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Kühler & Sub-Ambient-Kühlung

Übersicht

Dieses Papier befasst sich mit aktuellen Trends bei flüssigkeitsgekühlten Systemen und konzentriert sich auf den Einsatz von Kältemaschinen und Anwendungen. Dazu gehören Kältestandards und Designrichtlinien für die Verwendung von Kältemaschinen, um die Effizienz zu steigern, die Leistung zu verbessern und eine strengere Temperaturregelung für Anwendungen mit hoher Wärmelast zu verbessern. Obwohl sich dieser Artikel auf häufigere Kühlertypen und Formfaktoren konzentriert, ist es wichtig zu beachten, dass Kühler in eine Vielzahl von Variationen integriert werden können, und mit einem Thermotechniker zu sprechen, wenn Sie sich nicht sicher sind, wie optimal sie auskommen.

Trend zu Flüssigkeitskühlsystemen

Globale Elektronifizierung, intelligente Technologien und Technologieabhängigkeit nehmen weiter zu und zwingen Ingenieure, leistungsfähigere Chips und Datentechnologien zu entwickeln. Eines der größten Hindernisse für den technologischen Fortschritt ist das Management der überschüssigen Wärme, die durch die Zunahme der Datenverarbeitung und -speicherung sowie der Stromerzeugung und -versorgung erzeugt wird. Dies gilt für alle wichtigen Branchen, von Unternehmen, 5G und Telekommunikation bis hin zu Medizin, Transport, Energiespeicherung und industrieller Automatisierung.

Neue, leistungsstärkere Anwendungen erfordern eine effizientere Kühlung für hohe Wärmelasten in kompakten Volumina, was die Ingenieure dazu veranlasst, sich Flüssigkeitslösungen zuzuwenden. Flüssigkeit hat die Fähigkeit, Wärme bis zu 4X höher zu übertragen als die Kapazität von erzwungener Luft der gleichen Masse. Dies ermöglicht eine verbesserte Wärmeübertragung und eine höhere thermische Leistung mit erhöhter Designflexibilität und Skalierbarkeit.

Ein flüssigkeitsgekühltes System ist ein Hydraulikkreislauf, der typischerweise aus einer Kühlplatte besteht, die mit einer Wärmequelle in einem Gerät verbunden ist, Schläuchen und Pumpen, die Flüssigkeit durch das System zirkulieren lassen, und einem Wärmetauscher, der Wärme an die Umgebungsumgebung abgibt. Diese integrierten Systeme bieten eine hocheffiziente Kühlung, die in der Lage ist, Hochleistungsanwendungen zuverlässig mit Spitzenleistung am Laufen zu halten. Es gibt jedoch einige Einschränkungen.

MRT-Gerät
Eigenständige Standard-Umlaufkühlmaschine

Eine der größten Herausforderungen bei der Arbeit mit Hochleistungsgeräten und -einrichtungen ist die Aufrechterhaltung einer präzisen Temperaturregelung innerhalb der Umgebungstemperatur und die hohe Wärmeableitung in die Umgebungsumgebung. Wenn Sie innerhalb der vorgegebenen Parameter arbeiten, können Geräte nicht unter Umgebungs- oder Ansaugtemperaturen gekühlt werden, was die Leistung einschränkt und die Ausgangstemperaturen erhöht, was zu einer unsicheren Umgebung führen kann.

Probleme wie diese machen sich besonders in Einrichtungen bemerkbar, in denen eine große Anzahl von Hochleistungssystemen gleichzeitig betrieben wird, wie z. B. Rechenzentren, oder in Anwendungen, die sehr enge Temperaturtoleranzen mit einer sehr großen Wärmelastvariation einhalten müssen, wie z. B. MRT-Geräte. In solchen Szenarien ist die Verwendung einer Kältemaschine oft die effektivste Lösung.

Ein Kühler ist ein Gerät, das einer Flüssigkeit Wärme über eine Dampfkompressions-, Adsorptionskälte- oder Absorptionskältezyklen entzieht. Sie können als Teil eines komplexeren Flüssigkeitssystems oder als eigenständige Systeme verwendet werden. Chiller-Lösungen ermöglichen die Kühlung auf Sub-Umgebungstemperaturen, was die Effizienz erhöht und engere Temperaturtoleranzen ermöglicht.

