Согласно прогнозам Stratistics MRC, к 2023 году стоимость рынка технологий водяного охлаждения в ЦОД достигнет 4,55 млрд долларов. Под катом разбираемся в причинах роста спроса на такие разработки и рассказываем о самих технологиях, которые развиваются в этой области.
/ фото / Система иммерсионного охлаждения
Одна из причин роста рынка — увеличение объемов обрабатываемых данных. Согласно исследованию IDC, к 2025 году объем данных, генерируемых человечеством, составит 163 зеттабайта. С ростом объемов данных растет и нагрузка на серверы в дата-центрах, особенно в тех, что занимаются высокопроизводительными вычислениями (HPC). Для охлаждения таких систем обычных воздушных установок уже недостаточно.
Например, для охлаждения тензорных процессоров Google (TPU), которые заточены под TensorFlow, ИТ-гиганту впервые пришлось использовать воду. Из-за того, что новое поколение процессоров (TPU 3.0) отличается мощностью и высоким энергопотреблением, воздушное охлаждение оказалось для них неприменимо.
Почему воздушное охлаждение уступает водяному
Клайв Лонгботтом (Clive Longbottom), директор по сервисному обслуживанию аналитической компании Quocirca, отмечает, что воздух не настолько хорош в качестве теплоносителя: по сравнению с водой он от 50 до 1000 раз хуже отводит тепло от оборудования.
Кроме того, традиционные установки для воздушного охлаждения занимают больше места и потребляют больше энергии. А это сказывается и на счетах за электричество. Поэтому в машинных залах дата-центров, где постоянно повышается плотность оборудования, использовать воздух для охлаждения становится невыгодно. По этой причине вентиляторы в ЦОД Агентства национальной безопасности США заменили системой иммерсионного охлаждения (о других альтернативных решениях мы писали в одном из постов).
Вали Сорелл (Vali Sorell), президент компании Sorell Engineering, занимающейся техническим проектированием зданий и прокладкой инженерных коммуникаций, и Марк Хурикен (Mark Hourican), управляющий партнер консалтинговой компании Syska Hennessy Group, полагают, что ЦОД-индустрия пока не готова взять и полностью отказаться от «инвестиций в воздух» и целиком перейти на охлаждение водой. В этом случае придется полностью перестраивать всю инфраструктуру ЦОД, что довольно дорого.
Однако компании, которым приходится работать с большими нагрузками, уже разрабатывают и применяют жидкостные системы охлаждения.
О технологиях жидкостного охлаждения ЦОД
Иммерсионное охлаждение.
Одна из множества технологий жидкостного охлаждения — иммерсионное охлаждение (о котором мы уже рассказывали в блоге). Технология подразумевает полное погружение оборудования в специальную масляную среду. Главное достоинство технологии в том, что масло имеет более высокую теплопроводность, по сравнению с воздухом. Это помогает системе эффективнее поглощать тепло и удалять его избытки.
В 2015 году систему для погружного охлаждения представили Horizon Computing: в компании разработали специальный бокс для серверов, который заполняется минеральным маслом. Конструкция бокса поддерживает оптимальную температуру оборудования с помощью конвекции. Такой «контейнер» способен работать на улице без кондиционеров, а низкие затраты на изготовление и незамысловатый дизайн бокса позволяют использовать его без изменения инфраструктуры дата-центра.
Непрямое жидкостное охлаждение.
Эту технологию уже используют в ЦОД Facebook: в начале июня компания продемонстрировала, как новая система охлаждения сделала ЦОД в Северной Каролине более энергоэффективным.
Представители Facebook отмечают, что в некоторых дата-центрах использовать фрикулинг невозможно из-за суровых природных условий или высокого уровня загрязнения воздуха (с этой проблемой, например, борются в Китае). Поэтому компания приняла решение разработать систему непрямого жидкостного охлаждения.
В основе системы лежит технология испарительного охлаждения. Вода для системы охлаждается в специальном теплообменнике, испаряясь через особый мембранный слой. Затем она охлаждает воздух внутри дата-центра, сохраняя оптимальную температуру серверов (схему работы технологии можно посмотреть в посте из блога Facebook).
Тестирование системы показало, что она способна уменьшить потребление воды в ЦОД на 20% (в местах с жарким и влажным климатом) и на 90% (в умеренных и холодных климатических условиях).
/ фото poolie
Теплообменники на задней части серверной стойки.
В этом случае охлаждённая вода поступает непосредственно к стойке с оборудованием, удаляя избытки тепла. Эту технологию используют Lenovo в своем проекте Neptune: теплообменники уже применяют 30% клиентов компании для своих HPC-систем.
Помимо упомянутого теплообменника, в проект Neptune входят теплообменный модуль (Thermal Transfer Module) и система непосредственного охлаждения узлов (Direct to Node Cooling).
