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WO2023233116A1 - Dispositif autonome de refroidissement d'un processus industriel, notamment d'un centre de traitement de données, et centre de traitement de données utilisant ledit dispositif - Google Patents

Dispositif autonome de refroidissement d'un processus industriel, notamment d'un centre de traitement de données, et centre de traitement de données utilisant ledit dispositif Download PDF

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Publication number
WO2023233116A1
WO2023233116A1 PCT/FR2023/050776 FR2023050776W WO2023233116A1 WO 2023233116 A1 WO2023233116 A1 WO 2023233116A1 FR 2023050776 W FR2023050776 W FR 2023050776W WO 2023233116 A1 WO2023233116 A1 WO 2023233116A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling
heat exchanger
fluid
water
working fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2023/050776
Other languages
English (en)
Inventor
Maëva ALETAS
Quentin BESSODES
André Charles MINTSA DO ANGO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Value Park
Original Assignee
Value Park
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Value Park filed Critical Value Park
Publication of WO2023233116A1 publication Critical patent/WO2023233116A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K15/00—Adaptations of plants for special use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/04—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant for specific purposes other than heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K9/00—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F01K9/003—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines condenser cooling circuits

Definitions

  • the present invention relates to an autonomous device for cooling an industrial process, in particular a data center. It also relates to a data center using such an autonomous cooling device.
  • a data processing center can have several hundred servers which are very powerful computers with many microprocessors in a confined space.
  • the heat produced by microprocessors must be evacuated by cooling systems in order to avoid overheating, which is harmful to the proper functioning of computers.
  • cooling solutions it is known to place liquid-cooled radiators on the microprocessors and connect them to a water circulation system which allows heat to be evacuated while remaining relatively compact.
  • such cooling circuits make it possible to maintain the operating temperature of the microprocessors at an optimal operating temperature of around 40°C to 60°C.
  • Water circulation cooling systems have the advantage of being relatively compact and efficient.
  • the energy consumption, mainly electrical, of a water circulation cooling system is relatively high because a large mass of water must be circulated through the radiators of the microprocessors located in all the servers of a data center. data and also cool said mass of water. This energy consumption is added to the operating energy of the servers in the data processing center.
  • the consumption of all data centers on the planet today represents nearly 3% of global electricity consumption and is only grow. It is therefore necessary to find solutions to reduce the consumption of these data centers.
  • SWAC from the Anglo-Saxon expression “Sea Water Air Conditioning”.
  • a SWAC allows energy savings of 80% to 90% compared to a conventional system using air.
  • the principle of a SWAC consists of pumping very cold water, for example in the sea, that is to say at a sufficient depth so that the temperature of the sea water is of the order of 5 °C to 7°C, at the entrance to the SWAC system.
  • This sea water is intended to cool by thermal exchange a network of cold fluid whose temperature is of the order of 10°C to 15°C, which is used, in turn, to cool the air of a system air conditioning or the condensers of a refrigeration unit.
  • the sea water is returned to the sea at a temperature which has warmed up, that is to say a temperature of the order of 10°C to 12°C .
  • a SWAC system can be used as part of data center cooling located near the sea, a lake or a river.
  • the fluid that we seek to cool which circulates in a cooling circuit of a data center is at a temperature of 50°C to 60°C, or even higher.
  • the sea water thus heated and which must be discharged after said heat exchange into the sea must not exceed a temperature of around 25°C.
  • the flow rate of seawater pumped into the system must be much greater compared to the flow rate of the fluid circulating in the cooling circuit. This increase in the flow rate of pumped seawater leads to a significant increase in the electrical consumption of such a system.
  • OTEC from the Anglo-Saxon expression “Ocean Thermal Energy Conversion”.
  • the principle of an OTEC system consists of using the temperature difference existing between a hot source consisting of sea water taken from the surface (the temperature of which can be between 25°C and 30°C in tropical areas) and a cold spring consisting of sea water taken from great depths (for example nearly a thousand meters deep) whose temperature is around 5°C.
  • Such an OTEC system further consists of evaporating a working fluid using the hot source.
  • the steam from the working fluid drives a turbogenerator. After passing through the turbogenerator, said working fluid is cooled using the cold source.
  • the working fluid can be sea water for so-called “open cycle” OTEC systems or another fluid for so-called “closed cycle” OTEC systems.
  • an OTEC system requires a surface seawater temperature of at least 25°C, which is only possible mainly in tropical areas.
  • the invention aims to reduce the consumption of a SWAC type cooling system which can be used to cool industrial processes at high temperatures, particularly for data processing centers. To this end, the cooling system recovers the heat released by the industrial process to produce electrical energy, used in particular to power itself.
  • the invention proposes a cooling device which comprises:
  • an electrical energy generation subsystem comprising a working fluid circulating in a closed circuit between an evaporator which heats said working fluid to obtain steam under pressure, a turbogenerator transforming the steam under pressure into electrical energy, and a condenser which cools the steam after passing through the turbogenerator in order to liquefy the working fluid to supply it to the evaporator.
