Ogni data center raffreddato a liquido è, al di là dei server, un progetto di tubazioni. Il fluido di raffreddamento deve essere distribuito, isolato, bilanciato, scaricato e sottoposto a manutenzione, e i componenti che rendono possibile tutto ciò sono le valvole. Questa guida spiega dove si collocano le valvole a sfera nel circuito di raffreddamento a liquido di un data center, perché l’acciaio inossidabile è il materiale predefinito per il corpo delle valvole destinate al servizio del liquido di raffreddamento e come abbinare il tipo di valvola, la sede e l’attacco terminale a ciascuna parte del sistema, dal lato acqua della struttura fino all’unità di distribuzione del liquido di raffreddamento (CDU).
Scriviamo queste righe dal punto di vista del fornitore: siamo un’azienda con sede a Taiwan che produce valvole a sfera in acciaio inossidabile dal 1999, comprese valvole destinate alle linee di produzione di semiconduttori, dove la purezza dell’acqua e il controllo della corrosione seguono regole molto simili a quelle dei circuiti di raffreddamento.
Perché i server AI stanno imponendo il passaggio al raffreddamento a liquido
Il raffreddamento ad aria smette di essere pratico quando la potenza dei rack supera la capacità di dissipazione delle ventole e dei sistemi di trattamento dell’aria a livello di sala, e i rack destinati all’addestramento dell’IA hanno superato di gran lunga tale soglia. Il liquido trasporta il calore in modo molto più efficiente dell’aria, pertanto gli operatori stanno adottando piastre di raffreddamento a contatto diretto con i chip e, in alcuni progetti, il raffreddamento a immersione totale. Le linee guida di settore relative a questi sistemi sono pubblicate da Comitato per le comunicazioni dati dell’ASHRAE e il Open Compute Project, ed entrambi considerano il circuito di raffreddamento come un'infrastruttura permanente piuttosto che come un'aggiunta. Il Lawrence Berkeley National Laboratory’s programma per l'efficienza dei data center illustra lo stesso cambiamento dal punto di vista energetico.
Per chiunque si occupi della scelta dei componenti, la conseguenza pratica è questa: una sala dati raffreddata a liquido contiene ora centinaia di valvole che non esistevano in un edificio raffreddato ad aria, distribuite su tre zone.
Dove si trovano le valvole in un sistema di raffreddamento a liquido
Le valvole a sfera sono presenti in ogni punto in cui una sezione del circuito deve essere isolata, riempita, svuotata o bilanciata. Nella terminologia ASHRAE, il sistema si suddivide in un sistema idrico dell’impianto (FWS), ovvero l’acqua refrigerata o di condensazione lato edificio, e in un sistema di raffreddamento tecnologico (TCS), ovvero il fluido di raffreddamento trattato che raggiunge effettivamente le apparecchiature IT. La CDU funge da ponte tra i due: si tratta di un armadio contenente uno scambiatore di calore, pompe e dispositivi di controllo che mantiene il refrigerante lato server isolato dall’acqua dell’impianto.
| Posizione nel Loop | Funzione della valvola | Tipo di valvola tipico |
|---|---|---|
| Alimentazione idrica dell'impianto e ritorno verso ciascuna CDU | Isola una CDU per la manutenzione senza arrestare il circuito dell'impianto | Valvola a sfera flangiata, JIS 10K/20K o ANSI Classe 150/300 |
| All'interno della CDU (riempimento, svuotamento, bypass, rubinetti dei sensori) | Messa in servizio, lavaggio, svuotamento per manutenzione | Valvola a sfera filettata compatta, da 1/2″ a 2″ |
| Collettori del circuito secondario e collettori di fila | Isola una fila o un gruppo di rack; bilanciamento | Valvola a sfera a due o tre pezzi, filettata o saldata |
| Isolamento automatico e risposta alle perdite | Chiude un segmento in seguito a un segnale di perdita o tramite comando remoto | Valvola a sfera ad azionamento pneumatico (a doppio effetto o con ritorno a molla) |
L'ultimo collegamento tra il collettore e il server è solitamente un raccordo a sgancio rapido, che appartiene a una famiglia di prodotti diversa. Tutto ciò che si trova a monte di esso, tuttavia, rientra nell'ambito delle valvole convenzionali, ed è proprio lì che la scelta del materiale inizia ad assumere importanza.
