إن خفض فرق درجة الحرارة النهائية يجعل تحديد مقاس وحدة CDU من سائل إلى سائل أكثر تطلبًا: فعند ثبات حمل التبريد ومعدلات تدفق سائل التبريد، يتطلب فرق درجة الحرارة الأصغر موصلية حرارية أكبر للمبادل الحراري. ويعني ذلك عمومًا الحاجة إلى مساحة أكبر لنقل الحرارة، أو تكوين مختلف للألواح، أو كليهما. وقد يساعد زيادة التدفق في بعض الظروف، لكنها تزيد أيضًا المتطلبات الهيدروليكية ولا يمكنها التعويض إلى ما لا نهاية عن تقلص فرق درجة الحرارة.

لأغراض التقييم الفني، يتمثل القرار الأول في تحديد ما إذا كان فرق درجة الحرارة المحدد ضروريًا عند أعلى درجة حرارة للمياه في المنشأة. إذ يمكن لفرق درجة الحرارة الأقل أن يسمح باستخدام مياه أكثر دفئًا في المنشأة مع الحفاظ على درجة حرارة إمداد سائل التبريد المطلوبة للخوادم. وينبغي موازنة فائدته مقابل حجم المبادل، وهبوط الضغط، وقدرة الضخ، والهامش المتاح عند اختلاف ظروف التشغيل عن نقطة التصنيف.

تحديد فرق درجة الحرارة عند الوصلات الصحيحة

لأغراض هذا النقاش، يُعرَّف فرق درجة الحرارة بأنه درجة حرارة إمداد سائل التبريد الثانوي عند خروجه من وحدة CDU مطروحًا منها درجة حرارة مياه المنشأة الأولية عند دخولها إليها:

فرق درجة الحرارة = T_{إمداد ثانوي} − T_{مدخل أولي}

وبذلك تعمل وحدة CDU التي توفر سائل تبريد ثانويًا بدرجة 40°C مع دخول مياه المنشأة بدرجة 35°C عند فرق درجة حرارة قدره 5 K. هذه القيم تمثل حالة تصميم توضيحية، وليست درجة حرارة تشغيل موصى بها. ويجب تحديد درجة حرارة الإمداد الثانوية المقبولة استنادًا إلى المتطلبات الحرارية ومتطلبات سائل التبريد للمعدات المتصلة.

تحقق من مواقع القياس قبل مقارنة عروض الأسعار. فدرجة الحرارة المقاسة عند مخرج وحدة CDU ليست بالضرورة درجة الحرارة التي تصل إلى الرف بعد مرورها عبر أنابيب التوزيع. وقد تؤدي تفاوتات الحساسات وحرارة المضخة واكتساب الحرارة على طول الدائرة إلى استهلاك جزء من هامش درجة الحرارة المحدود. وينبغي أيضًا أن يوضح الموردون ما إذا كان فرق درجة الحرارة المذكور في عرضهم ينطبق على منافذ المبادل الحراري أم على وصلات الوحدة كاملة.

يجب التمييز بين فرق درجة الحرارة وارتفاع درجة حرارة سائل التبريد عبر معدات تقنية المعلومات. فالأخير هو ما يحدد معدل التدفق الثانوي لحمل حراري معين. أما فرق درجة الحرارة فيصف التباعد الحراري بين الدائرتين عند أحد طرفي المبادل. ولا يحدد أحدهما الآخر.

لماذا يؤدي خفض فرق درجة الحرارة إلى تغيير حجم المبادل

العلاقة الحرارية الأساسية هي Q = U × A × ΔT_lm، حيث تمثل Q الحمل الحراري، وU معامل انتقال الحرارة الكلي، وA مساحة انتقال الحرارة الفعالة، وΔT_lm متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي. وفي المبادل ذي التدفق المعاكس، يعتمد هذا المتوسط على فروق درجات الحرارة عند الطرفين.

لذلك لا يوفر فرق درجة الحرارة عند جانب الإمداد سوى جزء من المعلومات اللازمة لتحديد المقاس. أما الفرق الطرفي الآخر فهو درجة حرارة رجوع السائل الثانوي مطروحًا منها درجة حرارة خروج المياه الأولية. ويجب إدراج كليهما في الحساب الحراري، إلى جانب أي تصحيح مطلوب وفق ترتيب التدفق الفعلي للمبادل.

