Wenn Sie festgestellt haben, dass Flüssigkeitskühlung die Lösung ist, wissen Sie, welche Wärmeträgerflüssigkeit Sie verwenden müssen? Einer der wichtigsten Faktoren bei der Auswahl einer Flüssigkeitskühltechnologie für Ihre Anwendung ist die Kompatibilität der Wärmeträgerflüssigkeit mit den benetzten Oberflächen jedes Teils des Flüssigkeitskühlkreislaufs. Dazu gehören Flüssigkeitskühlplatten, Wärmetauscher, CDUs, Röhren und alle Schnellkupplungen.
Einführung in gebräuchliche Flüssigkeiten für Kühlsysteme
Die langfristige Zuverlässigkeit des Flüssigkeitskühlsystems hängt von der Kompatibilität der Wärmeträgerflüssigkeit ab. Andere Anforderungen an Wärmeträgerflüssigkeiten können eine hohe Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme, niedrige Viskosität, niedriger Gefrierpunkt, hoher Flammpunkt, geringe Korrosivität, geringe Toxizität und thermische Stabilität umfassen. Basierend auf diesen Kriterien sind die heute am häufigsten verwendeten Kühlmittel für Flüssigkeitskühlanwendungen:
- Wasser
- Entonisiertes Wasser
- Inhibierte Glykol- und Wasserlösungen
- Dielektrische Flüssigkeiten
Durch die Auswahl einer kompatiblen Kombination aus Wärmeträgerflüssigkeit und medienberührten Materialien minimieren Sie das Korrosionsrisiko und optimieren die thermische Leistung.
Kupfer ist mit Wasser und Glykol/Wasser-Lösungen kompatibel.
Aluminium ist kompatibel mit Glykol/Wasser-Lösungen, dielektrischen Flüssigkeiten und Ölen.
Edelstahl eignet sich aufgrund seiner verbesserten Korrosionsbeständigkeit gegenüber anderen Metallen besser für deionisiertes Wasser oder andere korrosive Flüssigkeiten.
Die meisten Kühlsysteme sind mit Wasser oder Glykol/Wasser-Lösungen kompatibel, erfordern jedoch spezielle Rohrleitungen für deionisiertes Wasser oder eine dielektrische Flüssigkeit wie Polyalphaolefin (PAO).
Material- und Flüssigkeitskompatibilität
| Metall | Wasser | Glykol | Entionisiert | Dielektrische Flüssigkeiten (Fluorinert, PAO) |
|---|---|---|---|---|
| Kupfer | X | X | X | |
| Aluminium | X | X | ||
| Edelstahl | X | X | X | X |
Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit
Wasser ist aufgrund seiner hohen Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit eine der besten Optionen für Flüssigkeitskühlungsanwendungen. Es ist auch mit Kupfer kompatibel, das eines der besten Wärmeübertragungsmaterialien für Ihren Flüssigkeitspfad ist.
Anlagenwasser oder Leitungswasser
Wasser für Flüssigkeitskühlung kommt aus verschiedenen Quellen. Leitungswasser zum Beispiel kommt aus einer öffentlichen Wasseraufbereitungsanlage oder einem Brunnen. Der Vorteil der Nutzung von Werks- oder Leitungswasser besteht darin, dass es leicht verfügbar und kostengünstig ist. Bei Anlagenwasser oder Leitungswasser ist zu beachten, dass es wahrscheinlich unbehandelt ist und wahrscheinlich Verunreinigungen enthält. Verunreinigungen können Korrosion im Flüssigkeitskühlkreislauf verursachen und/oder Flüssigkeitskanäle verstopfen. Daher wird empfohlen, Wasser von guter Qualität zu verwenden, um Korrosion zu minimieren und die thermische Leistung zu optimieren.
Das Korrosionspotenzial von Wasser
Die Fähigkeit von Wasser, Metall zu korrodieren, kann je nach seiner chemischen Zusammensetzung erheblich variieren. Ätzendes Chlorid kommt häufig in Leitungswasser vor. Betriebs- oder Leitungswasser sollte in Flüssigkeitskühlkreisläufen nicht verwendet werden, wenn es mehr als 25 ppm Chlorid enthält.
