Hora de publicación: 2023-07-25 Origen: Sitio
Con el rápido desarrollo de aplicaciones informáticas intensivas como la inteligencia artificial, Internet de las cosas, criptomonedas, AR/VR, etc., la creciente demanda informática hace que los centros de datos se desarrollen gradualmente hacia 'alto rendimiento, alta densidad y alto consumo de energía'. El consumo de energía del centro de datos se compone aproximadamente de equipos de redes y comunicaciones, sistemas de suministro y distribución de energía, equipos auxiliares y de iluminación y sistemas de refrigeración. El consumo de energía de la parte de refrigeración representa aproximadamente el 40% del consumo energético total del centro de datos. Mejorar la eficiencia de los sistemas de refrigeración de los centros de datos y reducir el consumo de energía son cruciales para lograr el objetivo del 'doble carbono'.
Los métodos comunes de refrigeración líquida incluyen placa fría, pulverización e inmersión. Entre ellos, la refrigeración líquida por inmersión tiene la mayor eficiencia de transferencia de calor y puede evitar puntos calientes locales. Actualmente es el medio técnico más probable para resolver diversos problemas que enfrentan los sistemas de refrigeración en entornos informáticos de alto rendimiento.
Como motor para impulsar el nuevo desarrollo del big data center de próxima generación, las ventajas de la tecnología de refrigeración líquida por inmersión se reflejan principalmente en los siguientes aspectos.
La refrigeración líquida por inmersión utiliza refrigerante como medio de transferencia de calor. Los líquidos tienen una mayor conductividad térmica y capacidad calorífica específica, por lo que conducen el calor más rápido y lo absorben de manera más eficiente. Al mismo tiempo, los centros de datos que utilizan tecnología de refrigeración líquida por inmersión tienen un PUE más bajo debido al uso reducido de ventiladores y aires acondicionados.
La refrigeración líquida por inmersión puede aumentar en gran medida la densidad del servidor por unidad de espacio del centro de datos, soportando así mejor la informática de alta densidad. Los centros de datos tradicionales utilizan sistemas refrigerados por aire y las densidades de potencia en rack que se pueden enfriar suelen ser de 10 kW a 15 kW. La refrigeración líquida por inmersión puede aumentar la potencia de un solo rack a 100 kW o incluso más de 200 kW. Por lo tanto, puede cumplir plenamente con los requisitos de disipación de calor de escenarios informáticos de alta densidad.
La refrigeración líquida por inmersión mantiene los equipos de TI a la temperatura adecuada. El entorno de inmersión evita eficazmente los efectos adversos de la humedad (el agua en el aire provocará corrosión de los componentes y el líquido refrigerante puede proteger el equipo), el polvo, etc. en el equipo. Además, los problemas de ruido y vibraciones se solucionan eficazmente porque los servidores y las salas de ordenadores ya no necesitan ventiladores.
El excelente rendimiento de disipación de calor de la refrigeración líquida por inmersión permite que los servidores se ubiquen juntos sin separación. Al mismo tiempo, no es necesario configurar ventiladores y no hay necesidad de aires acondicionados ni unidades de refrigeración en la sala de máquinas. No es necesario instalar instalaciones de contención de pasillos fríos y calientes ni pisos elevados, por lo que la refrigeración líquida por inmersión utiliza más espacio que las soluciones de refrigeración tradicionales.
El enorme consumo de agua no sólo aumenta los costos operativos, sino que también enfrenta presión regulatoria en áreas con uso limitado de agua. La tecnología de enfriamiento por aire tradicional generalmente requiere el uso de una gran cantidad de agua para el enfriamiento por evaporación. El refrigerante de la tecnología de refrigeración líquida por inmersión puede funcionar a temperaturas más altas (hasta 45°C). Incluso en climas más cálidos, el enfriamiento gratuito se puede utilizar de manera eficiente, lo que reduce la necesidad de eliminación activa del calor y, por lo tanto, ahorra agua.
La refrigeración líquida por inmersión sumerge los equipos de TI directamente en un refrigerante, confiando en que el refrigerante absorba el calor generado por el equipo. Según si el líquido de refrigeración sufre un cambio de fase en el proceso de disipación de calor circulante, se puede dividir en refrigeración líquida por inmersión monofásica y refrigeración líquida por inmersión de dos fases.
