Questi scambiatori sono realizzati usando due lamiere metalliche saldate a punti (da cui il nome in inglese, Dimple jacket exchangers), e poi rigonfiate a pressione controllata per creare al loro interno un’intercapedine al cui interno passa il fluido che deve essere raffreddato o riscaldato, acquisendo o cedendo energia.

Sono quegli scambiatori che utilizziamo in tutte quelle applicazioni di recupero energetico per cui, immersi in una vasca o bacino, vanno ad acquisire o dissipare energia termica. In tema di energie rinnovabili, abbiamo parlato ad esempio qualche tempo fa di geotermia: ebbene, questi sono quegli scambiatori che impieghiamo immersi in vasche, piuttosto che in bacini naturali quali laghi o direttamente in acqua di mare, come scambiatori diretti immersi in un fluido più freddo o più caldo.

Nella fattispecie, lo scambiatore TCOIL mostrato nel video è di tipo elettrolucidato, un tipo di finitura molto impiegata in ambito farmaceutico o chimico, o semplicemente laddove è richiesta una superficie estremamente liscia onde ridurre i fenomeni di aderenza di incrostazioni o, quando vengono immersi in acqua di mare, formazioni biologiche, come alghe o cozze.

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Abbiamo già avuto modo di introdurre il concetto di PUE, inteso come rapporto tra la quantità totale di energia consumata da un data center e l’energia di fatto impiegata dalle apparecchiature IT. Il PUE oggi è un importante criterio anche se non l’unico per determinare l’efficienza energetica e la fattibilità anche a livello di compliance dei data center in tutto il mondo. Casi operativi già dal 2018 mostrano con numeri alla mano che il passaggio a soluzioni a raffreddamento a liquido per immersione aumentano il risparmio energetico del 12,8%, abbassando il PUE a valori anche inferiori a 1,09.

Il vantaggio ottenuto è però di fatto anche superiore, in quanto una soluzione di raffreddamento a liquido nei data center elimina l’impiego dei ventilatori per i server, portando quindi l’efficienza energetica al 21,5% e abbattendo inoltre i livelli di rumorosità nella struttura. Ancora più importante è però il passaggio dall’aria al liquido come fluido impiegato per dissipare il calore: il liquido presenta infatti efficienza di dissipazione del calore alquanto superiore rispetto all’aria. Il concetto alla base del raffreddamento ad immersione consiste quindi nel poter utilizzare un fluido a temperature meno basse rispetto a quanto richiesto nel raffreddamento ad aria nei locali del data center. Vengono così eliminati i compressori ad alta capacità dei refrigeratori, aprendo la strada all’introduzione di sistemi di free cooling, portando notevole risparmio energetico a livello di utilities quali chiller e condizionatori.

Per quantificare il risparmio di energia conseguibile, facciamo l’esempio di un chiller che fornisca acqua refrigerata a 10° C con una resa termica di 105 KW e temperatura ambiente di 30° C. Il compressore ha un motore elettrico da circa 30 KW + pompa (2,2-3 KW) + ventilatori per il condensatore ad aria (4KW circa). Sostituendo il chiller con una soluzione di free cooling, restano la pompa, la potenza dei ventilatori – che potrebbe aumentare, ma di poco…+5/10% -, ma sparisce completamente la potenza del compressore.

Nelle applicazioni per raffreddamento a liquido di apparecchiature IT, gli scambiatori saldobrasati a piastre consentono inoltre di separare il fluido dielettrico dall’acqua di raffreddamento, con una perdita di temperatura limitatissima grazie all’efficienza di scambio termico degli scambiatori a piastre.

In aggiunta, l’adozione di sistemi di raffreddamento a liquido porta il PUE a non dipendere più così strettamente dalle condizioni climatiche dell’area in cui il data center sorge, consentendo di scegliere dove localizzare la struttura in maniera più coerente alle necessità di business. Uno scenario di raffreddamento a liquido prevede inoltre che i server siano sigillati all’interno di container, limitando gli effetti di umidità, temperatura e presenza di polvere sui componenti elettronici, riducendo drasticamente gli indici di guasto a carico degli hard disk.

Il raffreddamento a liquido a immersione comporta anche cablaggi molto più semplici e standardizzabili, con cabinet raffreddati a liquido posti in orizzontale. Esistono quindi già anche progetti per lo sviluppo di bracci robotici per ambienti data center raffreddati a liquido, per supportare gli addetti nel sollevamento delle apparecchiature nelle operazioni di manutenzione, rabbocco e riempimento di routine.

