и Магистра Наук по Проектированию Государственного Университета Огайо. Его исключительные знания в циркуляции потоков воздуха и перфорированных материалах приобретены из опыта проектирования машинных установок, полученного при его прошлой работе.

Источник информации: www.rittal-corp.com


Возврат к списку

Онлайн-поддержка