Chillers Übersicht

Die Designs von Boyd Chiller reichen von modularen Standardsystemen und eigenständigen Produkten bis hin zu stark integrierten, komplexen Systemen, bei denen jede Komponente auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten ist. Standardoptionen werden auf der Grundlage der am häufigsten verwendeten Anpassungen für gängige Formfaktoren entwickelt.

Ein Beispiel für gängige Formfaktoren für integrierte Boyd-Kaltwassersätze sind die Standard-19-Zoll-Rackmontage und die kompakte Türmontage. Rack-montierte Kaltwassersätze werden häufig in der Server- und Halbleiterindustrie eingesetzt, während kompakte Türkühler in industriellen Batteriespeicheranwendungen eingesetzt werden.

Bei der Auswahl oder Entwicklung eines Kühlers für Ihre Anwendung ist es wichtig, Ihre Komponenten sowie das Design als Ganzes zu optimieren. Wählen Sie beispielsweise einen hocheffizienten Kompressor, um den Stromverbrauch während des Betriebs zu reduzieren, oder integrieren Sie Verbesserungen wie Touchscreen-HMI (Human Machine Interface) oder kontinuierliche Füllstandssensoren für Flüssigkeitsbehälter. Es ist wichtig, jede Komponente auf maximale Zuverlässigkeit und Effizienz zu bewerten, insbesondere für die Pumpe(n).

Grundlegender Chiller-Schaltplan
Eigenständige Standard-Umlaufkühlmaschine
Umlaufkühler mit hoher Kapazität

Stand-Alone / Standard

Die eigenständigen Standard-Kaltwassersätze von Boyd können allein oder als Teil eines integrierten Systems betrieben werden und werden in der Regel durch ihre allgemeinen Nutzungsspezifikationen wie Prozesstemperatur, Kapazität und Umgebung definiert und kategorisiert. Diese Umlaufkühler sind für eine präzise Temperaturregelung oder Kühlung unterhalb von Umgebungstemperaturen ausgelegt.

Standardkühler werden mit traditionellen Komponenten hergestellt und verwenden Wasser oder Wasser / Glykol als Prozessflüssigkeit. Diese arbeiten bei Prozesstemperaturen von Raumtemperatur bis 0°C. Die Komponenten sind leistungsgerecht und umfassen optimierte thermische Systeme und technische Materialien sowie notwendige Mechaniken wie Pumpen, Kompressoren und Ventile.

Standard-, Niedertemperatur- und Kaskadenkühler

Niedrigere Temperaturen verbessern die Leistung und Effizienz, erfordern jedoch Abweichungen von Standardsystemen. Standard-Niedertemperaturkühler werden für Anwendungen entwickelt, die niedrigere Prozesstemperaturen von -40° C bis 0° C erfordern. Die verwendeten Flüssigkeiten reichen von Wasser-Glykol-Gemischen bis hin zu speziellen Wärmeübertragungsflüssigkeiten. Der Hauptunterschied ist die verwendete Prozessflüssigkeit / das verwendete Kältemittel.

Boyd bietet auch Ultra-Tieftemperatur-Kaltwassersätze an, die Prozesstemperaturen von -80° C bis -40° C ermöglichen. Um diese niedrigeren Temperaturen zu erreichen, wird eine Kaskadenkältetechnik eingesetzt, bei der häufig zwei Kältemittel zu zwei getrennten Kältekreisläufen verwendet werden, die in einer Reihe betrieben werden.

Standard-Kaltwassersätze mit hoher Kapazität

Hochleistungskühler sind für die Kühlung hoher Wärmelasten ausgelegt und halten gleichzeitig streng kontrollierte Ausgangstemperaturen aufrecht. Diese Kaltwassersätze können entweder mit Kreiselpumpen zur Temperaturregelung innerhalb von 0,5 °C oder mit Turbinenpumpen ausgelegt werden, die eine höhere Druckleistung aufweisen, die ein Höchstmaß an Kühlung von bis zu 50 kW ermöglicht. Fügen Sie Pumpen mit Dual-Voltage-Optionen hinzu, mit denen Kaltwassersätze einfach von 60 Hz auf 50 Hz geschaltet werden können.

