Misurazione della degradazione dei fluidi nei sistemi di raffreddamento a base di glicole liquido per i data center

Tabella dei Contenuti

• Introduzione
• Sistemi di raffreddamento e refrigerazione
• Raffreddamento a liquido
• Raffreddamento a liquido diretto al chip
• Raffreddamento ad immersione
• monitoraggio e controllo
• Rheonics sensore
• Installazione del sensore
• HPT-12G (valido solo per SRV)
• IFC-34N (varianti disponibili per SRV e SRD)
• FET Tri-Clamp maglietta a gomito
• Referenze

Con l'aumento della densità e della domanda di elaborazione dei data center, le architetture tradizionali raffreddate ad aria faticano sempre di più a soddisfare i requisiti di gestione termica, efficienza energetica e affidabilità. Il raffreddamento a ricircolo di liquidi, che utilizza acqua o miscele di acqua e glicole come mezzo primario di trasporto del calore, si è affermato come una delle soluzioni più efficienti e scalabili. È quindi diventato fondamentale monitorare costantemente le prestazioni di raffreddamento, cosa che può essere ottenuta, tra gli altri metodi, valutando le caratteristiche del refrigerante in linea. Caratteristiche come degradazione termica, concentrazione di glicole, contaminazione, biofouling, livelli Brix, punto di congelamento, ecc., possono essere ricondotte a misurazioni dirette con Rheonicssensori di densità e viscosità in linea.

La funzione fondamentale di un sistema di raffreddamento è quella di rimuovere il calore da un punto e trasferirlo a un altro, raffreddando il punto di origine. Il calore fluisce naturalmente dalle zone più calde a quelle più fredde attraverso conduzione (contatto solido), convezione (movimento dei fluidi) e irraggiamento (onde elettromagnetiche).

• Sistemi di refrigerazione: Questi sistemi si basano su un refrigerante che subisce cambiamenti di fase (evaporazione per assorbire calore e condensazione per respingerlo), come nei refrigeratori, nei condizionatori d'aria e nelle pompe di calore.
• Sistemi di calore sensibile: Questi sistemi si basano su trasferimento di calore sensibile utilizzando liquidi refrigeranti o aria anziché refrigeranti. Questi sistemi sono in genere costituiti da due circuiti:
• a. Un circuito primario che utilizza un fluido per assorbire il calore dalla sorgente.
• b. Un circuito secondario che rimuove il calore dal fluido primario riscaldato. Il circuito secondario è spesso un sistema di refrigerazione o un sistema esterno di smaltimento del calore, come torri di raffreddamento o raffreddatori a secco, che rilasciano il calore nell'ambiente.

Il vantaggio principale del raffreddamento a liquido è che il liquido è molto più efficiente dell'aria quando si tratta di trasferimento di calore. Questo rende raffreddamento a liquido puro essenziale per i moderni data center ad alta densità, in particolare quelli che supportano l'intelligenza artificiale e l'High-Performance Computing (HPC).

I circuiti di ricircolo dei liquidi (LRL) offrono:

• Maggiore capacità termica rispetto all'aria
• Minore energia di pompaggio per lo stesso trasporto di calore
• Maggiore stabilità termica
• Compatibilità con soluzioni di raffreddamento sia direct-to-chip (D2C) che a immersione

Sia il D2C che il raffreddamento a immersione sono sistemi di ricircolo che utilizzano un circuito primario per assorbire il calore e un circuito secondario per respingerlo.

Il raffreddamento D2C consiste nel ricircolo del liquido refrigerante direttamente sui componenti più caldi di un data center, in genere CPU e GPU, utilizzando piatti freddi sopra di essi. Il fluido utilizzato nel circuito primario e secondario è un fluido di acqua pura deionizzata (DI) o una miscela di questa con glicole.

Il glicole propilenico (PG) è oggi il refrigerante preferito da miscelare con acqua, poiché non è tossico, non è infiammabile, non contribuisce al riscaldamento globale e offre prestazioni ottimali rispetto ad altre alternative di fluidi secondari. Il PG ha una conduttività termica inferiore e una viscosità maggiore rispetto all'acqua pura, quindi la miscela di glicole e acqua creerà uno scambio termico inferiore e richiederà più energia per essere pompata. Tuttavia, il PG ha un punto di congelamento inferiore e un punto di ebollizione superiore rispetto all'acqua, quindi viene utilizzato quando c'è il rischio che l'acqua deionizzata congeli o evapori nella linea. Il PG impedisce anche la formazione di batteri nella linea dell'acqua.

D2C viene spesso scelto per la sua più facile integrazione nei data center esistenti su larga scala (come gli Hyperscaler), in cui l'hardware IT è progettato per funzionare con acqua refrigerata standard o fluidi non conduttivi specializzati e si desidera una temperatura di alimentazione inferiore per un elevato margine di sicurezza.

Il raffreddamento a immersione sta guadagnando popolarità nei centri ad altissima densità. Richiede la completa immersione del data center o dei rack di CPU e GPU in un fluido dielettrico, come olio minerale o fluidi sintetici. Il calore viene quindi trasferito dai rack al fluido per conduzione e convezione. Il modo in cui il fluido viene ricircolato per mantenere la temperatura desiderata per il raffreddamento definisce il tipo di raffreddamento a immersione.

Il raffreddamento a immersione monofase mantiene sempre il fluido allo stato liquido utilizzando un circuito secondario, solitamente tramite uno scambiatore di calore, con liquido o aria. Anche in questo caso, le miscele di glicole e acqua sono comuni nel circuito secondario.

