Il raffreddamento a liquido è una soluzione efficace per eliminare carichi termici elevati dai componenti. Il calore eccessivo può compromettere l'affidabilità di un sistema, e ora gli ingegneri utilizzano il raffreddamento a liquido quando il raffreddamento ad aria non garantisce un'eliminazione del calore sufficiente. Tra le varie tipologie di raffreddamento a liquido vi sono il raffreddamento per contatto e il raffreddamento di cabinet.
Un circuito di raffreddamento a liquido per contatto è composto solitamente da una piastra di raffreddamento, una pompa, uno scambiatore di calore e tubi o manicotti. Il calore generato da un componente viene trasferito dal componente alla piastra di raffreddamento a conduttività termica e successivamente al liquido refrigerante che circola nella piastra di raffreddamento. Il refrigerante riscaldato viene poi pompato tramite lo scambiatore di calore, dove il calore viene trasferito dal refrigerante all'aria ambiente o, nel caso di uno scambiatore di calore da liquido a liquido, a un altro liquido. Il liquido raffreddato circola poi nei tubi o nei manicotti e torna alla piastra di raffreddamento, completando il circuito di raffreddamento a liquido. Invece di uno scambiatore di calore è possibile fornire un liquido di raffreddamento al processo mediante un refrigeratore a ricircolo, un sistema di raffreddamento a liquido o l'acqua dell'impianto.
Nel caso del raffreddamento di cabinet, l'aria presente all'interno del cabinet viene raffreddata facendo scorrere un liquido di raffreddamento nello scambiatore di calore e distribuendo l'aria nel cabinet tramite la ventola dello scambiatore di calore. Come per il raffreddamento per contatto, anche nel caso del raffreddamento di cabinet il liquido di raffreddamento può essere l'acqua dell'impianto o provenire da un refrigeratore a ricircolo oppure da un altro scambiatore di calore.
Vantaggi del raffreddamento a liquido
Il raffreddamento a liquido offre principalmente due vantaggi rispetto al raffreddamento ad aria. Il primo vantaggio sono le prestazioni più elevate, dato che i fluidi più usati presentano una maggiore conduttività termica rispetto all'aria. Il secondo vantaggio è la maggiore silenziosità e il minor ingombro rispetto al raffreddamento ad aria. Poiché è necessario un flusso d'aria più ridotto, i componenti elettronici possono essere montati a distanza più ravvicinata.
Tecnologie di raffreddamento a liquido
Boyd progetta e realizza tutti i componenti termici dei circuiti di raffreddamento a liquido, offrendo soluzioni termiche complete. I prodotti per il raffreddamento a liquido di Boyd includono piastre di raffreddamento, telai, refrigeratori, sistemi di raffreddamento e scambiatori di calore standard e personalizzati. È possibile utilizzare vari fluidi con i prodotti per il raffreddamento a liquido, tra cui acqua, acqua deionizzata, glicol etilenico, oli, polialfaolefine e fluidi dielettrici. Per valutare l'uso di altri fluidi, contatta Boyd.
Applicazioni industriali del raffreddamento a liquido
Il raffreddamento a liquido viene usato per raffreddare dispositivi elettronici a potenza elevata impiegati in molti settori, tra cui quello medico, militare e della difesa, dei laser, dei data center, dei semiconduttori, dei trasporti e della stampa.
Per carichi termici ridotti, i refrigeratori a ricircolo di solito sono la soluzione più semplice, poiché l'installazione è davvero rapida. In caso di carichi termici elevati, i sistemi di raffreddamento da liquido a liquido sono più convenienti. Tuttavia, il loro uso è limitato dalla disponibilità di acqua dell'impianto raffreddata. La necessità di collegarli all'acqua dell'impianto tramite tubazioni può incidere sulla posizione di utilizzo e sulla portabilità delle attrezzature.
In caso di carichi termici elevati e qualora sia necessario espellere il calore nell'acqua dell'impianto, la scelta tra gli LCS e i refrigeratori a ricircolo con condensatore raffreddato ad acqua dipende dalla temperatura di riferimento. Se la temperatura di riferimento è più alta della temperatura massima dell'acqua dell'impianto, gli LCS sono più economici. Tuttavia, se è necessario raffreddare raggiungendo una temperatura prossima o inferiore a quella dell'acqua dell'impianto, sarà necessario dotarsi di refrigeratori a base di refrigerante con condensatore raffreddato ad acqua.
Link sul raffreddamento a liquido
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I sistemi di raffreddamento, compresi i refrigeratori con compressore, i sistemi di raffreddamento da liquido a liquido e i sistemi di raffreddamento ambiente, possono essere acquistati nelle versioni commerciali standard, modificati partendo dai sistemi standard attuali o progettati interamente su misura per rispondere a esigenze particolari. Collaborando con un produttore dotato di una vasta gamma di tecnologie standard, oltre che di una notevole esperienza in termini di progettazione di sistemi personalizzati, è possibile adattare un sistema di raffreddamento standard o idearne uno completamente su misura con una proposta di valore migliore.
