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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Questo tipo di applicazioni nelle produzioni pharma mettono in risalto il valore aggiunto di uno skid di termoregolazione (temperature control unit) pre-collaudato, a partire dal design compatto di queste unità di controllo della temperatura. La TCU viene infatti progettata in 3D per sfruttare ogni centimetro disponibile, con tolleranze millimetriche.

Altro grande vantaggio è rappresentato dalla qualità plug & play da officina delle centraline skid: saldature, cablaggi e test vengono infatti eseguiti in ambiente controllato, e non in un ambiente caotico come può essere un cantiere o magari in area ATEX. Con il risultato che installazione e avviamento in cantiere avverranno senza imprevisti.

Ciò è garantito dal Factory Acceptance Test (FAT) dello skid TCU, per cui l’unità viene collaudata in officina e quindi spedita già perfettamente funzionante. Una volta giunta nello stabilimento del cliente, servono solo i collegamenti alle utenze (allacci ‘border line’), e in poche ore l’impianto è pronto a partire, azzerando tempi morti e imprevisti dell’ultimo minuto.

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In questo ambito, Tempco offre la nuova serie di scambiatori saldobrasati TCBS interamente in acciaio inox, con brasatura realizzata con una lega di acciaio inossidabile priva di rame. Questi scambiatori sono pertanto la scelta ideale per una serie di applicazioni, dall’industria dell’idrogeno per celle a combustibile ed elettrolizzatori, ai processi produttivi per semiconduttori, industria alimentare, settore chimico e farmaceutico e in generale processi che richiedono il trattamento di acqua pura e demineralizzata.

L’eliminazione del rame nella saldobrasatura di questi scambiatori assicura l’assenza di contaminazione da ioni di rame che, a contatto con l’acqua demineralizzata, possono venire rilasciati per effetto di un processo chiamato di lisciviazione, o leaching, che col tempo può portare alla foratura dello scambiatore. Rispetto ai tradizionali scambiatori a piastre con guarnizioni, gli scambiatori saldobrasati consentono di operare con pressione di esercizio stabile, in versione standard a 10 bar (A) o 20 bar (B), con ampio range di temperature di lavoro e una superiore resistenza alla corrosione. Fattori che contribuiscono a mantenere elevata efficienza di scambio termico, durata nel tempo e ottimo rapporto costo/prestazioni. La maggiore compattezza rispetto a soluzioni a fascio tubiero ne rende inoltre ideale l’impiego in applicazioni dove gli ingombri sono limitati.

La serie di scambiatori saldobrasati full inox Tempco TCBS è disponibile in 7 taglie, per soddisfare ogni esigenza produttiva dalle piccole alle grandi portate. E’ inoltre possibile realizzare esecuzioni speciali su richiesta e con attacchi personalizzabili. La serie TCBS corrisponde alla serie S – All Stainless BPHE di Kaori Heat Treatment Co., Ltd (Taiwan), costruttore dei prodotti.

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Le Centraline di termoregolazione TREG (temperature control unit, TCU) in zona ATEX con pannello di controllo separato consentono di integrare l’unità TREG TCU con una serie di tecnologie di automazione, quali:

• Protocolli di comunicazione industriale: Modbus, Profinet, Ethernet/IP per interfacciarsi con altri sistemi aziendali.
• Supervisione via SCADA o Cloud per il monitoraggio da desktop o dispositivi mobili.
• Allarmi e notifiche in tempo reale per prevenire anomalie e interventi non pianificati.

Diversi sono quindi i vantaggi offerti dall’automazione remota delle unità TREG – Temperature control unit in ambienti ATEX con pannello separato in zona sicura:

• Maggiore sicurezza: nessuna necessità di operare direttamente in zona ATEX.
• Controllo più preciso: regolazioni in tempo reale con sistemi avanzati.
• Monitoraggio continuo: raccolta e analisi dei dati per ottimizzazione dei processi.
• Riduzione della manutenzione: meno componenti elettronici in zona a rischio = minori possibilità di guasti.
• Scalabilità: possibilità di gestire più unità ATEX con un unico quadro remoto.

La separazione tra unità di termoregolazione ATEX e quadro di controllo remoto rappresenta quindi una soluzione strategica per chi opera in ambienti a rischio esplosione. Questa architettura consente massima sicurezza, un monitoraggio efficiente e costante delle TCU, e una gestione completamente integrata nei sistemi di automazione industriale.

