Các dòng lưu chuyển không khí ảnh hưởng như thế nào tới ... · Bảng 1: Mối...

Các dòng lưu chuyển không khí ảnh hưởng như thế nào tới khả năng thông thoáng của tủ rack?Thứ bảy, 18 Tháng 2 2012 09:30

Bước đầu tiên để xác định tỷ lệ thông thoáng cho các ứng dụng khi lựa chọn hệthống tủ rack chính là việc hiểu được các yêu cầu về sự lưu chuyển không khí quathiết bị bên trong.

Danh mục:

E = năng lượng

P = áp suất tĩnh

ρ = Mật độ

V = Vận tốc

g = Hằng số trọng lực

h = Chiều cao

1 / 9


F = Hệ số tổn thất

AFCMD = Tỷ lệ lưu lượng không khí trên cửa lưới

SD = Tổng diện tích mở trên bề mặt cửa

Fea = Độ thông thoáng

Ac = Chiều rộng phần thông thoáng

Hrmu = Chiều cao U

Nrmu = Số lượng U

rmu = Đơn vị chiều cao tủ (số U)

Khi lựa chọn các loại cửa tủ rack cho trung tâm dữ liệu, việc xác định độ thôngthoáng cần thiết là rất quan trọng.

Đây là một trong những vấn đề nóng nhất hiện nay trong ngành công nghiệp sảnxuất thiết bị hạ tầng mạng. Một vài chuyên gia cho rằng độ thông thoáng 80% làcần thiết cho các thiết bị tỏa nhiệt lớn (30 kW), trong khi những người khác tin rằngchỉ cần độ thông thoáng 64% cho các thiết bị này. Công nghệ phục vụ trong trungtâm dữ liệu đã và đang phát triển với tốc độ rất cao, những phát hiện mới đượckhám phá hằng ngày, vấn đề độ thông thoáng cho thiết bị đã được khám phá nhiềuhơn là một con số đơn giản. Bài viết này sẽ cung cấp công cụ để xác định tỷ lệthông thoáng phù hợp nhất với các ứng dụng cụ thể. Trong các hệ thống có diệntích lớn, sử dụng các loại tủ rack độ thống thoáng 64% không ảnh hưởng tới việc lưu

2 / 9


thông không khí, hiệu suất hoạt động của thiết bị sẽ không bị giảm, thậm chí vớinhững thiết bị công suất 30kW.

Các nguyên lý cơ bản của luồng di chuyển không khí qua bề mặt cửa đượcđột lỗ

Để hoàn thành phân tích đầy đủ về năng lượng tổn thất do không khí di chuyển quabề mặt cửa được đột lỗ, hãy bắt đầu với nguyên lý cơ bản. Năng lượng tổn thất dokhông khí di chuyển qua bề mặt cửa liên quan trực tiếp tới vận tốc di chuyển củacác luồng không khí và một phần nhỏ do ma sát giữa không khí và cửa. Mối quan hệnày được thể hiện qua phương trình Bernoulli dưới định dạng năng lượng:

Phương trình 1: E1 = E2 + Ef

Phương trình căn bản về năng lượng này tiếp tục sẽ được phân tích thành:

Phương trình 2: P1 + ½ρ1V12 + ρ1gh1 = P2 + ½ρ1V22 + ρ2gh2 + ½ρfFV22

Phần cuối cùng của phương trình trên chính là phần năng lượng mất mát nhỏ do bềmặt cửa bị đục lỗ:

Phương trình 3: Ploss = ½ρfFV22

Phương trình 3 cho thấy tổn thất năng lượng do các lỗ đột trên bề mặt cửa liên quantới vận tốc không khí đi qua bề mặt và hệ số tổn thất F liên quan tới thiết kế củacửa lưới. Vận tốc không khí đi qua bề mặt cửa được tính toán từ độ thông thoángtrên bề mặt cửa, tổng kích thước lỗ đột và thể tích của các luồng không khí đi quabề mặt.

