A incrementare ulteriormente l’efficienza energetica delle soluzioni di raffreddamento a liquido dei data center è quindi la possibilità di implementare sistemi di recupero di calore. Rispetto all’aria, il vettore liquido assorbe infatti il calore con maggior efficienza e in maniera più concentrata, con il risultato di disporre di temperature in uscita dal sistema di raffreddamento superiori rispetto alle classiche soluzioni ad aria. Questo consente di adottare soluzioni di recupero energetico molto vantaggiose, riutilizzando l’energia termica asportata per una varietà di applicazioni, dal district heating alle pompe di calore, per il riscaldamento di acqua ad uso sanitario o per il preriscaldamento di fluidi di processo. L’energia consumata dai data center, che il lavoro di calcolo trasforma in calore, viene in tal modo reimpiegata secondo principi di circolarità grazie al liquid cooling.

Tempco è in grado di proporsi come system integrator qualificato per l’implementazione di skid di raffreddamento a liquido per data center, il cui cuore tecnologico è rappresentato dagli scambiatori a piastre saldobrasati BPHE. Diverse sono quindi le possibili architetture di ecosistemi di liquid cooling nei data center (che possono anche includere sistemi di free cooling, chiller e torri evaporative), e per ciascuna tipologia la gamma di scambiatori BPHE di Tempco offre la soluzione più adatta per garantire massima efficienza di raffreddamento e riduzione dei consumi energetici, abbassando il PUE (Power Usage Effectiveness) dei centri di calcolo.

Interessante quindi vedere alcuni vantaggi, e di contro alcuni lati meno favorevoli, che caratterizzano diverse opzioni possibili di raffreddamento a liquido di server e chip. Che si tratti di cold plates (piastre metalliche in materiale conduttivo che, poste a contatto dei componenti elettronici, provvedono al raffreddamento asportando il calore generato mediante un fluido refrigerante che circola all’interno di microcanali) o di raffreddamento a immersione diretta dei server in fluidi dielettrici, esistono innanzitutto due diverse modalità di funzionamento del ciclo termico: in single phase, raffreddamento a liquido monofase, o two phase (raffreddamento a liquido bifase). La prima tipologia non comporta alcun cambio di fase del fluido refrigerante, che può essere ad esempio una miscela acqua glicole al 75%, con il vantaggio di avere pertanto un impianto più semplice.

Nel liquid cooling bifase, invece, il liquido di raffreddamento entra in ebollizione nelle cold plates, o per contatto diretto con i componenti immersi nelle vasche di raffreddamento, con passaggio alla fase di vapore. E’ allora necessario un sistema più complesso per la gestione del vapore e l’inserimento di condensatori, oltre a un controllo molto attento dei livelli di pressione e temperatura. Di contro, il liquid cooling bifase permette di asportare grandi quantità di calore con un’efficienza molto superiore rispetto alla modalità monofase.

Altra questione riguarda poi il confronto tra cold plates e raffreddamento a liquido a immersione: l’impiego di cold plates richiede sistemi di pompaggio e tubazioni per il fluido refrigerante verso le piastre fredde posizionate sui componenti, con rischio di perdite nel data center che vanno perciò attentamente controllate. Il raffreddamento a liquido a immersione si presenta in sé più snello a livello di impianto, consentendo inoltre un raffreddamento più omogeneo, con il vantaggio di richiedere interventi di controllo e manutenzione più semplici: serve difatti solo controllare che il livello del fluido refrigerante o del fluido dielettrico nella vasca di raffreddamento sia sufficiente. Di contro, il raffreddamento a liquido a immersione nei data center porta con sé costi iniziali superiori, legati al costo elevato degli speciali fluidi dielettrici da utilizzare e alla costruzione di hardware ad hoc, con ricorso a materiali compatibili per immersione negli speciali liquidi di raffreddamento (con attenzione ad esempio alla scelta di colle e guarnizioni adeguate).

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In Tempco realizziamo sistemi completi di raffreddamento che uniscono in un’unica soluzione tutti i componenti necessari per smaltire il calore prodotto dal motore e dall’aria di sovralimentazione, offrendo il vantaggio di una progettazione integrata.
 Questo approccio assicura compatibilità idraulica, semplicità di installazione e un funzionamento efficiente e coordinato di tutte le parti.

Il sistema di raffreddamento integrato per gruppi elettrogeni di emergenza è composto da:

• HX1 – Scambiatore jacket water, dedicato al circuito principale del motore.
• HX2 – Scambiatore aria di sovralimentazione, per mantenere la temperatura ottimale dell’aria in aspirazione.
• P1/P2 – Gruppo di pompaggio, realizzato su skid completo di pompe, valvole, strumenti e quadro elettrico di comando.
• RAD – Elettroradiatore remoto, installato in posizione ottimale per la ventilazione e la dissipazione del calore.
• VEXP – Vaso di espansione, equipaggiato con tappo radiatore, livello visivo e livellostato di minimo livello, fornito per montaggio a cura del cliente in base alla configurazione impiantistica.

