Válvulas para manifold de refrigeração líquida: quais o rack realmente precisa

Um manifold de refrigeração líquida é a coluna de aço inoxidável que sobe pela traseira ou pela lateral de um rack e leva o líquido refrigerante a cada servidor. O manifold em si é simples. As válvulas instaladas nele decidem se um técnico consegue retirar um servidor às 3 da manhã sem drenar o rack, e se um pequeno gotejamento vira uma parada.

Este guia trata das posições de válvulas em um manifold de rack e na tubulação a montante, do que cada posição realmente exige e de onde uma válvula esfera de aço inoxidável se encaixa. Foi escrito para quem especifica essas peças: fabricantes de manifolds, fabricantes de CDU, integradores e os engenheiros que aprovam o circuito secundário.

O que um manifold de refrigeração líquida faz

Um manifold de rack distribui o líquido refrigerante da unidade de distribuição de refrigerante às placas frias (cold plates) dentro dos servidores, depois coleta o retorno aquecido e o envia de volta. Uma unidade de distribuição de refrigerante, geralmente abreviada como CDU, é a estação de bombeamento e troca de calor que mantém o lado de TI do circuito separado da água da instalação. O circuito fechado entre a CDU e os servidores é chamado de rede de fluido secundária.

Os manifolds vêm como unidades verticais dentro do rack, unidades horizontais que ocupam espaço no rack e manifolds de fileira que alimentam vários racks. O formato muda o diâmetro interno e o número de derivações, não a lógica das válvulas. Todo projeto precisa responder às mesmas três perguntas: como isolar uma derivação, como drená-la e como retirar o ar no ponto alto.

O circuito, de ponta a ponta

Três circuitos ficam entre o chiller e o chip, e os requisitos das válvulas mudam a cada transferência. Saber a qual circuito uma peça pertence resolve a maioria das dúvidas de especificação antes mesmo de elas surgirem.

A CDU é a parede entre os dois primeiros. A água da instalação pode ser dura, aerada e compartilhada com equipamentos que ninguém inspeciona; o circuito secundário é fechado, tratado e filtrado, e o hardware nele é escolhido para que continue assim. Uma válvula que passaria despercebida em uma casa de máquinas torna-se uma questão de contaminação quando está no lado de TI desse trocador de calor.

As válvulas em um manifold de rack, posição por posição

Há cinco posições de válvulas no manifold de rack e ao redor dele. Apenas duas delas costumam ser válvulas esfera, e uma delas não é uma válvula que a maioria dos fabricantes de válvulas consegue vender.

Duas dessas linhas merecem uma resposta mais longa, porque é nelas que acontece a maioria das discussões de especificação.

Por que a válvula de isolamento de derivação é uma válvula esfera

O isolamento de derivação tem uma única função: fechar completamente, permanecer fechado e voltar a abrir sem emperrar depois de meses parado em uma posição. Uma válvula esfera de um quarto de volta faz isso com uma única peça móvel no caminho do fluxo e uma sede pressionada contra a esfera pela pressão da linha. Não há rosca de haste para engripar nem disco para oscilar.

O padrão de redundância merece destaque. Uma patente da NVIDIA sobre refrigeração líquida em escala de rack descreve válvulas de isolamento tanto no suprimento quanto no retorno, no ponto em que o circuito secundário encontra o manifold do rack, de modo que um rack pode ser isolado e receber manutenção sem levantar os painéis do piso. Duas válvulas por rack, não uma.

Por que a conexão do servidor não é uma válvula esfera

Toda derivação para servidor usa um engate rápido de desconexão seca (dry-break). O acoplamento traz suas próprias válvulas internas de gatilho (poppet) que vedam as duas metades no instante em que se separam, de modo que um servidor pode ser retirado com o circuito em operação e quase sem derramamento. São conjuntos de precisão, muitas vezes montados em sala limpa e testados contra vazamento com hélio, e o mercado é dominado por um punhado de especialistas.