3 / 9


Áp suất hoặc năng lượng tổn thất do không khí đi qua các lỗ đột trên bề mặt cửaphụ thuộc vào 3 yếu tố:

- Tổng diện tích được đột lỗ - Tỷ lệ thông thoáng - Hệ số tổn thất liên quan tới thiết kế lỗ đột

Chúng ta sẽ cùng xem xét những thông số ở trên ảnh hưởng thế nào tới khả năngthông thoáng của thiết bị, và giới hạn của từng loại lỗ được đột trên bề mặt cửa.

Một thông số quan trọng cần được xem xét tiếp theo chính là tỷ số lưu lượng khôngkhí qua của lưới AFCMD (Airflow Capacity for mesh doors):

Phương trình 4:

- AFCMD : lưu lượng không khí qua cửa lưới - SD: tổng diện tích được đột lỗ - Fea: phần trăm thông thoáng - Ac: chiều ngang của không gian mở (450.85mm) - Hrmu :chiều cao của 1U (44.45mm) - Nrmu : số U

Để phát triển đặc điểm kỹ thuật này, một số thử nghiệm cần phải được thực hiện vềtốc độ tối đa và cuối cùng của không khí khi đi qua các lỗ đột trên bề mặt cửa tủ vớiđầy đủ các thiết bị bên trong. Điều này giúp tiến một bước xa hơn trong việc khámphá ảnh hưởng của các luồng không khí khi đi qua cửa lưới và sự liên quan của nótới vận tốc không khí, kích thước và loại lỗ đột, cũng như tính toán được năng lượngtổn thất khi đi qua bề mặt cửa.

Xác định kích thước và loại lỗ đột

4 / 9


Phương trình 3 cho thấy các lỗ đột, vận tốc không khí và hệ số tổn thất ảnh hưởngtới áp suất tổn thất của không khí khi đi qua bề mặt cửa, giúp hiểu được tác độngcủa vấn đề này trong thế giới thật. Bước đầu tiên để xác định các thông số về lỗ độttrên bề mặt cửa là phải biết được yêu cầu về thông gió của các thiết bị bên trong tủ.Ví dụ, nếu tủ rack chứa các thiết bị tải 30kW, thiết bị khi hoạt động sẽ làm tăngnhiệt độ 16.7oC (30oF). Nhiết độ sẽ tăng lên từ lúc không khí đi vào và đi ra thiết bị,và sẽ cần 1.49 m 3/s (3154 ft3/min) lượng không khí đi vào đểlàm mát cho thiết bị.

Để làm rõ ví dụ này hơn, chúng tôi sử dụng công cụ BladeCenter Power Configuratorcủa IBM để mô phỏng ứng dụng trong thực tế. Chúng tôi lắp 4 khung máy chủ phiếnIBM BladeCenter H vào một tủ rack 42U với 6 máy chủ phiến IBM PS702 cho mỗikhung. Ứng dụng này tiêu thụ lượng điện năng tối đa 21.3kW với mức nhiệt độ tăng16.7oC (30oF). Điều này có nghĩa là cần tối đa 1.08 m3/s (2288 ft3/min) lưu lượngkhông khí để làm mát thiết bị. Hầu hết những nhà sản xuất đều có cung cấp thôngsố lưu lượng không khí lưu thông qua cửa cần thiết (CFM) để làm mát các thiết bị.Bảng 1 sẽ giúp bạn ước tính CFM cần thiết cho các ứng dụng.

Bảng 1: Mối quan hệ giữa công suất sử dụng, nhiệt độ và lưu lượng không khí dichuyển

Tiếp theo, ta sẽ sử dụng thông số CFM để xác định vấn đề về lỗ đột trên bề mặtcửa. Tỷ lệ lỗ đột trên cửa phụ thuộc vào các thiết bị được sử dụng. Nghiên cứu nàysử dụng cửa lưới có tỷ lệ thông thoáng từ 40% - 80% để minh họa cho 2 thái cựckhác nhau.

