صمامات التبريد السائل لمراكز البيانات: الاختيار، والمعايير، والسوق، وتحليل القيمة الأساسية

مع تجاوز كثافة الطاقة في الخزائن الفردية 20 كيلوواط و30 كيلوواط، بل ومستويات أعلى، أصبحت تقنية التبريد السائل الحل الأمثل لتحقيق تبديد حراري فعال والوصول إلى أهداف الحياد الكربوني في مراكز البيانات عالية الكثافة. تُشبه شبكة أنابيب نظام التبريد السائل "الأوعية الدموية" للنظام، وتلعب الصمامات، باعتبارها نقاط تحكم رئيسية، دورًا محوريًا في تنظيم التدفق، واستقرار الضغط، والحماية. ويؤثر تصميمها واختيارها وأداؤها بشكل مباشر على كفاءة التبريد، وموثوقية التشغيل، والتكلفة الإجمالية لدورة حياة النظام. تُحلل هذه المقالة بشكل منهجي الجوانب التقنية والقيمة الصناعية لصمامات التبريد السائل من خمسة أبعاد: ضرورة استخدام الصمامات، ومنطق الاختيار العلمي، والمعايير التقنية الأساسية، وبيانات السوق، واتجاهات التطوير المستقبلية، وذلك بالاستناد إلى خبرة عملية في مشاريع التبريد السائل في مراكز البيانات.

الضرورة الأساسية لصمامات التبريد السائل: "أجهزة الحماية" و"المديرون الأذكياء" لنظام التبريد السائل

يعتمد التشغيل المستمر والمستقر لنظام التبريد السائل في مركز البيانات على التنظيم الدقيق والحماية التي توفرها الصمامات. وتتجلى قيمتها الأساسية في دورة حياة النظام بأكملها، بدءًا من التصميم والتشغيل وصولًا إلى معالجة الأعطال، وينعكس ذلك تحديدًا في ثلاثة أبعاد أساسية:

1. ضمان أساسي لسلامة النظام

تُطبق مراكز البيانات سياسة صارمة تمنع تسرب سائل التبريد. ويُعدّ أداء صمام منع التسرب خط الدفاع الأول ضد تسرب سائل التبريد، حيث يحمي المعدات الإلكترونية الحساسة. ومن خلال التكوين الأمثل للمكونات المتخصصة، مثل صمامات الأمان وصمامات الفحص، يمكن الحدّ من المخاطر المحتملة، كظاهرة الطرق المائي وتأثيرات الضغط الزائد، مما يمنع حدوث تلف لا يمكن إصلاحه لألواح التبريد في الخوادم نتيجةً لضغوط النظام غير الطبيعية. ونظرًا لأن ألواح التبريد في الخوادم مصممة عادةً لتحمل ضغطًا يتراوح بين 0.6 و0.8 ميجا باسكال، يجب أن يتحكم الصمام بدقة في ضغط التشغيل على الجانب الثانوي (من وحدة توزيع التبريد إلى الخزانة/لوحة التبريد) ضمن نطاق 0.3 إلى 0.6 ميجا باسكال، مما يُنشئ نظام حماية متدرجًا من الضغط.

2. التحكم الدقيق في كفاءة التبريد

يحتاج نظام التبريد السائل إلى مواءمة تدفق سائل التبريد واتجاهه مع الحمل الحراري الديناميكي للخزانة. تحقق صمامات GEKO ذلك من خلال التحكم الهيدروليكي المتوازن، الذي يمنع بفعالية تراكم النقاط الساخنة الموضعية أو فائض التبريد. على سبيل المثال، تتلقى صمامات التنظيم الكهربائية المثبتة عند مخرج وحدة توزيع التبريد إشارات تحكم من نظام إدارة مركز البيانات (DCIM) لمواءمة متطلبات التدفق لكل خزانة على حدة (10-50 لتر/دقيقة). تعوض صمامات التوازن انحرافات المقاومة في أقسام الأنابيب المختلفة، مما يضمن أداء تبريد متسقًا في جميع الخزائن. يرتبط هذا ارتباطًا مباشرًا بقيمة مؤشر فعالية استخدام الطاقة (PUE) لمركز البيانات واستقرار تشغيل المعدات.