Модуль использует жидкость из теплопоглощающего резервуара, чтобы по специальным трубкам переместить избытки тепла от процессора в область с разреженным воздухом. Система имеет компактные размеры, потому позволяет уменьшить традиционный гул в серверной. А система непосредственного охлаждения доставляет холодную воду прямо к узлу и «снимает» лишнее тепло с ключевых компонентов системы.
Системы охлаждения
Системы охлаждения в промышленности
Во многих промышленных процессах образуется теплота, которая должна быть использована или отведена. В экономических расчетах часто рассматривают воду в качестве транспортирующей среды. В зависимости от водоносности различают:
- проточное охлаждение;
- открытые охлаждающие системы (испарительное охлаждение);
- закрытые системы охлаждения.
Самые большие системы применяются на электростанциях, в производстве стали, в процессах нефтеобработки и химической промышленности. В производстве стали и железа вода также используется в больших количествах для очистки технологических газов. В газопромывных или скрубберных системах благодаря обработке воды также устраняются определенные проблемы.
1.1 Проточное охлаждение
Самым простым, а там, где в достаточном количестве имеется вода, одновременно и экономичным методом относительно техники и расходов является прямоточное водное охлаждение, так как эффективность большинства термических процессов повышается со снижением температуры хладоносителей. Вода берется, как правило, из водоприемника (река, канал, озеро), проводится через теплообменники, и уже теплая возвращается в источник воды. В целях экономии воды теплая охлаждающая вода может быть использована повторно в дальнейшем процессе охлаждения, при котором допустим более высокий температурный режим. Так как при однократном использовании требуются очень большие количества воды, применяются недорогие, не затратные методы водоподготовки. Водоподготовка ограничивается обычно фильтрацией через песочные фильтры, химическая обработка воды обычно не производится. Связанные с этим проблемы в системе охлаждения как коррозия, образование отложений или рост микробиологии определяются свойствами используемой воды.
1.2 Открытые охлаждающие системы (испарительное охлаждение)
При этом методе, охлаждения испарением, с точки зрения химической обработки воды речь идет о повторном использовании охлаждающей воды. Циркуляционную систему охлаждения можно описать кратко следующим образом: требуемое количество охлаждающей воды берется из чаши градирни и с помощью водных насосов проводится через холодильные установки. Нагретая там охлаждающая вода возвращается в градирню. Там возникают потери воды за счет испарения и обессоливания, эти потери должны компенсироваться подпиточной водой. Нагревание в теплообменниках соответствует охлаждению в градирне. Существенное отличие от проточного охлаждения состоит в необходимости пополнения потерь при испарении, при котором одновременно происходит сгущение растворенных в воде солей (повышение концентрации солей). В результате этого механическая и/или химическая обработка подпиточной воды становится неизбежной.
1.2.1 Градирня
Нагретая охлаждающая вода орошается в градирне посредством специальных встроенных элементов. Вода при этом охлаждается посредством тесного контакта с воздухом в два этапа: 1. Теплоотведение при прямом контакте охлаждающей воды с более холодным воздухом составляет примерно 15-25% общего теплообмена; 2. Посредством испарения части воды происходит большая часть отвода тепла. Чаще всего используемые градирни различаются в зависимости от вида нагнетания воздуха – градирни с естественной и принудительной тягой, а в зависимости от вида направления тока воздуха и воды – противоточные и градирни с перекрестным движением потоков. В градирнях с естественной тягой воздух перемещается снизу вверх внутри градирни только благодаря разнице температур и давления, в то время как в градирнях с принудительной вентиляцией протекание осуществляется с помощью вентилятора. На электростанциях используются, как правило, градирни высотной конструкции с естественной тягой, которые представляют собой самый экономичный тип градирни при очень большой потребности в охлаждающей воде. Промышленные установки, напротив, работают преимущественно при помощи секционных градирен с принудительной тягой, низкой конструкции, при этом многочисленные ячейки соединяются часто в более крупные единицы. Для поддержания постоянного объема воды в контуре охлаждения испаряемая в градирне вода должна восполняться. Так как при испарении воды ее составные части не испаряются, то оставшееся количество воды насыщается этими веществами. Такое повышение концентрации не может продолжаться произвольно, так как растворенное множество солей неизбежно будет повышать свою растворимость. Для того чтобы избежать высокой концентрации солей, часть воды должна непрерывно или с перерывами сливаться из системы. Эти мероприятия называют удалениям солей или удалением шалака.
