I migliori fluidi di trasferimento di calore per sistemi di raffreddamento a liquido


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Un'introduzione ai liquidi più comuni per sistemi di raffreddamento



Una volta determinato il liquido la soluzione, sai quale fluido di trasferimento del calore usare? Uno dei fattori più importanti quando si sceglie una tecnologia di raffreddamento a liquido per l'applicazione è la compatibilità del fluido di trasferimento del calore con le superfici bagnate dei componenti di raffreddamento (come piastre fredde liquide o scambiatori di calore) o sistema e l'applicazione. La compatibilità del liquido utilizzato per trasferire il calore è fondamentale per garantire l'affidabilità a lungo termine del sistema. I requisiti che il liquido di trasferimento del calore deve possedere comprendono: conduttività termica e calore specifico elevati, bassa viscosità, basso punto di congelamento, alto punto d’infiammabilità, bassa corrosività, bassa tossicità e stabilità termica 1. 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


Per ridurre al minimo i rischi di corrosione e ottimizzare le prestazioni termiche è opportuno che il fluido di trasferimento del calore e i materiali a contatto con il liquido siano compatibili. Il rame è compatibile con l'acqua e con soluzioni di acqua glicolata, mentre l'alluminio è compatibile con soluzioni di acqua glicolata, fluidi dielettrici e oli. Tuttavia, quando si utilizza l'acqua deionizzata o altri liquidi corrosivi, l'acciaio inossidabile è generalmente più consigliato in quanto offre una maggiore resistenza alla corrosione rispetto agli altri metalli. (Vedere tabella 1). La maggior parte dei sistemi di raffreddamento sono compatibili con l'acqua o con soluzioni di acqua glicolata. Per la compatibilità con l'acqua deionizzata o con fluidi dielettrici come la polialfaolefina (PAO) è necessario invece un impianto idraulico speciale.

Tabella 1

Compatibilità tra materiali e fluidi

Acqua

Glicole

Acqua deionizzata

Fluidi dielettrici (Fluorinert, PAO)

Rame

X

X

X

Alluminio

X

X

Acciaio inossidabile

X

X

X

X




Acqua

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. 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. È importante tuttavia tenere presente che le acque pubbliche e l'acqua del rubinetto non sono di solito trattate e è quindi più probabile che contengano impurità che possono corrodere il circuito di raffreddamento a liquido e intasare i condotti del fluido. Per ridurre al minimo la corrosione e ottimizzare le prestazioni termiche è pertanto consigliabile utilizzare acqua di alta qualità.

La composizione chimica dell'acqua ha un effetto considerevole sulla sua capacità di corrosione. Il cloruro, ad esempio, è comunemente presente nell'acqua del rubinetto e può essere corrosivo. 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. È necessario prendere in considerazione anche i livelli di calcio e di magnesio dell'acqua, in quanto sia il calcio che il magnesio tendono a formare incrostazioni sulle superfici metalliche che riducono le prestazioni termiche dei componenti. (Vedere tabella 2).

Tabella 2

Requisiti minimi per una buona qualità dell'acqua2

Minerale

Limite consigliato

Calcio

< 50 ppm

Magnesio

< 50 ppm

Durezza totale

< 100 ppm (5 grani)

Cloruro

< 25 ppm

Solfato

< 25 ppm



Se si rileva la presenza di elevate percentuali di minerali, sali o altre impurità nelle acque pubbliche o nell'acqua del rubinetto, l'acqua può essere filtrata; in alternativa, è possibile acquistare acqua deionizzata. Anche se le acque pubbliche e l'acqua del rubinetto sono relativamente pure e rispettano i limiti suggeriti, è comunque consigliabile, per una maggiore protezione, l'aggiunta di un inibitore di corrosione. Il fosfato è un efficace inibitore di corrosione per i componenti in acciaio inox e per la maggior parte di quelli in alluminio. È anche efficace per tenere sotto controllo il pH. Lo svantaggio del fosfato è che precipita legandosi al calcio in acque dure. 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. L'acqua deionizzata ha una resistività più alta rispetto all'acqua e alla maggior parte dei fluidi, pertanto è un eccellente isolante ed è utilizzata nella produzione di componenti elettrici le cui parti devono essere elettricamente isolate. Tuttavia, con l'aumento della resistività si verifica anche un aumento della corrosività. Il pH dell'acqua deionizzata è vicino a 7.0, ma diventa rapidamente più acido quando l'acqua entra in contatto con l'aria. Il diossido di carbonio presente nell'aria si dissolve nell'acqua introducendo ioni e portando il pH a circa 5.0. Quando si utilizza acqua pressoché pura è necessario utilizzare un inibitore di corrosione. Nell'utilizzo in refrigeratori a ricircolo è necessario un circuito con condutture speciali per acqua a elevata purezza. La raccorderia dovrebbe essere nichelata e gli evaporatori brasati al nichel. Quando si utilizza acqua deionizzata in cold o scambiatori di calore, si consiglia un tubo in acciaio inossidabile.