3. الدعم الأساسي لتسهيل العمليات

يمكن لتكوينات صمامات GEKO المُحسّنة أن تُقلل بشكلٍ كبير من تكاليف تشغيل وصيانة أنظمة التبريد السائل، وتُقلل من مخاطر توقف النظام. تدعم صمامات التوصيل السريع وضع الصيانة "الاستبدال أثناء التشغيل" للخزائن، مما يُتيح صيانة المعدات دون الحاجة إلى تصريف سائل التبريد. تتميز صمامات الكرة عند مخارج الخزائن بوظائف عزل سريعة، مما يُقلل من وقت معالجة الأعطال في كل خزانة على حدة. تعالج صمامات التهوية التلقائية وصمامات تصريف النقاط المنخفضة مشكلات تراكم الهواء وترسب الشوائب، مما يُقلل من وقت توقف النظام بسبب الأعطال، ويضمن التشغيل المتواصل لمركز البيانات على مدار الساعة. يتطلب الأمر إدارة تشغيلية منتظمة: تحتاج صمامات التهوية التلقائية إلى معايرة تهوية ربع سنوية لضمان تصريف سلس؛ يجب معايرة صمامات التنظيم الكهربائية سنويًا، مع التحكم في الانحرافات ضمن ±1% لتجنب تشوه التدفق؛ تحتاج موانع التسرب في أنظمة السوائل القائمة على الفلورايد إلى الاستبدال كل 3-5 سنوات، بينما يمكن أن تدوم موانع التسرب في أنظمة المياه منزوعة الأيونات من 5-8 سنوات، مما يتطلب إعادة اختبار أداء منع التسرب بعد الاستبدال.

منطق الاختيار العلمي: التكيف الشامل من السيناريو إلى المتطلبات

ينبغي أن يستند اختيار صمامات التبريد السائل إلى الاحتياجات الوظيفية، وخصائص الوسط، ومستويات ضغط النظام، وسيناريوهات التشغيل، مع الالتزام بالمبادئ الأربعة التالية: "التكيف مع الموقع، وتوافق الوسط، والمطابقة الدقيقة، والتحكم في التكلفة". وينبغي التركيز على تغطية العقد الرئيسية الأربعة لنظام التبريد السائل وتكييف الأنواع السبعة الأساسية من صمامات GEKO.

1. مخطط تكوين الصمامات لأربعة مواقع رئيسية

- وحدة مخرج المضخة: استخدم تكوينًا قياسيًا يتكون من "صمام بوابة + صمام فحص صامت + حساس ضغط". يوفر صمام البوابة أقل قدر من فقدان الضغط في حالة الفتح الكامل، ويضمن عزلًا موثوقًا به أثناء صيانة المضخة. أما صمام الفحص الصامت، المدعوم بهيكل زنبركي، فيمنع ارتداد سائل التبريد بعد إيقاف تشغيل المضخة، ويخفف من تأثيرات الطرق المائي على دافعة المضخة.

مدخل ومخرج وحدة توزيع التبريد (CDU): في جانب المدخل، يُركّب مرشح من النوع Y بفتحات تتراوح بين 100 و200 ميكرومتر، ومقياس ضغط لإزالة جزيئات الشوائب من سائل التبريد ومنع انسداد القنوات الدقيقة في الخوادم. أما جانب المخرج، فيحتوي على صمام تنظيم كهربائي ومقياس تدفق للتحكم في حلقة التدفق. يجب أن يشتمل خط الأنابيب الجانبي على صمام موازنة يدوي لمعايرة التوازن الهيدروليكي أثناء تصحيح أخطاء النظام، وكخط تدفق احتياطي في حالات الأعطال.

- أنابيب فرعية للخزانة: يجب أن يكون المدخل مزودًا إما بصمام موازنة يدوي (للحالات القياسية) أو صمام موازنة أوتوماتيكي (لمراكز الحوسبة المتطورة). يجب أن يكون المخرج مزودًا بصمام كروي لتحقيق عزل سريع للخزانة. يجب أن يتطابق قطر الصمام بدقة مع معدل التدفق المقنن للخزانة لضمان توافق متطلبات التبريد مع سعة التدفق.

- نقاط ارتفاع وانخفاض ضغط النظام: عند نقاط الارتفاع، يتم تركيب صمام تهوية أوتوماتيكي لطرد الهواء المتراكم في الأنابيب ومنع انسداد الغازات وتكوّن التكهف. أما عند نقاط الانخفاض، فيتم تركيب صمام كروي أو صمام بوابة كصمام تصريف لتفريغ النظام وتنظيف الشوائب وأعمال الصيانة.

2. سبعة أنواع أساسية من صمامات GEKO، وميزاتها، وسيناريوهات استخدامها

3. المبادئ الأساسية لاختيار المواد: التوافق المتوسط ​​أولاً

يُعدّ توافق مادة الصمام مع سائل التبريد عاملاً أساسياً لضمان التشغيل المستقر على المدى الطويل. يجب تجنب تآكل المواد، وانتفاخ موانع التسرب، وترسب الشوائب. فيما يلي خطة تكييف المواد مع وسائط التبريد المختلفة:

- الماء منزوع الأيونات: يجب أن يكون جسم الصمام مصنوعًا من الفولاذ المقاوم للصدأ 304/316، وأن تكون الحلقات المانعة للتسرب من مادة EPDM أو المطاط الفلوري. يجب تجنب استخدام النحاس الأصفر لمنع ترسب عنصر الزنك وتلوث سائل التبريد.

