Le secret principal du refroidissement : comment la dissipation thermique par évaporation refroidit les centres d'équipement ?

Une tour de refroidissement est un dispositif d'échange thermique entre l'eau et l'air. Il se compose principalement d'un cadre structurel, de panneaux latéraux de maintenance, d'un ventilateur, d'un moteur, d'un matériau de remplissage, d'un système de distribution d'eau, d'un corps de tour et d'un bassin de collecte d'eau. L'échange thermique est principalement réalisé grâce à l'interaction thermique entre l'air à température relativement basse - (entraîné par le ventilateur) et l'eau dans le matériau de remplissage, réduisant ainsi la température de l'eau. Pour les projets de centres de données, la charge thermique totale des équipements et appareils électriques reste relativement stable. Le système d'eau glacée, le système d'eau de refroidissement et la conception de la tour de refroidissement sont tous essentiels pour assurer un refroidissement continu dans la salle informatique. Par conséquent, les tours de refroidissement doivent fonctionner sans interruption toute l'année-(les centres de données des régions du nord adoptent généralement le refroidissement gratuit côté eau-pour leurs systèmes d'eau réfrigérée, qui fonctionnent également tout au long de l'année).

Principe de fonctionnement des tours de refroidissement

Le principe de fonctionnement des tours de refroidissement est basé sur le transfert de chaleur par évaporation et de masse. Entraînée par le ventilateur, de l'eau chaude est pulvérisée sur la surface du matériau de dissipation thermique et entre en contact avec l'air en mouvement qui le traverse. À ce stade, un échange de chaleur et d’humidité se produit entre l’eau chaude et l’air froid. Simultanément, une partie de l’eau chaude s’évapore et la chaleur latente d’évaporation est libérée dans l’air. Enfin, l'eau refroidie tombe dans le réservoir d'eau, puis retourne vers l'équipement requis pour être réutilisée. Dans les tours de refroidissement humides, l’eau chaude a une température élevée tandis que l’air circulant à la surface de l’eau a une température basse. L'eau transfère la chaleur à l'air, qui l'emporte et la dissipe dans l'atmosphère. L'eau dissipe la chaleur dans l'air de trois manières : (1) Transfert de chaleur sensible ; (2) Transfert de chaleur par évaporation ; (3) Transfert de chaleur radiatif. Les tours de refroidissement s'appuient principalement sur les deux premières méthodes de transfert de chaleur. Le transfert de chaleur radiative est négligeable en raison de sa faible ampleur. Parmi eux, le transfert de chaleur par évaporation s’effectue par transfert de masse, en particulier par diffusion continue de molécules d’eau dans l’air. Les molécules d'eau possèdent différents niveaux d'énergie, l'énergie moyenne étant déterminée par la température de l'eau. Près de la surface de l’eau, certaines molécules d’eau dotées d’une énergie cinétique élevée surmontent les forces d’attraction des molécules voisines, s’échappent de la surface de l’eau et se transforment en vapeur d’eau. À mesure que ces molécules à haute énergie s'échappent, l'énergie de l'eau près de la surface diminue, entraînant une baisse de la température de l'eau. Il s’agit d’un transfert de chaleur par évaporation. On pense généralement que les molécules d’eau qui s’évaporent forment d’abord une fine couche d’air saturé près de la surface de l’eau, avec une température égale à celle de la surface de l’eau. La vitesse à laquelle la vapeur d'eau se diffuse de cette couche saturée vers l'atmosphère dépend de la différence de pression entre la vapeur d'eau dans la couche saturée et celle de l'atmosphère.

Structure de base des tours de refroidissement

Châssis de la tour : Fournit un support externe.

Matériau de remplissage pour échange thermique : Maximise la zone d’échange thermique entre l’eau et l’air.

Réservoir de stockage d'eau (bassin d'eau de refroidissement) : Situé au bas de la tour de refroidissement pour collecter l'eau refroidie.

Buses de distribution d'eau : assurent une répartition uniforme de l'eau sur le matériau de remplissage de l'échange thermique.

Ventilateur à flux axial : accélère le flux d’air.

