[해외 DS] 더위에 지친 기계들, 과열 방지 기술과 폐열 활용 방안은?

[해외DS]는 해외 유수의 데이터 사이언스 전문지들에서 전하는 업계 전문가들의 의견을 담았습니다. 저희 데이터 사이언스 경영 연구소 (MDSA R&D)에서 영어 원문 공개 조건으로 콘텐츠 제휴가 진행 중입니다.

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기록적인 불볕더위가 계속되는 여름에는 사람처럼 기계도 그늘을 찾는다. 휴대전화, 데이터 센터, 자동차, 비행기를 포함한 많은 기계는 더위가 지속되면 효율성이 떨어지고 성능이 더 빨리 저하된다. 기계는 자체적으로도 열을 발생시켜 주변의 온도를 더욱 뜨겁게 만든다.

완벽하게 효율적인 기계는 없다. 모든 기계는 작동 중에 약간의 내부 마찰이 발생하는데, 이 마찰로 인해 기계가 열을 발산하므로 외부가 더울수록 기계가 더 뜨거워진다.

리튬 이온 배터리를 사용하는 휴대폰 및 이와 유사한 기기는 섭씨 35도 이상의 기후에서 작동할 때 작동이 중지되는데, 이는 과열과 전자기기의 스트레스 증가를 방지하기 위한 것이다.

혁신적인 상변화 유체를 사용하는 냉각 설계는 기계를 시원하게 유지하는 데 도움이 될 수 있지만, 대부분의 열은 결국 공기 중으로 방출된다. 주변 공기가 뜨거울수록 기계가 효율적으로 작동할 수 있는 적정 온도를 유지하기가 더 어려워진다. 또한 기계가 서로 가까이 있을수록 주변에서 더 많은 열이 발생한다.

물질 변형

날씨나 기계에서 방출되는 과도한 열로 인해 온도가 높아지면 기계의 재료가 변형될 수 있다. 이를 이해하려면 온도가 물질 분자에 미치는 영향을 알아야 한다.

온도는 분자가 얼마나 많이 진동하는지를 측정하는 척도다. 따라서 온도가 높을수록 공기, 땅, 기계의 재료에 이르기까지 모든 것을 구성하는 분자가 더 많이 진동한다.

온도가 상승하고 분자가 더 많이 진동하면 분자 사이의 평균 공간이 커지고 물질은 팽창한다. 뜨거운 콘크리트가 팽창하고 수축하여 결국 균열이 생기는 것을 도로에서 쉽게 볼 수 있다. 이러한 현상은 기계에도 발생할 수 있으며 이는 문제의 시작에 불과하다.

여행 지연 및 안전 위험

고온은 자동차 엔진 오일의 성능을 변화시켜 잠재적인 엔진 고장으로 이어질 수 있다. 예를 들어, 폭염으로 인해 기온이 평소보다 16.7℃ 올라가면 일반적인 자동차 엔진 오일의 점도 또는 두께가 3배 정도 낮아진다.

엔진 오일과 같은 유체는 가열될수록 묽어지므로 너무 뜨거워지면 충분히 두꺼운 유막을 형성하지 못해서 엔진 부품에 마모가 증가할 수 있다.

또한 더운 날에는 타이어 내부의 공기가 팽창하고 타이어 압력이 증가하여 마모가 증가하고 미끄러질 위험이 커질 수 있다.

비행기는 극한 온도에서 이륙하도록 설계되지 않았다. 외부가 더워지면 공기가 팽창하기 시작하고 이전보다 더 많은 공간으로 분산되어 공기의 밀도가 낮아진다. 이러한 공기 밀도의 감소는 비행 중 비행기가 지탱할 수 있는 무게를 감소시켜 여행 지연 또는 항공편 취소로 이어질 수 있다.

배터리 성능 저하

일반적으로 휴대전화, 개인용 컴퓨터 및 데이터 센터와 같은 기기에 포함된 전자 장치는 온도 변화에 따라 다르게 반응하는 여러 종류의 재료로 구성되어 있다. 내부 소재들은 모두 좁은 공간에 나란히 배치되어 있어서 온도가 상승하면 각기 다른 재료가 다르게 변형되어 조기 마모 및 고장으로 이어질 수 있다.

자동차와 일반 전자제품의 리튬 이온 배터리는 작업 온도가 높을수록 성능이 더 빨리 저하된다. 온도가 높으면 배터리 내 리튬을 고갈시키는 부식 반응 속도가 빨라지기 때문이다. 이 과정에서 에너지 저장 용량도 줄어든다. 최근 연구에 따르면 전기 자동차는 섭씨 32도의 날씨에 지속해 노출되면 주행 거리가 약 20% 감소할 수 있다고 한다.

