Una vez que haya determinado que la refrigeración líquida es la solución, ¿sabe qué fluido de transferencia de calor usar? 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.
Introducción a líquidos comunes para sistemas de refrigeración
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. Según estos criterios, los refrigerantes que se utilizan con más frecuencia para aplicaciones de refrigeración líquida en la actualidad son:
- Agua
- Agua desionizada
- Soluciones de agua y glicol inhibido
- Fluidos dieléctricos
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).
Compatibilidad de fluidos y materiales
| Metal | Agua | Glicol | Deionized | Fluidos dieléctricos (Fluorinert, PAO) |
|---|---|---|---|---|
| Cobre | X | X | X | |
| Aluminio | X | X | ||
| Acero inoxidable | X | X | X | X |
Water as a Heat Transfer Fluid
El agua es una de las mejores opciones para aplicaciones de refrigeración líquida debido a su alta capacidad calorífica y conductividad térmica. También es compatible con el cobre, que es uno de los mejores materiales de transferencia de calor para usar en la trayectoria de su fluido.
Facility Water or Tap Water
El agua para refrigeración líquida proviene de diferentes fuentes. El agua del grifo, por ejemplo, proviene de una instalación de tratamiento de agua de propiedad pública o de un pozo. El beneficio de usar agua de una instalación o del grifo es que está fácilmente disponible y es económica. 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 capacidad del agua para corroer el metal puede variar considerablemente según su composición química. Corrosive chloride is commonly found in tap water. El agua de una instalación o del grifo no debe usarse en circuitos de refrigeración líquida si contiene más de 25 PPM de cloruro.
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
| Mineral | Límite recomendado |
|---|---|
| Calcio | < 50 ppm |
| Cloruro | < 25 ppm |
| Magnesio | < 50 ppm |
| Sulfato | < 25 ppm |
| Dureza total | < 100 ppm (5 granos) |
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. El fosfato es un inhibidor de corrosión eficaz para el acero inoxidable y la mayoría de los componentes de aluminio. It's also effective for pH control. One disadvantage of phosphate is that it precipitates with calcium in hard water. Para el cobre y el latón, el toliltriazol es un inhibidor de corrosión común y altamente eficaz. Para el aluminio, los ácidos orgánicos como el 2-etilhexanoico o el ácido sebácico ofrecen protección.
Agua desionizada
El agua desionizada es agua a la que se le han eliminado sus iones, incluidos el sodio, calcio, hierro, cobre, cloruro y bromuro. El proceso de desionización elimina los minerales nocivos, las sales y otras impurezas que pueden provocar corrosión o formación de sarro. 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
Sin embargo, a medida que aumenta la resistividad del agua, también aumenta su corrosividad. Deionized water is approximately pH 7.0 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. Los accesorios deben estar niquelados y los evaporadores deben estar soldados con níquel. When using deionized water in cold plates or heat exchangers, stainless steel tubing is recommended.
Pros to Deionized Water in Liquid Cooling Systems
El agua del grifo satisface las necesidades de la mayoría de las aplicaciones de refrigeración líquida. Sin embargo, el agua desionizada (DI) tiene propiedades químicas y eléctricas que la convierten en la opción óptima para enfriar cuando el circuito líquido contiene micro-canales o cuando se trata de electrónica sensible.
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.
Cómo utilizar agua desionizada en un sistema de refrigeración líquida
Applications that need DI water are found in industries such as:
- Equipo médico
- Instrumentación de laboratorio
- Pharmaceutical production and food processing
- cosmético
- Fabricación de semiconductores
- 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
El cobre y muchos otros materiales comunes no son compatibles con el agua di y la contaminarán. Al diseñar un sistema con agua DI, asegúrese de especificar materiales compatibles con DI como acero inoxidable o níquel.
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. Por último, para mantener la pureza del agua di, se debe incluir un cartucho de desionización. Al igual que con todos los consumibles, el cartucho DI debe reemplazarse periódicamente.
In summary, many types of equipment and applications require DI water-cooled systems. Cuando están debidamente diseñados y mantenidos, estos sistemas pueden proporcionar refrigeración confiable y funcionamiento sin fugas durante muchos años.
Inhibited Glycol and Water Solutions in Liquid Cooling
The two types of glycol most commonly used for liquid cooling applications are ethylene glycol and water (EGW) and propylene glycol and water (PGW) solutions.