Il raffreddamento a immersione bifase prevede che il fluido passi dallo stato liquido a quello di vapore per dissipazione. Una serpentina del condensatore posta sulla parte superiore del serbatoio di immersione intrappola il vapore del liquido e ne riduce la temperatura grazie a un circuito secondario, trasformandolo nuovamente in fase liquida, in modo che il liquido possa ricadere nel serbatoio.

Il raffreddamento ad immersione è altamente efficace nel funzionamento a temperature di ingresso del refrigerante più elevate poiché l'intero server è immerso, garantendo un raffreddamento uniforme di tutti i componenti ed eliminando i punti caldi. Questa temperatura di esercizio più elevata è un fattore determinante per la sua elevata efficienza energetica.

Il controllo dei fluidi refrigeranti si basa sulle unità di distribuzione del refrigerante (CDU). Queste sono fondamentali per mantenere l'efficienza del raffreddamento mantenendo costanti circolazione, pressione e distribuzione del flusso. Sono integrate con controller esterni per gestire velocità delle pompe, valvole, allarmi e logica di ridondanza.

I sensori in linea sono essenziali per la prognostica e la gestione dello stato di salute (PHM), consentendo agli operatori di monitorare direttamente lo stato di salute e la concentrazione del refrigerante.

Parametri chiave monitorati nell'LRL (in particolare il circuito glicole-acqua):

• Temperatura di mandata/ritorno: Fondamentale per determinare il carico termico e l'efficienza del sistema
• Portata e pressione differenziale della pompa: Indicatori chiave dell'energia di pompaggio (PUE) e potenziali blocchi (incrostazioni).
• Concentrazione di glicole: sensori di densità e viscosità sono utili per monitorare con precisione la percentuale di glicole. Questo è fondamentale perché:
• Verifica la concentrazione del glicole e punto di congelamento del liquido di raffreddamento.
• Permette il calcolo dell' portata di massa effettiva e garantisce che la pompa non sprechi energia per superare una viscosità eccessiva.
• Conduttività e qualità dell'acqua: Misura la purezza e il potenziale di corrosione dell'acqua (in particolare nei circuiti di acqua deionizzata), poiché anche tracce di contaminanti possono danneggiare i componenti.

Rheonics I sensori di densità e viscosità in linea si basano sulla tecnologia Balanced Torsional Resonator (BTR) che misura le proprietà del fluido tramite contatto diretto e valutazione degli effetti del fluido sulla frequenza di risonanza del risonatore e sullo smorzamento.

Rheonics I sensori in linea, come il viscosimetro in linea SRV e il misuratore di densità e viscosità in linea SRD, sono adatti per il monitoraggio di fluidi termovettori come refrigeranti a base di glicole e acqua e oli minerali nel raffreddamento D2C e a immersione.

La frequenza delle onde ultrasoniche è misurata in kilohertz (kHz). Diverse frequenze puntano la grassa in modi leggermente diversi. Le frequenze più basse raggiungono la grassa più profonda, mentre le frequenze più alte lavorano più vicino alla superficie. Rheonics i vantaggi sono:

• Compattezza: Rheonics Le sonde dei sensori sono piccole e compatte, il che le rende ideali per un montaggio flessibile in spazi ristretti, come rack, linee di ricircolo del refrigerante e serbatoi di immersione.
• Robustezza: il sensore funziona indipendentemente dal flusso del fluido, dalla bassa temperatura o dai fluidi multifase: acqua sporca, prodotti di corrosione, biofilm, particelle sparse nel fluido possono essere presentati come un piccolo rumore nelle letture, tuttavia il sensore è in grado di misurare la viscosità e la densità del fluido in modo affidabile.
• Nessuna manutenzione: nessuna parte mobile che possa generare deriva durante la vita operativa del sensore.

Integra il Rheonics sonda del sensore nel tubo polimerico o nei tubi in acciaio inossidabile utilizzando Rheonics celle di flusso in linea e weldolet o connessioni e flange standard.

Questa piccola cella di flusso ha un volume di fluido minimo richiesto e presenta porte filettate maschio G1/2" in ingresso e in uscita. La tenuta è realizzata in FKM o FFKM (per alte temperature). O-Ring. Vedi la pagina del prodotto.

Questa cella di flusso ha varianti disponibili per Rheonics SRV e SRD. Dispone di porte femmina NPT da 3/4", il che lo rende la scelta ideale per linee di piccole dimensioni, in particolare di dimensioni da 3/4" o 1". Vedere IFC-34N-SRV e IFC-34N-SRD.

Disponibile nelle misure 1.5", 2" e 3", questo accessorio utilizza Tri-Clamp connessioni in ingresso, uscita e porta della sonda. Vedi la pagina del prodotto.

Pezzo di bobina FTP Tee

Disponibile nelle dimensioni da 2" o più grandi, questa cella posiziona la sonda perpendicolarmente al flusso del fluido, riducendo al minimo le zone morte. Vedi la pagina del prodotto.

Installazione diretta di Rheonics Le sonde SRV e SRD nelle linee principali o di alimentazione del refrigerante sono possibili con weldolet quali:

WOL-34NL (adatto per SRV e SRD)

HAW-12G-OTK (valido per SRV e SRD), FKM o FFKM (per alte temperature) vengono utilizzati per creare una guarnizione di collegamento.

Comprensione delle unità di distribuzione del refrigerante (CDU) per il raffreddamento a liquido