  • such a device is arranged so that:
  • the condenser is a second heat exchanger which cools the working fluid from water pumped from nature;
  • the first heat exchanger is in fluid connection with the condenser in order to cool the cooling fluid with the pumped water leaving the condenser;
  • the evaporator is a third heat exchanger which transfers heat energy to the working fluid from the pumped water leaving the first heat exchanger.
  • the water pumped into nature ensures the condensation of the working fluid, the cooling of the industrial process and also the evaporation of the working fluid using the heat released by the industrial process.
  • Such a system can be used anywhere on the globe as long as a natural source of cold water is available.
  • said cooling fluid can be fresh water.
  • the working fluid can be a refrigerant.
  • the evaporator can be sized so that it heats the working fluid to a temperature greater than or equal to 29°C and that it cools the pumped water which leaves the first heat exchanger to a temperature less than or equal to 14°C.
  • the water pumped in nature is sea water.
  • Such a device comprises as such a sea water circulation circuit in fluid connection with the condenser and arranged to pump said seawater at a depth such that the temperature of said pumped seawater is of the order of 5°C at the inlet of said seawater circulation circuit.
  • a cooling device may further comprise a closed circuit of cold fluid in fluid connection with a fourth heat exchanger and a cold unit, the fourth heat exchanger cooling the cold fluid with the water pumped in nature and supplying the pumped water thus heated to the first heat exchanger.
  • the invention also provides a data processing center comprising a plurality of computers having at least one water cooling radiator.
  • a data processing center therefore comprises a cooling device according to the invention, and in which the at least one water cooling radiator is in fluid connection with the closed cooling circuit.
  • the refrigeration unit of such a center can consist of air conditioning cooling the ambient air using the cold fluid.
  • FIG. 1 illustrates a first embodiment of a cooling device according to the invention
  • FIG. 2 illustrates a second embodiment of a cooling device according to the invention.
  • the same reference is used in different figures to designate the same object or a similar element.
  • this object can be identified on several figures.
  • the figures as well as the description are given by way of illustrative and non-limiting examples of embodiment. For reasons of representation, the drawings are not made to scale in order to allow all the elements to be viewed on the same diagram.
  • the invention is intended to be used near a natural cold water source.
  • the sea is used as the cold water source, but another cold water source can be used such as an ocean or a lake.
  • FIG. 1 illustrates a first embodiment of a cooling device according to the invention.
  • the industrial process to be cooled is a data processing center 100 which includes a plurality of servers S whose cooling is done by circulation of a cooling fluid, for example fresh water.
  • the servers S are in fluid connection with a closed cooling circuit 200, in other words, said servers are fluidly connected to this closed cooling circuit 200.
  • the cooling circuit 200 is also in fluid connection with a first heat exchanger 210 and with a circulation pump 220.
  • the circulation pump 220 ensures the circulation of fluid between the first heat exchanger 210 and the servers S in order to cool the cooling fluid in the first heat exchanger 210 and therefore to cool the S servers.
  • the cooling device of the invention also comprises an open circuit 300 for circulating water, for example sea water.
  • the open circuit 300 comprises a sampling pump 310.
  • the sampling pump 310 is a pump which allows to pump seawater at depth, for example around a thousand meters deep, and also ensures the circulation of seawater in the open circuit 300.
  • Such a pump 310 can be composed of one or several pressure pumps cascaded according to a known technique in order to allow such pumping. For example, sea water is pumped from a thousand meters deep, or at least at a sufficient depth so that the temperature of the water taken is almost constant all year round and around 5°. C, which allows for relatively cold water.
  • the open circuit 300 is in fluid connection with the first heat exchanger 220 in order to ensure a transfer of calories between the cooling circuit 200 and the open circuit. The transfer of calories thus makes it possible to cool the cooling fluid in the first heat exchanger 210.
  • the latter comprises an electrical energy generation subsystem 400 which mainly comprises a closed circuit of working fluid 410, a second heat exchanger 420, a third heat exchanger 430 and a turbogenerator 440.
  • the closed working fluid circuit 410 is in fluid connection with the second heat exchanger 420, the third heat exchanger 430 and the turbogenerator 440.
  • a pump 450 can ensure the circulation of the working fluid inside the closed circuit of working fluid 410.
  • Such a pump 450 is optional if the second and third exchangers 420 and 430 are positioned vertically and have sufficient height for circulation to occur naturally under the action of gravity.
  • the working fluid is a refrigerant having a vaporization point located around 25°C at a pressure of around 6 to 7 bars.
  • the working fluid may be a tetrafluoropropene.
  • a tetrafluoropropene suitable for a system according to the invention is sold under the brand Solstice® with the reference yf(R-1234yf) by the company Honeywell.
  • the turbogenerator 440 mainly consists of a turbine connected to an electric generator.