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Oggi il rapido e continuo aumento delle quantità di calore rilasciato dai chip rende insufficiente il ricorso ai tradizionali sistemi di condizionamento ad aria. Gli scambiatori di calore saldobrasati Tempco BPHE, disponibili anche in versione full stainless steel, sono il cuore tecnologico di questo passaggio al raffreddamento a liquido, vero enabler tecnologico che porta la sostenibilità nei data center riducendo il PUE (power usage effectiveness) e permettendo al contempo un aumento di densità dei rack.

Le prestazioni superiori del liquid cooling sono dovute innanzitutto alla superiore efficienza di scambio termico dei liquidi rispetto all’aria, che consente uno smaltimento più efficace del calore, con minore consumo energetico a parità di quantità di calore da smaltire. E’ così possibile gestire densità di potenza più elevate tipiche delle applicazioni AI e HPC, con alte prestazioni, in modo affidabile e più green. Il liquid cooling permette inoltre un raffreddamento molto più mirato e preciso, grazie al fatto che un liquido è più facile da indirizzare verso componenti specifici rispetto all’aria. L’ecosistema di raffreddamento viene poi completato da sistemi di free cooling e chiller posti all’esterno del data center, che provvedono alla dissipazione del calore asportato dai server e convogliato all’esterno mediante gli scambiatori BPHE.

Tempco fornisce scambiatori di calore saldobrasati BPHE per il raffreddamento a liquido dei data center con modelli e versioni adatti a ogni tipologia di liquid cooling, a prescindere dalla loro architettura. L’elevata compattezza che contraddistingue questi scambiatori permette inoltre una facile integrazione nelle CDU (Coolant distribution units) presenti nei sistemi di raffreddamento a liquido, con notevole risparmio di spazio all’interno delle installazioni. Le competenze di processo di Tempco e nella produzione di soluzioni integrate come sistemi skid offrono quindi un ulteriore vantaggio per i costruttori e operatori di data center, nella realizzazione di soluzioni complete e compatte di facile installazione e integrazione nelle infrastrutture di calcolo.

Gli scambiatori di calore saldobrasati Tempco possono essere impiegati sia per sistemi di raffreddamento a liquido mediante cold plates sia per sistemi a immersione, le due principali tipologie di raffreddamento a liquido nei data center. La gamma copre un ampio range di potenze, per soluzioni In-rack CDU con modelli di scambiatore da 5 a 200 kW, e per sistemi In-row Stand alone CDU per potenze da 500 kW a 3 MW.

La gamma di scambiatori saldobrasati Tempco include tipologie di scambiatori adatte per architetture di raffreddamento a liquido Direct-to-Chip (DTC) che impiegano cold plates. La tecnologia cold plates impiega piastre metalliche in materiale conduttivo che vengono applicate direttamente sui componenti elettronici, GDU e CPU, a più alto consumo. Il calore generato viene assorbito da un liquido refrigerante che circola all’interno delle cold plates, in strutture a microcanali. Le CDU in questo sistema di raffreddamento a liquido fungono da barriera di sicurezza idraulica: qui il liquido surriscaldato in arrivo dalle cold plates fluisce verso lo scambiatore BPHE, e una volta raffreddato viene reimmesso nel ciclo, restando separato dal circuito esterno dell’acqua di raffreddamento (free cooler, chiller e torri evaporative) proteggendo i dispositivi IT da potenziali contaminazioni.

Tempco offre scambiatori a piastre saldobrasati per le CDU nelle soluzioni di raffreddamento a liquido con cold plates sia per architetture in-raw, dove la grande compattezza degli scambiatori consente una facile integrazione della CDU all’interno degli armadi dei server, o in-row, con CDU in armadi stand-alone esterni ai singoli rack IT che possono servire fino a un massimo di 10 server contemporaneamente.

La gamma comprende quindi scambiatori saldobrasati BPHE per soluzioni di raffreddamento a liquido a immersione. A differenza delle cold plates, che vengono applicate direttamente su chip e componenti a più alta potenza – richiedendo quindi solitamente soluzioni ibride con ricorso al raffreddamento ad aria per altre parti dell’infrastruttura di calcolo – nel raffreddamento a liquido a immersione tutto l’hardware viene immerso in apposite vasche contenenti speciali fluidi dielettrici, garantendo un raffreddamento uniforme di tutti i componenti, senza quindi hot spots.