Naturalmente soluzioni di raffreddamento a immersione richiedono un ripensamento dei componenti elettronici e dei materiali costruttivi impiegati, che devono essere compatibili per il contatto con le diverse tipologie di fluidi che si possono utilizzare. E’ così possibile prevedere che nei prossimi anni le soluzioni con raffreddamento ad aria continueranno a coesistere a fianco di quelle a liquido, ma che la quota di sistemi di raffreddamento a immersione avrà un incremento costante.

Il numero di data center nel mondo è destinato a continuare a crescere, per soddisfare la sempre più pressante domanda di capacità computazionale all’aumentare della quantità di big data da analizzare, delle applicazioni di AI, cloud e edge computing, 5G. Data center che saranno sempre più spinti a cercare nuove soluzioni più efficienti per ridurre il consumo energetico complessivo, in gran parte legato ai costi di raffreddamento delle strutture, aprendo al futuro delle soluzioni di liquid cooling.

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L’applicazione è resa possibile dall’impiego di speciali scambiatori di calore a immersione, che lavorano direttamente a contatto con l’acqua marina, come è nella fattispecie del caso che abbiamo installato lo scorso luglio in un porto della Liguria. A stagione estiva terminata, abbiamo ricevuto un feedback entusiasta dal cliente, che è nello specifico il porto della Marina di Loano.

La sostituzione di scambiatori di calore tradizionali con i nuovi scambiatori dimple jacket a immersione ha infatti non solo risolto i problemi di intasamento cui andava soggetto il vecchio sistema di raffreddamento, ma come ci comunica il cliente ha consentito di conseguire un risparmio energetico pari a circa 40 euro al giorno grazie all’implementazione della nuova tipologia di scambiatori a immersione. Davvero una grande soddisfazione per entrambe le parti!

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Scottante è una parola quanto mai appropriata, date le ingenti quantità di calore prodotte da server e apparecchiature IT. Le applicazioni di raffreddamento dei data center sono pertanto al centro dell’attenzione, ed esistono oggi dei criteri per calcolare l’efficienza energetica di un data center. Questo interessante articolo pubblicato da Matteo Mezzanotte di Submer spiega nello specifico in cosa consiste il PUE, Power Usage Effectiveness, di un data center, introdotto dal consorzio Green Grid che lavora per incrementare l’efficienza energetica dei data center al fine di ridurne l’impatto ambientale.

Il PUE è il rapporto tra la quantità totale di energia assorbita da un data center, compresa quella per i sistemi ausiliari quali condizionamento, illuminazione, perdite energetiche degli UPS (PT), e l’energia di fatto utilizzata dalle apparecchiature IT (PIT). Green Grid ha quindi definito anche l’inverso di questa misura, che è il DCIE, Data center infrastructure efficiency, calcolato come rapporto tra l’energia assorbita dagli equipaggiamenti IT e l’energia complessiva consumata dal data center.

Il valore PUE ideale di un data center dovrebbe quindi essere pari a 1, con la totalità dell’energia assorbita dagli apparati IT. Secondo le valutazioni effettuate dal consorzio Green Grid, la media PUE dei data center nel mondo è di circa 1,8, il che significa che i sistemi ausiliari assorbono circa il 45% della potenza complessiva consumata da un data center.

Submer ha creato anche uno SmartPUE, un pratico strumento per valutare l’efficienza di un data center mediante il calcolo del suo attuale PUE. Riprendiamo a tale proposito il suggerimento che Submer avanza di introdurre tra i criteri di calcolo del PUE anche l’adozione di sistemi di recupero di calore, così come di focalizzarsi sui vantaggi offerti da sistemi raffreddamento a immersione in fluidi dielettrici per la termoregolazione dei server. I sistemi di raffreddamento a liquido, come quelli realizzati da Tempco tramite scambiatori a immersione TCOIL, comportano infatti numerosi benefici rispetto ai sistemi di raffreddamento ad aria, a partire da consumo energetico molto ridotto, spazi di installazione più contenuti e quindi la possibilità di aumentare la densità di calcolo del data center, incrementando l’indice PUE.

