Reducir la diferencia de temperatura de aproximación hace más exigente el dimensionamiento de una CDU líquido-líquido: con la misma carga de refrigeración y los mismos caudales de refrigerante, una diferencia de temperatura menor requiere una mayor conductancia del intercambiador de calor. Por lo general, esto implica una mayor superficie de transferencia térmica, una configuración de placas diferente o ambas cosas. En ciertas condiciones, aumentar el caudal puede ayudar, pero también incrementa las exigencias hidráulicas y no puede compensar indefinidamente una diferencia de temperatura cada vez menor.

Para la evaluación técnica, la primera decisión es determinar si la aproximación especificada es necesaria en la condición de agua más cálida de la instalación. Una aproximación más estrecha puede permitir que el agua de la instalación esté más caliente y, a la vez, mantener la temperatura de suministro de refrigerante requerida por los servidores. Su valor debe sopesarse frente al tamaño del intercambiador, la caída de presión, la potencia de bombeo y el margen disponible cuando las condiciones de funcionamiento se apartan del punto nominal.

Defina la aproximación en las conexiones correctas

Para este análisis, la temperatura de aproximación es la temperatura de suministro del refrigerante secundario a la salida de la CDU menos la temperatura del agua primaria de la instalación a la entrada de esta:

Aproximación = T_{suministro secundario} − T_{entrada primaria}

Por lo tanto, una CDU que suministra refrigerante secundario a 40°C con agua de la instalación que entra a 35°C funciona con una aproximación de 5 K. Estas cifras representan una condición de diseño ilustrativa, no una temperatura de funcionamiento recomendada. La temperatura de suministro secundaria aceptable debe basarse en los requisitos térmicos y de refrigerante de los equipos conectados.

Confirme los puntos de medición antes de comparar cotizaciones. La temperatura medida en la salida de una CDU no es necesariamente la que llega a un rack tras pasar por las tuberías de distribución. Las tolerancias de los sensores, el calor de las bombas y las ganancias térmicas a lo largo del circuito pueden consumir parte de un margen de temperatura reducido. Los proveedores también deben indicar si la aproximación cotizada corresponde a las conexiones del intercambiador de calor o a las conexiones de la unidad completa.

La aproximación debe distinguirse del aumento de temperatura del refrigerante al pasar por los equipos de TI. Este último determina el caudal secundario para una carga térmica determinada. La aproximación describe la diferencia de temperatura entre los dos circuitos en uno de los extremos del intercambiador. Especificar una no determina la otra.

Por qué una aproximación más estrecha modifica el tamaño del intercambiador

La relación térmica básica es Q = U × A × ΔT_lm, donde Q es la carga térmica, U es el coeficiente global de transferencia de calor, A es la superficie efectiva de transferencia térmica y ΔT_lm es la diferencia de temperatura media logarítmica. En un intercambiador de flujo a contracorriente, esta media depende de las diferencias de temperatura en ambos extremos.

Por lo tanto, la aproximación en el lado de suministro solo aporta parte de la información necesaria para el dimensionamiento. La otra diferencia terminal es la temperatura de retorno secundaria menos la temperatura de salida primaria. Ambas deben incluirse en el cálculo térmico, junto con cualquier corrección necesaria según la disposición real de flujo del intercambiador.

Considere una carga térmica ilustrativa de 1 MW, con refrigerante secundario que entra al intercambiador a 50°C y sale a 40°C. Supongamos que el agua primaria entra a 35°C y sale a 40°C. Las diferencias terminales son de 5 K y 10 K, lo que da una diferencia de temperatura media logarítmica de aproximadamente 7,2 K.

Ahora aumente la temperatura de entrada primaria a 38°C, manteniendo constantes la carga térmica, los caudales y las temperaturas secundarias. La salida primaria pasa a ser de 43°C. Las diferencias terminales se reducen a 2 K y 7 K, y la media logarítmica disminuye a aproximadamente 4,0 K. La UA requerida aumenta en torno a un 80 %. Si U no variara, la superficie requerida aumentaría en la misma proporción.

Este es un cálculo de conductancia térmica, no una predicción de que la unidad de cualquier proveedor aumentará un 80 % de tamaño. La geometría de las placas, la velocidad en los canales, las propiedades de los fluidos y la distribución del flujo afectan a U. Añadir placas puede modificar las velocidades en los canales, por lo que la selección del intercambiador requiere un cálculo térmico e hidráulico iterativo. La especificación de la aproximación por sí sola no permite determinar el número de placas ni el espacio necesario.

El ejemplo también muestra por qué no es fiable aplicar un margen de dimensionamiento lineal. Reducir la aproximación de 5 K a 2 K no implica un cambio proporcional en la capacidad o la superficie. A medida que una diferencia de temperatura terminal se acerca a cero, la conductancia requerida se vuelve cada vez más exigente. Para transferir calor, un intercambiador pasivo finito requiere una diferencia de temperatura local positiva.

