Amélioration des performances énergétiques des systèmes de refroidissement industriels : Application aux serveurs informatiques

par Amrid Mammeri

Thèse de doctorat en Génie énergétique

Sous la direction de Farid Bakir.

Soutenue le 27-05-2014

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Dynamique des Fluides (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Souad Harmand.

Le jury était composé de Farid Bakir, Christelle Périlhon, Smaïne Kouidri, Jean-Christophe Bonnin.

Les rapporteurs étaient Jean-François Hetet, Bernard Desmet.


  • Résumé

    Ce travail aborde la problématique des systèmes de refroidissement ou de contrôle thermique industriels. Nous avons particulièrement mis l'accent sur le refroidissement des serveurs informatiques. Une première partie consiste en l'étude des moyens d'amélioration des techniques de refroidissement existantes, tandis que la deuxième partie est une réflexion sur des techniques de refroidissement alternatives potentiellement plus efficaces et répondant aux demandes actuelles du contrôle thermique industriel. Dans le premier chapitre, nous analysons la bibliographie et la théorie relatives aux phénomènes physiques derrière les techniques de refroidissement étudiées. Ensuite, une classification des techniques de refroidissement est proposée en fin de chapitre. Ce chapitre a servi de base pour l'amélioration des technologies de refroidissement existantes et à la réflexion sur de nouvelles techniques plus efficaces. Le second chapitre porte sur l'optimisation d'une plaque froide, destinée au refroidissement des serveurs informatiques, en s'aidant d'un outil numérique et d'essais expérimentaux. Nous avons noté une augmentation des transferts de chaleur dans la plaque froide en utilisant des inserts, notamment ceux en forme de losange disposés en quinconce. A l'inverse, l'utilisation de certains nanofluides en tant que fluides caloporteurs ne semble pas apporter de gain significatif. Dans le troisième chapitre nous détaillons la démarche suivie pour la conception d'un dissipateur de chaleur basé sur une technologie caloducs, destiné au refroidissement des cartes électroniques. En premier lieu, nous présentons le modèle thermohydraulique de dimensionnement d'un caloduc cylindrique ; une étude paramétrique (géométrique, type de fluide,...) nous a permis d'identifier le jeu de paramètres donnant la meilleure performance du caloduc. En second lieu, nous évoquons les tests réalisés sur le dissipateur de chaleur à caloduc qui nous amènent à valider en partie le modèle thermohydraulique développé. Le dernier chapitre porte sur la réalisation et l'étude d'un démonstrateur pour le refroidissement des cartes électroniques par immersion dans un liquide à basse température de saturation. On commence par la mise en place et l'utilisation d'un modèle numérique pour la conception du démonstrateur, puis des tests expérimentaux sont réalisés. Les premiers résultats obtenus en utilisant le SES-36 comme fluide de travail sont assez prometteurs.Mots clés : modélisation, transfert de chaleur, refroidissement, datacenter, liquid-cooling, caloducs, échangeurs, nanofluides, ébullition en vase, simulation numérique

  • Titre traduit

    Industrial cooling systems performance enhancement : Application to IT Servers


  • Résumé

    The present work is about industrial thermal control systems issues, a focus is done on IT servers cooling. The first part of this document is about cooling techniques optimization. The second part concerns investigations for new cooling techniques potentially more efficient and which can address today's challenges of industrial thermal control systems. In the first chapter, we have done a literature survey and a theoretical analysis of physical phenomena behind studied cooling techniques. Then, we have sorted those techniques according to some criteria. This chapter is a basis for optimization studies we have achieved in the second chapter and for our new cooling techniques investigations in the two last chapters. In the second chapter, we have presented a study about heat transfer enhancement in a cold plate developed for IT servers liquid-cooling. We have observed great heat transfer enhancement when adding lozenge shaped fins inside the cold plate channels. No gain was noted when using some nanofluids as heat transfer liquids. We have shown, in the third chapter, a conception algorithm of a heat spreading device destined for IT servers cooling. The heat spreader is based on a heatpipe technology. First of all, we have presented the thermohydraulic model for cylindrical heatpipes design. A parametric study (geometric, working fluids ...) showed the best combination to obtain the highest heatpipe performance. Then, the heat spreader has been tested and we have validated partially the heatpipe model. The last chapter of this work is a study of a demonstrator destined for cooling down electronic components by immersion in a dielectric fluid with a low saturation temperature. We first built a numerical model to design the demonstrator and then it has been tested. The first results are very encouraging, when using SES-36 as a working fluid.Keywords : modeling, heat transfer, cooling, datacenter, liquid-cooling, heat pipes, heat exchangers, nanofluids, pool boiling, numerical simulation


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