Per entrambe le tipologie di liquid cooling, con cold plates o a immersione, Tempco offre infine scambiatori di calore saldobrasati ottimizzati per sistemi di liquid cooling a singola fase (Single phase cooling), in cui il fluido refrigerante (spesso una miscela di acqua e glicole) mantiene la fase liquida durante tutto il ciclo termico, sia per sistemi bifase (Two phase cooling), in cui il fluido refrigerante bolle a contatto con la cold plate o con i server surriscaldati. Questa seconda tipologia bifase offre un’efficienza di raffreddamento superiore, ideale quindi per carichi di lavoro elevati e rack ad altissima densità, richiedendo di contro un circuito di raffreddamento più complesso per consentire la gestione di fasi di evaporazione, con un controllo più preciso di pressione e temperatura.

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In un post precedente, abbiamo esplorato le sfide e le soluzioni per la termoregolazione in ambienti ATEX, ponendo particolare attenzione alla progettazione di centraline sicure ed efficienti. Come anticipato, una delle strategie più efficaci per ottimizzare il controllo della temperatura in queste applicazioni è separare il quadro di comando dall’area a rischio, installandolo in una zona sicura. Questa configurazione offre numerosi vantaggi in termini di sicurezza, affidabilità e gestione operativa.

Approccio a doppia configurazione: Unità TCU ATEX + Controllo remoto
Per garantire un controllo ottimale della temperatura in zone a rischio esplosione, le centraline di termoregolazione TREG TCU (temperature control unit) vengono progettate molto spesso con due unità separate:

• Unità di termoregolazione TCU installata in area ATEX
• Quadro di comando remoto posizionato in zona sicura

Questa soluzione consente di eliminare la necessità di dispositivi elettronici complessi all’interno dell’area ATEX, riducendo il rischio di guasti e semplificando la manutenzione.

La soluzione con doppia configurazione include quindi alcuni componenti chiave:

1. Unità di termoregolazione – temperature control unit TCU in Zona ATEX
   L’unità installata in zona ATEX comprende tutti i componenti soggetti al processo di termoregolazione, progettati con protezioni idonee:
   • Scambiatori di calore e circuiti termici realizzati con materiali e configurazioni conformi agli standard ATEX.
   • Resistenze elettriche con protezione antideflagrante.
   • Sensori di temperatura (PT100, termocoppie) certificati a sicurezza intrinseca.
   • Attuatori e valvole con protezione Ex d o Ex i per il controllo del flusso termico.
   • Cablaggi speciali schermati e isolati per evitare surriscaldamenti e dispersioni.
2. Quadro di controllo in zona sicura
   Il cuore del sistema di termoregolazione è situato in una zona non a rischio, dove è possibile implementare un’elettronica avanzata senza vincoli ATEX:• PLC industriale per la gestione della temperatura con regolazione PID avanzata.
   • HMI touchscreen per il monitoraggio e la regolazione manuale dei parametri della TCU.
   • Data logging e reportistica per l’analisi delle performance termiche.
   • Gestione da remoto con connessione a sistemi SCADA o cloud.

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Gli scambiatori saldobrasati sono composti da lamine in acciaio inox unite con saldobrasatura in rame o nichel. Offrono la massima efficienza di scambio termico in spazi ridotti, risultando ideali per trasferire calore con il minimo ingombro. La saldobrasatura consente inoltre di ottenere un pacco piastre dalla superiore resistenza meccanica, che rende lo scambiatore in grado pertanto di lavorare con livelli di pressione più elevati e in range di temperatura più ampi.

La disponibilità immediata riguarda i modelli con connessioni standard e attacchi fino a 2″. Concentrandoci sulle taglie e configurazioni più diffuse, in Tempco riusciamo a rispondere subito a urgenze, sostituzioni e fermi macchina. In queste situazioni, la pronta consegna di uno scambiatore fa la differenza tra rimettere in marcia un impianto subito o subire costosi blocchi.

Se vi serve, parliamone
Se avete un impianto da completare, una macchina ferma o volete anticipare i rincari di mercato, contattateci indicando taglia e connessioni necessarie: verificheremo insieme la disponibilità immediata e i tempi di spedizione.