Perché l'acciaio inossidabile è il materiale di riferimento per i circuiti di raffreddamento
Il motivo risiede nella composizione chimica del liquido di raffreddamento. I circuiti “direct-to-chip” utilizzano in genere acqua trattata o una miscela di glicole propilenico e acqua, con l’aggiunta di inibitori di corrosione, e le linee guida sui materiali a contatto con il fluido contenute nella documentazione sul raffreddamento dell’Open Compute Project sono molto rigorose riguardo a ciò che può entrare in contatto con tale fluido: i metalli che rilasciano ioni o particelle di ruggine contaminano il refrigerante, intasano i microcanali delle piastre di raffreddamento e riducono la durata del fluido. L’acciaio inossidabile austenitico è incluso nell’elenco dei materiali sicuri; l’acciaio al carbonio e il ferro non rivestito non lo sono. In alcuni circuiti è presente l’ottone, ma la miscelazione di troppi metalli aumenta il rischio di corrosione galvanica, pertanto molti operatori semplificano la gestione standardizzando l’uso di parti a contatto con il fluido in acciaio inossidabile.
I nostri corpi valvola sono realizzati in CF8 (acciaio inossidabile 304 fuso) o CF8M (acciaio inossidabile 316 fuso) con processo di microfusione. La scelta tra i due dipende da una variabile più di ogni altra: i cloruri. Il 316 contiene molibdeno, che resiste alla corrosione puntiforme causata dagli ioni cloruro nel 304. Se il circuito utilizza acqua deionizzata o trattata con inibitori e si trova in un normale ambiente interno, il 304 è generalmente sufficiente. Specificare il 316 quando il refrigerante o il sito comportano un’esposizione ai cloruri, ad esempio negli impianti costieri in cui le tubazioni esterne sono esposte ad aria carica di sale. Si tratta della stessa logica 304 contro 316 che applichiamo in condutture dell'acqua e del gas di un impianto di produzione di semiconduttori, dove le norme relative alla pulizia da particelle e ioni sono ancora più rigorose rispetto a quelle dei data center.
Adattamento della struttura delle valvole a ciascuna zona
Risposta breve: utilizzare valvole flangiate nei punti in cui la tubazione è flangiata e la facilità di manutenzione determina la progettazione; valvole compatte filettate o saldate all’interno di skid e collettori; e azionamento pneumatico nei casi in cui l’isolamento debba avvenire automaticamente. I dettagli riportati di seguito sono le specifiche delle nostre linee di prodotti, pertanto potete considerarli come un punto di riferimento concreto piuttosto che come un consiglio astratto.
Lato idraulico dell'impianto: valvole a sfera flangiate
I circuiti laterali dell'edificio sono solitamente dotati di flange per facilitarne la manutenzione. I nostri valvole a sfera con flangia a comando manuale sono disponibili nelle versioni JIS 10K e ANSI Classe 150 da 1/2″ a 8″, e JIS 20K e Classe 300 da 1/2″ a 4″, con sedi in PTFE e un intervallo di temperatura di esercizio compreso tra -20 °C e +180 °C. La pressione massima ammessa dipende dalla classe della flangia; ad esempio, 1,0 MPa nominali per JIS 10K e 275 psi a temperatura ambiente per Classe 150, secondo gli standard delle flange, valori di gran lunga superiori a quelli tipici di un circuito di raffreddamento di un impianto. In altre parole, la classe della flangia necessaria per la compatibilità di serraggio risolverà normalmente di per sé la questione della pressione.
All’interno delle CDU e dei collettori: valvole compatte a due e tre pezzi
I costruttori di skid prestano attenzione alle dimensioni dell’involucro, ai materiali a contatto con il fluido e alle modalità di smontaggio della valvola. Compatto valvole a sfera filettate in due pezzi con pressione nominale di 1000 WOG svolgere le operazioni di riempimento, svuotamento e isolamento degli strumenti; se il gergo tecnico non vi è familiare, la nostra guida a Valori nominali di pressione WOG spiega cosa significa in pratica "1000 WOG". Per le posizioni del collettore di scarico e del collettore di aspirazione che saranno sottoposte a manutenzione in sede, un valvola a sfera a tre pezzi, anch’esso classificato 1000 WOG, è la scelta più comune: la sezione centrale si apre lateralmente per consentire la sostituzione della sede senza dover tagliare il tubo, ed è disponibile con estremità filettate (conico PT), a saldare di testa o a saldare a manicotto. Le estremità saldate eliminano completamente una potenziale via di perdita, soluzione preferita da alcuni progettisti di CDU per giunti che non verranno mai aperti; la nostra panoramica su raccordi alle estremità delle valvole mette a confronto i pro e i contro.