Chillers Übersicht

Bevor Sie sich für einen Standardkühler entscheiden oder mit dem Konzept- und Designprozess für einen kundenspezifischen Kühler beginnen, ist es wichtig, die Mindestanforderungen zu verstehen, um ein Basismodell zu erstellen:

  • Wärmebelastung
    • Watt oder BTU/hr.
    • Wie hoch ist die Wärmebelastung? Ist es stetig oder schwankend?
  • Zugang / Zugangspunkt zu gekühltem Anlagenwasser
    • Ein Chiller muss trotz des verwendeten Kühlmittels Zugang zu gekühltem Wasser haben. Der Zugangspunkt und die Integration mit dem Rest des Flüssigkeitssystems wirken sich auf den Formfaktor und die Montage aus.
  • Kühlmittelflüssigkeit
    • Wenn Sie kein Wasser oder Wasser / Glykol verwenden, achten Sie darauf, genaue Flüssigkeitsdetails einschließlich aller korrosiven Eigenschaften zu haben. (Siehe Abschnitt über Prozessflüssigkeit)
  • Erforderliche Kühlmitteltemperatur (Sollwert)
  • Umgebungstemperatur
    • Einlasstemperatur
  • Durchfluss von Prozessflüssigkeit (LPM oder GPM)
  • Erforderlicher Flüssigkeitsdruck
    • Achten Sie auf Flüssigkeitsdruck und Druckabfälle.
  • Eingangsleistung
    • Verfügbare elektrische Leistung (Volt, Phase und Hz)
  • Umgebungsbedingungen
    • Auswirkungen Chiller-Design und technische Materialien verwendet. Beispiele sind Feuchtigkeit, Staub und Partikel sowie Vibrationen oder Stöße.

Optimieren des verfügbaren Speicherplatzes

Kaltwassersätze können in eine Vielzahl von Formfaktoren für verschiedene Anwendungen integriert werden, basierend auf der Platzierung von Komponenten und der Art und Weise, wie der Kaltwassersatz am Gerät oder System befestigt ist. Diese Entscheidungen wirken sich auf Leistung, Volumen, Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit aus. Bei der Entwicklung von Kaltwassersätzen für verschiedene Formfaktoren ist es wichtig, die meiste Kühlung auf kleinstem verfügbaren Platzbedarf bereitzustellen. Das Layout muss die Produktleistung, Zuverlässigkeit und Zugänglichkeit für die Wartung berücksichtigen. Es muss auch eine einfache und fehlersichere Integration bieten, wenn es in das Gerät installiert wird.

Kompakter kundenspezifischer Kaltwassersatz
in einem Standard-Kühler

Langfristige Zuverlässigkeit sicherstellen

Einer der limitierenden Faktoren bei der Verwendung von Kaltwassersätzen ist die Zugabe von mehr beweglichen / mechanischen Komponenten. Bei der Entwicklung eines Systems, das eine Kältemaschine enthält, ist es wichtig, über Test-, Zuverlässigkeits- und Wartungsprotokolle zu verfügen.

  • Dazu gehören Überlegungen zu:
    • Fernüberwachung
    • Energiezähler
    • Lecksuche
    • "Hot Swap"-Designs zur Vermeidung von Ausfallzeiten
    • Wartungsverträge

Pumpen sind die wichtigsten Komponenten, die bewertet werden müssen, um eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Nehmen Sie sich die Zeit, Vergleiche und Tests durchzuführen, um Pumpen auszuwählen, die weniger Strom verbrauchen und einen optimalen Pumpendurchfluss für die Anwendung mit der erforderlichen Druckhöhe bieten. Die Auswahl der übrigen Sanitärmaterialien und Strömungskomponenten kann die Pumpenleistung und die Systemeffizienz weiter verbessern.

