Ing. E. Araya Castro DCC Mission Critical (DCC)

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2 Ing. E. Araya Castro DCC Mission Critical (DCC) RESUMEN: El uso de equipos de expansión directa en enfriamiento de centros de datos está muy extendido debido a que es una tecnología probada con el tiempo, además de ser equipos cuya redundancia se puede alcanzar fácilmente debido a su modularidad. Sin embargo se deben de tener varias consideraciones antes de adquirir y poner en marcha equipos de expansión directa en un centro de datos para asegurar su correcto funcionamiento y adecuado mantenimiento. QUÉ ES UN EQUIPO DE EXPANSIÓN DIRECTA? Similarmente al caso de la sensación de frío sentida sobre nuestra piel al evaporarse un fluido con bajo punto de ebullición, como lo son el alcohol, acetona o el agua presente en nuestro sudor, el refrigerante en el interior de los equipos de expansión directa se evapora y absorbe el calor del recinto a acondicionar. Es importante comprender que cualquier equipo de aire acondicionado no elimina el calor del cuarto a acondicionar, sino lo traslada desde el interior del recinto hacia el exterior. Es por esta razón que todas las soluciones de enfriamiento cuentan con equipos que acondicionan el aire interno y otros que rechazan el calor hacia el exterior tales como condensadores, chillers, torres de enfriamiento o dry coolers, entre otros. En los equipos de expansión directa el refrigerante se condensa en la parte externa del recinto para rechazar este calor hacia el ambiente. Todo este ciclo de evaporación y condensación es llevada a cabo en el interior de tuberías de cobre. En el interior de los equipos se equipan de superficies diseñadas para aumentar la transferencia de calor conocidas como serpentines. Otro punto importante es que cualquier proceso de evaporación y condensación que se lleva a acabo está ligado firmemente a la presión. Al aumentar la presión es más fácil que el fluido se condense, al disminuirla se facilita que el fluido se evapore. Es por esta razón que es necesario que el circuito cuente con un compresor (que incrementa la presión) y una válvula de expansión (que la disminuye) para llevar a cabo la condensación y evaporación más fácilmente. Además el compresor es el encargado de hacer circular el refrigerante a través de la red de tubería. A continuación se muestra el ciclo básico de refrigeración: Figura 1. Ciclo básico de refrigeración. [1] 2

3 CUÁL ES EL RANGO DE APLICACIONES DE EQUIPOS DE EXPANSIÓN DIRECTA? El constante aumento en la densidad de carga en centros de datos lleva consigo nuevos retos en los requerimientos de enfriamiento. Actualmente un solo rack de servidores puede necesitar más capacidad de enfriamiento que una casa pequeña. Es por eso que se debe ser cuidadoso con la tecnología de enfriamiento a seleccionar. Existen equipos de enfriamiento especialmente diseñados para la aplicación en cuartos de cómputo. Este tipo de aires acondicionados se conocen como aires acondicionados de precisión y están diseñados para poder evacuar el tipo de calor generado por los equipos de TI y UPS. Este tipo de calor es llamado calor sensible y es primordialmente calor carente de humedad. Uno de los primeros puntos a considerar en la selección de equipos de enfriamiento para centros de datos es la capacidad de enfriamiento. Por lo general los equipos de expansión directa tienen menor capacidad de enfriamiento que los mismos modelos en su versión de agua helada. Esto se debe a que los equipos de expansión directa son más ineficientes por su mayor número de componentes con respecto a los modelos de agua helada. Además del punto anterior los espacios de TI con una densidad de carga muy alta requieren por lo general soluciones apuntando a agua helada debido a que pueden requerir de cierta inercia térmica. Esto quiere decir que a pesar de que exista un fallo en la alimentación eléctrica de las unidades disipadoras de calor, se puede seguir llevando a cabo el enfriamiento durante cierto periodo de tiempo con baterías de agua helada o bancos de hielo, evitando el rápido incremento de temperatura en el cuarto crítico. La primordial ventaja de los equipos de expansión directa es su modularidad, esto debido a que tienen usualmente una relación uno a uno entre condensadores y evaporadores. Es por esta razón que se puede prescindir de la unidad completamente sin necesidad de afectar una red de mayor tamaño como sucede en el caso de enfriamiento de agua helada. En el caso de agua helada puede haber afectación de toda la red en las etapas de crecimiento en caso que no se cuente con distribución de agua helada redundante o no diseñada adecuadamente para un debido crecimiento modular. En general los equipos de expansión directa se pueden utilizar con mucho éxito para alcanzar la redundancia requerida en espacios de baja a mediana densidad. Otro de los puntos importantes es que el costo inicial de las soluciones de expansión directa es usualmente menor que una solución de agua helada. Entonces si la carga de enfriamiento no es suficientemente grande, se recomiendan equipos de expansión directa a pesar de que se representen un consumo energético mayor, ahora es primordial todo un análisis de factibilidad y de estudios previos para poder llegar a determinar la tecnología de enfriamiento más adecuada para cada centro de datos. CUIDADO EN LA SELECCIÓN DE LOS REFRIGERANTES A mediados de la década de los 80 se llegó a confirmar que la capa de ozono se estaba reduciendo debido a la presencia de agentes clorados presentes en la atmósfera. Estos agentes son en su mayoría son del tipo de clorofluorocarbonos (CFCs) e hidro clorofluorocarbonos (HCFCs). Estas sustancias son utilizadas primordialmente en sistemas de aire acondicionado, refrigeración y aerosoles. 3