Tổng diện tích đột lỗ và thông số CFM của bề mặt cửa tủ rack có thể được sử dụngđể tính toán vận tốc không khí đi qua cửa. Ví dụ ở trên yêu cầu CFM 1.49 m3/s(3154 ft3

5 / 9


/min), tổng diện tích được đột lỗ là 0.6m x 1.83m, vận tốc không khí đi qua cửa sẽ là1.3m/s (263 ft/min). Số liệu trên được tính toán dựa vào công thức sau:

Phương trình 5: V =

Từ phương trình 3, vận tốc được bình phương và là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới áplực không khí lên bề mặt cửa. Từ phương trình 5, tổng diện tích đột lỗ được sử dụngđể tính toán vận tốc không khí lưu thông. Nếu diện tích đột lỗ là 0.6m x 0.91m, vậntốc không khí sẽ gấp đôi là 526 ft/min (2.7 m/s), áp suất qua cửa sẽ vì thế mà tănglên gấp bốn lần.

Bảng 2 đến 4 mở rộng thêm cho bảng 1 để cung cấp thêm những vận tốc không khílưu chuyển qua bề mặt cửa với từng diện tích thông thoáng cụ thể. Xem xét diệntích thông thoáng trên cửa và đưa vào bảng để biết được vận tốc không khí khi điqua các lỗ đột trên cửa. Ở phần sau, vận tốc không khí sẽ được sử dụng để tínhtoán năng lượng tổn thất của không khí khi đi qua cửa.

Khi ta biết được vận tốc không khí đi qua cửa, sẽ có thể tính toán được năng lượngbị tổn thất là bao nhiêu. Tuy nhiên, để làm được điều này, trước tiên ta phải hiểu hệsố tổn thất liên quan tới đặc tính của những lỗ đột trên cửa. Dựa vào những mẫu thửcó độ thông thoáng 40% - 80% ta có được những kết quả được trình bày ở hình 1.

Sử dụng lại ví dụ ở trên, với diện tích thông thoáng 0.6m x 0.91m, mức tiêu thụluồng không khí cho các thiết bị IT công suất 30kW là 1.49m3/s (3,154 ft3/min), vậntốc không khí đi qua bề mặt cửa là 1.3m/s (263ft/min). Nếu sử dụng biểu đồ đườngcong hiển thị kết quả của các thử nghiệm trong hình 2, đối chiếu chéo các kết quảcủa mỗi độ thông thoáng khác nhau với vận tốc không khí 1.3 m/s (263 ft/min); chỉcó 0.64 mmH2O (6.2 Pa) áp suất tổn thất đối với cửa lưới 40%. Ở mức 56%, con số này là 0.38mmH2O (3.7 Pa). Ở mức thông thoáng 64% & 80%, áp suất tổn thất đều là 0.26 mmH2O (2.5 Pa).

6 / 9


Để biết được mức độ tổn thất áp suất chấp nhận được là bao nhiêu ta phải hiểuđược phương thức hoạt động của quạt thông gió trong thiết bị IT. Ở công suất tốiđa, những chiếc quạt này có thể tạo được áp suất trong khoảng từ 15.24mmH2O (149.5 Pa) tới trên 25.4mmH2O (249 Pa) tùy thuộc vào từng loại thiết bị. Hệ thống quạt trong thiết bị sẽ tiêu tốnthêm một lượng điện năng nhất định nếu áp suất ở trên tăng thêm hơn 1.27 mmH2O (12.5Pa). Giới hạn nay được minh họa bằng đường màu đỏ ở hình 2. Thậm chí ởđộ thông thoáng 40%, áp lực tổn thất chỉ là 0.64mmH2O (6.2 Pa), nếu so sánh với giới hạn trên thì vẫn nhỏ hơn và sẽ không ảnh hưởngđến hiệu suất hoạt động của các thiết bị IT. Một điểm cần lưu ý là các thử nghiệm ởtrên đều chỉ sử dụng cửa trước thông thoáng, nếu cả hai cửa đều có đột lỗ thì ápsuất không khí sẽ tổn thất ít hơn. Trong ví dụ này, tất cả loại cửa lưới thông thoángtừ 40% - 80% đều có lượng áp suất tổn thất nhỏ hơn giới hạn và đều được chấpnhận sử dụng.

