Нормативная документация

Выбираем теплоноситель: этиленгликоль или пропиленгликоль?

08 июля 2014 г. | Категория: Охлаждение ЦОД

Нередко у заказчика, решившего построить большой ЦОД или небольшую серверную, и, в частности, систему охлаждения на базе холодильных машин, возникает вопрос: какой теплоноситель применять в системе охлаждения. Подрядчику несказанно повезет, если такой вопрос будет решен на стадии Технического задания; хуже, если принятие решения отложится на время проектирования. Мы попробуем сформулировать основные тезисы, необходимые при выборе теплоносителя.

Итак, сейчас наиболее распространены три теплоносителя: вода, водные растворы этиленгликоля и водные растворы пропиленгликоля. О них и пойдет речь в данной статье.

Начнем с самого простого –  воды. Это оптимальный теплоноситель с точки зрения его физических свойств (см. таблицу 1).

Ко всему прочему, вода не токсична, ее пары всегда содержатся в воздухе, ее можно неограниченно сливать как на грунт, так и в сточные системы.

Но у воды имеется серьезный недостаток, который позволяет применять ее только внутри помещений, —  температура замерзания равна 0 ^ОС. Плотность при этом меняется – уменьшается до 917 кг/м3. Как следствие уменьшения плотности, растет занимаемый теплоносителем объем. И с данной проблемой можно было бы примириться, если бы расширение и замерзание было бы равномерным по всему объему, а избыток скапливался в расширительном баке,  —  но не тут-то было. Замерзание происходит очагами, таким образом, что некоторые участки изолируются, и расширение происходит в них. А так как в данных участках компенсация отсутствует, происходит увеличение статического давления на стенки труб, вследствие чего происходит разрыв труб. 

В связи с вышесказанным требуется применение водных растворов гликолей, которые не позволяют раствору замерзать при температурах ниже 0 ^ОС, а также даже при замерзании не образовывать локальные очаги. Помимо этого, у таких растворов снижение плотности значительно ниже, нежели при кристаллизации воды в лед. Таким образом, даже замерзший водный раствор этиленгликоля не разрушает трубы.

Теперь рассмотрим пропиленгликолевый водный раствор. Основным его преимуществом является то, что он не токсичен и почти безвреден:  например, часто применяемая пищевая добавка Е1520 есть не что иное, как пропиленгликоль. Помимо этого, это вещество применяется и в фармацевтике, и в косметологии. Соответственно для ЦОДа не требуется никаких особых мероприятий для обеспечения возможности его применения, кроме  наличия резервного объема для компенсации различных потерь (проливов, утечек и т.п.). Нередко именно по этому принципу и выбирают его в качестве теплоносителя для систем охлаждения, не задумываясь о реальной целесообразности такого применения.

Последний рассматриваемый нами теплоноситель — это водный раствор этиленгликоля. В противоположность пропиленгликолю, он является умеренно токсичным, относится к веществам третьего класса опасности, его предельно допустимая концентрация в атмосфере составляется 5 мг/м3, а летальная доза составляет 1,5-5 мл на 1 кг тела. Но при всем при этом он имеет относительно низкую летучесть при нормальной температуре, его пары обладают не столь высокой токсичностью и представляют опасность лишь при длительном вдыхании. Таким образом, вполне безопасно применять растворы этиленгликоля в системах холодоснабжения, коммуникации которых проложены в помещениях ЦОД без постоянного пребывания людей и по улице.

В сточных водах и в других объектах общего водопользования концентрация этиленгликоля должна составлять не более 1 мг/л. Соответственно в ЦОДе, помимо системы подпитки, необходимы системы слива, это должны быть либо емкости, равные объему максимального изолируемого участка, либо система для разбавления сливаемого этиленгликоля водой до допустимой ПДК. Помимо этого, при проливах на грунт или пол этиленгликоль нужно смыть обильным потоком воды до соответствующей концентрации. То есть, для примера, если нам нужно слить 1 литр 50% водного раствора этиленгликоля, то мы должны разбавить его еще 560 литрами воды. Таким образом, при проливе и протечке целесообразно обеспечить сбор раствора этиленгликоля для дальнейшей утилизации и избегать его слива на грунт и в канализацию.

Теперь разберемся в экономической составляющей выбора теплоносителя.

Для примера и сравнения рассмотрим относительно небольшую систему холодоснабжения мощностью 300 кВт с температурами 15 -20 ^ОС и перепадом давления в системе 25 кПа (при использовании воды в качестве теплоносителя). Система имеет внутренний объемом 6 м3 и аккумулирующий бак объемом 3 м3. Приняты теплоносители, замерзающие при -30 ^ОС. Таким образом, в системе в первом случае залит — 50% водный раствор пропиленгликоля, во втором — 45% водный раствор этиленгликоля, в третьем, в качестве эталона, — вода (все свойства теплоносителей рассчитаны при 20 ^ОС). Расчет приведен в таблице 2.

Из таблицы видно, что хотя вязкость, влияющая на конечное сопротивление трению, у пропиленгликолевого раствора и меньше, чем у этиленгликолевого, но большее влияние на результат оказывает  теплоемкость, которая в первом случае ниже, чем во втором. Таким образом, в случае использования водного раствора пропиленгликоля расход и напор циркуляционного насоса выше, чем при использовании водного раствора этиленгликоля. 

Теперь разберемся результирующей стоимостью оборудования и эксплуатации.

В эталонном случае, при использовании воды как теплоносителя, мы должны использовать два насоса (рабочий и резервный, это ЦОД все-таки). Заполнять систему водой можно непосредственно из системы водоснабжения, стоимость воды в данном случае принята равной нулю. При сервисе, проливах и сливах теплоноситель можно  слить непосредственно в канализацию, поэтому системы сбора теплоносителя быть не должно. Стоимость потребляемой электроэнергии принята за 4,5 рубля за кВт*час. Конечная сумма в данном случае получается достаточно низкой.

В случае использования раствора этиленгликоля, в капитальных затратах так же должно быть 2 насоса, но добавляется стоимость этиленгликолевой смеси по 42 рубли за литр и стоимость пластиковой емкости на 3 м3 за 25000 рублей и такой же стоимости его обвязка. Емкость принята на 3 куба, так как это и есть максимальный изолируемый объем в системе — аккумулирующий бак. В эксплуатационных затратах, помимо электроэнергии, учтена стоимость нового раствора этиленгликоля по 42 рубли за литр и стоимость утилизации отработанного этиленгликоля по 6 рублей за литр.

При использовании раствора пропиленгликоля, снова используется два насоса и, так же, как и в случае с водой, отсутствует емкость для слива теплоносителя, а стоимость раствора пропиленгликоля взята 70 рублей за литр. При его замене утилизировать его не обязательно, поэтому отсутствуют затраты на утилизацию.

Таким образом, суммарные затраты за 5 лет при использовании этилегликолевой смеси оказались бы ниже на 376 000 рублей, чем при использование пропиленгликолевого раствора. В подавляющем большинстве случаев такая зависимость сохраняется как для систем меньшего размера, так и для большего.

Нам, как инженерам, очень хотелось бы избежать метаний заказчика между этиленгликолевым и пропиленгликолевым растворами на финальных стадиях проектирования. И мы надеемся, что данная статья поможет Вам сделать осознанный и взвешенный выбор между этими двумя гликолями.

Василий Казаков,
ведущий инженер отдела климатических систем, ЗАО «Энвижн груп»

Петр Ронжин,
независимый эксперт по климатическим системам

Теги: Василий Казаков, Петр Ронжин, теплоноситель, охлаждение