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La soluzione più semplice e meno invasiva per questa specifica applicazione è stato uno scambiatore TCOIL in acciaio inox immerso direttamente nella vasca. La soluzione non ha richiesto alcuna modifica alla macchina, permette lo scambio a contatto diretto con l’olio, e lo scambiatore viene alimentato con acqua di torre, chiller o pozzo.

Molteplici sono quindi i vantaggi offerti dalla soluzione proposta da Tempco per l’applicazione:

• Installazione minima: lo scambiatore a immersione TCOIL si inserisce nella vasca dell’olio da taglio, senza bisogno di modifiche alla macchina né tubazioni di processo aggiuntive.
• Contatto diretto con il fluido: lo scambio di calore avviene direttamente nell’olio, senza pompe o circuiti secondari lato processo.
• Materiali su misura: acciaio inox AISI 304/316 per resistere a olio, emulsioni e ambienti aggressivi.
• Alimentazione flessibile: la serpentina può essere alimentata con acqua di torre, di chiller o di pozzo; conoscere temperatura e disponibilità dell’acqua di raffreddamento è determinante per il dimensionamento.

Infine, il segreto di una soluzione che funziona, garantendo massima efficacia nel raffreddamento ed efficienza, sta a monte: misurare il carico termico reale (volume, ΔT, ore di lavoro) e dimensionare di conseguenza. A tal fine, prima di sviluppate la proposta, il team tecnico di Tempco procede sempre a un sopralluogo presso il cliente.

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Per una TCU (unità di termoregolazione) questo significa rampe rapide, shock termici continui e variazioni di volume del fluido termovettore. 

In questi casi il dimensionamento basato su regole standard non basta. Un esempio concreto è la progettazione del vaso di espansione: in questo tipo di unità di termoregolazione nei settori chimico e pharma il fluido si espande massicciamente passando da -15° C a oltre 140° C.

Un calcolo teorico basato su parametri standard suggeriva ad esempio, nel particolare caso di un cliente, un serbatoio da 1.800 litri. Studiando la reale dinamica transitoria del fluido, abbiamo ottimizzato il dimensionamento a soli 1.000 litri.

Il risultato ottenuto è stato quindi notevole, con un risparmio di spazio del 44% sullo skid, mantenendo la massima sicurezza anche durante i picchi termici più severi.

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Nel caso specifico, le batterie di scambiatori a immersione sono state installate nella vasca di equalizzazione, dove vengono scaricate le acque reflue generate dal processo produttivo della parboilizzazione, sostanzialmente costituite da acqua di macerazione del risone. Scopo dello scambiatore di calore a immersione custom è il recupero di calore dalle acque reflue, che viene poi sfruttato portando un doppio beneficio: in primo luogo, il calore recuperato consente il preriscaldamento di acqua di pozzo all’interno delle piastre alla massima temperatura possibile, ottenendo un importante risparmio energetico in termini di vapore non utilizzato. In seconda istanza, il calore recuperato mediante scambio termico serve al raffreddamento del refluo che viene poi inviato al processo di depurazione, offrendo un notevole beneficio per i trattamenti biologici che avvengono nel depuratore.

L’applicazione è stata realizzata in modalità custom e in retrofit, sfruttando alcune strutture già presenti nella vasca di equalizzazione del cliente. In particolare, sono stati sfruttati gli agitatori esistenti per moto fluido >= 0,1 m/s, creando una turbolenza gratuita che aumenta l’efficienza dello scambio termico. L’installazione delle batterie di scambiatori è stata quindi realizzata con ancoraggio su vecchi tubi di insufflaggio dismessi (2,0 x 2,6 m).

L’impianto consentirà nell’insieme un significativo risparmio energetico per il cliente, con circa 174 kW di calore recuperati (150.000 kcal/h), con un risparmio di vapore di 1.500-1.700 t/anno. Importante anche la scelta dei materiali per le piastre degli scambiatori, costruite in AISI 316L idoneo a garantire la resistenza alla corrosione (acque reflue senza cloruri critici, con pH 3.7-3.9). Il fouling da amidi presenti nelle acque reflue è stato gestito mediante un fouling factor conservativo (4E-4 m²K/W). Infine, in ragione della discontinuità del flusso del refluo – l’acqua reflua del processo viene scaricata ogni due ore, garantendo comunque un volume minimo di acqua sempre presente in vasca -, le prestazioni sono state calcolate sul 70% del teorico per determinare il ROI dell’impianto.

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