L’architettura del sistema può essere rappresentata come nell’immagine qui sotto:

La combinazione dei due circuiti del jacket water e di raffreddamento dell’aria di sovralimentazione consente di mantenere costante la temperatura di esercizio del motore, migliorando l’efficienza e riducendo i tempi di avviamento in emergenza.

Rispetto alle soluzioni tradizionali, dove i componenti vengono forniti separatamente, il sistema Tempco garantisce una gestione semplificata dell’impianto, con dimensionamento e integrazione studiati caso per caso sulle specifiche del motore e sulle condizioni ambientali di installazione.

Questo approccio ingegneristico unisce modularità, affidabilità e prontezza operativa, assicurando ai gruppi elettrogeni di emergenza un raffreddamento stabile e performante, sempre pronto a entrare in azione quando serve davvero.

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Le unità di termoregolazione sono una sorta di caldaie dotate di riscaldamento elettrico e di una sezione di raffreddamento. Si tratta in realtà di macchine piuttosto semplici. Hanno pochissimi componenti: resistenze elettriche di riscaldamento, una pompa di circolazione dell’acqua e tipicamente uno scambiatore di calore per il raffreddamento.

Questi componenti sono molto semplici, così come lo sono queste unità nel loro complesso, e sono progettate per un compito altrettanto semplice: la regolazione e il mantenimento della temperatura a un determinato livello. MA, queste unità devono essere dotate di sistemi di sicurezza assoluti. Questo perché queste macchine, che utilizzano resistenze elettriche, che funzionino con olio, acqua o acqua pressurizzata, comportano alcuni rischi, dovuti al fatto che se le resistenze elettriche di riscaldamento rimangono accese, senza un’adeguata circolazione dell’acqua, la temperatura sale a livelli molto elevati. Di conseguenza aumenta anche la pressione, nel caso di unità ad acqua pressurizzata, e così sale la temperatura e il punto di infiammabilità, nel caso di unità a olio. Per questo motivo tutte queste unità sono dotate di dispositivi di sicurezza hardware.

Ciò significa che sicuramente sulle resistenze di riscaldamento installiamo termostati di sicurezza, termostati di sicurezza meccanici e termofusibili che devono essere sostituiti dopo il loro intervento. Questi dispositivi di sicurezza hanno lo scopo di interrompere il funzionamento dell’unità, spegnendola, spegnendo anche le resistenze di riscaldamento e la pompa di circolazione.

In caso di mancanza d’acqua, ci sono pressostati, flussimetri o interruttori di livello che possono bloccare l’unità, spegnendo le resistenze e la pompa, segnalando il loro intervento con un allarme. Tutto questo per evitare problemi. È quindi molto importante che tutti questi dispositivi di sicurezza siano attivi e correttamente funzionanti e non vengano manomessi o bypassati. Perché altrimenti possono rappresentare una potenziale fonte di rischio.

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Ma esistono anche applicazioni che non prevedono per forza un recupero energetico, ma richiedono necessariamente il raffreddamento del processo produttivo a cui gli scambiatori sono asserviti. In questo caso specifico, gli scambiatori free flow sono impiegati nell’industria della carta e della cellulosa, che comprende settori che lavorano la polpa di carta e quindi, chiaramente prima che vengano formati i fogli di carta, utilizzano acqua ricca di particelle solide in sospensione.

Un’altra applicazione simile in cui utilizziamo molti di questi scambiatori è legata alla produzione di granulo plastica. Anche in questo caso, l’acqua di processo da raffreddare è molto sporca e ricca di particelle solide in sospensione.

Si tratta di scambiatori di calore a piastre e, come abbiamo già visto, presentano una struttura particolare. Qualcuno ha obiettato, non avendo punti di contatto tra le piastre, quale livello di pressione differenziale possano sopportare. Chiaramente, possono sopportare pressioni differenziali inferiori rispetto ai classici scambiatori di calore a piastre. Ecco perché, in questo caso, le piastre hanno uno spessore maggiore, a partire da 0,8 o 1 mm, a seconda delle dimensioni della piastra. Di solito sono piastre piuttosto grandi e sono caratterizzate da una bassa resistenza, quindi con basse pressioni di progetto, arrivando fino a PN6, PN10, raramente PN16.

Ma, dopotutto, il tipo di applicazioni in cui vengono impiegati questi scambiatori non richiede mai pressioni di esercizio elevate, solitamente limitate alla pressione di circolazione di una pompa centrifuga, quindi 3 o 4 bar.