Isso importa ao avaliar a oportunidade. Os engates rápidos são os componentes de fluxo de maior quantidade e maior valor no rack. Também são uma categoria de produto diferente de uma válvula esfera fundida em aço inoxidável, e nenhuma capacidade de usinagem transforma uma na outra. O lugar de um fabricante de válvulas nesse sistema são as posições de isolamento, dreno, filtro e válvula de retenção, não o acoplamento.

Materiais: o que as especificações publicadas realmente dizem

Você lerá que a refrigeração líquida é um mercado apenas de aço inoxidável 316 e que as ligas de cobre são totalmente proibidas. Os documentos de produto publicados não sustentam isso.

O manual do manifold dentro do rack da Vertiv lista os materiais em contato com o fluido de um produto que ela vende hoje: aço inoxidável 304, EPDM, latão e latão niquelado. O corpo do manifold de rack da nVent é de aço inoxidável 304L. Nenhum dos documentos proíbe ligas de cobre em qualquer ponto do circuito secundário. O que é verdade é que a escolha do material é determinada pelo líquido refrigerante e pela norma do próprio cliente, e que o aço inoxidável substituiu o latão em algumas posições por razões de durabilidade. A válvula esfera de aço inoxidável com tampa de mangueira da Apollo para data centers com refrigeração líquida é o exemplo mais claro, introduzida porque a versão em latão não resistia nesse serviço.

A leitura prática para quem especifica: o aço inoxidável é a escolha segura para tudo o que precisa durar a vida útil do rack, e a questão do material é resolvida pela química do líquido refrigerante, não por uma regra geral. Nossos corpos de válvula são fundidos por cera perdida (microfusão) em CF8 e CF8M, os equivalentes fundidos do 304 e do 316. Se o líquido refrigerante contiver cloretos, o 316 é o material a pedir, porque o molibdênio é o que resiste à corrosão por pites causada por cloretos. Se for uma mistura de glicol tratada em circuito fechado, o 304 muitas vezes basta. Envie-nos a especificação do líquido refrigerante e diremos qual deles cotaríamos.

A química do líquido refrigerante e o que ela faz com a válvula

Três fluidos aparecem nesses circuitos: água tratada, uma mistura de propilenoglicol na faixa de 25 por cento para proteção contra congelamento e proteção biológica, e fluidos dielétricos em projetos de imersão e em alguns de duas fases. Cada um faz uma pergunta diferente à válvula, e nenhuma delas é respondida pela classe de pressão.

A química da água é o que decide o material do corpo. Os cloretos são o que causa pites no aço inoxidável austenítico, e o 316 contém molibdênio justamente para resistir a isso. As misturas de glicol costumam ser inibidas, e os dados de corrosão publicados para propilenoglicol inibido mostram taxas aceitáveis tanto contra o aço inoxidável quanto contra ligas de cobre, o que é parte do motivo pelo qual o latão ainda aparece nas listas de materiais em contato com o fluido dos manifolds. Os fluidos dielétricos levantam questões de compatibilidade de elastômeros, e não de metais.

Nossas sedes são de PTFE, que é quimicamente inerte contra as três famílias e é a razão pela qual o PTFE é o material de sede padrão em toda a nossa linha de válvulas esfera. Onde não vamos adivinhar é o seu fluido específico e o pacote de aditivos. Envie a ficha técnica do líquido refrigerante junto com a consulta e diremos do que construiríamos a válvula, ou diremos que preferimos não cotá-la.

Passagem plena ou passagem reduzida

Passagem plena significa que o furo da esfera tem o mesmo diâmetro da tubulação, de modo que a válvula quase não acrescenta restrição. A passagem reduzida diminui o furo em um tamanho, o que resulta em uma válvula mais curta, mais leve e mais barata, com uma perda de carga mensurável.

Em um circuito de líquido refrigerante, a bomba precisa suportar essa perda durante toda a vida do sistema, e as válvulas de derivação ficam em série com todo o resto. É por isso que as válvulas esfera publicadas para data centers são de passagem plena. A válvula para data center da Apollo é de passagem plena, e as válvulas de aço inoxidável que outros fornecedores listam para esse serviço também são de passagem plena. Especifique passagem plena para tudo o que estiver no caminho do fluxo, e reserve a passagem reduzida para derivações de dreno e de instrumentos, onde a restrição não importa.

