Las aplicaciones de la ingeniería mecánica en sistemas de refrigeración

El planeta Tierra, nuestro hogar, ha alcanzado niveles de contaminación nunca antes registrados. La ingeniería mecánica, una de las ramas más amplias de la aplicación científica, está al tanto de desarrollar soluciones para que cada día se consiga un medio ambiente mucho más verde, es decir, con bajos niveles de contaminación.

El gran avance tecnológico ha hecho que varios dispositivos en las casas, edificios, industrias, y otros lugares concurridos cuenten con procesadores y demás componentes electrónicos. Como es el caso de los computadores de sobremesa, se han vuelto tan indispensables para la vida del ser humano, que prácticamente se utilizan para todo. Tienen importancia en el ámbito profesional como: desarrollos de ingeniería, monitorear el clima, simulaciones, almacenamiento de datos, transacciones, tanto como en el ámbito de entretenimiento: videojuegos, edición de vídeo, edición de música, entre otros. Es por ello que la tecnología conforme avanza el tiempo busca lanzar al mercado procesadores que traten los datos de forma más rápida y a la vez sean energéticamente más eficientes.

En los últimos años han aumentado notablemente el acceso a internet desde el hogar, algo que no era habitual hace 6 años, también el almacenamiento de datos en la nube a tenido un gran impacto en facilitar la vida de las personas, pues sus archivos estarán siempre disponibles en cualquier punto de acceso a internet.

Se sabe que el consumo eléctrico de los centros de datos está entre un 1,1 y un 1,5% del consumo total de electricidad a nivel global, además gran parte de ese consumo se aplica solamente para hacer funcionar los enfriadores y ventiladores para refrigerar el hardware informático.

Pero estos componentes electrónicos deben disipar el calor producido por el trabajo que hacen.

Los métodos tradicionales más empleados para enfriar datos son torres de enfriamiento, radiadores y enfriamiento en seco, serpentines de aletas compactas y de tubos, intercambiadores de calor de placas con empaquetaduras, intercambiadores de calor de placas soldadas y condensadores.

Existen diversas técnicas para cuando se utiliza el aire frío para enfriar los centros de datos, estas son: generar una buena distribución de pasillos fríos y pasillos calientes, evitar mezclas de aire, dirigir el aire frío a lo que es importante enfriar, preparar la solución de enfriamiento de acuerdo con la densidad real que manejan los gabinetes.

El ingeniero Llavot indica que, los tipos para enfriamientos de datos son: enfriamiento enfocado en cuartos, encaminado a filas y dirigido a gabinetes o racks.

Room o cuarto: se emplea este tipo cuando se debe distribuir aire cuando la densidad de carga térmica por tipo de gabinete es baja (3 kW por gabinete). In-row: este tipo se enfoca en filas, es empleado cuando se tiene una densidad media o alta en los gabinetes (entre 5 y 10 kW). Rack: enfocado para gabinetes, se usa para un centro de datos de baja densidad con un grupo de gabinetes de muy alta densidad (arriba de 10 kW).

Las soluciones de climatizar un centro de datos cada vez apuntan a que se empleen otras alternativas, en una instalación que admite centro de datos, “en promedio, casi el 45 por ciento de la energía eléctrica es consumida por equipos de aire acondicionado, el resto por los equipos de cómputo, los sensores y cámaras de seguridad, así como por las consolas de monitoreo y demás aparatos que conforman la infraestructura del centro de datos.”

Se dice que la temperatura óptima para que los centros de datos funcionen sin problemas está en un rango de 18 a 27 grados centígrados, eso de acuerdo con la norma ICREA-STD-131-2017.

Pero, ¿por qué es importante que los centros de datos se encuentren a temperaturas optimas para su funcionamiento? La respuesta es sencilla, pues los centros de datos al estar compuestos mayoritariamente por tarjetas electrónicas, pueden sufrir de la estática eléctrica, de condensación, o la ionización, esto los puede llevar al sobrecalentamiento, y para no comprometer su funcionamiento recurren a un apagado de protección. No se debe descartar la posibilidad de que se origine un corto circuito y un eventual incendio producido por ello.

Para todas aquellas personas que están en constante trabajo a través de internet, sería un disgusto que en plena jornada suceda una interrupción de descarga de datos, ralentizando su desempeño en una empresa o fábrica.

Actualmente, la empresa 3M ha trabajado en desarrollar un fluido no conductivo para poder solventar los problemas ambientales producidos por el alto consumo energético para enfriar centros de datos. El método se llama enfriamiento por inmersión, para esto se emplea el fluido denominado Novec.

La refrigeración líquida por inmersión consiste en sumergir el hardware informático en un líquido no conductivo, como es el caso de Novec, entonces los componentes como el procesador, cuando empiece a calentarse, hará que el líquido empiece a alcanzar su punto de ebullición, seguidamente el líquido pasará a estado gaseoso y subirá a la superficie en el cual un pequeño condensador enfriará el vapor, dicho vapor se hará líquido nuevamente, entonces volverá a caer en el recipiente. Por lo que no se necesita ninguna bomba o tubo que transporte líquido, que son componentes de la refrigeración líquida tradicional.

El usar este método de refrigeración para los centros de datos, proporciona las ventajas de:

• Reducir el consumo de energía de los centros de datos, lo que haría que las empresas sean más amigables con el medio ambiente.
• Al no contar con demasiadas piezas móviles, el mantenimiento de los centros de datos será menos trabajoso y más rápido, a su vez que no se utilizarán muchas piezas.
• Aumenta la densidad del equipo, puesto que el líquido es más eficiente en la eliminación de calor.
• Permite utilizar procesadores más potentes al mantener las temperaturas por debajo del límite térmico.
• Una ventaja muy considerable de este método de enfriamiento es que los componentes electrónicos al ser retirados del líquido, estarán limpios y secos. Además se impide que el polvo se acumule en las tarjetas electrónicas, mejorando el desempeño de las mismas.
• Para los operarios que están en constante monitoreo del enfriamiento de los centros de datos, será molesto el ruido que generan las ventiladores que redirigen el aire caliente y frío dentro de las salas que contienen los centros de datos, por ello el enfriamiento por inmersión es mucho más silencioso que los enfriamientos convencionales que se emplean actualmente.

La ingeniería mecánica tiene una misión importante en el ámbito de mejorar los sistemas de refrigeración de las aplicaciones que más emplea la humanidad para hacer más simple la vida. El objetivo es ese, pero no se debe dejar de lado que el medioambiente sufre con el consumo desmedido de energía, por ello el estudio de la dinámica de fluidos y transferencia de calor desde un punto de vista físico e ingenieril, propios de la ingeniería mecánica como el fluido- estructura. Son indispensables para reducir el impacto ambiental que generamos en el planeta.