סוד הליבה של הקירור: כיצד פיזור חום באידוי מקרר את רכזות הציוד?

מגדל קירור הוא מכשיר לחילופי חום בין מים לאוויר. הוא מורכב בעיקר ממסגרת מבנית, לוחות צד תחזוקה, מאוורר, מנוע, חומר מילוי, מערכת חלוקת מים, גוף מגדל ואגן איסוף מים. חילופי חום מושגים בעיקר באמצעות אינטראקציה תרמית בין אוויר בטמפרטורה- נמוכה יחסית (מונע על ידי המאוורר) ומים בחומר המילוי, ובכך מפחיתים את טמפרטורת המים. עבור פרויקטים של מרכז נתונים, עומס החום הכולל של ציוד ומכשירים חשמליים נשאר יציב יחסית. מערכת המים המצוננים, מערכת מי הקירור ועיצוב מגדל הקירור כולם קריטיים להבטחת קירור רציף בחדר המחשב. לכן, מגדלי הקירור צריכים לפעול ללא הפרעה כל השנה (-מרכזי נתונים באזורים הצפוניים בדרך כלל מאמצים קירור חופשי של מים- למערכות המים הצוננים שלהם, הפועלות גם הן לאורך כל השנה).

עקרון העבודה של מגדלי קירור

עקרון העבודה של מגדלי קירור מבוסס על חום אידוי והעברת מסה. מונעים על ידי המאוורר, מים חמים מותזים על פני חומר פיזור החום ובאים במגע עם האוויר הנע העובר דרכו. בשלב זה מתרחשים חילופי חום ולחות בין המים החמים לאוויר הקר. במקביל, חלק מהמים החמים מתאדה, וחום האידוי הסמוי משתחרר לאוויר. לבסוף, המים המקוררים נופלים לתוך מיכל המים, ואז חוזרים לציוד הנדרש לשימוש חוזר. במגדלי קירור רטובים, למים החמים טמפרטורה גבוהה ואילו האוויר הזורם על פני המים הוא בעל טמפרטורה נמוכה. המים מעבירים חום לאוויר, הנושא אותו ומפזר אותו לאטמוספירה. מים מפזרים חום לאוויר בשלוש דרכים: (1) העברת חום נבונה; (2) העברת חום אידוי; (3) העברת חום קרינה. מגדלי קירור מסתמכים בעיקר על שתי שיטות העברת החום הראשונות. העברת חום קרינה זניחה בשל גודלה הקטן. ביניהם, העברת חום באידוי מתבצעת באמצעות העברת מסה, במיוחד דיפוזיה מתמשכת של מולקולות מים לאוויר. למולקולות מים יש רמות אנרגיה שונות, כאשר האנרגיה הממוצעת נקבעת על ידי טמפרטורת המים. ליד פני המים, כמה מולקולות מים בעלות אנרגיה קינטית גבוהה מתגברות על כוחות המשיכה של מולקולות שכנות, בורחות מפני המים והופכות לאדי מים. כאשר מולקולות{16}}האנרגיה הגבוהה הללו בורחות, האנרגיה של המים ליד פני השטח פוחתת, וכתוצאה מכך ירידה בטמפרטורת המים. זוהי העברת חום באידוי. נהוג להאמין שמולקולות מים מתאדות יוצרות תחילה שכבה דקה של אוויר רווי ליד פני המים, עם טמפרטורה שווה לזו של פני המים. קצב התפזרות אדי המים משכבה רוויה זו לאטמוספירה תלוי בהפרש הלחצים בין אדי המים בשכבה הרוויה לזה שבאטמוספרה.

מבנה בסיסי של מגדלי קירור

מסגרת מגדל: מספקת תמיכה חיצונית.

חומר מילוי חילופי חום: ממקסם את שטח חילופי החום בין מים לאוויר.

מיכל אגירת מים (אגן מי קירור): ממוקם בתחתית מגדל הקירור לאיסוף מים מקוררים.

חרירי חלוקת מים: ודא פיזור אחיד של המים על חומר המילוי של חילופי החום.

מאוורר זרימה צירית: מאיץ את זרימת האוויר.

סיווג לפי כיוון זרימה של מים ואוויר

מגדלי קירור מסווגים למגדלי קירור בזרימה נגדית ומגדלי קירור בזרימה צולבת המבוססים על כיוון הזרימה של מים ואוויר.

מגדלי קירור נגד זרימה

גוף המגדל: מתאים לאזורים עם כיווני רוח משתנים.