Conexões de extremidade

A extremidade de manifold do mercado não é padronizada como uma planta de processo. Os manifolds publicados usam conexões farpadas para mangueira, roscas retas e engates rápidos no lado do servidor, e conexões rosqueadas ou soldadas a montante. Quatro opções cobrem a maior parte do que se pede.

O camlock merece uma observação. A ficha técnica de componentes de refrigeração líquida da Supermicro lista um kit de mangueira cujo tipo de conector é uma válvula esfera com extremidades camlock, classificada para 10 bar. Trata-se de uma válvula esfera de aço inoxidável comum realizando uma função em uma montagem de refrigeração líquida, não uma peça especial.

Pressão e temperatura: as classificações não são a parte difícil

O hardware publicado para circuitos secundários opera em pressão modesta. A Vertiv classifica seu manifold dentro do rack para pressão máxima de operação de 8 bar e 0°C a 70°C. A nVent testa seu conjunto de manifold a 150 psi. O kit de mangueira da Supermicro é classificado para 10 bar.

Uma válvula esfera de aço inoxidável padrão está muito acima disso. Nossas válvulas esfera rosqueadas e soldadas são classificadas em 1000 WOG, com uma versão bipartida de alta pressão em 2000 WOG. A temperatura é o número a ler com cuidado, mais que a pressão: a maior parte da nossa linha de válvulas esfera é classificada de −20°C a 180°C com sedes de PTFE, o que cobre as temperaturas de circuitos de líquido refrigerante com folga.

Os verdadeiros obstáculos de qualificação nesse mercado são limpeza, estanqueidade e documentação, não a classe de pressão. Peça o certificado de material (MTR) junto com o pedido. Fornecemos o MTR sob solicitação e temos ISO 9001 e CE.

Sedes, hastes e o que falha depois de duzentos ciclos

Duas válvulas podem estar marcadas com 1000 WOG e se comportar de forma diferente um ano depois. A classificação descreve o corpo. O que falha primeiro é quase sempre a sede ou a vedação da haste, e nenhuma das duas é visível em uma linha de ficha técnica.

Uma sede em um circuito de líquido refrigerante tem uma vida fácil termicamente e difícil mecanicamente. As temperaturas ficam bem dentro do que o PTFE suporta, mas a válvula pode ser acionada a cada troca de servidor e pode ficar parada por meses entre esses ciclos. O PTFE sofre deformação permanente sob carga; a questão é se o projeto pré-carrega a sede para que ela se recupere. A gaxeta de haste com carga dinâmica faz o mesmo trabalho na haste, mantendo a força de vedação constante à medida que a gaxeta relaxa. Nossa versão pneumática tripartida usa sedes de PTFE com carga dinâmica e um O-ring de haste em Viton por esse motivo.

O corpo tripartido também se justifica aqui. Ele pode ser reconstruído na própria linha: soltam-se os parafusos do corpo, trocam-se sedes e vedações e recoloca-se a válvula sem cortar a tubulação. Em um circuito em que drenar é um evento, essa é a diferença entre um serviço de quinze minutos e uma parada.

Filtração e válvulas de retenção: as duas peças de que todos se esquecem

A especificação de refrigeração líquida direta em escala de rack da Dell estabelece um requisito de filtração para o circuito, na faixa de uma tela de 35 a 40 mesh no lado da instalação e filtração de 50 micron na rede de fluido secundária. Os detritos em um circuito de líquido refrigerante acabam nos microcanais das placas frias, e uma placa fria não é um item que se repare em campo.

Um filtro Y é a forma normal de atender a isso em um trecho de tubulação. Os nossos são fundidos em 316 com tela de aço inoxidável, classificados em 800 WOG, e há uma versão com válvula de descarga na tampa para que a tela possa ser lavada sem abrir a linha.

O mesmo documento da Dell coloca uma válvula de alívio de pressão dentro da CDU, a jusante da bomba e da válvula de retenção, com pressão de abertura de 75 psi. A válvula de retenção na saída da bomba impede o fluxo reverso quando uma bomba de um par redundante para. As válvulas de retenção tipo portinhola servem para trechos horizontais, e as válvulas de retenção com mola atendem trechos verticais e serviço de fechamento rápido.