Soluzioni acquose a base di glicole inibito

I due tipi di glicole più comunemente utilizzati per le applicazioni raffreddamento deiliquidi sono il glicole etilenico e l'acqua (EGW) e le soluzioni di glicole propilenico e acqua (PGW). 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. Possiede inoltre una bassa viscosità e ha perciò requisiti di pompaggio più bassi. Sebbene la soluzione acquosa a base di glicole etilenico abbia proprietà migliori di quella con glicole propilenico, il glicole propilenico può essere utilizzato in situazioni dove la tossicità potrebbe rappresentare un problema. Le soluzioni PWG sono infatti ritenute generalmente sicure per l'uso nell'industria alimentare e possono essere impiegate anche in luoghi chiusi3.

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. Di fatto, il glicole etilene è l'antigelo utilizzato nell'industria automobilistica. Tuttavia, automotivo il glicole non deve essere utilizzato in un sistema di raffreddamento o in uno scambiatore di calore perché contiene inibitori della ruggine a base di silicati. Questo tipo di inibitori può deteriorarsi e gelificare, ricoprendo le superfici dello scambiatore di calore e riducendone l'efficienza. Silicati hanno anche dimostrato di ridurre significativamente la durata della vita delle di pompa. Mentre gli inibitori sbagliati possono causare problemi significativi, gli inibitori giusti possono prevenire la corrosione e prolungare significativamente la vita di un ciclo di raffreddamento liquide. L'utilizzo di glicoli inibiti è consigliabile rispetto a quello di glicoli non inibiti. I glicoli inibiti possono essere acquistati da aziende quali Dynalene, Houghton Chemical e Dow Chemical Company.

All'aumento della concentrazione di glicole nella soluzione corrisponde una diminuzione delle prestazioni termiche del fluido di trasferimento del calore. La soluzione migliore è utilizzare la concentrazione più bassa possibile di glicole inibito che garantisca la protezione dalla corrosione e dal gelo. Dow Chemical consiglia una concentrazione minima della soluzione a base di glicole etilenico del 25-30%4. A questa concentrazione minima il glicole etilenico svolge anche la funzione di battericida e fungicida. Con refrigeratori a ricircolo, una soluzione di glicole etilenico al 30% causa una diminuzione delle prestazioni termiche di appena il 3% rispetto all'utilizzo della sola acqua, ma fornisce in più una protezione contro corrosione e gelo fino a una temperatura di -15°C (5°F).

Anche la qualità dell'acqua utilizzata nella soluzione di glicole è importante. Anche se si utilizza glicole inibito, l'acqua utilizzata dovrebbe rimanere entro i limiti indicati nella tabella 2. Gli ioni presenti nell'acqua impediscono all'inibitore di rimanere in soluzione provocando deterioramenti e corrosione.




Fluidi dielettrici

Mentre l'industria alimentare potrebbe avere maggiori probabilità di selezionare PGW su EGW per il trasferimento di calore, l'industria dell'elettronica di potenza, del laser e dei semiconduttori potrebbe avere maggiori probabilità di scegliere fluidi dielettrici rispetto all'acqua. I fluidi dielettrici non sono conduttori e sono perciò preferibili all'acqua in applicazioni in cui sono presenti componenti elettronici delicati. 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. Si deve tenere presente, però, che l'acqua ha una conducibilità termica di circa 0,59 W/m°C (0,34 BTU/hr ft °F) mentre il Fluorinert™ FC-77 ha una conducibilità termica di soli 0,06 W/m°C (0,04 BTU/hr ft °F).5 Il Fluorinert™ è inoltre molto più costoso dell'acqua deionizzata.

Il PAO è un idrocarburo sintetico usato frequentemente nelle applicazioni militari e aerospazio per le sue proprietà dielettriche e l'ampia gamma di temperature di esercizio. I radar di puntamento dei moderni caccia militari, per esempio, utilizzano sistemi di raffreddamento a liquido con polialfaolefine. Per eseguire dei test su piastre a freddo e scambiatori di calore che utilizzeranno PAO come fluido di trasferimento del calore, sono disponibili anche refrigeratori a ricircolo compatibili con le polialfaolefine. Le polialfaolefine hanno una conducibilità termica di 0,14 W/m°C (0,08 BTU/hr ft °F). Quindi, nonostante i fluidi dielettrici siano più sicuri quando impiegati in sistemi di raffreddamento a liquido in cui sono presenti componenti elettronici, hanno anche una conducibilità termica generalmente molto inferiore rispetto all'acqua e alla maggior parte delle soluzioni acquose.

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. Per ulteriori informazioni sulle tecnologie di raffreddamento a liquido e sul fluido di lavoro corretto da utilizzare nel sistema, contattare Aavid, Thermal Division di Boyd Corporation.

1 Mohapatra, Satish C., "An Overview of Liquid Coolants for Electronics Cooling," ElectronicsCooling, maggio 2006, p. 22.

2 The Dow Chemical Company, "The Importance of Using Good-Quality Water in Heat Transfer Fluid Solutions," www.Dow.com , Modulo N°180-01396-1099QRP, ottobre 1999.

3 The Dow Chemical Company, "How to Choose the Right Heat Transfer Fluid", Process Heating, gennaio 2008, Troy, MI, p. 52.

4 The Dow Chemical Company, "Engineering and Operating Guide for DOWTHERM SR-1 AND DOWTHERM 4000 Inhibited Ethylene Glycol-based Heat Transfer Fluids", www.Dow.com , Form N° 180-1190-0901 AMS, settembre 2001, p. 6.

5 3M, "3M Fluorinert™ Electronic Liquid FC-77", www.3M.com , 98-0212-2309-8 (HB), maggio 2000, p. 1.