Se un sistema di raffreddamento standard o leggermente modificato è in grado di rispondere alle esigenze, in genere è una soluzione più economica rispetto alla progettazione di un sistema totalmente personalizzato. Tuttavia, se è necessario un sistema di raffreddamento modificato o su misura, è importante coinvolgere il produttore sin dalle prime fasi della progettazione e valutare i fattori di costo, poiché i costi possono risultare alquanto variabili.
Nel caso dei sistemi di raffreddamento personalizzati, i costi iniziali di progettazione non ricorrenti necessari per rispettare le specifiche in termini di design possono essere molto elevati. Tra le specifiche che possono contribuire a innalzare i costi dei materiali ingegneristici e del montaggio vi sono la tipologia di sistema di raffreddamento, l'uso di componenti interni personalizzati o standard, la posizione e la distanza tra i componenti interni, i regolatori di numerosi sensori e strumenti, esigenze particolari in termini di potenza, la compatibilità con alcuni refrigeranti e l'autorizzazione degli enti preposti.
Sistemi di raffreddamento ambiente, sistemi di raffreddamento da liquido a liquido o refrigeratori a ricircolo
I sistemi di raffreddamento ambiente come, ad esempio, i sistemi modulari a liquido, garantiscono prestazioni affidabili in termini di raffreddamento per applicazioni che non prevedono una regolazione precisa della temperatura e una temperatura inferiore a quella ambiente. I sistemi di raffreddamento modificati sono costituiti da uno scambiatore di calore ad alte prestazioni con ventola, pompa e serbatoio integrati in un resistente chassis in metallo (figura 1). I sistemi di raffreddamento modificati solitamente sono in grado di gestire fino a 3,5 kW. Anche i sistemi di raffreddamento da liquido a liquido dispongono di scambiatore di calore, pompa e serbatoio inseriti in un chassis. Tuttavia, i sistemi di raffreddamento a liquido possono offrire una regolazione precisa della temperatura dell'acqua di processo e trasferiscono il calore di scarto all'acqua dell'impianto tramite uno scambiatore di calore da liquido a liquido (figura 2). If facility water is not available and precise temperature control or cooling below ambient temperature is needed, a good solution is a recirculating chiller.
Gli LCS standard e i refrigeratori a ricircolo comportano costi simili, in base alle dimensioni e alle opzioni selezionate. Tuttavia, gli LCS standard hanno una capacità di raffreddamento massima di 20 kW, mentre quella dei refrigeratori a ricircolo standard è di 825-95 kW. Indipendentemente dal tipo di sistema di raffreddamento, se sono necessari sistemi di raffreddamento standard modificati o personalizzati è importante sottolineare che probabilmente l'azienda produttrice richiederà un ordine minimo.
Componenti interni personalizzati
Anche nei sistemi di raffreddamento personalizzati, tutti i componenti interni sono virtualmente prodotti standard. Considerata la vasta gamma di scambiatori di calore, pompe, serbatoi e ventole disponibili sul mercato, è raro che non vi sia un componente già progettato e realizzato adatto a un determinato sistema di raffreddamento. Se è necessario un componente interno personalizzato, il processo comporta ulteriori fasi di progettazione tecnica e produzione, quindi costi aggiuntivi (per maggiori informazioni sugli scambiatori di calore personalizzati, consulta "Fattori di costo della produzione di scambiatori di calore").
Posizione e distanza tra i componenti interni
A differenza della necessità di reperire componenti interni personalizzati, uno dei requisiti comuni dei sistemi di raffreddamento su misura è garantire una capacità di raffreddamento molto elevata in spazi estremamente ridotti. Per ottenere questo risultato diminuendo la distanza tra i componenti e/o scegliendo componenti più piccoli ed efficienti. Tuttavia, minore è la distanza tra i componenti all'interno del chassis del sistema di raffreddamento, più sarà complesso il processo di progettazione e produzione. A volte, inoltre, un sistema più compatto comporta maggiori difficoltà durante la manutenzione. Nel caso di componenti meno distanti tra loro, il flusso d'aria è ridotto e pertanto le prestazioni sono inferiori. È quindi necessario utilizzare una ventola più potente o uno scambiatore di calore più efficace. Inoltre, modificando la posizione o la distanza tra i componenti, bisognerà verificare la presenza di eventuali cali di pressione, oltre che controllare i collegamenti e altri aspetti della progettazione, per ottenere un prodotto affidabile in grado di rispettare o superare le aspettative.
