ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ИММЕРСИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА

APPLICATION OF COMPUTING SYSTEMS WITH IMMERSION COOLING AS AN ADDITIONAL HEAT SOURCE

Nikita Demidov

student, Department of Thermal Power Engineering, Omsk State Transport University,

Russia, Omsk

Artem Gusarov

scientific supervisor, senior lecturer, Department of Thermal Power Engineering, Omsk State Transport University,

Russia, Omsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается возможность применения вычислительных систем с иммерсионным охлаждением для дополнительного источника тепла. На основе самостоятельно проведенных замеров в экспериментальной установке, а также уже имеющихся реализованных проектов.

ABSTRACT

The article analyzes the possibility of using computing systems with immersion cooling for an additional heat source. Based on self-performed measurements in a pilot plant, as well as already implemented projects.

Ключевые слова: иммерсионное охлаждение, погружная система охлаждения, теплообмен, коэффициент теплоотдачи, процессор, охлаждающая жидкость.

Keywords: immersion cooling, immersion cooling system, heat transfer, heat transfer coefficient, processor, coolant.

Проблема отопления всегда будет актуальной, особенно это касается холодных сибирских регионов с резко континентальным типом климата. Поэтому дополнительный способ получения самоокупаемого источника тепла будет абсолютно не лишним.

Предлагается использовать известную технологию майнинговых систем с иммерсионным охлаждением, таким образом, будет использоваться тепло, вырабатываемое вычислительными устройствами. Однако, чтобы его использовать, необходимо передать имеющуюся энергию теплоносителю – специальной охлаждающей жидкости. Стандартное воздушное охлаждение, распространенное повсеместно, не совместимо с технологией утилизации тепла от таких устройств, ввиду низких теплофизических свойств воздуха. Иными словами, в процессе передачи тепла между воздушными массами, тепло будет слабо рассеиваться и это приведет к перегреву вычислительного устройства.

На данный момент существует только один способ охлаждения вычислительного оборудования, способный обеспечить отвод тепла в необходимом для последующей утилизации объеме. Это иммерсионное охлаждение.

Отводимое тепло можно использовать в таких целях как: подогрев водоема, обогрев воздуха в помещении, теплые полы в доме. Схема реализации представлена на рис. 1. Модуль воздушного охлаждения будет наиболее актуален в летние время, так как для поддержания рабочей температуры вычислительной установки будет необходим дополнительный способ утилизации выделяемого тепла, также для отвода тепла, которое использовалось зимой для отопления возможны комбинированные системы – применение совместно с горячим водоснабжением и подогрев воды для различных технических нужд.

Рисунок 1. Схема иммерсионного охлаждения с воздушным и водяным теплообменником

Иммерсионным охлаждением (Immersive system cooling) называют процесс отвода тепла от работающего оборудования путем его погружения в иммерсионную жидкость (хладагент).

Иммерсионная жидкость – это техническая жидкость, имеющая определенную формулу (у многих производителей они запатентованы), c такими уникальными свойствами как: негорючесть, низкая токсичность, инертность, непроводимость электрического тока.

Иммерсионное охлаждение подразделяется на два вида: однофазное и двухфазное.

При однофазном иммерсионном охлаждении теплоноситель, в который погружено устройство, находится в одной фазе или агрегатном состоянии, при этом сам теплоноситель охлаждается за счет передачи тепла в другую жидкую среду через теплообменник или в атмосферу через радиатор (градирню).

Двухфазное иммерсионное охлаждение означает, что теплоноситель в рабочем цикле переходит из одной фазы (агрегатного состояния) в другую за счет чего охлаждается и перемешивается. Чаще всего при двухфазном охлаждении теплоноситель изначально находится в состоянии жидкости, после его нагрева он начинает кипеть и испаряться, переходя в газообразное состояние, таким образом, отдавая тепло. Из газообразного состояния обратно в жидкость теплоноситель переходит путем конденсации. Таким образом, в емкости для охлаждения происходит постоянный круговорот теплоносителя и его перемешивание.

Были разработаны десятки составов, которые позиционируются как жидкости для иммерсионного охлаждения. В основном речь идёт о разновидностях минеральных масел, ПАОМ, кремнийорганических маслах (силоксанах ПМС, ПДМС, ПЭС) или фторкетонах (Fluorinert, Novec).

Их основные характеристики: в большинстве это бесцветные, без запаха жидкости с вязкостью от 10 до 0.7, температурой кипения от 30 до 160 °С, температурой застывания от –140 до –30 °С, теплоемкостью от 1.3 до 1.7 Дж/(кг∙К), теплопроводностью от 0.06 до 0.17 Вт/(м∙К), диэлектрическая проницаемость от 0.009 до 0. У масел присутствует температура вспышки варьирующееся от 110 до 270 °С, также в их составе отсутствует вода. Фторкетоны (синтетические органические вещества, в молекуле которых все атомы водорода заменены на фтор) имеют массовую долю воды в пределах от 0.005 до 0.001 %, но при этом они являются абсолютно не горючими и не имеют температуру вспышки.