데이터를 저장하는 서버로 가득 찬 데이터 센터는 건물 내부를 시원하게 유지하기 위해 상당한 양의 열을 발산한다. 매우 더운 날에는 칩이 과열되지 않도록 팬이 더 열심히 작동한다. 팬만으로는 충분하지 않을 때도 있다.

센터를 시원하게 유지하기 위해 외부에서 들어오는 건조한 공기를 촉촉한 패드에 통과시킨다. 패드의 수분이 공기 중으로 증발하면 열을 흡수하여 공기를 냉각시키는 원리다. 증발 냉각이라고 하는 이 기술은 경제적이고 효과적인 기법의 하나다.

그러나 증발 냉각에는 많은 양의 물이 동원된다. 이는 물이 부족한 지역에서 자원 부족을 야기하고, 이미 자원 발자국을 과도하게 생성하고 있는 데이터 센터에 추가적인 환경 문제를 일으킬 수 있다.

고통받는 에어컨

에어컨이 가장 필요할 때 에어컨은 효과적으로 작동하지 못한다. 더운 날에는 에어컨 압축기가 가정에서 발생하는 열을 외부로 내보내기 위해 더 열심히 작동해야 하므로 전력 소비와 전체 전력 수요가 불균형적으로 증가한다. 텍사스에서는 섭씨 1도 상승할 때마다 전력 수요가 약 4% 증가한다.

더위가 심한 국가에서는 여름철 전력 수요가 무려 50%나 증가하여 전력 부족 또는 정전의 심각한 위협과 함께 온실가스 배출량 증가로 문제가 가중된다.

열 피해를 예방하는 방법

전 세계의 된더위와 온난화는 사람과 기계 모두에게 장단기적으로 심각한 문제를 일으킨다. 다행히도 피해를 최소화하기 위해 할 수 있는 일이 있다.

첫째, 기계를 냉방이 잘 되고 단열이 잘 된 공간이나 직사광선을 피하는 곳에 보관해야 한다.

둘째, 전기 수요가 적은 시간에 에어컨과 같은 고에너지 기기를 사용하거나 전기 자동차를 충전해야 한다. 이렇게 하면 지역 전력 부족 사태를 피하는 데 도움이 될 수 있다.

열 재사용

과학자와 엔지니어들은 기계에서 방출되는 막대한 양의 열을 재활용하는 방법을 개발하고 있다. 한 가지 간단한 예로 데이터 센터에서 발생하는 폐열을 사용하여 물을 가열하는 데 활용 한다.

또한 폐열을 사용하여 흡수식 냉각기와 같은 공조 시스템을 구동시킬 수 있는데, 흡수식 냉각기는 일련의 화학 및 열전달 과정을 통해 열을 에너지로 변환하여 냉각 장치를 지원한다.

두 경우 모두 무언가를 가열하거나 냉각하는 데 필요한 에너지를 낭비되는 열에서 충당한다. 실제로 발전소의 폐열은 주거용 에어컨 수요의 27%를 지원할 수 있으며, 이는 전체 에너지 소비와 탄소 배출을 줄일 수 있는 효과가 있다.

극심한 더위는 현대 생활의 모든 측면에 영향을 미칠 수 있으며, 폭염은 앞으로도 사라지지 않을 것이다. 하지만 낭비되는 열을 활용할 기회는 놓치지 말아야 한다.

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Not only people need to stay cool, especially in a summer of record-breaking heat waves. Many machines, including cellphones, data centers, cars and airplanes, become less efficient and degrade more quickly in extreme heat. Machines generate their own heat, too, which can make hot temperatures around them even hotter.

We are engineering researchers who study how machines manage heat and ways to effectively recover and reuse heat that is otherwise wasted. There are several ways extreme heat affects machines.

No machine is perfectly efficient – all machines face some internal friction during operation. This friction causes machines to dissipate some heat, so the hotter it is outside, the hotter the machine will be.

Cellphones and similar devices with lithium ion batteries stop working as well when operating in climates above 95 degrees Farenheit (35 degrees Celsius) – this is to avoid overheating and increased stress on the electronics.

Cooling designs that use innovative phase-changing fluids can help keep machines cool, but in most cases heat is still ultimately dissipated into the air. So, the hotter the air, the harder it is to keep a machine cool enough to function efficiently.

