Los sistemas integrados se están volviendo más complejos, ya que procesan y analizan una creciente cantidad de sensores y señales. El resultado de esta mayor demanda informática a menudo se traduce en cargas de calor electrónicas más altas y concentradas.
Cómo diseñar un sistema de refrigeración líquida para un control térmico de sistemas de alto rendimiento
Dado que el calor excesivo compromete la confiabilidad de los sistemas, la refrigeración por aire ya no resulta adecuada para algunas aplicaciones. Muchos ingenieros están recurriendo a la refrigeración líquida para eliminar el calor.
Las complejidades de diseñar un sistema de refrigeración líquida pueden resultar intimidantes para quienes no están familiarizados con este conjunto de tecnologías. Although selecting thermal components for a liquid cooling loop is relatively straightforward, there are other considerations or nuances that can be overlooked. Estas incluyen la compatibilidad de los materiales, la prevención de la corrosión, el control de la condensación, la posición del circuito de refrigeración líquida, el uso de piezas, juntas, accesorios y conectores estándar o personalizados, y las tareas de mantenimiento y servicio.
Por lo general, un circuito de refrigeración líquida consta de una placa de refrigeración líquida, una bomba, un intercambiador de calor, y tuberías y mangueras (Figura 1). La placa genera calor residual, el cual se transfiere desde la placa a la placa termoconductora y luego al refrigerante líquido que fluye a través de la placa fría. Por lo general, la trayectoria del fluido coincide con los puntos calientes de la placa. Luego, el refrigerante calentado es bombeado a través del intercambiador de calor, donde el calor se traslada del refrigerante al aire ambiente o, en el caso de los intercambiadores de calor de líquido a líquido, a otro refrigerante líquido. Posteriormente, el refrigerante enfriado fluye por las tuberías o mangueras para retornar a la placa fría y completar así el circuito de refrigeración. En condiciones normales de funcionamiento, el refrigerante líquido fluye continuamente a través del circuito de refrigeración líquida para mantener la placa fría.
Compatibilidad de los materiales
Dado que todos los materiales y el fluido del circuito de refrigeración líquida deben trabajar en conjunto como un sistema, deben ser compatibles entre sí y se los debería seleccionar al mismo tiempo. El cobre es adecuado para la mayoría de las aplicaciones, ya que ofrece una excelente conductividad térmica y es compatible con la mayoría de los fluidos no corrosivos. El aluminio es compatible con fluidos como la polialfaolefina (PAO), el aceite, el etilenglicol y soluciones de agua (EGW), así como con el Fluorinert™, un fluido de perfluorocarbono inerte eléctricamente aislante fabricado por 3M y utilizado en muchas aplicaciones de refrigeración de componentes electrónicos. El acero inoxidable es compatible con la mayoría de los fluidos, incluidos los fluidos corrosivos como el agua desionizada. Varios fluidos diferentes son compatibles con diversos materiales estándar de placas frías e intercambiadores de calor (Figura 2).
Figura 2: Varios fluidos son compatibles con una variedad de materiales estándar de placas frías e intercambiadores de calor
La mayoría de los refrigerantes líquidos también necesitan un pequeño porcentaje de aditivos para inhibir la corrosión y lubricar la bomba. Sin embargo, es importante tener en cuenta que los inhibidores de corrosión pueden volverse ineficaces por la presencia de materiales incompatibles en otras partes del sistema, por lo que esto también debe evaluarse. Los biocidas, alguicidas y los ajustes de pH también pueden ser útiles para el mantenimiento de su sistema en función del refrigerante líquido seleccionado.
| Compatibilidad de materiales y fluidos de transferencia | Agua | EGW | Agua desionizada | Aceite | Fluidos dieléctricos (p. ej., Fluorinert™) | Polialfaolefina (PAO) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tuberías de cobre | X | X | ||||
| Tuberías de acero inoxidable | X | X | X | |||
| Tubo plano o aleta de placa de aluminio | X | X | X | X | ||
| Tubo plano de cobre, grabado en cobre o soldado con cobre | X | X | X | X | X | |
| Mecanizado | X |
Prevención de la corrosión
La corrosión puede causar problemas en dos formas diferentes. El material no solo puede corroerse, lo que producirá fugas, sino que además el material corroído puede depositarse en otras partes del sistema y bloquear los conductos de fluido o los filtros. Esto puede generar una caída de presión que reduzca el flujo de refrigerante. Además, si la deposición se produce en superficies activas de transferencia de calor, la resistencia térmica adicional provocada por los residuos puede ocasionar el aumento de las temperaturas.