Auch der Kalzium- und Magnesiumgehalt im Wasser muss berücksichtigt werden. Kalzium und Magnesium können sich auf Metalloberflächen absetzen und die thermische Leistung der Bauteile verringern.
Wasser Flüssigkeitskühlung Empfohlener Grenzwert für Mineralien
| Mineral | Empfohlener Grenzwert |
|---|---|
| Kalzium | < 50 ppm |
| Chlorid | < 25 ppm |
| Magnesium | < 50 ppm |
| Sulfat | < 25 ppm |
| Gesamthärte | < 100 ppm (5 Körner) |
Deionisiertes Wasser oder gefiltertes Wasser
Wenn Ihr Anlagenwasser oder Leitungswasser einen hohen Prozentsatz an Mineralien, Salzen oder anderen Verunreinigungen enthält, können Sie das Wasser entweder filtern oder gefiltertes oder deionisiertes Wasser kaufen.
Korrosionsinhibitoren: Phosphat, Tolyltriazol und organische Säuren
Wir empfehlen weiterhin die Verwendung eines Korrosionsschutzmittels für zusätzlichen Schutz, auch wenn das Wasser Ihrer Anlage oder Ihres Leitungswassers relativ rein ist und die empfohlenen Grenzwerte einhält. Phosphat ist ein wirksames Korrosionsschutzmittel für rostfreien Stahl und die meisten Aluminiumkomponenten. Es ist auch wirksam für die pH-Kontrolle. Ein Nachteil von Phosphat ist, dass es in hartem Wasser mit Kalzium ausfällt. Für Kupfer und Messing ist Tolyltriazol ein gängiges und hochwirksames Korrosionsschutzmittel. Für Aluminium bieten organische Säuren wie 2-Ethylhexansäure oder Sebacinsäure Schutz.
Entonisiertes Wasser
Entonisiertes Wasser ist Wasser, dessen Ionen entfernt wurden, einschließlich Natrium, Kalzium, Eisen, Kupfer, Chlorid und Bromid. Der Entionisierungsprozess entfernt schädliche Mineralien, Salze und andere Verschmutzungen, die Korrosion oder Kesselsteinbildung verursachen können. Im Vergleich zu Leitungswasser und den meisten anderen Flüssigkeiten hat deionisiertes Wasser einen hohen spezifischen Widerstand. Deionisiertes Wasser ist ein ausgezeichneter Isolator, der sich ideal für die Herstellung elektrischer Komponenten oder die Tauchkühlung eignet, bei der Komponenten elektrisch isoliert sind.
Korrosivität von deionisiertem Wasser
Mit zunehmendem Widerstand des Wassers nimmt jedoch auch seine Korrosivität zu. Deionisiertes Wasser hat einen pH-Wert von etwa 7,0, wird aber schnell sauer, wenn es der Luft ausgesetzt wird. Das Kohlendioxid in der Luft löst sich im Wasser, führt Ionen ein und senkt den pH-Wert auf 5,0. Korrosionsinhibitoren sind erforderlich, wenn nahezu reines Wasser verwendet wird. Bei der Verwendung von deionisiertem Wasser in einem Umlaufkühler oder CDU sind spezielle hochreine Rohrleitungen ein Muss. Die Fassungen sollten vernickelt und die Verdampfer vernickelt und gelötet sein. Bei der Verwendung von deionisiertem Wasser in Kühlplatten oder Wärmetauschern werden Edelstahlrohre empfohlen.
Vorteile von deionisiertem Wasser in Flüssigkeitskühlsystemen
Leitungswasser erfüllt die Anforderungen der meisten Flüssigkeitskühlungsanwendungen. Deionisiertes (DI) Wasser hat jedoch chemische und elektrische Eigenschaften, die es zur optimalen Wahl für die Kühlung machen, wenn der Flüssigkeitskreislauf Mikrokanäle enthält oder wenn empfindliche Elektronik beteiligt ist.