  • the turbine receives the working fluid in the form of pressurized steam coming from the third heat exchanger 430.
  • the pressurized steam drives the turbine which in turn drives the generator electric which thus produces electricity. Passing through the turbine, the working fluid vapor loses energy, lowering its pressure and temperature.
  • the second heat exchanger 420 is also connected to the open circuit 300 in order to allow an exchange of calories between the sea water supplied by the sampling pump 310 and the working fluid circulating in the closed working fluid circuit 410.
  • sea water heats up while cooling the working fluid.
  • the second heat exchanger 420 functions as a condenser which transforms the working fluid from the vapor state to the liquid state by heat exchange with sea water.
  • the dimensioning of the second heat exchanger 420 is carried out in order to allow condensation of the fluid working from the vapor state at a temperature of around 18°C to a liquid state at 11°C while only heating the seawater by 5°C to 9°C during the heat exchange .
  • the temperature of the sea water leaving the second heat exchanger 420 can be between 10°C and 14°C and preferably 12°C.
  • Such an exchange can be achieved with a circulation volume of working fluid ten times lower than the circulation volume of seawater.
  • Seawater exiting the second heat exchanger 420 is then supplied to the first heat exchanger 210 to cool the cooling fluid.
  • the cooling fluid leaving the servers S can reach a temperature of 50°C and can be cooled to a temperature of around 30°C in the first heat exchanger 210.
  • the sea water can be heated from 15°C to 25°C during the heat exchange carried out in the first heat exchanger 210.
  • the temperature of the sea water leaving the first heat exchanger 210 can be between 25°C and 40°C, preferably greater than 35°C.
  • the third heat exchanger 430 is also connected to the open circuit 300 in order to allow an exchange of calories between the working fluid circulating in said closed circuit 410 and the sea water leaving the first heat exchanger 210, the working fluid heating up while in cooling the sea water.
  • the third heat exchanger 430 functions as an evaporator which transforms the working fluid from the liquid state to the vapor state by heat exchange with the sea water.
  • the dimensioning of the third heat exchanger 430 is carried out in order to transform the working fluid into steam under pressure at a temperature of 29°C while cooling the seawater by approximately 15°C to 20°C during heat exchange.
  • the temperature of the sea water leaving the third heat exchanger 430 is thus of the order of 20°C. This water can then be returned to the sea without impact on the environment.
  • the production of electrical energy produced by the electrical energy generation subsystem 400 thus makes it possible to self-power the cooling device by reusing the heat produced by the servers S.
  • the cooling circuit 200 of the example previously described provides a temperature varying from 30°C to 50°C, these temperatures can vary depending on the cooling needs of the servers S.
  • it is necessary to have a temperature of the cooling fluid leaving the servers which is at least equal to 45°C in order to be able to heat the sea water to at least 25°C. Temperatures above 50°C will generate more electrical energy.
  • the flow rates of the different fluids as well as the heat exchange surfaces of the heat exchangers will be dimensioned according to the desired temperatures, the important thing being to have a temperature difference of the working fluid greater than 15°C between the temperature of outlet of the second heat exchanger 420 and the outlet temperature of the third heat exchanger 430.
  • the open water circulation circuit 300 is supplied by a source of water pumped in nature other than the sea, such as for example a lake or a river, it would be advisable not to directly discharge the water pumped into these sources to avoid damaging the ecosystem.
  • the rejected water could, for example, be used to supply a drinking water distribution network.
  • FIG. 2 illustrates a second embodiment of a cooling system according to the invention which differs from the first embodiment by the addition of air conditioning 500 in the data processing center 100.
  • the air conditioning 500 is conventional type and allows the ambient air to be cooled from a closed circuit of a cold fluid 510 according to a known technique.
  • the closed cold fluid circuit 510 is in fluid connection with a fourth heat exchanger 520 and with a circulation pump 530 which ensures the circulation of the cold fluid between the air conditioning 500 and the fourth heat exchanger 520.
  • the fourth exchanger thermal 520 ensures an exchange of calories between the cold fluid and the sea water circulating in a bypass circuit 540.
  • the bypass circuit 540 is in fluidic connection with the open circuit 300 and with the fourth heat exchanger 520 in order to supply seawater coming directly from the sampling pump 310 to said fourth exchanger 520 and to supply the seawater leaving the fourth heat exchanger 520 to the first heat exchanger 210.
  • the quantity of water diverted into the diversion circuit 540 is for example less than 10% of the seawater pumped.
  • the quantity of water diverted into the bypass circuit 540 can be constant and determined by the size of the pipes of the open circuit 300 and the bypass circuit 540, the circulation in the two circuits being ensured by the sampling pump 310.
  • a pump 550 to regulate the flow of seawater inside the bypass circuit 540.
  • bypass circuit 540 has little effect on the overall operation of the system and the rest of the cooling device operates identically to what was described in relation to the first embodiment. Those skilled in the art will understand that they will be able to adapt the different operating temperatures to their needs as indicated previously.