- محلول الإيثيلين جلايكول: يجب أن يكون جسم الصمام مصنوعًا من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 لتعزيز مقاومة التآكل، ويجب أن تكون موانع التسرب من مطاط النتريل أو المطاط الفلوري، مع التركيز على موثوقية منع التسرب في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة.

- عزل السوائل المفلورة: يجب أن يكون جسم الصمام مصنوعًا من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 أو الفولاذ الكربوني المطلي بالنيكل، ويجب أن تكون الأختام من المطاط الفلوري أو مطاط بيرفلوروإيثر (FFKM)، مع إجراء اختبار نقع توافق لمدة 72 ساعة قبل الاستخدام.

- الزيوت المعدنية: يمكن صنع جسم الصمام من الفولاذ الكربوني أو الفولاذ المقاوم للصدأ، مع استخدام موانع تسرب مناسبة للمطاط الفلوري أو مادة PTFE، مع مراعاة تأثير معامل تمدد الوسط على أداء مانع التسرب.

4. مآزق الاختيار الشائعة ونقاط التجنب الرئيسية

في الهندسة التطبيقية، يُعد اختيار الصمامات عرضةً لسوء الفهم. ومن أهم المشكلات التي يجب تجنبها ما يلي:

يؤدي الخلط بين "ضغط التشغيل" و"ضغط التصميم"، واختيار الصمامات بناءً على ضغط التشغيل فقط، إلى هامش ضغط غير كافٍ. يجب أن يستند الاختيار بدقة إلى ضغط التصميم (ضغط التشغيل × 1.1-1.2 معامل أمان).

- تجاهل التوافق طويل الأمد بين موانع التسرب والسوائل المفلورة، والاكتفاء باختبارات قصيرة الأجل قبل الاستخدام. يجب على الموردين تقديم تقارير اختبار غمر لمدة 72 ساعة من جهة خارجية للتحقق من عدم وجود انتفاخ أو تلف.

عدم توفير منافذ قياس على صمامات التوازن يجعل من المستحيل تحديد التعديلات الهيدروليكية بدقة في المراحل اللاحقة. تأكد من تضمين منافذ قياس الضغط القياسية G1/4 أو G3/8 ضمن الخيارات المتاحة.

- اتباع نهج أعمى في اختيار الصمامات المستوردة بالكامل، متجاهلاً التجارب المرجعية للعلامات التجارية المحلية. بالنسبة لمشاريع التحديث، يُنصح بإعطاء الأولوية لاختيار العلامات التجارية المحلية ذات الخبرة في مشاريع أمريكا الشمالية أو الشرق الأوسط لتحقيق التوازن بين التكلفة والموثوقية.

المعايير الفنية الأساسية: المؤشرات الرئيسية التي تحدد أداء الصمام

تتطلب صمامات التبريد السائل في مراكز البيانات دقة تحكم وموثوقية تشغيلية أعلى من تلك المستخدمة في أنظمة التكييف والتهوية التقليدية أو قطاعات النفط والغاز. يجب أن تلبي هذه الصمامات احتياجات مركز البيانات التشغيلية على مستوى الفئة وعلى المدى الطويل، مع تصنيف المؤشرات الرئيسية إلى فئتين: المعايير الأساسية العامة والمعايير المتخصصة.

1. المعايير الأساسية العامة (ضرورية لجميع أنواع الصمامات)

- معدل التسرب: يجب أن يفي التسرب الخارجي بمعايير عدم التسامح مطلقًا، مع معدل تسرب لمطياف كتلة الهيليوم يبلغ <1×10⁻⁹ باسكال متر مكعب/ثانية. يجب أن يفي التسرب الداخلي لصمامات الإغلاق بمعيار ANSI الفئة السادسة أو أعلى، مع عدم وجود تسرب قابل للكشف في أنظمة المياه السائلة الفلورايد أو المياه فائقة النقاء.

- تحمل الضغط: يجب أن يغطي ضغط التشغيل ضغط تصميم النظام (عادةً من 0.5 إلى 6 بار)، مع هامش أمان يتراوح بين 1.5 و2 ضعف الضغط. لا يتجاوز ضغط تصميم النظام عمومًا 1.6 ميجا باسكال، ويجب أن يتحمل الصمام ضغوطًا عالية عابرة (ظروف الطرق المائي) بمقدار يتراوح بين 1.3 و1.5 ضعف الضغط.

- الموثوقية والعمر الافتراضي: يجب أن يتوافق متوسط ​​الوقت بين الأعطال (MTBF) مع متطلبات العمر الافتراضي لمركز البيانات البالغة 10 سنوات، مع دورات تشغيل ميكانيكية لا تقل عن 100,000 مرة للصمامات الكهربائية واللولبية. يجب ألا يقل مستوى حماية المشغل عن IP65، وIP66/IP67 للبيئات شديدة الرطوبة.