Prozessflüssigkeit

Die Prozessflüssigkeit hat einen erheblichen Einfluss auf Leistung, Nutzung und Effizienz. Die meisten Flüssigkeitskühler verwenden Wasser oder eine Wasser-/Glykol-Prozessflüssigkeitslösung. Die Zugabe von Korrosionsinhibitoren und Biozid ist entscheidend, um langfristige Korrosion und Algenwachstum zu verhindern, die das System durch Leckagen oder Strömungsverstopfung zum Erliegen bringen können. Es ist wichtig, die benetzte Chemie jeder Oberfläche zu verstehen, die die Prozessflüssigkeit berührt, um den richtigen Korrosionsinhibitor auszuwählen. Die Verwendung von Glykol, das Frosttoleranz bietet, erfordert wahrscheinlich die Verwendung eines Biozids, da Glykol eine sehr gute Nahrungsquelle für Algen ist. Es gibt viele vorgefertigte Prozesskühlmittel, die ab Lager erhältlich sind.

Darüber hinaus ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass Korrosionsinhibitoren im Laufe der Zeit wieder aufgefüllt werden müssen, da sie im Laufe der Zeit verbraucht werden, wenn sie die Oberflächen passivieren, an denen sie vorbeifließen. Der Austausch des Prozesskühlmittels oder das Auffüllen von Korrosionsinhibitorchemikalien ist eine notwendige vorbeugende Wartung.

Kühlmittel

Kältemittel werden in Kältemaschinen als geschlossener Kreislauf zum Prozesskühlmittel verwendet, wobei die beiden nicht in direkten Kontakt miteinander kommen und Wärme zwischen dem Prozesskühlmittel und dem Kältemittel übertragen wird. Die Kältemittelauswahl kann erhebliche Auswirkungen auf die Energieeffizienz haben.

Im Betrieb besteht der Kältemittelstrom sowohl aus Dampf als auch aus Flüssigkeit. Die Dampfqualität ist der Prozentsatz der gesättigten Mischung, die Dampf ist; Mit anderen Worten, gesättigter Dampf hat eine "Qualität" von 100 % und gesättigte Flüssigkeit hat eine "Qualität" von 0 %. Die Dampfqualität ist eine Funktion des Betriebsdrucks und der Betriebstemperatur; und jedes Kältemittel ist für niedrige, mittlere und hohe Drücke ausgelegt. Dies wirkt sich stark auf die Auswahl des Kompressormotors aus; Eine schlechte Auswahl an Kältemitteln könnte Effizienzgewinne durch einen "energieeffizienten" Kompressor der Marke ausgleichen.

Grüne Kältemittel

Neue, umweltfreundlichere Kältemittel werden immer beliebter. Das Treibhauspotenzial (GWP) ist die Wärme, die von einem Treibhausgas in der Atmosphäre absorbiert wird. Es wird als ein Vielfaches der Wärme ausgedrückt, die von der gleichen Masse Kohlendioxid absorbiert würde (GWP von CO2 = 1). Ältere Standardkältemittel wie R22 (Freon) wurden durch eine Reihe umweltfreundlicherer Kältemittel mit einem niedrigeren GWP ersetzt. Dies ist eine wichtige Überlegung bei der Auswahl von Prozessflüssigkeiten, da die globalen Umweltvorschriften strenger werden.

Kommunikationsmöglichkeiten

Zu den jüngsten Fortschritten im Kaltwassersatzdesign gehören verbesserte Konnektivität, Kommunikation und HMI. Herkömmliche Kommunikationsprotokolle lassen sich in Endbenutzersysteme integrieren, um Prozessvariablen wie Temperatur, Durchfluss, Druck und Systemzustand zu überwachen. Mit neueren Schnittstellen können Benutzer die Kaltwassersätze auch aus der Ferne steuern. Einige kundenspezifische Kaltwassersatzlösungen von Boyd verwenden auch benutzerdefinierte Protokolle zur Überwachung und Berichterstellung basierend auf den Anwendungsanforderungen. Die Möglichkeit, Variablen zu überwachen und zu steuern, ermöglicht eine maximale Effizienz und eine engere Kontrolle über das System.

Überlegungen zu den Kosten

Die Gesamtkosten für das Hinzufügen einer Kältemaschine zu einem flüssigkeitsgekühlten System werden durch die Auswahl der Schlüsselkomponenten bestimmt, insbesondere der Pumpe, des Kompressors und der Wärmetauscher. Diese anfänglichen Kosten in Kombination mit den Kosten für den Betrieb der Kältemaschine sind die Gesamtkosten der Kältemaschine. Wasserkühlsysteme sind energieeffiziente Systeme und haben daher die effizientesten Nutzungskosten. Wartungs- und Zertifizierungskosten müssen zusammen mit diesen Nutzungskosten für die Gesamtkosten für den Betrieb der Kältemaschine berücksichtigt werden.