Ethylene Glycol and Water
El etilenglicol tiene propiedades térmicas deseables que incluyen un alto punto de ebullición, bajo punto de congelación, estabilidad en un amplio rango de temperaturas y altos niveles de calor y conductividad térmica específicos. It also has low viscosity, meaning reduced pumping requirements. Aunque la conductividad térmica de la solución de EGW no es tan alta como la del agua, proporciona protección contra la congelación que puede ser beneficiosa durante el uso o el envío.
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. However, automotive glycol should not be used in a cooling system or heat exchanger because it contains silicate-based rust inhibitors. Estos inhibidores pueden gelificarse y ensuciarse, recubriendo así las superficies del intercambiador de calor y reduciendo su eficiencia. Silicates have also been shown to significantly reduce the lifespan of pump seals.
Choosing the Right Rust Inhibitor for Glycol and Water Solutions
While the wrong inhibitors can cause significant problems, the right inhibitors can prevent corrosion and significantly prolong the life of a liquid cooling loop. 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
La calidad del agua utilizada en la solución de glicol también es importante. The water should meet or exceed the limits specified in the Recommended Mineral Limit table, even if you're using an inhibited glycol. Los iones en el agua pueden hacer que la solución pierda el inhibidor, lo que resultará en impurezas y corrosión.
Agregar glicol a su refrigerante líquido
When Is It Necessary to Add Glycol in Your Coolant?
Boyd recomienda usar una mezcla de glicol y agua en una proporción de 30/70 con sus refrigeradores de recirculación siempre que el punto de ajuste de la temperatura del refrigerante sea inferior a 10 °C (48 °F). El glicol reduce el punto de congelación de la mezcla *(Figura 1). Agregar glicol a su líquido refrigerante reduce el punto de congelación del mismo a aproximadamente -34 °C, previniendo cualquier riesgo de daños a su refrigerador provocados por congelación.
El glicol no transfiere el calor tan bien como el agua pura (Figuras 2 y 3). So if there is no risk of freezing, use 100% water as adding glycol to your system will decrease performance. Sin embargo, cuando el punto de ajuste está por debajo de 10 °C (48 °F) existe el riesgo de congelación y se debe agregar glicol al agua. La ligera disminución en el rendimiento es una compensación necesaria para permitir de manera segura el punto de ajuste de temperatura más bajo.
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. Luego, este refrigerante debe volver a la temperatura de punto de ajuste al pasar por un intercambiador de calor llamado evaporador.
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 es generalmente de 5 °C a 10 °C más baja que la temperatura del líquido refrigerante para permitir que fluya el calor. En consecuencia, si el punto de ajuste de temperatura está por debajo de 10 °C (48 °F), la temperatura del refrigerante puede estar cerca o incluso por debajo del punto de congelación del agua. Si el líquido refrigerante se congela, el evaporador puede obstruirse, impidiendo el flujo de agua. Water expands as it freezes, which can permanently damage the evaporator.
Fluidos dieléctricos
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
Los carbones perfluorados, como el fluido dieléctrico Fluorinert™ de 3M, son no inflamables, no explosivos y térmicamente estables en una amplia gama de temperaturas de funcionamiento. Aunque el agua desionizada tampoco es conductora, Fluorinert™ es menos corrosivo que el agua desionizada y, por lo tanto, puede ser una mejor opción para algunas aplicaciones. However, water has a thermal conductivity of approximately 0.59 W/m°C (0.341 BTU/hr ft °F), while Fluorinert™ FC-77 has a thermal conductivity of only about 0.063 W/m°C (0.036 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. Por ejemplo, los radares de control de incendios de los aviones de combate actuales tienen refrigeración líquida que utiliza PAO. Boyd has PAO compatible recirculating chillers for testing cold plates and heat exchangers that will use PAO in their final application. La PAO tiene una conductividad térmica de 0.14 W/m °C (0.081 BTU/h 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
El agua, el agua desionizada, las soluciones de glicol/agua y los fluidos dieléctricos como los fluorocarbonos y la PAO son los fluidos de transferencia de calor que se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones de refrigeración líquida de alto rendimiento. Es importante elegir un fluido de transferencia de calor que sea compatible con su trayectoria de fluido, que ofrezca protección contra la corrosión o riesgo mínimo de corrosión, y que cumpla con los requisitos específicos de su aplicación. Con la química adecuada, su fluido de transferencia de calor puede proporcionar un enfriamiento muy efectivo para su circuito de refrigeración líquida.
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