DI-Wasser hat eine extrem niedrige Konzentration an Ionen, was wichtige Leistungsmerkmale definiert. Erstens werden mineralische Ablagerungen beseitigt, die den Kühlmittelfluss blockieren und die Kühleffizienz und die Betriebsleistung des Systems beeinträchtigen. Zweitens eliminiert es das Risiko von Lichtbögen aufgrund statischer Aufladung durch das zirkulierende Kühlmittel. Lichtbögen können empfindliche Steuerelektronik in den gekühlten Geräten beschädigen. Das Fehlen von Ionen im DI-Wasser beseitigt beide Probleme.
Verwendung von Deionisiertem Wasser in einem Flüssigkeitskühlsystem
Anwendungen, die DI-Wasser benötigen, finden sich in Branchen wie:
- Medizinische Geräte
- Laborinstrumentierung
- Pharmazeutische Produktion und Lebensmittelverarbeitung
- Kosmetische
- Halbleiterfertigung
- Laser-, Beschichtungs-, chemische und andere industrielle Verarbeitung
Seien Sie vorsichtig bei der Verwendung von DI-Wasser. Das Fehlen von Ionen macht dieses Kühlmittel ungewöhnlich korrosiv. Deionisiertes Wasser, das als "universelles Lösungsmittel" bezeichnet wird, ist eines der aggressivsten bekannten Lösungsmittel. Er löst alles, dem er ausgesetzt ist, in unterschiedlichem Maße auf. Daher müssen alle Materialien im Kühlkreislauf korrosionsbeständig sein.
Unverträglichkeit von Kupfer mit deionisiertem Wasser
Kupfer und viele andere gängige Materialien sind nicht mit DI-Wasser kompatibel und verunreinigen es. Wenn Sie ein System mit DI-Wasser entwerfen, achten Sie darauf, DI-kompatible Materialien wie Edelstahl oder Nickel anzugeben.
Benetzte Wege aus Edelstahl für deionisiertes Wasser
In einem Wärmetauscher oder einer Kühlplatte empfehlen wir einen Flüssigkeitspfad aus Edelstahl. Ein DI-freundlicher Umlaufkühler sollte einen vernickelten Verdampfer, einen Pumpenkopf aus Edelstahl und vernickelte Armaturen enthalten. Um die DI-Wasserreinheit zu erhalten, muss schließlich eine Deionisierungspatrone enthalten sein. Wie bei allen Verbrauchsmaterialien muss die DI-Patrone regelmäßig ausgetauscht werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass viele Arten von Geräten und Anwendungen wassergekühlte DI-Systeme erfordern. Bei ordnungsgemäßer Wartung und Wartung können diese Systeme über viele Jahre einen zuverlässigen Kühl- und Leckbetrieb ermöglichen.
Gehemmte Glykol- und Wasserlösungen in der Flüssigkeitskühlung
Die beiden am häufigsten für Flüssigkeitskühlungsanwendungen verwendeten Glykolarten sind Ethylenglykol- und Wasserlösungen (EGW) und Propylenglykol- und Wasserlösungen (PGW).
Ethylenglykol und Wasser
Ethylenglykol hat wünschenswerte thermische Eigenschaften, einschließlich eines hohen Siedepunkts, eines niedrigen Gefrierpunkts, einer Stabilität über einen großen Temperaturbereich und einer hohen spezifischen Wärme- und Wärmeleitfähigkeit. Außerdem hat es eine niedrige Viskosität, was einen geringeren Pumpbedarf bedeutet. Auch wenn die Wärmeleitfähigkeit von EGW nicht so hoch wie die von Wasser ist, bietet es einen Frostschutz, der während des Gebrauchs oder des Transports von Vorteil sein kann.
Propylenglykol und Wasser
Obwohl EGW wünschenswertere physikalische Eigenschaften als PGW hat, wird Propylenglykol/Wasser in Anwendungen verwendet, bei denen Toxizität ein Problem darstellen könnte. PGW ist allgemein als sicher für den Einsatz in Lebensmitteln oder Lebensmittelverarbeitungsanwendungen anerkannt und kann auch in geschlossenen Räumen eingesetzt werden.