Classification par sens d'écoulement de l'eau et de l'air

Les tours de refroidissement sont classées en tours de refroidissement à contre-courant et en tours de refroidissement à flux croisés en fonction du sens d'écoulement de l'eau et de l'air.

Tours de refroidissement à contre-courant

Corps de tour : Convient aux zones avec des directions de vent variables.

Matériau de remplissage pour distribution d'eau : Idéal pour les environnements avec une bonne qualité d'eau.

Ventilateur : les tours à contre-courant ont une pression statique légèrement plus élevée et certains modèles nécessitent des moteurs d'une puissance légèrement supérieure.

Contraintes environnementales : Une seule tour à flux transversal du même modèle occupe plus de surface qu'une tour à contre-courant. Cependant, lorsque plusieurs tours sont utilisées, les tours à flux croisés peuvent être connectées en parallèle, tandis que les tours à contre-courant nécessitent une distance supérieure à la moitié du diamètre de la tour entre deux unités. Ainsi, les tours combinées à flux croisés peuvent réduire l’espace au sol. Les tours à contre-courant sont avantageuses dans les zones entourées de bâtiments de grande hauteur, de cheminées ou d'autres sources de chaleur, ainsi que dans les scénarios nécessitant un petit nombre de tours de refroidissement, en raison de leur empreinte compacte.

Dérive et bruit : offrent une bonne ventilation, ce qui les rend adaptés aux zones où les exigences en matière de protection de l'environnement et de bruit sont moins strictes.

Entretien quotidien : le remplacement des fillers est fastidieux, ils conviennent donc à une utilisation dans des zones où la qualité de l'eau est propre et où les niveaux de sable et de poussière sont faibles.

Tours de refroidissement à flux croisés

Corps de la tour : les tours à flux transversal utilisent un cadre en acier comme structure de support principale, ce qui entraîne une consommation de matériaux plus élevée et un corps de tour plus lourd par rapport aux tours circulaires à contre-courant. Ils peuvent être connectés en parallèle et conviennent aux espaces ouverts.

Matériau de remplissage pour la distribution d'eau : Le volume de matériau de remplissage des tours à flux croisés est environ deux fois supérieur à celui des tours à contre-courant, ce qui entraîne des coûts plus élevés. Ils conviennent aux environnements où la qualité de l’eau est médiocre.

Contraintes environnementales : Les tours combinées ou à flux transversal de grande taille conviennent aux zones ouvertes avec une forte demande en eau de refroidissement et un espace limité, car elles sont plus compatibles avec les bâtiments environnants.

Dérive et bruit : les tours à flux transversal ont une vitesse d'entrée d'air inférieure à celle des tours à contre-courant, ce qui entraîne des pertes de dérive plus faibles (0,005 % pour les tours à flux transversal contre 0,1 % pour les tours à contre-courant circulaires). Le bruit des tours à contre-courant provient principalement des chutes d’eau et du fonctionnement des ventilateurs, tandis que les tours à flux transversal génèrent principalement le bruit des ventilateurs avec un bruit d’eau minimal. Ainsi, le niveau de bruit global des tours à flux transversal est inférieur à celui des tours à contre-courant, bien que les tours à contre-courant à très faible bruit - fonctionnent également silencieusement. En résumé, les tours à flux croisés fonctionnent mieux dans les zones soumises à des exigences strictes en matière de bruit et de protection de l’environnement.

Consommation d'énergie : les tours à flux transversal ont de grandes entrées d'air, une faible vitesse du vent et de faibles pertes de résistance, de sorte que certains modèles ont une puissance moteur inférieure à celle des tours à contre-courant. En comparant les coûts, les frais de transport, les dépenses d'entretien et la consommation d'énergie du moteur des deux types, leurs coûts totaux sont à peu près similaires sur 2 à 4 ans. Plus la durée de vie est longue, plus le coût relatif des tours à flux croisés est bas.

Entretien quotidien : le remplacement et l'entretien de divers composants dans les tours à contre-courant sont pratiques, tandis que l'entretien du système de distribution d'eau et le remplacement des feuilles de remplissage dans les tours à contre-courant sont fastidieux. Les tours à flux croisés sont plus adaptables aux projets avec une mauvaise qualité d’eau et nécessitent un entretien quotidien plus simple pour les utilisateurs.