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Iniziamo con le centraline di termoregolazione che impiegano acqua. In genere è possibile utilizzare centraline di termoregolazione con circuito atmosferico o con circuito pressurizzato.

La prima e più importante differenza è rappresentata dal range di temperatura di lavoro. Fino a 90° C possiamo chiaramente utilizzare un’unità di termoregolazione atmosferica. Oltre i 90° C, a causa del punto di ebollizione, è necessario utilizzare unità di termoregolazione con acqua pressurizzata, ovvero unità di termoregolazione con circuito chiuso e sigillato che sono pertanto in grado di resistere alla pressione. Come se fosse una specie di pentola a pressione, chiaramente con una serie di misure di sicurezza aggiuntive, ma è un argomento che potremmo trattare in un prossimo video.

Spesso si impiegano anche gruppi termoregolatori ad acqua pressurizzata perché offrono un vantaggio, ovvero permettono di essere installati in qualsiasi punto dell’impianto senza rispettare le altezze. Spieghiamo meglio: una centralina atmosferica, avendo un circuito idraulico aperto, necessita di avere il vaso di espansione posto nel punto più alto dell’impianto, altrimenti, per il principio dei vasi comunicanti, l’impianto si svuoterebbe.

Una unità di termoregolazione pressurizzata è invece fondamentalmente un circuito chiuso e sigillato, quindi l’acqua viene messa in circolazione e una volta sfiatata l’aria dai punti alti dell’impianto la centralina può funzionare senza problemi. Chiaramente, la tipologia di centralina più appropriata può essere selezionata in base al tipo di impianto.

Molte volte, la centralina atmosferica offre vantaggi rispetto a quella pressurizzata. La centralina pressurizzata, come detto, offre il vantaggio che, una volta sfiatata l’aria dal circuito, il circuito è pieno, l’acqua circola e non ci sono ulteriori problemi. Ma ci sono alcuni processi industriali che presentano circuiti molto complessi, con vari punti in cui si possono formare sacche d’aria difficili da sfiatare ed eliminare. In questo caso, una centraline di termoregolazione atmosferica installata nel punto più alto dell’impianto potrebbe essere una soluzione vincente, perché la pompa rimane sotto il battente del serbatoio, e quindi sempre azionata dall’acqua, e spinge l’acqua all’interno dell’impianto.

Eventuali bolle d’aria non arriveranno alla pompa ma saranno raccolte direttamente nel vaso di espansione o all’interno del serbatoio di raccolta dell’acqua, che è installato nel punto più alto dell’impianto, e quindi automaticamente sfiatate, senza problemi. Questo consente di operare con la pompa senza problemi, soprattutto nella fase di avviamento dell’impianto.

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Le TREG trovano infatti numerose tipologie di applicazione nei banchi prova, ad esempio quando i banchi prova sono destinati al collaudo di componenti automobilistici come radiatori, di parti di motore o anche di utilities legate all’industria automobilistica, ad esempio pompe per la circolazione dell’acqua o pompe elettriche, o comunque componenti che sono sottoposti a forti variazioni di temperatura, sia dovute alla temperatura ambiente che alla temperatura del fluido con cui lavorano.

Bene, è molto interessante poter testare queste apparecchiature introducendole all’interno di camere climatiche dove variamo la temperatura ambiente. Insieme alla variazione della temperatura ambiente, è anche interessante variare la temperatura del fluido che alimenta questi elementi o che devono trattare. Chiaramente, si può quindi seguire la temperatura della camera climatica, seguendo quindi una certa temperatura ambiente, o anche andare in contrasto con la temperatura ambiente per valutare e convalidare il comportamento di questi componenti in condizioni di temperatura variabile.

Allo stesso modo, le parti meccaniche dei motori vengono testate inducendo una variazione della temperatura, ad esempio dell’olio lubrificante, a seconda delle diverse condizioni di lavoro. Invece di un motore completo, è anche possibile testare singoli componenti utilizzando anche variazioni di temperatura in un intervallo molto ampio, da temperature di valore negativo fino a temperature estremamente positive, ad esempio da -20° C fino a +130° C. Questo perché possiamo ad esempio pensare di avere un motore all’interno di un veicolo parcheggiato ed esposto a temperature molto fredde, che viene avviato facendo salire velocemente la temperatura fino a raggiungere le normali condizioni di utilizzo. E quindi abbiamo una variazione di temperatura molto ampia, ad esempio per l’olio refrigerante.

Tutte queste applicazioni possono essere servite da unità di termoregolazione che simulano accuratamente le varie situazioni ambientali e le diverse situazioni di carico.

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Si tratta di sono macchine termiche, qualcuno le chiama caldaie, altri le chiamano TCU, thermal control unit. Si tratta infatti di apparecchiature che comprendono una pompa di circolazione, un sistema di riscaldamento e un circuito di raffreddamento e un quadro elettrico con regolatore PID che mantiene un fluido a una determinata temperatura controllata.