Landscapes

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Abstract

Dispositif autonome de refroidissement d'un processus industriel, notamment d'un centre de traitement de données, et centre de traitement de données utilisant ledit dispositif L'invention concerne un dispositif de refroidissement qui comporte un circuit fermé de fluide de refroidissement (200) relié à un premier échangeur thermique (210), et un sous-système de génération d'énergie électrique (400) comprenant un fluide de travail circulant en circuit fermé (410) entre un évaporateur (430) chauffant ledit fluide de travail pour obtenir de la vapeur, un turbogénérateur (440) transformant la vapeur en énergie électrique, et un condenseur (420) qui liquéfie le fluide de travail après passage dans le turbogénérateur (440) pour le fournir à l'évaporateur (430). Le condenseur (420) refroidit le fluide de travail à partir d'eau pompée dans la nature. Le premier échangeur thermique (210) est relié au condenseur (420) afin de refroidir le fluide de refroidissement avec l'eau pompée qui sort du condenseur (420). L'évaporateur (430) transfère de l'énergie calorifique au fluide de travail à partir de l'eau pompée qui sort du premier échangeur thermique (210).

Description

Dispositif autonome de refroidissement d’un processus industriel, notamment d’un centre de traitement de données, et centre de traitement de données utilisant ledit dispositif
La présente invention se rapporte à un dispositif autonome de refroidissement d’un processus industriel, notamment d’un centre de données. Elle concerne également un centre de données utilisant un tel dispositif autonome de refroidissement.
De nombreux processus industriels produisent de la chaleur et certains processus nécessitent d’être refroidis. Un centre de traitement de données peut comporter plusieurs centaines de serveurs qui sont des ordinateurs très puissants disposant de nombreux microprocesseurs dans un espace confiné. La chaleur produite par les microprocesseurs doit être évacuée par des systèmes de refroidissement afin d’éviter une surchauffe qui est nuisible au bon fonctionnement des ordinateurs. Parmi les solutions de refroidissement, il est connu de placer des radiateurs à refroidissement liquide sur les microprocesseurs et de les relier à un système de circulation d’eau qui permet d’évacuer la chaleur tout en restant relativement compact. Idéalement de tels circuits de refroidissement permettent de maintenir la température de fonctionnement des microprocesseurs à une température optimale de fonctionnement de l’ordre de 40°C à 60°C.
Les systèmes de refroidissement par circulation d’eau ont pour avantage d’être relativement compacts et efficaces. La consommation d’énergie, principalement électrique, d’un système de refroidissement par circulation d’eau est relativement importante car il faut faire circuler une masse d’eau importante à travers les radiateurs des microprocesseurs disposés dans tous les serveurs d’un centre de données et également refroidir ladite masse d’eau. Cette consommation d’énergie s’ajoute à l’énergie de fonctionnement des serveurs du centre de traitement de données. A titre d’information, la consommation de tous les centres de données de la planète représente aujourd’hui près de 3% de la consommation électrique mondiale et ne fait que croître. Il est donc nécessaire de trouver des solutions pour réduire la consommation de ces centres de données.
Par ailleurs, il est connu des systèmes de refroidissement utilisant l’énergie calorifique des mers, océans, lacs ou rivières. De tels systèmes sont connus sous l’acronyme SWAC (de l’expression anglo-saxonne « Sea Water Air Conditioning »). Un SWAC permet des économies d’énergie de 80% à 90% par rapport à un système conventionnel utilisant l’air. Le principe d’un SWAC consiste à pomper de l’eau très froide, par exemple dans la mer, c’est-à-dire à une profondeur suffisante pour que la température de l’eau de mer soit de l’ordre de 5°C à 7°C, en entrée du système SWAC. Cette eau de mer est destinée à refroidir par échange thermique un réseau de fluide froid dont la température est de l’ordre de 10°C à 15°C, qui est utilisé, à son tour, pour refroidir l’air d’un système de climatisation ou les condenseurs d’un groupe frigorifique. Après l’échange thermique avec ledit fluide froid, l’eau de mer est renvoyée à la mer à une température qui s’est réchauffée, c’est-à-dire une température de l’ordre de 10°C à 12°C.
Un système SWAC peut être utilisé dans le cadre d’un refroidissement de centre de traitement de données situé à proximité de la mer, d’un lac ou d’une rivière. Cependant, le fluide que l’on cherche à refroidir qui circule dans un circuit de refroidissement d’un centre de données est à une température de 50°C à 60°C, voire supérieure. Par échange thermique avec ce dernier, l’eau de mer ainsi réchauffée et qui doit être rejetée après ledit échange thermique dans la mer, ne doit pas dépasser une température de l’ordre de 25°C. Pour limiter l’accroissement de la température de l’eau de mer avant son rejet, le débit d’eau de mer pompée en entrée du système doit être beaucoup plus important par rapport au débit du fluide circulant dans le circuit de refroidissement. Cet accroissement de débit d’eau de mer pompée, entraîne une augmentation significative de la consommation électrique d’un tel système.