El caudal puede ayudar, pero cumple una función diferente

Cada circuito debe satisfacer su balance térmico: Q = ṁ × c_p × ΔT. El caudal secundario depende de la carga térmica, las propiedades del refrigerante y el aumento de temperatura permitido a través de los equipos de TI. El caudal primario depende de la carga térmica y del aumento de temperatura permitido del agua de la instalación. Una aproximación menor no determina por sí sola un caudal mayor.

Aumentar el caudal primario reduce el aumento de temperatura primaria para una carga térmica fija. Esto disminuye la temperatura de salida primaria y puede mejorar la diferencia de temperatura media. Una velocidad mayor también puede mejorar el coeficiente de transferencia de calor. Sin embargo, el caudal primario no puede modificar la aproximación definida por una temperatura de entrada primaria fija y un objetivo fijo de suministro secundario.

Aumentar el caudal secundario reduce el aumento de temperatura a través de los equipos de TI para una carga fija y puede mejorar los coeficientes de transferencia de calor. También modifica la temperatura de retorno secundaria y el perfil de temperaturas del intercambiador. Su beneficio neto debe calcularse para el punto de funcionamiento completo; un caudal secundario mayor no sustituye automáticamente la necesidad de más superficie de intercambio.

Ambas opciones requieren comprobar la caída de presión. La potencia hidráulica de bombeo es proporcional al caudal volumétrico multiplicado por el aumento de presión, mientras que la potencia eléctrica de entrada también depende del rendimiento de la bomba y del motor. Evalúe el intercambiador junto con las tuberías, las válvulas, los colectores y los equipos conectados. Una selección térmica que requiera más caudal del que puede suministrar la instalación, o una presión diferencial superior a la que puede generar la bomba secundaria, no podrá utilizarse con esa carga térmica.

La selección del fluido añade otra limitación. Las mezclas de agua y glicol tienen una capacidad calorífica, viscosidad y comportamiento de transferencia de calor diferentes a los del agua. No se debe aplicar directamente a un circuito de glicol una clasificación basada en agua. Solicite cálculos con la concentración y las temperaturas de funcionamiento especificadas, incluida cualquier condición de funcionamiento más fría que pueda limitar el rendimiento de la bomba.

Compare los puntos de funcionamiento garantizados y, después, examine el rango operativo

La capacidad nominal solo resulta útil cuando se conocen sus condiciones límite. Dos CDU con la misma potencia nominal en kilovatios pueden proporcionar capacidades muy diferentes a la temperatura de agua disponible en la instalación. Solicite una base de selección común que incluya:

• La carga térmica requerida, el objetivo de suministro secundario y la temperatura o el caudal de retorno secundario.
• La temperatura de entrada primaria, el caudal primario disponible y la caída de presión primaria permitida.
• La composición del refrigerante, las propiedades pertinentes del fluido y los requisitos de presión secundaria.
• La capacidad garantizada, las tolerancias de temperatura y la base de cualquier margen por ensuciamiento.
• La carga térmica disponible bajo la condición de redundancia especificada de la bomba o del módulo.

Utilice la condición de entrada de agua de la instalación más cálida que pueda darse razonablemente al comprobar el caso térmico limitante. Si aumenta la temperatura de entrada primaria mientras se mantiene fija la temperatura de suministro secundaria requerida, la aproximación disponible se reduce. Una unidad seleccionada a una temperatura nominal favorable podría entonces necesitar un mayor caudal primario, permitir que aumente la temperatura de suministro secundaria o funcionar por debajo de su capacidad nominal.

Solicite el rendimiento en varios puntos de funcionamiento definidos, en lugar de basarse en una única condición nominal favorable. Incluya la carga máxima con la temperatura de entrada primaria más cálida, el funcionamiento normal previsto y la condición de redundancia pertinente. Para el funcionamiento a carga parcial, examine la estabilidad del control y los límites de caudal mínimo. Aunque un intercambiador disponga de capacidad máxima suficiente, las bombas y válvulas deben poder regular la temperatura en todo el rango de carga previsto.

La reserva también debe tener una finalidad clara. Una conductancia adicional del intercambiador, una altura manométrica adicional de la bomba y un valor de consigna normal de suministro más bajo responden a limitaciones diferentes. Es difícil evaluar un porcentaje declarado de «margen de diseño» si el proveedor no explica qué condición de funcionamiento protege y cómo cambia el rendimiento cuando se agota ese margen.

Por tanto, la pregunta útil para la selección es concreta: ¿puede la CDU suministrar la temperatura secundaria requerida y cubrir la carga térmica con la temperatura de entrada primaria más alta disponible, respetando los límites de caudal y presión de ambos circuitos? Una vez demostrado ese punto, el evaluador puede determinar si pagar por una aproximación más estrecha ofrece una flexibilidad valiosa respecto al agua de la instalación o si una temperatura de suministro secundaria algo más alta, dentro de los límites de los equipos, ofrece un mejor resultado a nivel de sistema.