4 En 1987, el Protocolo de Montreal relativo a las sustancias afectan la capa de ozono llegó a controlar la emisión de muchas sustancias refrigerantes eliminando por completo la producción de refrigerantes del tipo CFCs para el año 1996 y poniendo fecha de salida a refrigerantes del tipo HCFCs para año Esta última familia de refrigerantes es todavía ampliamente utilizada en países en vías de desarrollo en presentaciones como el refrigerante R- 22. mantenimiento, por lo que refrigerantes con fecha de salida tendrán menor disponibilidad en un futuro cercano. Una medida importante a considerar es el ODP (Ozone Depletion Potential), el cual corresponde al potencial del agotamiento del ozono. El ODP mide la capacidad de afectar el ozono y utiliza como patrón la masa equivalente del refrigerante R- 11 (tricloroflourometano) el cual se le asignó un ODP de 1. Otra medida importante a considerar en la selección de refrigerantes es el GWP (global warming potential), que es una medida de absorción de calor por parte de la sustancia, toma como referencia la absorción de calor de una masa equivalente CO2. A este último se le asignó un GWP de 1. A continuación se muestra una tabla comparativa de algunos refrigerantes en función de su GWP y su ODP. Figura 2. El 24 de setiembre de 2010 se alcanzó el record de tamaño en el agujero en la capa de ozono alcanzando un tamaño de 29.5 millones de kilómetros cuadrados. Antes de realizar la compra o selección de los equipos de expansión directa se debe ser cuidadoso con el tipo de refrigerante a utilizar en vista de los requerimientos ambientales de bajo impacto en la capa de ozono. Además es importante considerar que se pueden requerir recargas de refrigerante durante el Figura 3. GWP y ODP de refrigerantes comunes. Como se observa en el gráfico algunos de los refrigerantes comerciales usados en la actualidad como HFC 134a y el HCR-410a tienen un elevado impacto en el efecto invernadero. Debido a la preocupación actual del efecto invernadero se están buscando nuevas alternativas para reducir este potencial, uno de ellos es el HFC-152a que, a pesar 4