Il ricorso al raffreddamento a immersione dei server comporta inoltre tutta un’altra serie di benefici, che vengono bene esplicati in questo altrettanto interessante articolo pubblicato sul blog Submer. Aggiungiamo che il raffreddamento a immersione consente di impiegare fluidi a temperature meno basse rispetto alle soluzioni che impiegano il raffreddamento ad aria nei data center. E’ un argomento decisamente interessante, cui dedicheremo presto ulteriori approfondimenti.

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Abbiamo nello specifico realizzato le culle di queste grandi macchine da stiro con scambiatori TCOIL speciali, con lato superiore ad alto spessore e superficie lucidata, e lato inferiore rigonfiato. All’interno delle piastre rigonfiate del TCOIL passa olio diatermico. Il TCOIL nel mangano da stiro può infatti venire riscaldato utilizzando vapore oppure olio diatermico, raggiungendo la temperatura di circa 120/130° C.

La biancheria viene quindi fatta passare tra la culla e il cilindro che si vede montato nelle immagini. In tutto paragonabili a grandi ferri da stiro, questi mangani da stiro sono solitamente impiegati per asciugare e stirare biancheria piana, come lenzuola, tovaglie, asciugamani.

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VIDEO: rigonfiamento degli scambiatori a immersione TCOIL

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Gli scambiatori ad immersione della serie T COIL sono scambiatori primari molto versatili ed efficienti, che vengono realizzati con un metodo semplice ed efficace: due lamiere saldate perimetralmente e tramite puntatura vengono rigonfiate mediante elevata pressione, per ottenere una canalizzazione interna che crea una serie di passaggi per il fluido di trasferimento del calore. Il materiale delle lamiere è solitamente acciaio inossidabile AISI, in quanto consente la deformazione a freddo dopo la saldatura senza criccarsi e rompersi.

La notevole resistenza meccanica consente di utilizzare materiali dagli spessori contenuti. Tale peculiarità permette di contenere i costi, ottenendo ottimi coefficienti di scambio termico, minore inerzia e in definitiva una elevata efficienza termica. Gli scambiatori della serie T COIL, possono essere utilizzati per immersione diretta nel fluido da riscaldare o raffreddare oppure mediante applicazione esterna tipo ‘clamp-on’ su serbatoi, tubazioni o macchinari. I fluidi di lavoro possono essere vari, vapore, olio diatermico, acqua, acqua surriscaldata.

Le applicazioni sono veramente innumerevoli, in Tempco li utilizziamo nei settori alimentare, chimico, farmaceutico, o ad esempio industria della carta, ma ogni anno ne scopriamo e sviluppiamo noi stessi di nuove che non pensavamo. Dalle prime applicazioni ad immersione per termoregolare acqua, gli impieghi sono andati mano a mano ben oltre, per raffreddamento di granaglie, di polveri, o ancora installati in clamp-on all’esterno di serbatoi al posto delle tradizionali serpentine.

Siamo in grado di produrre scambiatori T COIL in dimensioni standardizzate, gli unici limiti dimensionali sono legati alle misure dei fogli di lamiera spianata o alla larghezza dei coils che si trovano in commercio. La nostra officina può anche realizzare scambiatori e piastre con le dimensioni personalizzate necessarie alle applicazioni più disparate, spaziando nelle forme e geometrie più differenti, per adeguarsi alle specifiche esigenze dei clienti e dei processi che andiamo a termoregolare. Questa peculiare flessibilità costruttiva consente di poter estendere l’applicazione degli scambiatori T COIL a una serie notevole di applicazioni in ambito del raffreddamento e riscaldamento di processi produttivi.

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Tornando al raffreddamento nei data center, ci siamo imbattuti in un interessante articolo online che spiega come la corsa al potenziamento dei rack nei data center stia mettendo in crisi i tradizionali sistemi di raffreddamento ad aria, in favore del raffreddamento a liquido, argomento che avevamo già affrontato anche nei mesi scorsi. Secondo uno studio di Gartner riportato, il raffreddamento ad aria non è più in grado, nemmeno con i sistemi più grandi, di assicurare la dissipazione del calore nei data center dove il consumo elettrico sale dai 16 ai 20 kilowatt per rack. L’incremento di densità interessa inoltre tutti i data center a livello globale, e sempre secondo Gartner il raffreddamento a liquido dei data center cresce a un tasso del 25%.

