Segredo central do resfriamento: como a dissipação de calor evaporativo resfria os hubs dos equipamentos?

Uma torre de resfriamento é um dispositivo para troca de calor entre água e ar. É composto principalmente por uma estrutura estrutural, painéis laterais de manutenção, ventilador, motor, material de enchimento, sistema de distribuição de água, corpo da torre e bacia coletora de água. A troca de calor é obtida principalmente por meio da interação térmica entre o ar de temperatura relativamente baixa-(impulsionado pelo ventilador) e a água no material de preenchimento, reduzindo assim a temperatura da água. Para projetos de data centers, a carga térmica total de equipamentos e dispositivos elétricos permanece relativamente estável. O sistema de água gelada, o sistema de água de resfriamento e o projeto da torre de resfriamento são essenciais para garantir o resfriamento contínuo na sala de computadores. Portanto, as torres de resfriamento precisam operar ininterruptamente o ano-durante todo o ano (os data centers nas regiões do norte normalmente adotam o resfriamento gratuito-do lado da água para seus sistemas de água gelada, que também funcionam durante todo o ano).

Princípio de funcionamento de torres de resfriamento

O princípio de funcionamento das torres de resfriamento é baseado na transferência evaporativa de calor e massa. Acionada pelo ventilador, a água quente é borrifada na superfície do material de dissipação de calor e entra em contato com o ar em movimento que passa por ele. Neste ponto, ocorre a troca de calor e umidade entre a água quente e o ar frio. Simultaneamente, parte da água quente evapora e o calor latente da evaporação é liberado no ar. Por fim, a água resfriada cai na caixa d'água e depois circula de volta ao equipamento necessário para reaproveitamento. Nas torres de resfriamento úmido, a água quente tem temperatura alta, enquanto o ar que flui sobre a superfície da água tem temperatura baixa. A água transfere calor para o ar, que o transporta e o dissipa na atmosfera. A água dissipa calor para o ar de três maneiras: (1) Transferência de calor sensível; (2) Transferência de calor evaporativo; (3) Transferência de calor radiativo. As torres de resfriamento dependem principalmente dos dois primeiros métodos de transferência de calor. A transferência de calor radiativo é insignificante devido à sua pequena magnitude. Entre eles, a transferência de calor evaporativa é realizada através da transferência de massa, especificamente a difusão contínua de moléculas de água no ar. As moléculas de água possuem níveis variados de energia, sendo a energia média determinada pela temperatura da água. Perto da superfície da água, algumas moléculas de água com alta energia cinética superam as forças atrativas das moléculas vizinhas, escapam da superfície da água e tornam-se vapor d'água. À medida que essas moléculas de alta{16}}energia escapam, a energia da água próxima à superfície diminui, resultando em uma queda na temperatura da água. Esta é a transferência de calor evaporativa. Acredita-se geralmente que as moléculas de água em evaporação formam primeiro uma fina camada de ar saturado perto da superfície da água, com uma temperatura igual à da superfície da água. A taxa na qual o vapor d'água se difunde desta camada saturada para a atmosfera depende da diferença de pressão entre o vapor d'água na camada saturada e o da atmosfera.

Estrutura Básica de Torres de Resfriamento

Estrutura da torre: Fornece suporte externo.

Material de preenchimento de troca de calor: Maximiza a área de troca de calor entre a água e o ar.

Tanque de armazenamento de água (reservatório de água de resfriamento): Localizado na parte inferior da torre de resfriamento para coletar água resfriada.

Bicos de distribuição de água: Garanta uma distribuição uniforme de água sobre o material de preenchimento do trocador de calor.

Ventilador de fluxo axial: Acelera o fluxo de ar.

Classificação por Direção de Fluxo de Água e Ar

As torres de resfriamento são categorizadas em torres de resfriamento de contrafluxo e torres de resfriamento de fluxo cruzado com base na direção do fluxo de água e ar.

Torres de resfriamento de contrafluxo

Corpo da torre: Adequado para áreas com direções de vento variáveis.

Material de enchimento para distribuição de água: Ideal para ambientes com boa qualidade de água.

Ventilador: As torres de contrafluxo possuem pressão estática um pouco maior, e alguns modelos necessitam de motores com potência um pouco maior.

Restrições ambientais: Uma única torre de fluxo cruzado do mesmo modelo ocupa mais área do que uma torre de contrafluxo. No entanto, quando são utilizadas torres múltiplas, as torres de fluxo cruzado podem ser conectadas em paralelo, enquanto as torres de contrafluxo requerem uma distância de mais da metade do diâmetro da torre entre duas unidades. Assim, torres de fluxo cruzado combinadas podem reduzir o espaço físico. As torres de contrafluxo são vantajosas em áreas com edifícios- altos, chaminés ou outras fontes de calor, bem como em cenários que exigem um pequeno número de torres de resfriamento, devido ao seu tamanho compacto.

Deriva e ruído: Oferecem boa ventilação, tornando-os adequados para áreas com proteção ambiental e requisitos de ruído menos rigorosos.

Manutenção diária: A substituição do enchimento é complicada, por isso são adequados para uso em áreas com água limpa e baixos níveis de areia e poeira.

Torres de resfriamento de fluxo cruzado

Corpo da torre: As torres de fluxo cruzado utilizam uma estrutura de aço como estrutura de suporte principal, resultando em maior consumo de material e um corpo de torre mais pesado em comparação com as torres circulares de contrafluxo. Eles podem ser conectados em paralelo e são adequados para áreas abertas.

Material de enchimento para distribuição de água: O volume de material de enchimento das torres de fluxo cruzado é aproximadamente duas vezes maior que o das torres de contrafluxo, levando a custos mais elevados. São adequados para ambientes com má qualidade da água.

Restrições ambientais: As torres de fluxo cruzado combinadas ou grandes são adequadas para áreas abertas com grande necessidade de água de resfriamento e espaço limitado, pois são mais compatíveis com os edifícios circundantes.

Deriva e ruído: As torres de fluxo cruzado têm uma velocidade de entrada de ar mais baixa do que as torres de contrafluxo, resultando em perdas por deriva menores (0,005% para torres de fluxo cruzado versus 0,1% para torres circulares de contrafluxo). O ruído das torres de contrafluxo vem principalmente da queda de água e da operação do ventilador, enquanto as torres de fluxo cruzado geram principalmente ruído do ventilador com ruído mínimo da água. Assim, o nível geral de ruído das torres de fluxo cruzado é menor do que o das torres de contrafluxo, embora as torres de contrafluxo de ruído ultra-baixo também operem silenciosamente. Em resumo, as torres de fluxo cruzado apresentam melhor desempenho em áreas com requisitos rígidos de ruído e proteção ambiental.

Consumo de energia: As torres de fluxo cruzado possuem grandes entradas de ar, baixa velocidade do vento e pequenas perdas de resistência, portanto, alguns modelos possuem potência de motor menor que as torres de contrafluxo. Comparando os custos, taxas de transporte, despesas de manutenção e consumo de energia motora dos dois tipos, os seus custos totais são aproximadamente semelhantes dentro de 2 a 4 anos. Quanto maior a vida útil, menor será o custo relativo das torres de fluxo cruzado.

Manutenção diária: A substituição e manutenção de vários componentes em torres de fluxo cruzado são convenientes, enquanto a manutenção do sistema de distribuição de água e a substituição de placas de enchimento em torres de contrafluxo são complicadas. As torres de fluxo cruzado são mais adaptáveis ​​a projetos com má qualidade da água e exigem manutenção diária mais simples para os usuários.