5 de su ligera flamabilidad, se está comenzando a utilizar en aires acondicionados de automóviles. CONSIDERACIONES EN LAS TUBERÍAS DE REFRIGERANTE Un sistema de tubería de refrigerante bien diseñado deberá debe ser capaz de proveer un flujo adecuado de refrigerante, minimizar las pérdidas de presión, evitar la acumulación de aceite excesiva en las líneas, evitar transito lento del refrigerante y ser limpio y seco. Como se mencionó en secciones anteriores es necesaria la presencia de un compresor en el circuito de refrigerante para facilitar la condensación. Los compresores hacen circular a través de la red de refrigerante una pequeña cantidad de aceite en su descarga debido a que es necesaria en la lubricación de sus componentes móviles. Este aceite debe ser miscible con el refrigerante utilizado debido a que cuando el refrigerante se encuentra en su fase líquida ambos se mezclan. Cuando el refrigerante está en la fase gaseosa el refrigerante viaja por la parte inferior de la tubería. Es importante que el refrigerante retorne luego al compresor para mantener su correcta lubricación. A este fenómeno se le llama arrastre de aceite (aunque se podría llegar a cambiar a mediano plazo con el uso de compresores de levitación magnética). Un arreglo común en los sistemas de aire acondicionado de precisión es la ubicación del compresor en el interior de la evaporadora de aire acondicionado dejando en la parte externa solamente un serpentín con un abanico. Esta configuración permite en muchos casos prescindir del aislamiento térmico dependiendo de las condiciones externas ahorrando los costos de la instalación, sin embargo añade restricciones en la ubicación de la condensadora. El arrastre de aceite en líneas de refrigerante se vuelve crítico sobre todo en el caso de compresores tipo scroll, los cuales son de uso extendido en aplicaciones de precisión. Las relativas bajas presiones a las que opera este compresor hacen más difícil la recirculación del aceite. En equipos con compresores scroll no es recomendable utilizar las unidades condensadoras por debajo de las unidades evaporadoras en aires acondicionados de precisión pues puede crear un depósito de aceite que evite su retorno hacia el compresor. Cada fabricante recomienda ciertos requerimientos máximos de altura que no se deben sobrepasar para evitar el deterioro del compresor. También se debe considerar no ubicar las unidades condensadoras muy lejos de las evaporadoras, los catálogos de los equipos usualmente consideran una distancia equivalente máxima hasta las unidades evaporadoras. Para asegurar un correcto arrastre de aceite se requieren velocidades mínimas en las tuberías de refrigerante, es necesario verificar la velocidad con las recomendaciones del fabricante del equipo y del refrigerante. Se debe ser cuidadoso con la selección del tipo de tubería a utilizar. Para sistemas de refrigeración y aire acondicionado se utiliza cobre sin recocido. Las tuberías de pared grueso tipo L y K se utilizan comúnmente, los de tipo M no son recomendados pues su espesor de pared es muy poca. Los diámetros de las tuberías de refrigerante típicamente aumentan en octavos de pulgada (5/8, 1 1/8, etc.), lo que las hace disponibles en tamaños poco comunes para las tuberías de acero o PVC. Antes de la instalación del sistema, las tuberías de refrigerante debe venir deshidratada y cargada de nitrógeno para evitar el óxido y contaminación. Los accesorios como codos y tees usualmente se unen en campo por técnicos calificados utilizando soldadura con oxiacetileno. Se requiere protección ante cualquier daño, particularmente en las líneas de pequeño diámetro. Donde la ocupación es común se debe ser cuidadoso de proteger las tuberías con aislamiento y soportería. Para obtener un sistema de expansión directa eficiente, limpio y seguro se recomienda 5

6 encarecidamente que tanto el diseño como la implementación cumplan las normas del American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE). Esta organización cuenta con más de 100 años de experiencia en recopilación y desarrollo de normativas y guías de diseño para sistemas de calefacción, ventilación y refrigeración. Actualmente cuenta con miembros alrededor del mundo. A pesar de su origen estadounidense la aplicación de sus normas se ha extendido a nivel mundial. A pesar del constante aumento en los requerimientos de enfriamiento, los equipos de expansión directa siguen siendo una alternativa económica, segura y sencilla. Es importante siempre analizar las variables en juego antes de seleccionar cualquier tipo de solución de enfriamiento para así asegurar la disponiblidad y seguridad de la información. ments/engineers- Newsletter_2011_Refrigerants.pdf McQuay. (2012). Refrigerant Piping Design Guide. Tomado el 15/03/2013 de lit_systems/appguide/ag_31-011_ pdf BIBLIOGRAFIA Díaz González, F. (2011). Ciclo de Refrigeración. Tomado el 15/03/2013 de /02/ciclo- de- refrigeracion.html National Aeronautics and Space Administration. (2010). NASA and NOAA Announce Ozone Hole is a Double Record Breaker. Tomado el 15/03/2013 de th/ozone_record.html TRANE. (2012). HVAC Refrigerants: A Balanced Approach. Tomado el 15/03/2013 de 6

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