Pour réduire la consommation électrique des centres de données, il est également connu d’y intégrer une source d’énergie renouvelable. Étant à proximité de la mer, il est connu de coupler un système SWAC à un système connu sous l’acronyme OTEC (de l’expression anglo-saxonne « Ocean Thermal Energy Conversion »). Le principe d’un système OTEC consiste à utiliser la différence de température existant entre une source chaude constituée d’une eau de mer prélevée en surface (dont la température peut être comprise entre 25°C et 30°C dans des zones tropicales) et une source froide constituée d’une eau de mer prélevée en grande profondeur (par exemple à près de mille mètres de profondeur) dont la température est d’environ 5°C. Un tel système OTEC consiste en outre à évaporer un fluide de travail à l’aide de la source chaude. La vapeur du fluide de travail entraîne un turbogénérateur. Après son passage dans le turbogénérateur, ledit fluide de travail est refroidi à l’aide de la source froide. Le fluide de travail peut être de l’eau de mer pour des systèmes OTEC dits en « cycle ouvert » ou un autre fluide pour les systèmes OTEC dits en « cycle fermé ».
Toutefois, un système OTEC nécessite d’avoir une température d’eau de mer en surface d’au moins 25°C, ce qui n’est possible qu’essentiellement dans des zones tropicales.
L’invention vise à réduire la consommation d’un système de refroidissement de type SWAC utilisable pour refroidir des processus industriels à des températures élevées, notamment pour des centres de traitement de données. A cet effet, le système de refroidissement récupère la chaleur dégagée par le processus industriel pour produire de l’énergie électrique, servant notamment à s’autoalimenter.
Pour cela, l’invention propose un dispositif de refroidissement qui comporte :
- un circuit fermé de refroidissement en connexion fluidique avec un premier échangeur thermique, ledit circuit fermé comprenant un fluide de refroidissement ;
- un sous-système de génération d’énergie électrique comprenant un fluide de travail circulant en circuit fermé entre un évaporateur qui chauffe ledit fluide de travail pour obtenir de la vapeur sous pression, un turbogénérateur transformant la vapeur sous pression en énergie électrique, et un condenseur qui refroidit la vapeur après passage dans le turbogénérateur afin de liquéfier le fluide de travail pour le fournir à l’évaporateur.
Pour réduire la consommation d’un tel dispositif de refroidissement utilisable et exploiter celui-ci dans des zones du globe autres que les zones tropicales, notamment pour refroidir des processus industriels à des températures élevées, un tel dispositif est agencé de sorte que :
- le condenseur est un deuxième échangeur thermique qui refroidit le fluide de travail à partir d’eau pompée dans la nature ;
- le premier échangeur thermique est en connexion fluidique avec le condenseur afin de refroidir le fluide de refroidissement avec l’eau pompée qui sort du condenseur ;
- l’évaporateur est un troisième échangeur thermique qui transfère de l’énergie calorifique au fluide de travail à partir de l’eau pompée qui sort du premier échangeur thermique.
Ainsi, l’eau pompée dans la nature assure la condensation du fluide de travail, le refroidissement du processus industriel et également l’évaporation du fluide de travail en utilisant la chaleur dégagée par le processus industriel. Un tel système peut être utilisé n’importe où sur le globe terrestre dès lors qu’une source naturelle d’eau froide est disponible.
De manière avantageuse, ledit fluide de refroidissement peut être de l’eau douce.
Afin d’assurer un changement d’état et une mise sous pression permettant de produire de l’énergie électrique, le fluide de travail peut être un fluide frigorigène.
Selon un mode de réalisation particulier, l’évaporateur peut être dimensionné de sorte qu’il chauffe le fluide de travail à une température supérieure ou égale à 29°C et qu’il refroidisse l’eau pompée qui sort du premier échangeur thermique à une température inférieure ou égale à 14°C. Toujours selon un mode de réalisation particulier, l’eau pompée dans la nature est de l’eau de mer. Un tel dispositif comporte à ce titre un circuit de circulation d’eau de mer en connexion fluidique avec le condenseur et agencé pour pomper ladite eau de mer à une profondeur telle que la température de ladite eau de mer pompée soit de l’ordre de 5°C en entrée dudit circuit de circulation d’eau de mer.
Pour assurer la climatisation en plus du refroidissement du processus industriel, un dispositif de refroidissement selon l’invention, peut comporter en outre un circuit fermé de fluide froid en connexion fluidique avec un quatrième échangeur thermique et un groupe de froid, le quatrième échangeur thermique refroidissant le fluide froid avec l’eau pompée dans la nature et fournissant l’eau pompée ainsi réchauffée au premier échangeur thermique.
L’invention propose également un centre de traitement de données comprenant une pluralité d’ordinateurs disposant d’au moins un radiateur de refroidissement à eau. Un tel centre de traitement de données comporte dès lors un dispositif de refroidissement selon l’invention, et dans lequel le au moins un radiateur de refroidissement à eau est en connexion fluidique avec le circuit fermé de refroidissement.