Với các tủ rack chứa thiết bị tỏa nhiệt cao 30kW ở mức nhiệt độ tăng lên 11.1oC (20o

F), sử dụng bảng 2, lượng không khí đi vào tủ rack sẽ là 2.2m3

/s (4731ft3

/min) với tốc độ 2m/s (394ft/min), hơn gấp đôi lượng không khí cần cho hệ thốngmáy chủ phiến của IBM. Sử dụng biểu đồ 3, mức tổn thất áp suất không khí sẽ là:

- 40% độ thông thoáng gây tổn thất 2.03mmH2O (20.0 Pa) - 56% độ thông thoáng gây tổn thất 1.14mmH2O (11.2 Pa) - 64% độ thông thoáng gây tổn thất 0.86mmH2O (8.5 Pa) - 80% độ thông thoáng gây tổn thất 0.76mmH2O (7.5 Pa)

7 / 9


Bảng 2: Vận tốc không khí khi qua diện tích thông thoáng 0.6m x 1.83m



Thậm chí trong trường hợp này, chênh lệch áp suất tổn thất giữa cửa lưới thôngthoáng 64% và 80% chỉ là 0.10 mmH2O (1 Pa), không đáng kể với các thiết bị IT.Trong 2 ví dụ trên, nếu diện tích thông thoáng là 0.61m x 0.91m và vận tốc khôngkhí thấp hơn 1.3m/s (263ft/min), độ thông thoáng của cửa lưới không ảnh hưởngnhiều đến khả năng tỏa nhiệt của thiết bị. Trong điều kiện tỏa nhiệt lớn, độ thôngthoáng 56% có thể chấp nhận được và sự khác nhau của độ thông thoáng 64% và80% là không đáng kể.

8 / 9


Mô hình 1: kết quả kiểm tra áp suất tổn thất khi đi qua bề mặt cửa

Mô hình 2: giới hạn áp suất không khí với các loại cửa thông thoáng khác nhau, vậntốc 1.3m/s

Mô hình 2: giới hạn áp suất không khí với các loại cửa thông thoáng khác nhau, vậntốc 2m/s Kết luận Nghiên cứu trên cung cấp những phân tích cơ bản nhất để tính toán áp suất tổn thấtcủa không khí khi đi qua bề mặt cửa lưới. Lượng áp suất tổn thất (hay năng lượngtổn thất) không chỉ phụ thuộc vào độ thông thoáng trên bề mặt cửa mà còn phụthuộc vào lượng không khí và tốc độ của chúng khi đi qua bề mặt cửa. Công cụ ởđây có thể giúp tính toán áp suất tổn thất khi qua bề mặt cửa lưới thông thoáng40% - 80% ở một khoảng điện năng tiêu thụ từ thiết bị IT nhất định. Ở hai ví dụthiết bị tỏa nhiệt lớn 30kW ở mức nhiệt độ tăng 16.7oC (30oF) và 11.1oC (20oF), ápsuất tổn thất ở cửa lưới 64% và 80% là không đáng kể và không ảnh hưởng tới hiệusuất của thiết bị bên trong. Áp suất tổn thất không phải là yếu tố duy nhất để khi chọn mua tủ rack cho hệthống IT của bạn. Những yếu tố khác như khả năng chịu tải, tính bảo mật và kiểudáng cũng cần được quan tâm. Tổng hợp những vấn đề trên để đưa ra quyết địnhchính xác cho khả năng thông thoáng của cửa lưới giúp thiết bị hoạt động hiệu quảvà cân đối chi phí. Nguyễn Thanh TuấnNguồn: CIM

9 / 9

Các dòng lưu chuyển không khí ảnh hưởng như thế nào tới ... · Bảng 1: Mối...

Documents

Transcript of Các dòng lưu chuyển không khí ảnh hưởng như thế nào tới ... · Bảng 1: Mối...