لنأخذ حملًا حراريًا توضيحيًا قدره 1 MW، حيث يدخل سائل التبريد الثانوي المبادل بدرجة 50°C ويخرج بدرجة 40°C. ولنفترض أن المياه الأولية تدخل بدرجة 35°C وتخرج بدرجة 40°C. يكون الفرقان الطرفيان 5 K و10 K، ما يعطي متوسطًا لوغاريتميًا لفرق درجة الحرارة يبلغ نحو 7.2 K.

والآن، ارفع درجة حرارة دخول المياه الأولية إلى 38°C مع تثبيت الحمل ومعدلات التدفق ودرجات حرارة السائل الثانوي. عندئذ تصبح درجة حرارة خروج المياه الأولية 43°C. وينخفض الفرقان الطرفيان إلى 2 K و7 K، كما ينخفض المتوسط اللوغاريتمي إلى نحو 4.0 K. وترتفع قيمة UA المطلوبة بنحو 80%. وإذا بقيت قيمة U دون تغيير، فستزداد المساحة المطلوبة بالنسبة نفسها.

هذا حساب للموصلية الحرارية، وليس توقعًا بأن حجم وحدة كل مورد سيزداد بنسبة 80%. إذ تؤثر هندسة الألواح وسرعة التدفق في القنوات وخصائص السوائل وتوزيع التدفق في قيمة U. كما أن إضافة الألواح قد تغير سرعات التدفق في القنوات، لذا يتطلب اختيار المبادل حسابًا حراريًا وهيدروليكيًا تكراريًا. ولا يكفي تحديد فرق درجة الحرارة وحده لتحديد عدد الألواح أو المساحة المطلوبة.

يوضح المثال أيضًا سبب عدم موثوقية تقدير الحجم بزيادة خطية. فخفض فرق درجة الحرارة من 5 K إلى 2 K لا يعني تغيرًا متناسبًا في السعة أو المساحة. وكلما اقترب فرق درجة الحرارة عند أحد الطرفين من الصفر، ازدادت متطلبات الموصلية الحرارية. ويتطلب نقل الحرارة عبر مبادل سلبي فرقًا محليًا موجبًا في درجة الحرارة.

يمكن للتدفق أن يساعد، لكن له وظيفة مختلفة

يجب أن تحقق كل دائرة موازنتها الحرارية: Q = ṁ × c_p × ΔT. ويتحدد التدفق الثانوي وفق الحمل الحراري وخصائص سائل التبريد والارتفاع المسموح لدرجة الحرارة عبر معدات تقنية المعلومات. أما التدفق الأولي فيتحدد وفق الحمل الحراري والارتفاع المسموح لدرجة حرارة مياه المنشأة. ولا يفرض خفض فرق درجة الحرارة، بحد ذاته، معدل تدفق أعلى.

تؤدي زيادة التدفق الأولي إلى خفض ارتفاع درجة حرارة المياه الأولية عند ثبات الحمل. ويخفض ذلك درجة حرارة خروج المياه الأولية، وقد يحسن متوسط فرق درجة الحرارة. كما أن السرعة الأعلى قد تحسن معامل انتقال الحرارة. ومع ذلك، لا يمكن للتدفق الأولي تغيير فرق درجة الحرارة المحدد بدرجة حرارة دخول أولية ثابتة ودرجة حرارة إمداد ثانوية مستهدفة ثابتة.

تؤدي زيادة التدفق الثانوي إلى خفض ارتفاع درجة الحرارة عبر معدات تقنية المعلومات عند ثبات الحمل، وقد تحسن معاملات انتقال الحرارة. كما أنها تغير درجة حرارة رجوع السائل الثانوي والملف الحراري للمبادل. ويجب حساب فائدتها الصافية عند نقطة التشغيل الكاملة؛ فزيادة التدفق الثانوي ليست بديلًا تلقائيًا عن زيادة مساحة المبادل.

يتطلب كلا الخيارين التحقق من هبوط الضغط. وتتناسب قدرة المضخة الهيدروليكية مع معدل التدفق الحجمي مضروبًا في ارتفاع الضغط، كما تعتمد القدرة الكهربائية الداخلة على كفاءة المضخة والمحرك. قيّم المبادل مع الأنابيب والصمامات ومجمعات التوزيع والمعدات المتصلة. فالاختيار الحراري الذي يتطلب تدفقًا أكبر مما تستطيع المنشأة توفيره، أو فرق ضغط يتجاوز قدرة المضخة الثانوية، لا يمكن استخدامه عند ذلك الحمل.