Afin de refroidir l’air ambiant en plus des ordinateurs, le groupe de froid d’un tel centre peut consister en une climatisation refroidissant l’air ambiant à l’aide du fluide froid.
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs, et faisant référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
- la figure 1 illustre un premier exemple de réalisation d'un dispositif de refroidissement selon l'invention ;
- la figure 2 illustre un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif de refroidissement selon l'invention. Afin de simplifier la description qui va suivre, une même référence est utilisée dans différentes figures pour désigner un même objet ou un élément similaire. Ainsi, lorsque la description cite un objet référencé, cet objet pourra être identifié sur plusieurs figures. En outre, les figures ainsi que la description sont données à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs de réalisation. Pour des raisons de représentation, les dessins ne sont pas réalisés à l’échelle afin de permettre de visualiser l’ensemble des éléments sur un même schéma.
De plus, il convient de noter que l’invention a vocation à être utilisée à proximité d’une source d’eau froide naturelle. Dans les exemples de réalisation, la mer est utilisée comme source d’eau froide, mais une autre source d’eau froide peut être utilisée comme un océan ou un lac.
La figure 1 illustre un premier exemple de réalisation d’un dispositif de refroidissement selon l’invention. Dans cet exemple, le processus industriel à refroidir est un centre de traitement de données 100 qui comporte une pluralité de serveurs S dont le refroidissement se fait par circulation d’un fluide de refroidissement, par exemple de l’eau douce. A cet effet, les serveurs S sont en connexion fluidique avec un circuit fermé de refroidissement 200, en d’autres termes, lesdits serveurs sont reliés fluidiquement à ce circuit fermé de refroidissement 200. Le circuit de refroidissement 200 est également en connexion fluidique avec un premier échangeur thermique 210 et avec une pompe de circulation 220. La pompe de circulation 220 assure la circulation de fluide entre le premier échangeur 210 thermique et les serveurs S afin de refroidir le fluide de refroidissement dans le premier échangeur thermique 210 et donc de refroidir les serveurs S.
Le dispositif de refroidissement de l’invention comporte également un circuit ouvert 300 de circulation d’eau, par exemple de l’eau de mer. Le circuit ouvert 300 comporte une pompe de prélèvement 310. La pompe de prélèvement 310 est une pompe qui permet de pomper de l’eau de mer en profondeur, par exemple à environ mille mètres de profondeur, et permet également d’assurer la circulation d’eau de mer dans le circuit ouvert 300. Une telle pompe 310 peut être composée d’une ou plusieurs pompes refoulantes cascadées selon une technique connue afin de permettre un tel pompage. A titre d’exemple, l’eau de mer est pompée à mille mètres de fond, ou du moins à une profondeur suffisante pour que la température de l’eau prélevée soit quasi constante toute l’année et de l’ordre de 5°C, ce qui permet d’avoir une eau relativement froide.
Le circuit ouvert 300 est en connexion fluidique avec le premier échangeur thermique 220 afin d’assurer un transfert de calories entre le circuit de refroidissement 200 et le circuit ouvert. Le transfert de calories permet ainsi de refroidir le fluide de refroidissement dans le premier échangeur thermique 210.
Afin d’assurer l’autonomie énergétique du dispositif de refroidissement, ce dernier comporte un sous-système de génération d’énergie électrique 400 qui comporte principalement un circuit fermé de fluide de travail 410, un deuxième échangeur thermique 420, un troisième échangeur thermique 430 et un turbogénérateur 440. Le circuit fermé de fluide de travail 410 est en connexion fluidique avec le deuxième échangeur thermique 420, le troisième échangeur thermique 430 et le turbogénérateur 440. Une pompe 450 peut assurer la circulation du fluide de travail à l’intérieur du circuit fermé de fluide de travail 410. Une telle pompe 450 est optionnelle si les deuxième et troisième échangeurs 420 et 430 sont positionnés verticalement et disposent d’une hauteur suffisante pour que la circulation se fasse naturellement sous l’action de la gravité. Dans ce premier exemple de réalisation, le fluide de travail est un fluide frigorigène ayant un point de vaporisation situé aux alentours de 25°C à une pression de l’ordre de 6 à 7 bars. A titre d’exemple, le fluide de travail peut être un tétrafluoropropène. Un tel tétrafluoropropène convenant à un système selon l’invention est vendu sous la marque Solstice® avec la référence yf(R-1234yf) par la société Honeywell.
Le turbogénérateur 440 est principalement constitué d’une turbine reliée à un générateur électrique. La turbine reçoit le fluide de travail sous forme de vapeur sous pression provenant du troisième échangeur thermique 430. La vapeur sous pression entraîne la turbine qui entraîne à son tour le générateur électrique qui produit ainsi de l’électricité. En traversant la turbine, la vapeur de fluide de travail perd de l’énergie, abaissant sa pression et sa température.