Un avvertimento riguardo alle filettature: i sistemi di filettatura conica variano. Le nostre valvole filettate utilizzano filettature coniche PT (il sistema JIS/BSPT comunemente utilizzato nelle apparecchiature di fabbricazione asiatica). Le filettature PT e NPT non sono intercambiabili e un collegamento misto può risultare a tenuta durante i test, ma presentare perdite in seguito a cicli termici. Verificate quale sistema sia specificato nei disegni del vostro skid prima di effettuare qualsiasi ordine.
Isolamento automatico: valvole a sfera ad azionamento pneumatico
I sistemi di contenimento delle perdite e il controllo remoto dei segmenti richiedono valvole in grado di chiudersi senza l'intervento umano. Le nostre valvole a sfera pneumatiche con flangia Abbinare le dimensioni dei corpi flangiati sopra indicati agli attuatori in alluminio a pignone e cremagliera, nelle versioni a doppio effetto (DA) e a ritorno a molla (SR), montati sulla piastra standard ISO 5211 e azionati da aria strumentale da 4 a 7 bar. Il ritorno a molla è la scelta naturale per la risposta in caso di perdite, poiché porta la valvola in una posizione di sicurezza definita in caso di interruzione dell’aria. Sono disponibili come opzioni elettrovalvole, scatole di finecorsa e posizionatori. Si noti che è l’attuatore, e non il corpo in acciaio inossidabile, a determinare il limite di temperatura dell’insieme; pertanto, è necessario verificare i valori nominali dell’attuatore in relazione all’ambiente di installazione, anziché dare per scontato che si applichi l’intervallo di temperatura del corpo.
Gli errori nelle specifiche che riscontriamo più spesso
Questi sono i problemi ricorrenti nelle specifiche delle valvole del circuito di raffreddamento, e ciascuno di essi può essere evitato già in fase di progettazione.
| Errore | Perché fa male | Cosa fare invece |
|---|---|---|
| Valvole in acciaio al carbonio o in ghisa su refrigerante trattato | Le particelle e gli ioni di ruggine deteriorano il liquido di raffreddamento e intasano le piastre di raffreddamento | Parti a contatto con il fluido in acciaio inossidabile (corpo CF8/CF8M, sfera e stelo in acciaio inossidabile) |
| Combinazione di filettature PT e NPT | Inizialmente a tenuta stagna, ma con perdite in seguito a cicli termici | Standardizzare un unico sistema di filettatura per ogni skid e indicarlo sul disegno |
| Specificare ovunque il 316 “per sicurezza” | Paga il sovrapprezzo per il molibdeno senza alcun vantaggio nei circuiti interni privi di cloruro | Riservare il 316 per l'esposizione al cloruro; documentarne il motivo |
| Valutazione dell'intero gruppo motorizzato in base al corpo valvola | Le guarnizioni e le molle degli attuatori presentano limiti di temperatura inferiori | Verificare separatamente le specifiche degli attuatori per le installazioni con corridoio caldo |
Domande frequenti
Quali valvole vengono utilizzate nei sistemi di raffreddamento a liquido dei data center?
Le valvole a sfera svolgono la maggior parte del lavoro di isolamento: valvole a sfera flangiate sugli allacciamenti idrici dell’impianto a ciascuna CDU, valvole a sfera compatte filettate o saldate all’interno delle CDU e sui collettori di fila, e valvole a sfera ad azionamento pneumatico nei punti in cui i segmenti devono chiudersi automaticamente. In punti specifici sono presenti valvole di bilanciamento e valvole di ritegno, mentre i connettori a sgancio rapido gestiscono il collegamento finale tra il rack e il server. L’acciaio inossidabile è il materiale usuale per il corpo delle valvole, poiché la composizione chimica del liquido di raffreddamento aggredisce i metalli soggetti a corrosione.
Le valvole a sfera in acciaio inossidabile sono compatibili con il liquido di raffreddamento a base di acqua e glicole?