El líquido refrigerante de la refrigeración líquida por inmersión monofásica suele tener un punto de ebullición relativamente alto. Después de que el líquido refrigerante absorba calor, no habrá cambio de fase y siempre permanecerá en estado líquido. Hace circular el refrigerante por convección natural o accionado por bomba. El proceso de disipación de calor por circulación impulsado por convección natural aprovecha la característica de que la densidad de expansión volumétrica del líquido disminuye después de calentarse. El refrigerante más caliente flota naturalmente y se enfría mediante un intercambiador de calor conectado a un circuito de refrigeración externo. El líquido enfriado se hunde naturalmente bajo la acción de la gravedad para completar la circulación y la disipación del calor.
En comparación con la convección natural, el uso de una bomba para impulsar el refrigerante en circulación puede mejorar la capacidad de enfriamiento de manera más efectiva. El dispositivo que consta de bomba, intercambiador de calor, sensor y filtro se denomina unidad de distribución de refrigerante (CDU, Coolant Distribution Unit). La temperatura y el caudal del refrigerante se pueden controlar con mayor precisión utilizando la CDU. El refrigerante más frío se bombea a través del elemento calefactor, eliminando el calor. El refrigerante calentado ingresa al intercambiador de calor para enfriarse bajo el impulso de la bomba y luego continúa circulando bajo la acción de la bomba. El intercambiador de calor generalmente utiliza agua como medio de enfriamiento y el calor finalmente se descarga a través del sistema de circulación de agua de enfriamiento.
El principio de funcionamiento de la refrigeración líquida por inmersión monofásica se muestra en la figura.
Las ventajas de la refrigeración líquida por inmersión monofásica se reflejan en dos aspectos. Una es que el refrigerante es cada vez más barato de implementar. La otra es que el refrigerante no tiene cambio de fase. No hay necesidad de preocuparse por los riesgos para la salud derivados del desbordamiento por evaporación del refrigerante o la inhalación del personal, lo que favorece más el mantenimiento.
En el enfriamiento líquido por inmersión de dos fases, el líquido refrigerante experimenta continuamente un proceso de cambio de fase de líquido a gas y luego de nuevo a líquido durante el proceso de circulación y disipación de calor. Los equipos informáticos están completamente sumergidos en un tanque hermético lleno de refrigerante de bajo punto de ebullición, que absorbe el calor emitido por el equipo. Después de que el refrigerante absorbe calor, la temperatura aumenta y comienza a hervir después de alcanzar el punto de ebullición. Del estado líquido al estado gaseoso se produce al mismo tiempo una gran cantidad de vapor. El vapor se eleva desde el líquido y escapa por encima de la superficie del líquido, formando una región en fase gaseosa en el tanque enfriado por líquido. El vapor de refrigerante en el área de la fase gaseosa está en contacto con el condensador enfriado por agua y el condensador absorbe el calor. El refrigerante se condensa formando un líquido que vuelve a caer al recipiente en forma de gotas para su recirculación. El agua de refrigeración calentada en el condensador se descarga a través del sistema de agua de refrigeración en circulación.
El principio de funcionamiento de la refrigeración líquida por inmersión de dos fases se muestra en la Figura 3.
El refrigerante utilizado para el enfriamiento líquido por inmersión de dos fases no solo debe tener buenas propiedades termofísicas, estabilidad química y térmica y no corrosivo, sino que también necesita un punto de ebullición adecuado, un rango de ebullición relativamente estrecho y un alto calor latente de vaporización. Se ha intentado utilizar silicatos, sustancias aromáticas, siliconas, compuestos alifáticos y fluorocarbonos en la refrigeración líquida por inmersión en dos fases. Entre ellos, los compuestos de fluorocarbono tienen el mejor rendimiento integral, por lo que se utilizan con mayor frecuencia.
El enfriamiento líquido por inmersión de dos fases aprovecha al máximo el calor latente de evaporación del líquido refrigerante, lo que puede cumplir con los requisitos extremos de los elementos calefactores de alta potencia para la disipación de calor. Mantiene los equipos de TI funcionando a máxima potencia. Sin embargo, la existencia de cambio de fase también hace que el sistema de refrigeración líquida por inmersión de dos fases deba mantenerse hermético para evitar que se escape el vapor. Es más , se debe considerar el cambio en la presión del aire causado por el proceso de cambio de fase y el riesgo para la salud del personal de mantenimiento que inhala gas durante el mantenimiento del sistema .
En esta etapa, todavía existen muchos obstáculos y desafíos en el proceso de promover que los centros de datos adopten rápidamente la tecnología de refrigeración líquida por inmersión. Esto incluye limitaciones de escenarios de aplicación, soporte del proveedor de equipos y costos de implementación y modernización.
Si se pueden resolver los problemas anteriores y de qué manera será la clave para determinar el despliegue rápido y a gran escala de la tecnología de refrigeración líquida por inmersión en el futuro.
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