חומר מילוי לפיזור מים: אידיאלי עבור סביבות עם איכות מים טובה.

מאוורר: למגדלי זרימה נגדית יש לחץ סטטי מעט גבוה יותר, ודגמים מסוימים דורשים מנועים עם הספק מעט גבוה יותר.

אילוצים סביבתיים: מגדל זרימה צולבת יחיד מאותו דגם תופס יותר שטח מאשר מגדל זרימה נגדית. עם זאת, כאשר משתמשים במספר מגדלים, ניתן לחבר מגדלי זרימה צולבת במקביל, בעוד שמגדלי זרימה נגדית דורשים מרחק של יותר מחצי קוטר מגדל בין שתי יחידות. לפיכך, מגדלי זרימה צולבים משולבים יכולים להפחית את שטח הרצפה. מגדלי זרימה נגדית הם יתרון באזורים עם בניינים-גבוהים, ארובות או מקורות חום אחרים, כמו גם בתרחישים הדורשים מספר קטן של מגדלי קירור, בשל טביעת הרגל הקומפקטית שלהם.

סחף ורעש: מציעים אוורור טוב, מה שהופך אותם מתאימים לאזורים עם דרישות פחות מחמירות להגנת הסביבה ולרעש.

תחזוקה יומיומית: החלפת חומרי המילוי מסורבלת ולכן הם מתאימים לשימוש באזורים עם איכות מים נקיים ורמות חול ואבק נמוכות.

מגדלי קירור Crossflow

גוף המגדל: מגדלי זרימה צולבת משתמשים במסגרת פלדה כמבנה התמיכה העיקרי, וכתוצאה מכך צריכת חומרים גבוהה יותר וגוף מגדל כבד יותר בהשוואה למגדלים עגולים בזרימה נגדית. ניתן לחבר אותם במקביל ומתאימים לשטחים פתוחים.

חומר מילוי לחלוקת מים: נפח חומר המילוי של מגדלי זרימה צולבת הוא בערך פי שניים מזה של מגדלי זרימה נגדית, מה שמוביל לעלויות גבוהות יותר. הם מתאימים לסביבות עם איכות מים ירודה.

אילוצים סביבתיים: מגדלי זרימה צולבים משולבים או גדולים מתאימים לאזורים פתוחים עם ביקוש גדול למי קירור ושטח מוגבל, מכיוון שהם מתאימים יותר לבניינים שמסביב.

סחיפה ורעש: למגדלי זרימה צולבת יש מהירות כניסת אוויר נמוכה יותר ממגדלי זרימה נגדית, וכתוצאה מכך הפסדי סחיפה קטנים יותר (0.005% עבור מגדלי זרימה צולבת לעומת 0.1% עבור מגדלי זרימה נגדית מעגליים). רעש ממגדלי זרימה נגדית נובע בעיקר מנפילת מים והפעלת מאוורר, בעוד שמגדלי זרימה צולבת יוצרים בעיקר רעש מאוורר עם רעש מים מינימלי. לפיכך, רמת הרעש הכוללת של מגדלי זרימה צולבת נמוכה מזו של מגדלי זרימה נגדית, אם כי גם מגדלי זרימה נגדית ברעש נמוך במיוחד פועלים בשקט. לסיכום, מגדלי זרימה צולבים מתפקדים טוב יותר באזורים עם דרישות קפדניות של רעש ושמירה על הסביבה.

צריכת אנרגיה: למגדלי זרימה צולבת יש כניסות אוויר גדולות, מהירות רוח נמוכה והפסדי התנגדות קטנים, כך שלדגמים מסוימים יש כוח מנוע נמוך יותר ממגדלי זרימה נגדית. בהשוואת העלויות, דמי ההובלה, הוצאות התחזוקה וצריכת האנרגיה של המנוע של שני הסוגים, העלויות הכוללות שלהם דומות בערך תוך 2-4 שנים. ככל שחיי השירות ארוכים יותר, כך העלות היחסית של מגדלי זרימה צולבת נמוכה יותר.

תחזוקה יומיומית: החלפה ותחזוקה של רכיבים שונים במגדלי זרימה צולבים נוחות, ואילו תחזוקה של מערכת חלוקת המים והחלפת יריעות מילוי במגדלי זרימה נגדית מסורבלת. מגדלי זרימה צולבים מתאימים יותר לפרויקטים עם איכות מים ירודה ודורשים תחזוקה יומיומית פשוטה יותר עבור המשתמשים.