A crescente demanda por processamento de inteligência artificial e aplicações de computação de alto desempenho está transformando radicalmente o cenário digital. Os racks de servidores alcançam densidades de potência que ultrapassam rapidamente a faixa tradicional de 20 a 40 quilowatts, superando os 100 quilowatts e forçando as arquiteturas de refrigeração dos data centers a evoluírem para territórios térmicos nunca antes explorados.
Nesse contexto, o resfriamento bifásico por bombeamento deixa de ser um conceito promissor em laboratório para se tornar uma tecnologia prática sendo implementada em escala. À medida que esses sistemas migram para ambientes de produção, o foco deixa de ser o princípio do resfriamento líquido em si para a jornada real do refrigerante através do sistema. Cada etapa dessa migração deve ser cuidadosamente controlada.
Diferentemente do resfriamento monofásico, onde o fluido permanece em um único estado ao longo de todo o circuito, os sistemas bifásicos dependem da gestão precisa de pressão, temperatura e mudança de fase para oferecer desempenho térmico consistente. Em episódio do DCD>Broadcast, especialistas da Parker, líder global em tecnologias de motion and control, examinaram os componentes frequentemente negligenciados dessa jornada: os conjuntos de tubulações e mangueiras que transportam o refrigerante entre os distribuidores e as placas frias.
Josh Coe, gerente de mercado da divisão Parflex da Parker, enfatiza a importância de escolher soluções de refrigeração bifásica especificamente projetadas e testadas para essas aplicações. "Você precisa ter certeza de que está buscando soluções de refrigeração bifásica que sejam especificamente projetadas e testadas para essas aplicações", afirma Coe.
Percorrendo uma arquitetura típica de resfriamento bifásico, Coe explica como o refrigerante é fornecido por um distribuidor superior para uma unidade de distribuição de refrigerante ou unidade de distribuição de líquido refrigerante, antes de ser distribuído através de um distribuidor de rack. A partir daí, o líquido refrigerante subresfriado é conduzido por mangueiras de conexão diretamente para as placas frias instaladas sobre processadores de alta potência.
Quando o refrigerante atinge a placa fria, ele absorve o calor da CPU, GPU ou outros componentes de alta potência. Ao fazer isso, começa a ferver, transformando-se em uma mistura controlada de líquido e vapor. Essa mudança de fase remove grandes quantidades de calor enquanto mantém as temperaturas dos chips dentro de seus limites operacionais, antes de ser condensado de volta ao líquido para recirculação.
Lee Beitzel, engenheiro de produto sênior da divisão Parflex da Parker, destaca um aspecto crucial: "Uma das coisas principais com sistemas de refrigerante é que você não quer ter o que é denominado dry-out, onde você converte todo o líquido em gás. Isso pode afetar drasticamente a eficiência do sistema e criar nuances com mudanças ou quedas de pressão, que você não quer ter ao atravessar a placa fria."
Manter a qualidade correta de vapor na saída da placa fria é, portanto, essencial. Em vez de permitir que o refrigerante ferva completamente em vapor, os engenheiros visam garantir que uma porção precisa do líquido permaneça na mistura, permitindo que seja bombeado de volta com eficiência através do condensador e do reservatório, enquanto mantém pressão estável, fluxo equilibrado e desempenho ideal de refrigeração.
A seleção do material adequado também desempenha um papel fundamental. A compatibilidade do refrigerante com os materiais é uma consideração decisiva em qualquer sistema de refrigeração baseado em fluido. Diferentes refrigerantes interagem de diferentes maneiras com tubulações e materiais de componentes, tornando os testes de compatibilidade essenciais para confiabilidade de longo prazo.
Como explicam os especialistas da Parker, a escolha do refrigerante para resfriamento bifásico não é impulsionada apenas pelo desempenho de transferência de calor. O fluido ideal deve equilibrar efetividade térmica, pressão de operação, compatibilidade com materiais, perfil de segurança, impacto ambiental e design geral do sistema para suportar refrigeração escalável e confiável para infraestrutura de IA de próxima geração.
Durante a transmissão, Beitzel destacou dois refrigerantes que estão atraindo atenção nas aplicações de refrigeração de data centers: R1233ZD(e) e R-515B. Ambos pertencem a uma nova geração de refrigerantes projetados para oferecer transferência de calor bifásica eficiente, ao mesmo tempo em que oferecem características ambientais significativamente melhores comparadas aos refrigerantes tradicionais.