Tanto la corrosión galvánica como la erosión-corrosión deben reducirse al mínimo en los circuitos de refrigeración líquida. La corrosión galvánica ocurre cuando metales distintos están en contacto eléctrico entre sí en presencia de un electrolito como un líquido conductor. La mayoría de los refrigerantes a base de agua son electrolíticos en cierta medida. Para evitar la corrosión galvánica, el circuito debe diseñarse con materiales similares en todo el sistema, idealmente con un mismo metal, o debe usarse un fluido no conductor. Se deben considerar los potenciales galvánicos de todos los materiales del sistema. Esto incluye no solo los componentes térmicos principales, sino también todos los conectores, accesorios, válvulas y uniones en la trayectoria del fluido.
La erosión-corrosión es la aceleración en la tasa de corrosión del metal debido al movimiento relativo de un fluido y una superficie metálica. Suele darse con mayor frecuencia en curvas y codos de tuberías, estrangulamiento de tubos y otras estructuras que alteran la dirección o velocidad del flujo. La erosión-corrosión es más frecuente en las aleaciones blandas, como el cobre y el aluminio.
Algunos métodos para reducir al mínimo la erosión-corrosión incluyen hacer que las curvas tengan ángulos más amplios, cambiar el diámetro de las tuberías gradualmente en lugar de hacerlo de forma abrupta, y mejorar las líneas de flujo dentro de la tubería al desbarbar, es decir, suavizar las irregularidades. Otros métodos incluyen reducir la cantidad de oxígeno disuelto, modificar el pH y cambiar el material de la tubería por un metal o aleación diferente. Consulte nuestras notas de aplicación "Erosión-corrosión en sistemas de enfriamiento" y "Cómo evitar la corrosión galvánica" para obtener más información sobre corrosión.
Condensación y diseño de circuito de refrigeración líquida
Además de reducir al mínimo la corrosión, es importante minimizar o evitar la condensación. Uno de los riesgos de usar refrigerantes por debajo de la temperatura ambiente es que se puede formar condensación en las superficies frías. Esta condensación puede gotear sobre los componentes electrónicos o acumularse en la parte inferior del sistema y provocar corrosión. Para evitar la condensación, es posible mantener la temperatura de la superficie por encima del punto de rocío ambiente, ya sea aislando estas superficies o usando temperaturas de fluido más altas. Boyd ofrece una variedad de materiales aislantes como la espuma SOLIMIDE® para mantener la temperatura de las líneas y prevenir la condensación y daños potenciales.
En un circuito de refrigeración líquida diseñado correctamente y con el mantenimiento adecuado, es muy poco probable que se produzcan fugas. No obstante, para reducir al mínimo el efecto de cualquier fuga potencial, el depósito y el circuito de líquido pueden ubicarse por debajo de los componentes electrónicos que producirían un cortocircuito si el refrigerante o condensado goteara o se rociara sobre ellos. Otras opciones incluyen la instalación de una protección o barrera para líquidos sobre los componentes de alto voltaje del sistema eléctrico.
Al diseñar un circuito de refrigeración líquida, también existe la opción de utilizar piezas estándar o personalizadas. Cada alternativa tiene ventajas y desventajas. Las piezas estándar se consiguen fácilmente si es necesario reemplazarlas. Las piezas personalizadas, por otra parte, son optimizadas en función del tamaño, rendimiento y requisitos de los dispositivos de la aplicación. Sin embargo, tendrán ciclos de fabricación más prolongados y pueden tener un costo más alto.