ويضيف اختيار السائل قيدًا آخر. إذ تختلف مخاليط الماء والجليكول عن الماء في السعة الحرارية واللزوجة وسلوك انتقال الحرارة. لذلك لا ينبغي تطبيق تصنيف قائم على الماء مباشرةً على دائرة جليكول. اطلب حسابات تستند إلى التركيز المحدد ودرجات حرارة التشغيل، بما في ذلك أي حالة تشغيل عند درجة حرارة أقل قد تقيد أداء المضخة.

قارن نقاط التشغيل المضمونة، ثم افحص نطاق التشغيل

لا تكون السعة الاسمية مفيدة إلا عند توضيح شروطها الحدية. فقد توفر وحدتا CDU لهما تصنيف القدرة نفسه بالكيلوواط سعتين مختلفتين كثيرًا عند درجة حرارة المياه المتاحة في المنشأة. اطلب أساس اختيار موحدًا يتضمن ما يلي:

• الحمل الحراري المطلوب، ودرجة حرارة الإمداد الثانوية المستهدفة، ودرجة حرارة رجوع السائل الثانوي أو معدل تدفقه.
• درجة حرارة دخول المياه الأولية، والتدفق الأولي المتاح، وهبوط الضغط الأولي المسموح به.
• تركيب سائل التبريد، وخصائص السائل ذات الصلة، ومتطلبات الضغط الثانوي.
• السعة المضمونة، وتفاوتات درجات الحرارة، وأساس أي سماحية للتلوث.
• الحمل المتاح في ظل شرط التكرار الاحتياطي المحدد للمضخة أو الوحدة.

استخدم أعلى درجة حرارة موثوقة لدخول مياه المنشأة عند التحقق من الحالة الحرارية المحدِّدة. فإذا ارتفعت درجة حرارة الدخول الأولية مع بقاء درجة حرارة الإمداد الثانوية المطلوبة ثابتة، تقلص فرق درجة الحرارة المتاح. وقد تتطلب الوحدة المختارة عند درجة حرارة اسمية ملائمة حينها تدفقًا أوليًا أكبر، أو تسمح بارتفاع درجة حرارة الإمداد الثانوية، أو تعمل دون سعتها الاسمية.

اطلب بيانات الأداء عند عدة نقاط تشغيل محددة بدلًا من الاعتماد على تصنيف واحد ملائم. أدرج التشغيل بالحمل الكامل عند أعلى درجة حرارة دخول أولية، وظروف التشغيل العادية المتوقعة، وشرط التكرار الاحتياطي ذي الصلة. وفي التشغيل الجزئي، افحص استقرار التحكم وحدود التدفق الأدنى. فحتى المبادل الذي تتوفر لديه سعة قصوى كافية يحتاج إلى مضخات وصمامات قادرة على ضبط درجة الحرارة عبر نطاق الأحمال المستهدف.

ينبغي أيضًا تحديد الغرض من الاحتياطي بوضوح. فزيادة موصلية المبادل الحراري، وارتفاع ضغط المضخة الإضافي، وخفض نقطة ضبط الإمداد العادية، تعالج قيودًا مختلفة. ويصعب تقييم نسبة معلنة لـ«هامش التصميم» ما لم يوضح المورد ظروف التشغيل التي يحمي منها وكيف يتغير الأداء عند استهلاك ذلك الهامش.

لذلك، يتمثل سؤال الاختيار المفيد في الآتي: هل تستطيع وحدة CDU توفير درجة حرارة الإمداد الثانوية والحمل الحراري المطلوبين عند أعلى درجة حرارة متاحة لدخول المياه الأولية، ضمن حدود التدفق والضغط لكلتا الدائرتين؟ بعد إثبات ذلك، يمكن للمقيّم تحديد ما إذا كان دفع تكلفة فرق درجة حرارة أقل يمنح مرونة مفيدة لمياه المنشأة، أم أن اعتماد درجة حرارة إمداد ثانوية أعلى قليلًا، ضمن حدود المعدات، يحقق نتيجة أفضل على مستوى النظام.