Two-Phase Cooling per Data Center: Modellazione, Prestazioni e Integrazione Impiantistica

This work aims to provide the reader with a general overview of the most widely used cooling systems in Data Centers (DCs). It begins with the simplest system, namely air cooling. Subsequently, single-phase liquid cooling is introduced, representing a valid alternative to air cooling, with higher heat transfer capabilities. The main body of the thesis focuses on two-phase cooling, in which refrigerant fluids are used that, under specific operating conditions, can coexist as a mixture of liquid and vapor. A three-zone model is introduced, allowing the definition of a correlation to evaluate heat transfer within microchannels. This model is implemented in Matlab in order to analyze how the heat flux varies as a function of key parameters and variables, with the aim of identifying the optimal operating conditions of the working fluid. Finally, some systems employing this technology are presented, highlighting their main components and characteristic parameters.

Con questo lavoro si vuole dare al lettore una panoramica generale sui sistemi di raffreddamento più diffusi nei DC (Data Center). Si parte dal sistema più semplice in assoluto, ovvero il raffreddamento ad aria (Air Cooling). Successivamente, viene introdotto il raffreddamento a liquido (Single Phase), che rappresenta una valida alternativa a quello ad aria, con scambi termici più elevati. Il corpo principale dell'elaborato tratta il raffreddamento con miscela bifase (Two Phases Cooling), dove vengono usati fluidi refrigeranti che, per determinate condizioni operative, riescono a coesistere in una miscela di liquido e vapore. Viene introdotto il modello a tre zone, che ci permette di avere una correlazione per calcolare lo scambio termico nei microcanali. Questo modello sarà oggetto di implementazione in Matlab, per capire come varia il flusso termico in funzione di grandezze e parametri fondamentali, con lo scopo di determinare quali siano le migliori condizioni di lavoro del fluido operativo. Infine, verranno presentati alcuni impianti che adoperano questa tecnologia e di questi vedremo i principali componenti e le grandezze caratteristiche.