Plus, the closer together machines are, the more dissipated heat there will be in the surrounding area.

DEFORMING MATERIALS
Higher temperatures, either from the weather or the excess heat radiated from machinery, can cause materials in machinery to deform. To understand this, consider what temperature means at the molecular level.

At the molecular scale, temperature is a measure of how much molecules are vibrating. So the hotter it is, the more the molecules that make up everything from the air to the ground to materials in machinery vibrate.

As the temperature increases and the molecules vibrate more, the average space between them grows, causing most materials to expand as they heat up. Roads are one place to see this – hot concrete expands, gets constricted and eventually cracks. This phenomenon can happen to machinery, too, and thermal stresses are just the beginning of the problem.

TRAVEL DELAYS AND SAFETY RISKS
High temperatures can also change the way oils in your car’s engine behave, leading to potential engine failures. For example, if a heat wave makes it 30 degrees F (16.7 degrees C) hotter than normal, the viscosity – or thickness – of typical car engine oils can change by a factor of three.

Fluids like engine oils become thinner as they heat up, so if it gets too hot, the oil may not be thick enough to properly lubricate and protect engine parts from increased wear and tear.

Additionally, a hot day will cause the air inside your tires to expand and increases the tire pressure, which could increase wear and the risk of skidding.

Airplanes are also not designed to take off at extreme temperatures. As it gets hotter outside, air starts to expand and takes up more space than before, making it thinner or less dense. This reduction in air density decreases the amount of weight the plane can support during flight, which can cause significant travel delays or flight cancellations.

BATTERY DEGRADATION
In general, the electronics contained in devices like cellphones, personal computers and data centers consist of many kinds of materials that all respond differently to temperature changes. These materials are all located next to each other in tight spaces. So as the temperature increases, different kinds of materials deform differently, potentially leading to premature wear and failure.

Lithium ion batteries in cars and general electronics degrade faster at higher operating temperatures. This is because higher temperatures increase the rate of reactions within the battery, including corrosion reactions that deplete the lithium in the battery. This process wears down its storage capacity. Recent research shows that electric vehicles can lose about 20% of their range when exposed to sustained 90-degree Farenheit weather.

Data centers, which are buildings full of servers that store data, dissipate significant amounts of heat to keep their components cool. On very hot days, fans must work harder to ensure chips do not overheat. In some cases, powerful fans are not enough to cool the electronics.

To keep the centers cool, incoming dry air from the outside is often first sent through a moist pad. The water from the pad evaporates into the air and absorbs heat, which cools the air. This technique, called evaporative cooling, is usually an economical and effective way to keep chips at a reasonable operating temperature.

However, evaporative cooling can require a significant amount of water. This issue is problematic in regions where water is scarce. Water for cooling can add to the already intense resource footprint associated with data centers.

STRUGGLING AIR CONDITIONERS
Air conditioners struggle to perform effectively as it gets hotter outside – just when they’re needed the most. On hot days, air conditioner compressors have to work harder to send the heat from homes outside, which in turn disproportionally increases electricity consumption and overall electricity demand.

For example, in Texas, every increase of 1.8 degrees F (1 degree C) creates a rise of about 4% in electricity demand.

Heat leads to a staggering 50% increase in electricity demand during the summer in hotter countries, posing serious threats of electricity shortages or blackouts, coupled with higher greenhouse gas emissions.

HOW TO PREVENT HEAT DAMAGE
Heat waves and warming temperatures around the globe pose significant short- and long-term problems for people and machines alike. Fortunately, there are things you can do to minimize the damage.

First, ensure that your machines are kept in an air-conditioned, well-insulated space or out of direct sunlight.

Second, consider using high-energy devices like air conditioners or charging your electric vehicle during off-peak hours when fewer people are using electricity. This can help avoid local electricity shortages.

REUSING HEAT
Scientists and engineers are developing ways to use and recycle the vast amounts of heat dissipated from machines. One simple example is using the waste heat from data centers to heat water.

Waste heat could also drive other kinds of air-conditioning systems, such as absorption chillers, which can actually use heat as energy to support coolers through a series of chemical- and heat-transferring processes.

In either case, the energy needed to heat or cool something comes from heat that is otherwise wasted. In fact, waste heat from power plants could hypothetically support 27% of residential air-conditioning needs, which would reduce overall energy consumption and carbon emissions.

Extreme heat can affect every aspect of modern life, and heat waves aren’t going away in the coming years. However, there are opportunities to harness extreme heat and make it work for us.

This article was originally published on The Conversation. Read the original article.