Sì. Gli acciai inossidabili austenitici, come il 304 e il 316, sono ampiamente compatibili con l’acqua trattata e le miscele a base di glicole propilenico utilizzate nel raffreddamento diretto dei chip, e l’acciaio inossidabile figura negli elenchi dei materiali a contatto con il fluido contenuti nelle linee guida industriali sul raffreddamento. Anche il materiale delle sedi è importante: le sedi in PTFE, di serie sulle nostre valvole, sono chimicamente inerti nei confronti dei refrigeranti a base di glicole nell’intero intervallo di temperatura in cui operano questi circuiti. Verificate sempre la compatibilità con il pacchetto di inibitori fornito dal vostro specifico fornitore di refrigerante.
È meglio scegliere l'acciaio inossidabile 304 o 316 per un circuito di raffreddamento?
Decidere in base all’esposizione ai cloruri. Il 316 contiene molibdeno, che resiste alla corrosione puntiforme indotta dai cloruri; il 304 no. I circuiti interni che utilizzano refrigerante deionizzato o trattato con inibitori, in assenza di fonti di cloruri, sono normalmente compatibili con il 304 (grado fuso CF8). Scegliere il 316 (CF8M) in presenza di cloruri, ad esempio in siti costieri dove le tubazioni esterne e le torri di raffreddamento sono esposte all’aria salina, oppure laddove il programma di trattamento dell’acqua prevede picchi di cloruri. L’acidità di per sé non è il fattore determinante; lo è invece il cloruro.
Quale pressione nominale devono avere le valvole della CDU e del circuito di raffreddamento?
I circuiti di raffreddamento funzionano a pressioni modeste rispetto alle applicazioni industriali generiche, pertanto le portate nominali standard delle valvole garantiscono un ampio margine di sicurezza. Le valvole a sfera filettate compatte con classificazione 1000 WOG (acqua, olio, gas a temperatura ambiente) superano di gran lunga i requisiti tipici dei circuiti, mentre le valvole flangiate hanno la classificazione della loro classe di flangia, come JIS 10K o ANSI Classe 150. In pratica, si seleziona la classe della flangia in modo che corrisponda alle tubazioni di collegamento, e il requisito di pressione ne consegue automaticamente.
È possibile automatizzare le valvole a sfera in un circuito di raffreddamento?
Sì. Qualsiasi valvola a sfera a quarto di giro dotata di piastra di montaggio conforme alla norma ISO 5211 è compatibile con un attuatore standard. Gli attuatori pneumatici a pignone e cremagliera sono la scelta più comune: a doppio effetto (DA), in cui l’aria aziona entrambe le corse, oppure a ritorno a molla (SR), in cui una molla chiude la valvola in caso di interruzione dell’aria o del segnale, soluzione adatta all’isolamento in risposta a perdite. Opzioni quali elettrovalvole, scatole di finecorsa per il feedback di posizione e posizionatori consentono di integrare la valvola nel sistema di gestione dell’edificio.
Sintesi: Si specifica il circuito, poi si impostano le valvole
La scelta delle valvole per il raffreddamento a liquido non è complicata. È sufficiente mappare le tre zone (acqua di servizio, CDU, circuito secondario), installare valvole flangiate in acciaio inossidabile nei punti in cui le tubazioni sono flangiate, valvole compatte a due o tre pezzi all’interno di skid e collettori, e valvole con ritorno a molla nei punti in cui l’isolamento deve avvenire in modo automatico. Scegliere l’acciaio 304 o 316 in base all’esposizione ai cloruri, mantenere uniformi i sistemi di filettatura e verificare i limiti di temperatura degli attuatori separatamente dai valori nominali del corpo valvola.
Produciamo queste valvole nel nostro stabilimento di Taichung, a Taiwan, in conformità con la norma ISO 9001 per la gestione della qualità e con la marcatura CE, e da 27 anni forniamo valvole a sfera in acciaio inossidabile per impianti di tubazioni. Se state realizzando o ammodernando una CDU, un skid di distribuzione o le tubazioni di raffreddamento di un impianto e desiderate un produttore direttamente coinvolto nella definizione delle specifiche, contattateci all’indirizzo sales@ballvalves.tw oppure su WhatsApp al numero +886-917-368-980, indicando le dimensioni delle linee, i raccordi terminali e i dettagli relativi al refrigerante; provvederemo a confermare, articolo per articolo, la compatibilità dei materiali e delle sedi.