Regolatori dei sensori e strumentazione
I regolatori consentono di monitorare i sistemi di raffreddamento con vari metodi, mediante visualizzazione o trasferimento di dati su un computer in remoto. I refrigeratori a ricircolo standard sono dotati di display della temperatura, offset di calibrazione, spegnimento in caso di bassa portata, riavvio automatico, pulsante °C/°F, allarme sonoro, allarme silenzioso, rilevamento della pressione digitale, indicatore di livello basso e di temperatura alta/bassa, display della pressione, spegnimento in caso di guasto (interruttore on/off) e contatti di relè. I regolatori dei sistemi LCS offrono un display della temperatura, un pulsante °C/°F, un indicatore di sovratemperatura, di livello basso e di bassa portata, l'offset di calibrazione e un'uscita analogica. Se sono necessari ulteriori sensori e strumentazione, il costo del regolatore può aumentare notevolmente. Nei sistemi di raffreddamento personalizzati, un regolatore non standard può essere uno dei componenti più costosi. È vivamente consigliato valutare i costi e i benefici di ogni requisito dei sensori e della strumentazione. Ad esempio, nel caso della deionizzazione è necessario rilevare il valore esatto o basta impostare un allarme in caso di raggiungimento della soglia? Un allarme è meno costoso di un lettore digitale di precisione. Lo stesso vale per il flusso, la pressione e la temperatura. Per alcune applicazioni vale invece la pena investire su sensori e strumenti aggiuntivi in grado di garantire una maggiore protezione del sistema di raffreddamento e delle attrezzature raffreddate, che possono valere migliaia o anche milioni di dollari.
Esigenze particolari in termini di potenza
Come per il regolatore, è importante stabilire se le esigenze particolari in termini di potenza per l'applicazione desiderata giustificano i costi aggiuntivi. Le configurazioni elettriche disponibili con i sistemi di raffreddamento standard sono adatte alla maggior parte delle applicazioni. Le opzioni di configurazione della potenza più versatili, ad esempio per il funzionamento a due frequenze, sono più costose. Potrebbe essere più conveniente produrre due o più tipologie di sistemi di raffreddamento personalizzati da usare in posizioni diverse, piuttosto che un solo sistema universale.
Compatibilità con alcuni refrigeranti
I sistemi di raffreddamento modulari standard sono compatibili con una vasta gamma di refrigeranti, tra cui acqua, acqua deionizzata, oli e soluzioni a base di glicol etilenico. Gli LCS standard sono compatibili con acqua, acqua deionizzata e soluzioni a base di glicol etilenico. I refrigeratori a ricircolo standard sono compatibili con acqua, acqua deionizzata, polialfaolefine (PAO) e soluzioni a base di glicol etilenico, i refrigeratori XT standard sono compatibili con vari fluidi, in base alla temperatura operativa, tra cui HFE-7100, HFE-7500, Baysilone® Fluid M 20 e soluzioni a base di acqua pulita e glicol etilenico o glicol propilenico, mentre i refrigeratori a ricircolo XL e RM standard sono compatibili con soluzioni a base di acqua pulita e glicol etilenico o glicol propilenico. Se è necessario utilizzare altri refrigeranti, è bene valutare tutti i materiali a contatto con il liquido per ridurre al minimo la corrosione e garantire prestazioni di sistema ottimali. Il design di un sistema di raffreddamento che sia compatibile con altri refrigeranti potrebbe richiedere ulteriori fasi di progettazione tecnica e componenti non standard, come tubazioni o pompe speciali. Le soluzioni a base di glicol etilenico e l'acqua hanno una compatibilità elevata e sono le più semplici dal punto di vista della progettazione, mentre PAO e Fluorinert™ comportano maggiori difficoltà e costi.
Autorizzazione degli enti preposti
Un'altra specifica piuttosto costosa è la progettazione di un sistema di raffreddamento personalizzato per cui è necessaria l'autorizzazione degli enti preposti. La maggior parte dei sistemi di raffreddamento standard è certificata CE e testata ITSNA per UL 61010-1 o testata MET per UL 1995. Tuttavia, per verificare che un nuovo modello sia autorizzato dagli enti competenti sono necessarie ulteriori fasi di progettazione e controllo della qualità, tra cui nuovi test dei sistemi personalizzati.
Più complessi o insoliti sono i requisiti del sistema di raffreddamento, maggiori saranno le fasi di progettazione tecnica e, probabilmente, anche i costi. Nel caso dei sistemi personalizzati, i tempi di progettazione necessari per rispettare le specifiche solitamente comportano un costo iniziale notevole e, in particolare, i regolatori non standard rappresentano il costo ricorrente più elevato. Il costo di un sistema di raffreddamento modificato o personalizzato può variare di migliaia di dollari, quindi è fondamentale essere consapevoli delle specifiche di progettazione che influiscono su di esso. Capire quali sono le tipologie di sistemi di raffreddamento disponibili, in che modo i componenti standard velocizzano la progettazione e la produzione, quando non conviene spendere di più per risparmiare spazio e quali sensori e strumenti sono elementi essenziali o accessori può fare la differenza. Inoltre, è importante considerare la scelta del refrigerante, i requisiti in termini di potenza e l'autorizzazione degli enti preposti.
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