Несмотря на то, что масла имеют сниженные теплофизические характеристики чем другие типы хладогентов, и являются пожароопасными их использование оправдано низкой стоимостью. Это позволяет их использовать в бюджетных системах. Такого недостатка лишены жидкости типа Novec, которые могут используются даже для тушения пожаров в библиотеках, но их стоимость на порядок выше.

Для исследования была спроектирована схема представленная на рис. 2.

Иммерсионная жидкость 1 получающая теплоту Q поступает из бака 2 в прямой трубопровод 5, и перекачивается циркуляционным насосом 3 через пластинчатый теплообменник 4, и далее поступает в обратный трубопровод 6.

Температура хладагента в трубопроводе Т1.1 составляет 45 °С, а на выходе из теплообменника в Т1.2 составляет 35 °С. В теплообменник поступает вода Т1 с температурой 30 °С, а выходит с температурой 40 °С.

Выделяемая теплота шестью вычислительными установками составила 20 кВт. Этого хватит, например, для обогрева площади 140 м² теплого пола в помещении или может отапливать дом с площадью 200 м².

Рисунок 2. Принципиальная схема исследуемой установки

В дополнение представим имеющиеся примеры реализации дополнительного источника тепла от майнинг устройств (данные взяты с официального сайта компании minecool):

Проект по отоплению первого этажа торгового центра "Мебель Молл" Иркутск. Отапливаемая площадь около 3000м², потребление электричества asic устройствами около 60 кВт.

Данный проект реализован при помощи стойки BixBit. Стойка вмещает 24 устройства типоразмера antminer S9. В иммерсионном охлаждении устройства S9 возможно разогнать на 18–22 Th/s (терахеш в секунду).

На летний период охлаждение иммерсионной жидкости происходит через сухую градирню, обороты вентилятора регулируются при помощи частотного преобразователя.

Таким образом в течении девяти месяцев отопительного сезона торговый центр получает бесплатное тепло. Окупаемость инвестиций в иммерсионное охлаждение составляет около шести месяцев (в зависимости от курса криптовалюты). После окупаемости доход относительно воздушного охлаждения увеличивается на 30–50%. Экономия электричества на охлаждении составляет до 30%.

Рисунок 3. Отопление торгового центра теплом от майнинг устройств

Крипто отопление жилого дома (рис. 4) может быть реализовано на базе стандартной ячейки BixBit и устройств Antminer T9+. Блоки питания power 1850 Вт. Устройства разогнаны на максимально возможную частоту 15,2 Th/s (терахеш в секунду). Тепло утилизируется раствором этиленгликоля в теплые полы, а излишки тепла утилизируются через пруд, расположенный возле дома.

Подводя итог, отводимое от майнинг устройств низко потенциальное тепло можно использовать для систем отопления, нагрева бассейна, системы теплых полов. Это позволяет нам существенно экономить на отоплении, а в некоторых случаях и вовсе получать бесплатное тепло.

Рисунок 4. Отопление жилого дома от майнинг устройств

1 – ванна с теплоносителем и майнинг устройствами, 2 – коллектор отопления для теплого пола

Недостатки: для сохранения работы оборудования требуется наличие системы сброса лишнего тепла, это актуально особенно в летний период, данная проблема существует в странах с теплым климатом, наблюдается высокая стоимость оборудования и его установки, что требует высоких разовых вложений, зависимость окупаемости от курса криптовалют. Существует также проблема оперативного управления такими установками, допустим, переключение в режим ГВС/отопление и включение подпитки или аварийный сброс разогретого сверх нормы теплоносителя в канализацию, контроль уровня в иммерсионных баках, контроль температуры жидкостей. Так как такие устройства в отличие от тепловых пунктов обладают нестандартным набором работающего оборудования, для реализации автоматического управления следует использовать программируемые логические контроллеры (ПЛК).

Список литературы:

1. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. – Москва : БАСТЕТ, 2010. – 343 с.
2. Цветков, Ф. Ф. Задачник по тепломассообмену / Ф. Ф. Цветков, Р. В. Керимов, В. И. Величко.  – Москва : Издательский дом МЭИ, 2008. – 195 с.
3. Хабр : сайт-сообщество [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habr.com/ru/company/combox/blog/420183/ (дата обращения: 10.06.2022).
4. Хабр : сайт-сообщество [Электронный ресурс]. https://habr.com/ru/ company/ ua-hosting/blog/242601/ (дата обращения: 10.06.2022).
5. Компания Minecool : официальный сайт [Электронный ресурс]. https://minecool.ru/ immersion_cool (дата обращения: 10.06.2022).
6. Махметов, С. Э. Программируемые логические контроллеры для автоматизации тепловых процессов / С. Э. Махметов, А. С. Гусаров // Студент: наука, профессия, жизнь : Материалы VIII всероссийской студенческой научной конференции с международным участием : в 4 ч., Омск, 26–30 апреля 2021 года. – Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2021. – С. 56-61.