Una volta stabilito che il raffreddamento a liquido è la soluzione, sai quale fluido termovettore utilizzare? One of the most important factors when choosing a liquid cooling technology for your application is the compatibility of the heat transfer fluid with the wetted surfaces of each part of liquid cooling loop. This includes liquid cold plates, heat exchangers, CDUs, tubes, and any quick disconnects.
Un'introduzione ai liquidi più comuni per sistemi di raffreddamento
Long-term liquid cooling system reliability depends on heat transfer fluid compatibility. Other heat transfer fluid requirements may include high thermal conductivity, specific heat, low viscosity, low freezing point, high flash point, low corrosivity, low toxicity, and thermal stability. Tenendo in considerazione questi criteri, i refrigeranti liquidi più comunemente utilizzati oggi nelle applicazioni di raffreddamento sono:
- Acqua
- Acqua deionizzata
- Soluzioni acquose a base di glicole inibito
- Fluidi dielettrici
By selecting a compatible pairing of heat transfer fluid and wetted materials, you’ll minimize the risk of corrosion and optimize thermal performance.
Copper is compatible with water and glycol/water solutions.
Aluminum is compatible with glycol/water solutions, dielectric fluids, and oils.
Stainless steel is better for deionized water or other corrosive fluids because of its improved corrosion resistance over other metals.
Most cooling systems are compatible with water or glycol/water solutions but require specialized plumbing for deionized water or a dielectric fluid like polyalphaolefin (PAO).
Compatibilità tra materiali e fluidi
| Metallo | Acqua | Glicole | Deionized | Fluidi dielettrici (Fluorinert, PAO) |
|---|---|---|---|---|
| Rame | X | X | X | |
| Alluminio | X | X | ||
| Acciaio inossidabile | X | X | X | X |
Water as a Heat Transfer Fluid
Grazie all'alta capacità termica e all'elevata conducibilità termica, l'acqua è una delle migliori opzioni per le applicazioni di raffreddamento a liquido. È anche compatibile con il rame, uno dei migliori materiali per il trasferimento del calore utilizzabili nel percorso del fluido.
Facility Water or Tap Water
L'acqua per il raffreddamento a liquido può essere di diversa provenienza. L'acqua del rubinetto, ad esempio, proviene da un impianto di depurazione pubblico o da un pozzo. I vantaggi dell'utilizzo dell'acqua del rubinetto sono la disponibilità e la convenienza. What is important to note about facility water or tap water is that it is likely untreated and likely to contain impurities. Impurities can cause corrosion in the liquid cooling loop and/or clog fluid channels. Therefore, using good quality water is recommended to minimize corrosion and optimize thermal performance.
Water’s Potential for Corrosion
La composizione chimica dell'acqua ha un effetto considerevole sulla sua capacità di corrosione. Corrosive chloride is commonly found in tap water. Se contengono più di 25 PPM di cloruro, le acque pubbliche e l'acqua del rubinetto non dovrebbero essere utilizzate nei circuiti di raffreddamento a liquido.
The levels of calcium and magnesium in the water also need to be considered. Calcium and magnesium can form scale on metal surfaces and reduce the thermal performance of the components.
Water Liquid Cooling Recommended Limit of Minerals
| Minerale | Limite consigliato |
|---|---|
| Calcio | < 50 ppm |
| Cloruro | < 25 ppm |
| Magnesio | < 50 ppm |
| Solfato | < 25 ppm |
| Durezza totale | < 100 ppm (5 grani) |
Deionized Water or Filtered Water
If your facility water or tap water contains a large percent of minerals, salts, or other impurities, you can either filter the water or purchase filtered or deionized water.
Corrosion Inhibitors: Phosphate, Tolyltriazole, and Organic Acids
We still recommend using a corrosion inhibitor for additional protection even if your facility or tap water is relatively pure and meets recommended limits. Il fosfato è un efficace inibitore di corrosione per i componenti in acciaio inox e per la maggior parte di quelli in alluminio. It's also effective for pH control. One disadvantage of phosphate is that it precipitates with calcium in hard water. Per il rame e l'ottone il toliltriazolo è un inibitore della corrosione diffuso e molto efficace. Per la protezione dell'alluminio si impiegano acidi organici, come il 2-etil esanoato o l'acido sebacico.
Acqua deionizzata
L'acqua deionizzata è acqua alla quale sono stati sottratti gli ioni quali sodio, calcio, ferro, rame, cloruro e bromuro. Il processo di deionizzazione rimuove i minerali dannosi, i sali e altre impurità che sono causa di corrosione e formazione di incrostazioni. Compared to tap water and most other fluids, deionized water has a high resistivity. Deionized water is an excellent insulator which is ideal for electrical components manufacturing or immersion cooling where components bust be electrically isolated.