Juntas, accesorios y conectores
The number of joints in the cold plate or heat exchanger is important. Cuando hay más juntas que deben soldarse, existe un mayor riesgo de fugas. Es importante asegurarse de que el fabricante sea capaz de generar soldaduras de alta calidad, implemente procedimientos de prueba adecuados y elimine cualquier punto de soldadura innecesario dentro de los componentes personalizados.
Para evitar fugas, se deben seleccionar y utilizar correctamente los accesorios adecuados. Para lograr una junta sin fugas, se acopla un conector de tubo con reborde a una manguera que está asegurada con una abrazadera. Por lo general, es preferible optar por tuberías rígidas en lugar de mangueras, pero las mangueras pueden usarse en entornos donde los sistemas están expuestos a golpes o vibraciones. Se puede soldar una unidad con un conector de tubo recto al sistema o se la puede usar con un conector autobloqueante y sin torque. Con un acople de desconexión rápida que no sea a prueba de goteo, deberá prever la caída ocasional de líquido al conectar o desconectar los accesorios. Para obtener más información, consulte nuestra nota de aplicación sobre "Cómo elegir un acople de desconexión rápida".
Otra opción es utilizar accesorios con junta tórica fabricados conforme a las especificaciones de materiales de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE, por sus siglas en inglés) o aquellos fabricados según las especificaciones militares. Estos accesorios están disponibles en diferentes materiales y tamaños, y ofrecen un sello confiable sin fugas. La cartera y la experiencia de Boyd en juntas tóricas pueden ayudarlo a seleccionar el material, las certificaciones y el tamaño adecuados rápidamente para ayudar a prevenir fugas dentro de su sistema.
Mantenimiento y servicio
Aunque las tareas de mantenimiento y servicio pueden ser lo último que los ingenieros consideren al diseñar un circuito de refrigeración líquida, incluir esta consideración en el proceso de diseño ayudará a reducir los problemas a largo plazo. Es necesario responder varios tipos diferentes de preguntas.
Por ejemplo:
- ¿La bomba necesitará lubricación durante su vida útil o el refrigerante cumplirá esa función?
- ¿Será necesario rellenar el depósito de fluido?
- ¿Qué componentes se pueden reemplazar en el campo?
- ¿Cuál es el cronograma de mantenimiento?
- ¿Qué es la vida útil requerida de la bomba?
- Si es necesario reemplazar la bomba, ¿cómo se carga el sistema y se lo pone en marcha?
Otras preguntas hacen referencia a lo que debe hacer el usuario para que el sistema vuelva a funcionar.
- ¿Es necesario quitar los componentes electrónicos y la placa fría, o solo los componentes electrónicos? ¿Ambos pueden quitarse y reemplazarse fácilmente con solo colocar un repuesto nuevo?
- Si se reemplaza la placa fría, ¿esta se enviará con fluido refrigerante?
- ¿El OEM envía el sistema o la unidad reemplazable en campo llena de fluido?
- Si es así, la congelación del fluido puede ser un inconveniente, por ejemplo en las bodegas de carga de los aviones donde la temperatura baja mucho.
Los miembros de los equipos de diseño, operaciones y mantenimiento son quienes deben considerar estas preguntas. Hacer que todas las personas afectadas participen de la decisión ayudará a garantizar operaciones sin problemas en el futuro.
Al diseñar un circuito de refrigeración líquida modificado estándar o personalizado, se deben considerar los siguientes factores: compatibilidad de los materiales, prevención de la corrosión, control de la condensación, posición del circuito de refrigeración líquida, uso de piezas, juntas, accesorios y conectores estándar o personalizados, y requisitos de mantenimiento y servicio. Cuando se la integra correctamente a un sistema, la refrigeración líquida puede proporcionar una eliminación de calor sumamente eficaz con un bajo nivel de riesgo. Actualmente, decenas de miles de placas frías e intercambiadores de calor son componentes electrónicos de refrigeración líquida en algunas de las aplicaciones más exigentes y de alto rendimiento del mercado.
Escrito por Richard Goldman y Tracey Barber
Original publicado en RTC Magazine, julio de 2006
Visit our Liquid Heat Exchanger Section or Liquid Cooling System Section to learn more about Boyd’s full liquid loop solutions.