La migliore efficienza di raffreddamento nei sistemi a liquido è dovuta al semplice fatto che i liquidi conducono il calore meglio dell’aria, con un’efficienza tra le 50 e le 1.000 volte superiore. Diverse sono le opzioni possibili di raffreddamento a liquido, dall’acqua a speciali fluidi non conduttivi, fino ai nanofluidi, speciali fluidi termovettori su cui lavorano diversi team di ricerca e che grazie all’aggiunta di nanoparticelle metalliche nei comuni fluidi operativi ne incrementano la conducibilità e la capacità di scambio termico.

Nel raffreddamento a liquido di data center gli scambiatori di calore possono essere posizionati nella parte posteriore dei rack o a diretto contatto con i componenti hardware grazie all’impiego di fluidi non conduttivi. Altro fronte decisamente interessante che sta prendendo piede è il ricorso all’immersione dei rack direttamente in fluidi dielettrici, o addirittura la creazione di data center sottomarini, come quello Microsoft nel progetto Natick, cui pure fa riferimento l’articolo, o del data center Green Mountain già citato anche nel nostro blog Tempco.

Il trend pone nuove sfide agli staff IT, generalmente spaventanti dalla presenza di acqua quando si parla di server, per la paura di possibili perdite. L’aumento di potenza di calcolo e di calore prodotto dai data center impone d’altra parte il ricorso a nuove soluzioni ad acqua e a liquido, che oggi vengono sviluppate con attenzione dal punto di vista della sicurezza dell’elettronica. Serve pertanto un cambio culturale da parte degli amministratori IT, con percorsi di formazione che li preparino al cambiamento tecnologico in corso nel raffreddamento delle infrastrutture IT.

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Al termine del ciclo di preparazione, il chiller ha quindi il compito di raffreddare il prodotto finito, abbattendo la temperatura secondo una rampa tempo/temperatura impostabile, fino al livello finale adeguato al confezionamento.
I chiller funzionano con fluido di raffreddamento acqua/antigelo e hanno struttura incamiciata sui serbatoi, simili a reattori farmaceutici, con il fluido refrigerante che scorre all’interno della camicia. Il funzionamento è simile al principio di raffreddamento usato per gli scambiatori T Coil, offrendo la stessa efficienza di trasferimento termico e flessibilità di geometrie per adattarsi alle apparecchiature di processo.

Su richiesta del cliente, i chiller lavorano su un set point definito nel peggiore dei casi (+5°), con la possibilità di reimpostarlo in funzione del tipo di prodotto fino a una temperatura di +20° C.

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Questa necessità sorge per differenti motivi, alcuni dei quali possono essere semplicemente:

• conservazione
• approntamento all’uso
• preparazione per successive lavorazioni
• cambiamento di stato (fermentazione, maturazione)

Per mantenere costante la temperatura, si utilizzano centraline di termostatazione o di termoregolazione, con fluidi di servizio di tipo diverso a seconda dei livelli di temperatura che vanno mantenuti.

In questa sede non intendo analizzare le apparecchiature che effettuano la regolazione della temperatura, ma uno dei vari modi che si mettono in pratica per ottenere questo risultato.

Infatti mediamente si possono utilizzare due sistemi:

1. termoregolare direttamente il fluido interno al serbatoio, facendolo scorrere in uno scambiatore o in una centralina di termoregolazione
2. termoregolare la temperatura di una camicia o di uno scambiatore immerso nel serbatoio.

Il primo sistema, molto efficiente, non è sempre percorribile, sia per la natura del fluido, che per praticità, soprattutto quando ci si trova di fronte a grandi quantità di prodotto, con caratteristiche fisiche, “non proprio semplici” (viscosità elevata…)

Il secondo sistema, se da un lato paga una efficienza termica inferiore, risulta molto più facile da applicare.

Una soluzione abbastanza consueta è quella di creare serbatoi con intercapedini, dove far scorrere il fluido caldo o freddo, per ottenere la temperatura richiesta. Tali intercapedini vengono solitamente realizzate con semitubo saldato sulla virola del serbatoio, oppure realizzando un serbatoio a doppia incamiciatura.

Entrambe sono soluzioni piuttosto costose, che possono essere sostituite dalla realizzazione della virola e del fondo, con scambiatori della serie TCOIL.

Nelle fotografie che seguono, si può facilmente capire cosa intendo:

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