Questo fluido servirà poi alla regolazione della temperatura di un processo industriale a valle. Nel complesso, le TCU sono utilities al servizio di processi produttivi industriali. Esistono diversi tipi di unità di termoregolazione, come visto in altri video: in Tempco progettiamo unità di termoregolazione con riscaldamento elettrico, con riscaldamento a vapore, oltre a impiegare diversi tipi di sistemi di raffreddamento.

Ma soffermiamoci per ora sul tema dei fluidi impiegati come fluidi vettore, in altre parole sul tema del monofluido. Queste unità, in base al livello di temperatura di design con cui sono progettate per funzionare, possono impiegare un’ampia gamma di fluidi diversi: acqua ad esempio a temperatura ambiente, e quindi con sistemi di circolazione non pressurizzati; oppure acqua pressurizzata, quando le temperature coinvolte arrivano fino a 130-140° C; acqua con additivi antigelo, come glicole, glicole monoetilenico o propilenico, nel caso in cui l’intervallo di temperature inizi con temperature inferiori a 0° C; oli siliconici o oli speciali, quando l’intervallo di temperature inizia sotto 0° C ma dobbiamo raggiungere temperature molto elevate, e dobbiamo anche garantire e mantenere un flusso scorrevole, con una bassa viscosità; e infine, quando le temperature di lavoro si alzano ulteriormente, si può passare agli oli diatermici.

Utilizzando olio diatermico esistono due tipologie di unità: una prima che consente di raggiungere temperature fino a 180° C, tipicamente realizzata utilizzando componenti sofisticati di un certo tipo, come pompe con tenute meccaniche; oppure olio diatermico per temperature fino a 300-320° C. In questo caso la componentistica è ancora più sofisticata, utilizzando ad esempio pompe a trascinamento magnetico.

Cosa determina allora la scelta di un fluido rispetto ad un altro? Come già detto, dipende dal range di temperatura di progetto. Ciò significa, con bassa temperatura, glicole e antigelo, acqua in caso di temperature ambiente, fino a 130° C; temperature estreme, ovvero da -20 o -30° C fino ad alte temperature, fluidi siliconici o fluidi speciali, tipicamente oli; ed infine, per temperature molto elevate, fino a 180-300° C, oli diatermici.

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Il cliente ha un impianto asservito da gruppi frigoriferi, e nell’ambito di nuovi investimenti ha valutato di integrare il sistema con un impianto di free cooling adiabatico allo scopo di risparmiare energia e ottimizzare la produzione. Tempco ha quindi fornito lo studio iniziale per la valutazione dell’impatto e dei vantaggi che il raffreddamento in free cooling avrebbe potuto garantire al cliente in termini di maggiore efficienza e risparmio energetico.

Una volta approvato l’investimento, completo del calcolo del relativo pay back, abbiamo fornito un dry cooler abbinato al sistema di controllo e di pompaggio dell’impianto, in modo da integrare il tutto al sistema di refrigerazione esistente. La soluzione impiega ovviamente ventilatori controllati mediante inverter, che garantiscono la regolazione della velocità e del consumo energetico connesso in base alle effettive esigenze di processo.

Da ultimo abbiamo fornito una serie di scambiatori a fascio tubiero per la regolazione della temperatura dell’olio diatermico, che avviene proprio grazie al sistema di free cooling.

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Si tratta di un tipo di applicazione per la quale abbiamo già accumulato un grande know-how, con progetti sviluppati per altri clienti nel settore nautico e industriale di potenza.

Per questo importante cliente abbiamo quindi realizzato un modulo integrato e compatto, studiato per essere inserito nelle loro tower, alla stregua di un modulo rack. La soluzione è completamente autonoma e completa di sistema di pompaggio, scambio termico e regolazione della temperatura. L’intero progetto è stato quindi realizzato grazie a un profondo studio in 3D della disposizione interna di tutti i componenti, allo scopo di ridurre al minimo le dimensioni del sistema e renderlo compatibile con l’apparecchiatura esistente del cliente.

Per restare informato ogni mese sulle ultime applicazioni di gestione dell’energia termica, iscriviti alla Newsletter – Solid Temperature di Tempco.

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Si tratta nello specifico di sistemi sui quali abbiamo una consolidata esperienza, che ci viene dal settore delle fibre carboceramiche. I sistemi che sviluppiamo per applicazione nei forni per metalli preziosi fanno dunque impiego di pompe ridondate, sistemi di immissione acqua di emergenza, controllo da PLC e teleassistenza da remoto.

Il tutto è infine integrato e realizzato secondo i principi di SCF – Standard Custom Flexibility, di Tempco.

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