Um dos principais itens a considerar ao escolher refrigerantes é a efetividade térmica. Ao explorar o calor latente absorvido durante a mudança de fase de líquido para vapor, os refrigerantes bifásicos podem remover substancialmente mais calor do que os circuitos convencionais de resfriamento monofásico com água ou glicol, permitindo densidades de refrigeração muito mais elevadas.
Além da transferência de calor, os refrigerantes também devem ser quimicamente estáveis, não corrosivos e compatíveis com vedações, mangueiras, tubulações e outros materiais usados em todo o circuito de refrigeração.
Steve Powell, gerente de desenvolvimento de negócios da divisão Parflex da Parker, alerta que, diferentemente dos sistemas monofásicos, adicionar cavalo de força adicional para superar perdas de pressão realmente não é uma opção. "Você realmente precisa projetar o sistema corretamente desde o início", afirma Powell.
Além de prevenir vazamentos nos pontos de conexão, os sistemas bifásicos também devem lidar com a permeação, a migração gradual das moléculas de refrigerante através de materiais de mangueiras e tubulações ao longo do tempo. Mesmo pequenas perdas de permeação podem alterar a carga de refrigerante, impactar a eficiência do sistema, aumentar os requisitos de manutenção e levantar preocupações ambientais ao longo da vida útil da instalação.
Powell explica que as perdas de permeação devem ser consideradas em relação ao custo total de propriedade e impacto ambiental, diferentemente do monofásico, e recomenda focar na seleção de produtos projetados e validados para sistemas bifásicos.
Com relação ao projeto físico do sistema de conveyance de fluido, o diâmetro da tubulação, roteamento e comprimento têm impacto direto na estabilidade do fluxo de refrigerante e no desempenho geral de refrigeração. Como o refrigerante atravessa o sistema, os engenheiros devem gerenciar cuidadosamente tanto a taxa de fluxo quanto a pressão para garantir que o fluido alcance e saia da placa fria nas condições certas.
Powell também menciona que a instalação da infraestrutura de refrigeração em si pode determinar o sucesso mesmo dos materiais e equipamentos mais avançados. Os projetistas devem otimizar as práticas de instalação para minimizar tensões residuais criadas durante o processo, pois tensões excessivas entre componentes ou dentro de bandejas de cabos podem levar à fadiga, trincação ou falha prematura após anos de ciclos térmicos e manutenção.
O tubo de cobre tem sido a escolha tradicional em aplicações de HVAC, graças à sua permeação zero, cadeia de fornecimento comprovada e facilidade de instalação. No entanto, à medida que os sistemas de resfriamento líquido se tornam mais densos e requerem cada vez mais conexões de distribuidores, as limitações do cobre estão se tornando mais evidentes.
"Estamos vendo baixas taxas de rendimento à medida que as pessoas aumentam a escala para produção em massa, e o material em si tem baixa resistência à fadiga. Então, se você espera fazer múltiplas manutenções nesses produtos ao longo da vida útil da instalação, talvez considere outra opção", observa Powell.
Uma alternativa são os conjuntos de mangueiras e tubulações termoplásticas projetadas. Estas oferecem resistência à fadiga por flexão, reduzem tensões residuais de instalação e podem ser termicamente formadas para acomodar roteamento compacto de alta densidade.
A Parker desenvolveu um portfólio de tecnologias de conveyance de fluido especificamente para data centers refrigerados a líquido, onde baixa permeação, queda de mínima pressão e alta confiabilidade são críticas. O portfólio inclui tubing de coolant termoplástico SP2P, mangueira 285 para refrigerante, conexões de rosca rápida para refrigerante e uma suíte de produtos de vedação personalizados.
Embora muitos dos materiais e tecnologias usados em sistemas de refrigeração sejam bem estabelecidos em aplicações industriais, Coe argumenta que a verdadeira inovação está em adaptá-los e otimizá-los para as demandas únicas da infraestrutura de data centers pronta para IA, onde manter a qualidade do refrigerante durante toda a sua jornada é essencial para o desempenho de longo prazo do sistema.
À medida que as cargas de trabalho de IA continuam a impulsionar densidades de racks cada vez maiores, o sucesso no resfriamento bifásico dependerá cada vez mais não de qualquer componente único, mas de compreender o caminho completo do refrigerante e projetar cada parte dessa jornada para funcionar como um sistema integrado.
Fonte: DCD