Ethylenglykol und Wasser für die Automobilindustrie
Ethylenglykol wird in Frostschutzmitteln für die Automobilindustrie verwendet. Automobilglykol sollte jedoch nicht in einem Kühlsystem oder Wärmetauscher verwendet werden, da es Rostschutzmittel auf Silikatbasis enthält. Diese Hemmstoffe können gelieren und faulen, wodurch die Wärmetauscheroberflächen überzogen werden und sich ihr Wirkungsgrad verringert. Es hat sich auch gezeigt, dass Silikate die Lebensdauer von Pumpendichtungen erheblich reduzieren.
Die Wahl des richtigen Rostschutzmittels für Glykol- und Wasserlösungen
Während die falschen Inhibitoren erhebliche Probleme verursachen können, können die richtigen Inhibitoren Korrosion verhindern und die Lebensdauer eines Flüssigkeitskühlkreislaufs erheblich verlängern. Hemmte Glykole können von spezialisierten Flüssigkeitsproduktionsunternehmen gekauft werden und werden gegenüber nicht gehemmten Glykolen dringend empfohlen.
Glykol-Konzentration
Mit zunehmender Glykolkonzentration in der Lösung nimmt die thermische Leistung der Wärmeträgerflüssigkeit ab. Verwenden Sie die geringstmögliche Konzentration an inhibiertem Glykol, die erforderlich ist, um Ihre Anforderungen an den Korrosions- und Frostschutz zu erfüllen. Dow Chemical empfiehlt eine Mindestkonzentration von 25-30 % EGW4. In dieser Mindestkonzentration dient Ethylenglykol auch als Bakterizid und Fungizid. Bei Umlaufkühlern führt eine Lösung aus 30 % Ethylenglykol nur zu einer Verringerung der thermischen Leistung um etwa 3 % gegenüber der alleinigen Verwendung von Wasser, bietet jedoch Korrosionsschutz sowie Frostschutz bis zu -15 °C (5 °F).
Wasserqualität in Glykollösungen
Die Qualität des in der Glykollösung verwendeten Wassers ist ebenfalls wichtig. Das Wasser sollte die in der Tabelle des empfohlenen Mineralstoffgrenzwerts angegebenen Grenzwerte einhalten oder überschreiten, auch wenn Sie ein gehemmtes Glykol verwenden. Ionen im Wasser können dazu führen, dass der Inhibitor in der Lösung ausfällt, was zu Faulung und Korrosion führt.
Hinzufügen von Glykol in Ihr flüssiges Kühlmittel
Wann ist es notwendig, Glykol in Ihr Kühlmittel zu geben?
Boyd empfiehlt die Verwendung eines 30/70 Glykol-Wasser-Gemisches mit seinen Umlaufkühlern, wenn der Sollwert der Kühlmitteltemperatur unter 10 °C (48 °F) liegt. Glykol senkt den Gefrierpunkt der Mischung* (Abbildung 1). Die Zugabe von Glykol zu Ihrem Kühlmittel senkt den Gefrierpunkt des Kühlmittels auf etwa -34 °C und verhindert so die Gefahr von Schäden an Ihrem Kühler durch Einfrieren.
Glykol überträgt Wärme weniger gut als reines Wasser (Abb. 2 und 3). Wenn also keine Gefahr des Einfrierens besteht, verwenden Sie 100 % Wasser, da die Zugabe von Glykol zu Ihrem System die Leistung verringert. Wenn jedoch der Sollwert unter 10 °C (48 °F) liegt, besteht die Gefahr des Einfrierens und dem Wasser sollte Glykol zugesetzt werden. Der leichte Leistungsrückgang ist ein notwendiger Kompromiss, um den niedrigeren Temperatursollwert auf sichere Art und Weise zu ermöglichen.
Funktionsweise von Kühlmitteln in Kältemaschinen
In einem Umlaufkühler fließt das flüssige Kühlmittel durch die Anwendung, wodurch überschüssige Wärme abgeführt und die Temperatur der Flüssigkeit erhöht wird. Dieses Kühlmittel muss dann durch einen Wärmetauscher, den sogenannten Verdampfer, auf die Solltemperatur zurückgebracht werden.