- النظافة: يجب أن يكون خط الأنابيب الداخلي أملسًا وخاليًا من أي مناطق ميتة. ينبغي تنظيف النظام بدقة قبل الشحن، بحيث تصل درجة نظافة الجسيمات إلى مستوى NAS 1638 الفئة 6 أو أعلى لمنع انسداد القنوات الدقيقة في الخوادم.

- درجة حرارة التشغيل: يجب أن يتكيف الصمام مع نطاق تشغيل قياسي من 5 درجات مئوية إلى 60 درجة مئوية لأنظمة التبريد السائل، مع دعم درجات حرارة تصل إلى 80 درجة مئوية أو أعلى في سيناريوهات العودة ذات درجة الحرارة العالية.

2. المعايير المتخصصة (المتطلبات الأساسية الخاصة بالنوع)

- صمام تنظيم كهربائي: يجب أن يدعم إشارات تحكم تناظرية بجهد 0-10 فولت تيار مستمر/4-20 مللي أمبير، ويمكن تزويده ببروتوكولات اتصال رقمية مثل Modbus وBACnet وغيرها. يجب حساب قيمة Kv بدقة بناءً على معدل التدفق التصميمي وانخفاض الضغط المسموح به.

- صمام الملف اللولبي: يعمل بجهد آمن 24 فولت تيار مستمر، مع أوضاع أمان في حالة التعطل، إما مغلق عادةً (NC) أو مفتوح عادةً (NO). زمن الاستجابة ≤ 50 مللي ثانية، ويتوافق مع شهادات UL وCE وRoHS.

صمام التوازن: مزود بواجهات قياس قياسية G1/4 أو G3/8. يجب على الشركة المصنعة توفير منحنى قيمة الفتح-KV معاير من طرف ثالث ووظيفة قفل لمنع أي خلل في التشغيل يؤثر على التوازن الهيدروليكي.

صمام الأمان: يجب أن يكون ضغط الضبط 1.1-1.2 ضعف أقصى ضغط تشغيل للنظام، مع سعة تصريف تساوي أو تزيد عن أقصى تدفق خرج لوحدة المضخة. يجب أن يستوفي معايير ASME BPVC القسم الثامن (المعيار الأمريكي) أو PED 2014/68/EU (المعيار الأوروبي).

3. معايير الاختبار والقبول

يجب أن تخضع الصمامات لاختبارات صارمة وإجراءات قبول دقيقة لضمان استيفائها للمتطلبات الهندسية. وفيما يلي العمليات والمعايير الأساسية:

1. اختبار المصنع: يجب أن يكون ضغط اختبار القوة 1.5 ضعف ضغط التصميم. يجب تثبيت الصمام تحت الضغط لمدة 30 دقيقة دون أي تسريب أو تشوه. يستخدم اختبار منع التسرب مطياف الكتلة بالهيليوم للكشف عن التسريب، بمعدل تسريب قدره <1×10⁻⁹ Pa·m³/s.

٢. القبول في الموقع: التحقق من طراز الصمام ومادته ووثائق الاعتماد وتناسق التصميم. بالنسبة للصمامات الرئيسية، إعادة فحص منع التسرب، واختبار الصمامات الكهربائية للتأكد من استجابة إشارة التحكم ودقة موضع الصمام.

3. تكامل النظام وقبوله: التحقق من موثوقية تفاعل الصمام مع نظام إدارة مركز البيانات. يجب معايرة صمامات الأمان في الموقع لضمان تحرير الضغط في الوقت المناسب أثناء حالات الضغط الزائد.

الاتجاهات المستقبلية: تسريع وتيرة الذكاء، والتوحيد القياسي، والاستبدال المحلي

1. الاتجاهات التقنية: ترقيات ذكية ووحدات قابلة للتخصيص

تتجه صمامات التبريد السائل نحو الرقمنة والنمطية، مع الاتجاهات الأساسية التالية:

- التكامل الذكي: من خلال تضمين أجهزة الاستشعار ووحدات الاتصال، تتيح الصمامات المراقبة في الوقت الحقيقي لحالة الصمام، والتحذير من الأعطال، والتحكم عن بعد، وهي متكاملة بشكل عميق مع نظام إدارة DCIM.

- التصميم المعياري: تبسيط عمليات تكامل النظام وتوسيعه. أصبحت صمامات التوصيل السريع معيارًا في مراكز البيانات عالية الكثافة.

- ترقيات المكونات الأساسية: تتطور المحركات نحو استهلاك منخفض للطاقة ومستويات حماية عالية. وقد أصبحت استقلالية الشريحة وخوارزمية التحكم عاملاً أساسياً في القدرة التنافسية للشركات.