Corrosivity of Deionized Water
Tuttavia, con l'aumento della resistività si verifica anche un aumento della corrosività. Deionized water is approximately pH 7 but will quickly become acidic when exposed to air. The carbon dioxide in air dissolves in the water, introducing ions and reduces the pH to 5.0. Corrosion inhibitors are required when using virtually pure water. When using deionized water in a recirculating chiller or CDU, special high purity plumbing are a must. La raccorderia dovrebbe essere nichelata e gli evaporatori brasati al nichel. When using deionized water in cold plates or heat exchangers, stainless steel tubing is recommended.
Pros to Deionized Water in Liquid Cooling Systems
L'acqua del rubinetto soddisfa le esigenze della maggior parte delle applicazioni di raffreddamento a liquido. Tuttavia, l'acqua deionizzata (DI) ha proprietà chimiche ed elettriche che lo rendono la scelta ottimale per il raffreddamento quando il circuito liquido contiene microcanali o quando sono coinvolti componenti elettronici sensibili.
DI water has an extremely low concentration of ions which defines important performance attributes. First, it eliminates mineral deposits which block coolant flow which degrade cooling efficiency and system operating performance. Second, it eliminates the risk of electrical arcing due to static charge build-up from the circulating coolant. Arcing can damage sensitive control electronics in the cooled equipment. No ions in DI water eliminates both problems.
Come utilizzare l'acqua Deionizzata in un sistema di raffreddamento liquido
Applications that need DI water are found in industries such as:
- Attrezzature mediche
- Strumentazione di laboratorio
- Pharmaceutical production and food processing
- Cosmetici
- Produzione di semiconduttori
- Lasers, plating, chemical and other industrial processing
Exercise care when using DI water. The lack of ions makes this coolant unusually corrosive. Called the "universal solvent," deionized water is one of the most aggressive solvents known. It will dissolve everything to which it is exposed to varying degrees. Therefore all materials in the cooling loop must be corrosion-resistant.
Copper’s Non-compatibility with Deionized Water
Il rame e molti altri materiali comuni non sono compatibili con l'acqua DI e la contaminano. Quando si progetta un sistema utilizzando acqua DI, assicurarsi di specificare materiali compatibili con DI come acciaio inossidabile o nichel.
Stainless Steel Wetted Paths for Deionized Water
In a heat exchanger or cold plate, we recommend a stainless steel fluid path. A DI friendly recirculating chiller should contain a nickel-brazed evaporator, a stainless steel pump head, and nickel-plated fittings. Infine, per mantenere la purezza dell'acqua DI, è necessario includere una cartuccia di deionizzazione. Come per tutti i materiali di consumo, la cartuccia DI deve essere sostituita periodicamente.
In summary, many types of equipment and applications require DI water-cooled systems. Se progettati e mantenuti correttamente, questi sistemi possono fornire un raffreddamento affidabile e un funzionamento senza perdite per molti anni.
Inhibited Glycol and Water Solutions in Liquid Cooling
Le due miscele di glicole più comuni per applicazioni di raffreddamento a liquido sono le soluzioni acquose a base di glicole etilenico (EGW) e di glicole propilenico (PGW).
Ethylene Glycol and Water
Il glicole etilenico è attraente dal punto di vista delle proprietà termiche poiché mostra un elevato punto di ebollizione, un basso punto di congelamento in una vasta gamma di temperature, oltre a un calore specifico e una conduttività termica elevati. It also has low viscosity, meaning reduced pumping requirements. Anche se la conducibilità termica della soluzione a base di glicole etilenico è inferiore a quella dell'acqua, fornisce una protezione antigelo che può essere utile durante l'utilizzo o il trasporto.
Propylene Glycol and Water
Although EGW has more desirable physical properties than PGW, propylene glycol/water is used in applications where toxicity might be a concern. PGW is generally recognized as safe for use in food or food processing applications and can also be used in enclosed spaces.
Automotive Ethylene Glycol and Water
Ethylene glycol is used in automotive antifreeze. È preferibile tuttavia non utilizzare il glicole per l'industria automobilistica in sistemi di raffreddamento in quanto contiene inibitori di corrosione a base di silicati. Questo tipo di inibitori può deteriorarsi e gelificare, ricoprendo le superfici dello scambiatore di calore e riducendone l'efficienza. È stato anche dimostrato che i silicati riducono in maniera significativa la durate dei dispositivi di tenuta delle pompe.
Choosing the Right Rust Inhibitor for Glycol and Water Solutions
L'inibitore sbagliato può causare problemi importanti; l'inibitore giusto può invece proteggere dalla corrosione e aumentare significativamente la durata del circuito di raffreddamento a liquido. Inhibited glycols can be purchased from specialized fluid production companies and are highly recommended over non-inhibited glycols.
Glycol Concentration
As the concentration of glycol in the solution increases, the thermal performance of the heat transfer fluid decreases. Use the lowest possible concentration of inhibited glycol necessary to meet your corrosion and freeze protection needs. Dow Chemical recommends a minimum concentration of 25-30% EGW4. At this minimum concentration, ethylene glycol also serves as a bactericide and fungicide. With recirculating chillers, a solution of 30% ethylene glycol will result in only about a 3% drop in thermal performance over using water alone but will provide corrosion protection as well as freeze protection down to -15°C (5°F).