Le deuxième échangeur thermique 420 est également relié au circuit ouvert 300 afin de permettre un échange de calories entre l’eau de mer fournie par la pompe de prélèvement 310 et le fluide de travail circulant dans le circuit fermé de fluide de travail 410. Ainsi, l’eau de mer se réchauffe tout en refroidissant le fluide de travail. Le deuxième échangeur thermique 420 fonctionne en condenseur qui transforme le fluide de travail de l’état vapeur à l’état liquide par échange thermique avec l’eau de mer. Le dimensionnement du deuxième échangeur thermique 420 est réalisé afin de permettre une condensation du fluide de travail de l’état vapeur à une température de l’ordre de 18°C à un état liquide à 11 °C tout en ne réchauffant l’eau de mer que de 5°C à 9°C lors de l’échange thermique. Ainsi, la température de l’eau de mer sortant du deuxième échangeur thermique 420 peut être comprise entre 10°C et 14°C et préférentiellement 12°C. Un tel échange peut être atteint avec un volume de circulation de fluide de travail dix fois inférieur au volume de circulation d’eau de mer.
L’eau de mer sortant du deuxième échangeur thermique 420 est ensuite fournie au premier échangeur thermique 210 afin de refroidir le fluide de refroidissement. A titre d’exemple, le fluide de refroidissement sortant des serveurs S peut atteindre une température de 50°C et peut être refroidi à une température de l’ordre de 30°C dans le premier échangeur thermique 210. Avec un débit d’eau de mer de l’ordre de 1 ,5 fois le débit de fluide de refroidissement, l’eau de mer peut être réchauffée de 15°C à 25°C lors de l’échange de calories réalisé dans le premier échangeur thermique 210. Ainsi, la température de l’eau de mer sortant du premier échangeur thermique 210 peut être comprise entre 25°C et 40°C, préférentiellement supérieure à 35°C.
Le troisième échangeur thermique 430 est également relié au circuit ouvert 300 afin de permettre un échange de calories entre le fluide de travail circulant dans ledit circuit fermé 410 et l’eau de mer sortant du premier échangeur thermique 210, le fluide de travail se réchauffant tout en refroidissant l’eau de mer. Le troisième échangeur thermique 430 fonctionne en évaporateur qui transforme le fluide de travail de l’état liquide à l’état vapeur par échange thermique avec l’eau de mer. Le dimensionnement du troisième échangeur thermique 430 est réalisé afin de transformer le fluide de travail en vapeur sous pression à une température de 29°C tout en refroidissant l’eau de mer d’environ 15°C à 20°C lors de l’échange thermique. La température de l’eau de mer sortant du troisième échangeur thermique 430 est ainsi de l’ordre de 20°C. Cette eau peut ensuite être retournée à la mer sans impact pour l’environnement.
La production d’énergie électrique produite par le sous-système de génération d’énergie électrique 400 permet ainsi d’auto-alimenter le dispositif de refroidissement en réutilisant la chaleur produite par les serveurs S. L’homme du métier comprendra qu’il est possible d’adapter le dispositif de refroidissement en fonction des besoins exprimés. Notamment, le circuit de refroidissement 200 de l’exemple préalablement décrit prévoit une température variant de 30°C à 50°C, ces températures peuvent varier en fonction des besoins de refroidissement des serveurs S. Toutefois, afin de permettre une récupération d’énergie suffisante, il convient d’avoir une température de fluide de refroidissement en sortie des serveurs qui soit au moins égale à 45°C afin de pouvoir réchauffer l’eau de mer à au moins 25°C. Des températures supérieures à 50°C permettront de générer plus d’énergie électrique. Les débits des différents fluides ainsi que les surfaces d’échange de calories des échangeurs thermiques seront à dimensionner en fonction des températures souhaitées, l’important étant d’avoir un écart de température du fluide de travail supérieur à 15°C entre la température de sortie du deuxième échangeur thermique 420 et la température de sortie du troisième échangeur thermique 430.
Si le circuit ouvert 300 de circulation d’eau est alimenté par une source d’eau pompée dans la nature autre que la mer, tel que par exemple un lac ou une rivière, il conviendra de ne pas rejeter directement l’eau pompée dans ces sources afin d’éviter d’endommager l’écosystème. L’eau rejetée pourra, par exemple, être utilisée pour alimenter un réseau de distribution d’eau potable.
Malgré l’utilisation de refroidissement liquide dans les serveurs, la température dans un centre de données doit être régulée et nécessite une ventilation ou une climatisation afin de maintenir la température ambiante en dessous de 30°C pour le confort des personnes qui y travaillent. La figure 2 illustre un deuxième exemple de réalisation d’un système de refroidissement selon l’invention qui se différentie du premier exemple de réalisation par l’ajout d’une climatisation 500 dans le centre de traitement de données 100. La climatisation 500 est de type conventionnel et permet de refroidir l’air ambiant à partir d’un circuit fermé d’un fluide froid 510 selon une technique connue.