Erfahren Sie mehr über kompressorbasierte Kältetechnik.
Der Wärmetauscher überträgt die Wärme zwischen dem flüssigen Kühlmittel und dem Kältemittelgas des Systems. Die Temperatur des Kältemittels muss niedriger sein als die Temperatur der Kühlflüssigkeit, damit Wärme fließen kann und die Kühlmitteltemperatur effektiv auf den Sollwert zurückgeführt werden kann.
Die Temperatur des Kältemittels ist typischerweise 5 °C bis 10 °C niedriger als die Kühlmitteltemperatur, damit die Wärme fließen kann. Infolgedessen kann die Temperatur des Kühlmittels nahe am oder sogar unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegen, wenn der Temperatursollwert unter 10 °C (48 °F) liegt. Wenn das Kühlmittel einfriert, kann der Verdampfer verstopfen, wodurch der Wasserfluss verhindert wird. Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus, was den Verdampfer dauerhaft beschädigen kann.
Dielektrische Flüssigkeiten
In der Leistungselektronik-, Laser- und Halbleiterindustrie ist es wahrscheinlicher, dass sich dielektrische Flüssigkeiten gegenüber Wasser entscheiden. Eine dielektrische Flüssigkeit ist nicht leitend und wird bei der Arbeit mit empfindlicher Elektronik gegenüber Wasser bevorzugt.
Perfluorierte Kohlenstoffe als Wärmeträgerflüssigkeit
Perfluorierte Kohlenstoffe wie die dielektrische Flüssigkeit von 3M, Fluorinert™, sind nicht brennbar, nicht explosiv und über einen großen Betriebstemperaturbereich thermisch stabil. Obwohl entionisiertes Wasser ebenfalls nicht leitfähig ist, ist Fluorinert™ weniger korrosiv als entionisiertes Wasser und kann daher für einige Anwendungen die bessere Wahl sein. Wasser hat jedoch eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,59 W/m°C (341 BTU/h ft °F), während Fluorinert™ FC-77 eine Wärmeleitfähigkeit von nur etwa 63 W/m°C (36 BTU/h ft °F) hat. Fluorinert™ ist auch viel teurer als deionisiertes Wasser.
Polyalphaolefin-Flüssigkeitskühlung
PAO ist ein synthetischer Kohlenwasserstoff, der aufgrund seiner dielektrischen Eigenschaften und seines breiten Betriebstemperaturbereichs häufig in Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet wird. Beispielsweise werden die Feuerleit-Radare der heutigen Düsenjäger mit PAO flüssigkeitsgekühlt. Boyd verfügt über PAO-kompatible Umlaufkühler zum Testen von Kühlplatten und Wärmetauschern, die PAO in ihrer Endanwendung verwenden werden. PAO hat eine Wärmeleitfähigkeit von 0,14 W/m °C (81 BTU/Stunde/Fuß °F). Obwohl dielektrische Flüssigkeiten eine risikoarme Flüssigkeitskühlung für die Elektronik bieten, haben sie im Allgemeinen eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit als Wasser und die meisten wasserbasierten Lösungen.
Auswahl Ihrer Wärmeträgerflüssigkeit
Wasser, entionisiertes Wasser, Glykol-/Wasserlösungen und dielektrische Flüssigkeiten wie Fluorkohlenwasserstoffe und PAO sind die am häufigsten in Hochleistungs-Flüssigkeitskühlanwendungen verwendeten Wärmeübertragungsflüssigkeiten. Es ist wichtig, eine Wärmeübertragungsflüssigkeit auszuwählen, die mit Ihrem Flüssigkeitspfad kompatibel ist, Korrosionsschutz oder ein minimales Korrosionsrisiko bietet und die spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung erfüllt. Mit der richtigen Chemie kann Ihre Wärmeübertragungsflüssigkeit eine sehr effektive Kühlung für Ihren Flüssigkeitskühlkreislauf bieten.
Für weitere Informationen über Flüssigkeitskühlungstechnologien und die richtige Arbeitsflüssigkeit für Ihr System kontaktieren Sie uns.