1.3 Закрытые и полуоткрытые системы охлаждения
В отличие от открытых систем обратное охлаждение нагретой воды в закрытых системах производится не путем орошения в градирне, а при помощи теплообменника. Охлаждение теплообменника может производиться как через вторую открытую систему охлаждения (вторичную систему), так и при помощи воздуха в АВО (аппарат воздушного охлаждения). Типичным примером закрытых циркуляций является охлаждение кокилей при непрерывном литье. Из-за высоких температур, и связазной с этим опасностью отложений жесткости с катастрофическими последствиями (излом кокиля), кокиль в закрытой системе охлаждается обессоленной или умягченной водой. Обратное охлаждение производится часто при помощи пластинчатого теплообменника и вторичной открытой системы охлаждения. Потери воды в закрытых системах охлаждения естественным образом значительно меньше. Подпитка производится преимущественно умягченной или полностью обессоленной водой. Относительно обработки воды, эти системы требуют немного ухода, так как концентрация применяемых химических веществ остается более-менее постоянной. Так как умягченная или полностью обессоленная вода ведет себя агрессивно по отношению к перерабатываемым обычно в таких системах веществам, следует позаботиться, в первую очередь, о хорошей коррозионной защите.
Полуоткрытые системы охлаждения применяются там, где кратковременно возникают высокие технологические температуры, но отводимое количество тепла относительно небольшое. Поэтому для охлаждения оборотной водой можно использовать достаточно большую емкость, которая имеет крышку. Эта емкость устроена таким образом, чтобы посредством теплоизлучения емкости в окружающую среду и времени контакта воды достигалась требуемая температура охлаждающей воды. Потери воды относительно незначительны и ограничиваются при значительных испарениях в основном утечками. Подпитка производится, как и в закрытых системах, чаще полностью обессоленной или умягченной водой. Типичным примером полуоткрытых систем охлаждения является охлаждения электрических агрегатов, а также закалочной среды в индукционных закалочных машинах. В отличие от закрытых систем, в которых принципиально должна предотвращаться только гальваническая коррозия после поглощения кислорода, вызванная применением различных драгоценных материалов, в полуоткрытых системах постоянно вводится кислород, что ведет к повышенной коррозионной активности воды. При охлаждении электрических агрегатов, как, например, в индукционных закалочных машинах, следует принимать в расчет растворение металлов из-за энергии постороннего источника (паразитные токи).
1.4 Конвертерные газы
В производстве стали возникают огромные количества конвертерных газов, насыщенных пылью. Требования относительно экологических норм требуют тщательной очистки конвертерных газов, которая производится, как правило, при помощи мокрых пылеулавливателей. В мокрых пылеулавливателях с оборотной водой могут возникать значительные проблемы из-за отложений карбоната кальция и оксидов железа в зоне распыления воды, нагнетательных трубопроводов и вентилятора. Отложения оксигидратов железа, характеризующиеся рыхлой пористой структурой, механически легко удаляются. В противоположность этому спекшиеся шлаки, основа которых состоит из кристаллического, крепко сросшегося карбоната кальция, представляют собой прочносцепленные и механически с большим трудом удаляемые продукты. Механическое удаление этих запекшихся шлаков обуславливает короткое время следования конвертера, из-за чего значительно повышаются производственные расходы.
1.4.1 Образование накипи при очистке конвертерных газов
Часть необходимых наполнителей, содержащих известь, при конвертации железа в сталь захватывается выхлопными газами во время фазы кислородного дутья и подводится к очистной системе. Это захваченное количество извести на основании относительно коротких промежутков времени наполнения, следующих друг за другом, настолько велико, что происходит насыщение промывной воды известью. Сравнительно небольшого количества подпиточной воды не хватает для того, чтобы сделать воду способной снова принимать ионы кальция. При значении pH от 10 до 12,5 кальций выступает преимущественно в виде гидроксида кальция. Отложения можно ожидать везде, где из водных растворов или дисперсий растворимых солей кальция возникают отложения карбоната кальция при контакте с углекислотой (или, по-другому, водным комплексом оксида углерода(IV)).
1.5 Теплопередача в теплообменниках
Промышленные теплообменники состоят из некоторого количества труб (трубчатые теплообменники) или пластин (пластинчатые теплообменники), которые закрыты кожухом. Теплоноситель переносит тепло горячего потока через теплопроводящую контактную поверхность к холодному потоку вещества, например, охлаждающей воды. При этом горячий поток охлаждается в течение своего пути следования, в то время как холодный поток нагревается. Чтобы вычислить температурные характеристики обоих потоков, следует вычислить энергобаланс системы. В процессе работы теплообменника под влиянием охлаждающей воды могут образовываться отложения, которые препятствуют теплопередаче. Коэффициент теплопередачи становится ниже. Степень загрязненности теплообменника для установок, находящихся в режиме работы, показывает Fouling-фактор. Он указывает, в какой мере отложения препятствуют теплопередаче. При этом сам Fouling-фактор является разницей между обратным коэффициентом теплопередачи, наблюдаемым в установке, и теоретическим обратным коэффициентом теплопередачи для чистого теплообменника.