Quem especifica o quê

A válvula em um manifold de rack raramente é comprada pela empresa que opera o data center. Ela é especificada mais acima na cadeia, e saber quem segura a caneta encurta a conversa.

O manual da Vertiv é explícito ao dizer que a válvula de bloqueio externa é uma seleção do engenheiro responsável pelo projeto. Essa única linha explica por que essas válvulas são compradas em quantidades de projeto por integradores, e não a granel pelo fabricante do manifold.

O que costuma dar errado

• Estrangular com uma válvula esfera. Uma válvula esfera é um dispositivo de abrir ou fechar. Parcialmente aberta, ela erode a sede e oferece pouco controle. O balanceamento pertence a uma válvula de balanceamento.
• Sem isolamento no rack. Se o único bloqueio estiver na CDU, uma simples troca de placa fria derruba a fileira inteira. O par redundante na derivação do rack é um seguro barato.
• Presumir que o manifold veio com tudo. A Vertiv declara claramente que seu manifold é fornecido com uma válvula de dreno e que o bloqueio externo é responsabilidade do engenheiro. Essa válvula precisa aparecer na lista de materiais de alguém.
• Comprar apenas pela classe de pressão. Duas válvulas podem dizer 1000 WOG e se comportar de forma diferente após 200 ciclos. Material da sede, vedação da haste e limpeza na montagem são o que as diferencia.
• Sem dreno ou respiro nos extremos. Um circuito que não pode ser drenado não pode receber manutenção, e o ar preso no ponto alto priva de fluxo a derivação abaixo dele.

O que pedir a um fornecedor de válvulas

As peças são comuns. A documentação e o processo por trás delas são o que um comprador nesse mercado realmente avalia. Cinco coisas são razoáveis de pedir, e qualquer fabricante que não consiga respondê-las merece uma segunda olhada.

• Cobertura do teste de vazamento. Pergunte se toda válvula é testada ou se é uma amostra do lote. Testamos toda válvula antes de enviar, não uma amostra.
• Rastreabilidade do material. Um certificado de material (MTR) do corpo, disponível sob solicitação e indicado no momento do pedido.
• Inspeção dimensional. Um relatório sob solicitação, o que importa quando a válvula precisa caber em um espaço projetado por outra pessoa.
• De onde vem a fundição. Pergunte se o fornecedor vaza seus próprios corpos ou os compra. Fundimos em nossa fundição própria e depois usinamos e montamos em nossa própria fábrica.
• Sistema de qualidade. ISO 9001 e marcação CE. Se um certificado não for citado, presuma que ele não é mantido.

Nada disso é exótico para um fabricante de válvulas. O incomum é que peçam as cinco coisas ao mesmo tempo, o que indica que o cliente está construindo algo que não pode ser tirado de operação com facilidade.

O que fornecemos para esta aplicação

Somos um fabricante de válvulas em Longjing, Taichung, Taiwan. Fundimos, usinamos e montamos aqui desde 1995, com nossa fundição própria e nossa linha de montagem, e fabricamos tanto a nossa própria linha quanto trabalhos de marca própria (private label) para marcas que colocam seu nome no que fabricamos. Não fabricamos engates rápidos, e dizemos isso antes que você pergunte.

As roscas são PT, NPT ou PF. Os corpos são fundidos por cera perdida (microfusão) em nossa fundição própria, usinados e montados em nossa fábrica, e as sedes são de PTFE. O trabalho sob medida não se limita ao aço inoxidável: se o seu desenho pedir outro material, envie-o e faremos a cotação. Para marca própria (private label), gravação a laser, estampagem e caixas impressas com a sua arte, veja como funciona aqui o trabalho personalizado e OEM de válvulas, e, para as válvulas mais a montante, leia nosso guia sobre válvulas na unidade de distribuição de refrigerante e na rede de fluido secundária.

Uma lista de verificação de especificação

Coloque estes oito itens no desenho e a maior parte das idas e vindas desaparece.