Selon l’invention, le circuit fermé de fluide froid 510 est en connexion fluidique avec un quatrième échangeur thermique 520 et avec une pompe de circulation 530 qui assure la circulation du fluide froid entre la climatisation 500 et le quatrième échangeur thermique 520. Le quatrième échangeur thermique 520 assure un échange de calories entre le fluide froid et l’eau de mer circulant dans un circuit de dérivation 540. A cet effet, le circuit de dérivation 540 est en connexion fluidique avec le circuit ouvert 300 et avec le quatrième échangeur thermique 520 afin de fournir de l’eau de mer provenant directement de la pompe de prélèvement 310 audit quatrième échangeur 520 et de fournir l’eau de mer sortant du quatrième échangeur thermique 520 au premier échangeur thermique 210. Ainsi, il est possible de maintenir le fluide froid à une température inférieure à 10°C tout en ne réchauffant l’eau de mer du circuit de dérivation que de 5°C.
La quantité d’eau dérivée dans le circuit de dérivation 540 est par exemple inférieure à 10% de l’eau de mer pompée. La quantité d’eau dérivée dans le circuit de dérivation 540 peut être constante et déterminée par la taille des tuyaux du circuit ouvert 300 et du circuit de dérivation 540, la circulation dans les deux circuits étant assurée par la pompe de prélèvement 310. Toutefois, pour assurer une régulation plus fine de la température du fluide froid, il est possible d’ajouter une pompe 550 pour réguler le débit d’eau de mer à l’intérieur du circuit de dérivation 540.
L’ajout du circuit de dérivation 540 n’a que peu d’effet sur le fonctionnement global du système et le reste du dispositif de refroidissement fonctionne à l’identique de ce qui a été décrit en relation avec le premier exemple de réalisation. L’homme du métier comprendra qu’il pourra adapter les différentes températures de fonctionnement à ses besoins comme indiqué précédemment.

Claims

REVENDICATIONS Dispositif de refroidissement qui comporte :
- un circuit fermé de refroidissement (200) en connexion fluidique avec un premier échangeur thermique (210), ledit circuit fermé comprenant un fluide de refroidissement ;
- un sous-système de génération d’énergie électrique (400) comprenant un fluide de travail circulant en circuit fermé (410) entre un évaporateur (430) qui chauffe ledit fluide de travail pour obtenir de la vapeur sous pression, un turbogénérateur (440) transformant la vapeur sous pression en énergie électrique, et un condenseur (420) qui refroidit la vapeur après passage dans le turbogénérateur (440) afin de liquéfier le fluide de travail pour le fournir à l’évaporateur (430), dans lequel : o le condenseur (420) est un deuxième échangeur thermique qui refroidit le fluide de travail à partir d’eau pompée dans la nature ; o le premier échangeur thermique (210) est en connexion fluidique avec le condenseur (420) afin de refroidir le fluide de refroidissement avec l’eau pompée qui sort dudit condenseur (420) ; o l’évaporateur (430) est un troisième échangeur thermique qui transfère de l’énergie calorifique au fluide de travail à partir de l’eau pompée qui sort du premier échangeur thermique (210). Dispositif de refroidissement selon la revendication 1 , dans lequel le fluide de refroidissement est de l’eau douce. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le fluide de travail est un fluide frigorigène. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’évaporateur (430) est dimensionné de sorte qu’il chauffe le fluide de travail à une température supérieure ou égale à 29°C et qu’il refroidisse l’eau pompée qui sort du premier échangeur thermique (210) à une température inférieure ou égale à 14°C. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, ladite eau pompée dans la nature étant de l’eau de mer, ledit dispositif comportant à ce titre un circuit de circulation d’eau de mer (300) en connexion fluidique avec le condenseur (420) et agencé pour pomper ladite eau de mer à une profondeur telle que la température de ladite eau de mer pompée soit de l’ordre de 5°C en entrée dudit circuit de circulation d’eau de mer. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 5, lequel comporte en outre un circuit fermé de fluide froid (510) en connexion fluidique avec un quatrième échangeur thermique (520) et avec un groupe de froid (500), le quatrième échangeur thermique (520) refroidissant le fluide froid avec l’eau pompée dans la nature et fournissant l’eau pompée ainsi réchauffée au premier échangeur thermique (210). Centre de traitement de données (100) comprenant une pluralité d’ordinateurs (S) disposant d’au moins un radiateur de refroidissement à eau, caractérisé en ce que le centre de traitement de données comporte un dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 6, et dans lequel le au moins un radiateur de refroidissement à eau est en connexion fluidique avec le circuit fermé de refroidissement (200). Centre de traitement de données selon la revendication 7 lorsque le dispositif de traitement est conforme à la revendication 6, le groupe de froid (500) consistant en une climatisation (500) refroidissant l’air ambiant à l’aide du fluide froid.
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