Nächste Schritte bei der Auswahl eines Standard-Kühlers

Die Akzeptanz von Kältemaschinen wird weiter zunehmen, da die Hochleistungselektronik in Bezug auf Kapazität und Wärmelast weiter voranschreitet. Die Kosten werden wahrscheinlich das größte Hindernis für die Einführung sein.

Die besten Möglichkeiten, diese Kosten zu senken, sind:

  • Ziehen Sie frühzeitig einen Lösungspartner hinzu - Da es so viele Faktoren bei der Optimierung Ihres Kaltwassersatzes und Ihres Flüssigkeitssystems gibt, um Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten zu gewährleisten, ist es wichtig, so früh wie möglich einen Design- und Fertigungspartner zu beauftragen. Dies stellt sicher, dass Sie den richtigen Kaltwassersatz verwenden, der für Ihre genauen Anwendungsanforderungen optimiert ist.
  • Niedrigere Anschaffungskosten - Einige versuchen möglicherweise, die Kosten zu senken, indem sie unterdurchschnittliche oder minderwertige Teile verwenden. Dies wird letztendlich zu viel höheren langfristigen Wartungs- und Reparaturkosten führen, was zu höheren Gesamtkosten führt. Eine bessere Wahl wäre, einen Standard-Grundkühler zu niedrigeren Kosten als ein benutzerdefiniertes Modell zu wählen und von dort aus Anpassungen vorzunehmen. Die Wahl eines Standards von einem gut geprüften Fertigungspartner kann auch die Anschaffungskosten durch eine optimierte Produktion senken.
  • Maximieren Sie die Energieeffizienz - Durch die Untersuchung der Energieeffizienz bei der Bestimmung der Designentscheidungen können Kaltwassersätze mit viel niedrigeren Energieverbrauchskosten betrieben werden, wodurch die Betriebskosten erheblich gesenkt werden.
  • Weniger/Einfache Wartung - Arbeiten Sie mit einem Lösungshersteller zusammen, der Zuverlässigkeitstests und äußerst zuverlässige Komponenten anbietet, um den Bedarf an Reparaturen und Wartungen zu verringern. Stellen Sie sicher, dass Garantien vorhanden sind und dass der Lösungspartner über interne Prozesse zur Optimierung des Wartungsprozesses verfügt.

Boyd als Solution Partner

Da die Leistungslasten weiter steigen, wird die Flüssigkeitskühlung weiterhin für bestehende und neue Anwendungen in den meisten wichtigen Branchen eingesetzt und angepasst. Die Kundenanforderungen steigen weiter, da die Endbenutzer ein geringeres Gewicht, eine bessere Zuverlässigkeit, verbesserte Funktionen und Konnektivität sowie eine schnellere Verarbeitung erwarten. Das größte Hindernis für die Erfüllung dieser Anforderungen ist die Handhabung der enormen Wärmemenge, ohne die Lebensdauer, die Benutzersicherheit und die Leistung zu beeinträchtigen.

Dies erfordert, dass die Boyd-Flüssigkeitskühlmethoden den Anwendungen voraus sind, um den Technologien der neuen Generation und den Marktanforderungen gerecht zu werden. Boyd arbeitet eng mit unseren Kunden zusammen, um ihre Produkt-Roadmaps zu verstehen, zukünftige Anforderungen zu bewerten und darauf vorbereitet zu sein.

Boyds jahrzehntelange Innovationsexpertise, Erfahrung, Ressourcenentwicklung und einzigartiger Ansatz zur Integration mehrerer Funktionalitäten in optimierte Lösungen ermöglichen es uns, neue Anforderungen zu erfüllen und Erwartungen zu übertreffen. Boyd befasst sich seit über 90 Jahren mit thermischen Herausforderungen und ist ein Pionier für Flüssigkeitslösungen in den Bereichen Unternehmen, Elektrofahrzeuge, 5G, alternative Energien und anderen wichtigen Branchen.

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