Water Quality in Glycol Solutions
Anche la qualità dell'acqua utilizzata nella soluzione di glicole è importante. The water should meet or exceed the limits specified in the Recommended Mineral Limit table, even if you're using an inhibited glycol. Gli ioni presenti nell'acqua impediscono all'inibitore di rimanere in soluzione provocando deterioramenti e corrosione.
Aggiungere glicole nel liquido refrigerante
When Is It Necessary to Add Glycol in Your Coolant?
Boyd raccomanda di usare una miscela 30/70 di glicole-acqua con i suoi refrigeratori a ricircolo ogni volta che il set point della temperatura del refrigerante è inferiore a 10°C (48°F). Il glicole abbassa il punto di congelamento della miscela *(Fig. 1). L'aggiunta di glicole al refrigerante permette di ridurre il punto di congelamento del refrigerante a circa -34°C, evitando i rischi di danni al refrigeratore provocati dal congelamento.
Il glicole non trasferisce il calore quanto l'acqua pura (Fig. 2 e 3). So if there is no risk of freezing, use 100% water as adding glycol to your system will decrease performance. Comunque, quando il set point è inferiore a 10°C (48°F) esiste il rischio di congelamento ed è consigliabile aggiungere glicole all'acqua. La leggera diminuzione delle prestazioni è un compromesso necessario per consentire il set point di temperatura più basso mantenendo la necessaria sicurezza.
How Coolants Work in Chillers
In a recirculating chiller, the liquid coolant flows through the application, removing excess heat and raising the temperature of the liquid. Il refrigerante deve poi essere riportato alla temperatura di set point scorrendo attraverso uno scambiatore di calore detto evaporatore.
Learn more about Compressor-Based Refrigeration.
The heat exchanger transfers heat between the liquid coolant and the system's refrigerant gas. The refrigerant's temperature must be lower than the temperature of coolant liquid for heat to flow and for coolant temperature to be effectively returned to set point.
La temperatura del refrigerante è generalmente inferiore da 5°C a 10°C rispetto alla temperatura del liquido refrigerante per permettere al calore di circolare. Di conseguenza, se il set point è inferiore a 10°C (48°F), la temperatura del refrigerante può essere vicina, o anche inferiore, al punto di congelamento dell'acqua. Se il refrigerante congela, l'evaporatore può essere ostruito, impedendo all'acqua di scorrere. Water expands as it freezes, which can permanently damage the evaporator.
Fluidi dielettrici
Power electronics, laser, and semiconductor industries might be more likely to choose dielectric fluids over water. A dielectric fluid is non-conductive and preferred over water when working with sensitive electronics.
Perfluorinated Carbons as a Heat Transfer Fluid
I perfluorcarburi, come il fluido dielettrico Fluorinert™ di 3M, sono composti non infiammabili, non esplosivi e termicamente stabili in un ampio intervallo di temperature di esercizio. Sebbene neanche l'acqua deionizzata sia conduttiva, il Fluorinert™ è meno corrosivo e potrebbe quindi rappresentare una soluzione migliore in determinate applicazioni. However, water has a thermal conductivity of approximately 0,59 W/m°C (0,34 BTU/hr ft °F), while Fluorinert™ FC-77 has a thermal conductivity of only about 0,06 W/m°C (0,04 BTU/hr ft °F). Fluorinert™ is also much more expensive than deionized water.
Polyalphaolefin Liquid Cooling
PAO is a synthetic hydrocarbon used frequently in defense and aerospace applications for its dielectric properties and wide range of operating temperatures. I radar di puntamento dei moderni caccia militari, per esempio, utilizzano sistemi di raffreddamento a liquido con polialfaolefine. Boyd has PAO compatible recirculating chillers for testing cold plates and heat exchangers that will use PAO in their final application. Le polialfaolefine hanno una conducibilità termica di 0,14 W/m°C (0,08 BTU/hr ft °F). Although dielectric fluids provide low risk liquid cooling for electronics, they generally have a much lower thermal conductivity than water and most water-based solutions.
Selecting Your Heat Transfer Fluid
L'acqua, l'acqua deionizzata, le soluzioni acquose di glicole e i fluidi dielettrici come i fluorocarburi e le polialfaolefine sono i fluidi di trasferimento di calore utilizzati più comunemente in applicazioni di raffreddamento a liquido dalle prestazioni elevate. È importante scegliere un fluido di trasferimento del calore che sia compatibile con il percorso del fluido, che protegga dalla corrosione o ne riduca il rischio e che soddisfi i requisiti specifici dell'applicazione in questione. Utilizzando la sostanza chimica adatta per il fluido di trasferimento del calore, si può ottenere un circuito di raffreddamento a liquido altamente efficace.
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