• Material do corpo, indicado como 304 ou 316 em vez de deixado a critério do fornecedor
• Tipo de passagem, passagem plena para tudo o que estiver no caminho do fluxo
• Conexão de extremidade e norma de rosca, PT, NPT ou PF, ou solda de encaixe (socket weld) ou solda de topo
• Material da sede e se é exigida carga dinâmica
• Pressão de trabalho e faixa de temperatura para o circuito, não para a válvula
• Acionamento, manual ou pneumático, com a norma de montagem se for acionada
• Documentação exigida na entrega: certificado de material (MTR), relatório dimensional, registro do teste de vazamento
• Requisitos de marcação, incluindo marca própria (private label) se a válvula levar a sua marca

Perguntas frequentes

Quais válvulas vão em um manifold de refrigeração líquida?

Um manifold de rack tem um engate rápido de desconexão seca (dry-break) em cada derivação de servidor, uma válvula de dreno no ponto baixo e uma válvula de purga de ar no ponto alto. As derivações e a conexão a montante do rack usam válvulas esfera para isolamento. A nVent publica válvulas esfera de aço inoxidável nas derivações de seu manifold de rack, e a Vertiv fornece seu manifold com uma válvula de dreno, deixando a válvula de bloqueio externa a cargo do engenheiro responsável pelo projeto.

A válvula de isolamento deve ser de aço inoxidável 304 ou 316?

Depende do líquido refrigerante. O 316 contém molibdênio, que resiste à corrosão por pites causada por cloretos, por isso é o material a especificar onde o fluido contém cloretos ou onde a norma do cliente o exige. O 304 muitas vezes basta em um circuito fechado tratado. Os manifolds publicados usam ambos: o corpo da nVent é 304L, e a Vertiv lista aço inoxidável 304 junto com latão entre seus materiais em contato com o fluido. Não há regra publicada que proíba ligas de cobre no circuito secundário.

Uma válvula esfera para refrigeração líquida precisa ser de passagem plena?

Para qualquer coisa no caminho do fluxo, sim. Passagem plena significa que o furo da esfera tem o mesmo diâmetro da tubulação, de modo que a válvula quase não acrescenta perda de carga para a bomba suportar. A passagem reduzida é adequada em ramais de dreno e derivações de instrumentos, onde a restrição não importa. As válvulas esfera de aço inoxidável publicadas para serviço em data center são de passagem plena.

Qual classe de pressão uma válvula de circuito de líquido refrigerante precisa ter?

Menos do que a maioria espera. A Vertiv classifica seu manifold dentro do rack em 8 bar, o kit de mangueira da Supermicro em 10 bar, e a nVent testa seu conjunto de manifold a 150 psi. Uma válvula esfera de aço inoxidável padrão de 1000 WOG está bem acima disso. A classe de pressão raramente é o fator limitante. Limpeza, estanqueidade ao longo de ciclos térmicos e documentação do material são o que decide se uma válvula é aceita.

Posso usar uma válvula esfera para balancear o fluxo entre derivações?

Não. Uma válvula esfera é um dispositivo de isolamento. Mantida parcialmente aberta, oferece pouco controle, e a sede se desgasta onde a borda da esfera fica no fluxo. Use uma válvula de balanceamento para a distribuição do fluxo e reserve a válvula esfera para o serviço totalmente aberta ou totalmente fechada. As duas funções ficam lado a lado no mesmo manifold e não são intercambiáveis.

Resumo

A contagem de válvulas em um manifold de refrigeração líquida é dominada pelos engates rápidos, mas as peças que decidem a facilidade de manutenção são comuns: uma válvula esfera de aço inoxidável de passagem plena em cada derivação, um par redundante onde o circuito encontra o rack, um dreno embaixo, um respiro no alto, um filtro para proteger as placas frias e uma válvula de retenção na bomba. Nada disso é exótico. É trabalho com válvulas de aço inoxidável, com expectativas mais rígidas de limpeza e documentação do que um serviço em casa de máquinas.

Se você fabrica manifolds, CDUs ou a tubulação ao redor deles e quer as posições de isolamento, dreno, filtro e válvula de retenção cotadas por uma única fábrica, envie o desenho ou a especificação e faremos o orçamento.