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液体冷却的最佳导热流体

铁路行业和宝德解决方案

最后更新时间 23月 10, 2024 |发表于 2022 年 5 月 24 日

确定液体冷却是解决方案后,您知道使用哪种传热流体吗?在为您的应用选择液体冷却技术时,最重要的因素之一是传热流体与液体冷却回路每个部分的润湿表面的兼容性。这包括 液体冷板热交换器CDU和任何快速断开装置。

冷却系统常用液体简介

液体冷却系统的长期可靠性取决于传热流体的兼容性。其他传热流体要求可能包括高导热性、比热、低粘度、低凝固点、高闪点、低腐蚀性、低毒性和热稳定性。根据这些标准,当今液体冷却应用中最常用的冷却剂是:

  • 去离子水
  • 抑制性乙二醇和水溶液
  • 介电流体
冷却系统常用液体

通过选择相容的导热油和接液材料,您将最大限度地降低腐蚀风险并优化热性能。

铜与水和乙二醇/水溶液相容。

铝与乙二醇/水溶液、介电流体和油兼容。

不锈钢更适合用于去离子水或其他腐蚀性流体,因为它的耐腐蚀性优于其他金属。

大多数冷却系统与水或乙二醇/水溶液兼容,但需要用于去离子水或聚 α 烯烃 (PAO) 等介电流体的专用管道。

材料和流体兼容性

金属乙二醇去离子介电流体
(氟惰性,PAO)
不锈钢

水作为传热流体

水作为传热流体

水因其高热容量和导热性而成为液体冷却应用的最佳选择之一。它还与铜兼容,铜是用于流体路径的最佳传热材料之一。

设施用水或自来水

用于液体冷却的水来自不同的来源。例如,自来水来自公有的水处理设施或井。使用设施水或自来水的好处是它很容易获得且价格低廉。关于设施用水或自来水,需要注意的是,它可能未经处理并且可能含有杂质。杂质会导致液体冷却回路腐蚀和/或堵塞流体通道。因此,建议使用优质水,以最大限度地减少腐蚀并优化热性能。

水的腐蚀可能性

水腐蚀金属的能力可能会因其化学成分而有很大差异。腐蚀性氯化物常见于自来水中。如果设施或自来水的氯化物含量超过 25 PPM,则不应将其用于液体冷却回路中。

还需要考虑水中的钙和镁含量。钙和镁会在金属表面形成水垢并降低组件的热性能。

水液冷却 矿物质的推荐限值

矿物质推荐限值
< 50 ppm
氯化物< 25 ppm
< 50 ppm
硫酸盐< 25 ppm
总硬度< 100 ppm(5个颗粒)

去离子水或过滤水

如果您的设施用水或自来水中含有大量矿物质、盐或其他杂质,您可以过滤水或购买过滤水或去离子水。

缓蚀剂:磷酸盐、甲苯三唑和有机酸

即使您的设施或自来水相对纯净且符合建议的限值,我们仍然建议使用缓蚀剂来提供额外的保护。磷酸盐是不锈钢和大多数铝部件的有效缓蚀剂。它对 pH 值控制也很有效。磷酸盐的一个缺点是它会在硬水中与钙一起沉淀。对于铜和黄铜,甲苯三唑是一种常见且高效的缓蚀剂。对于铝,有机酸(如 2-乙基己酸或癸二酸)提供保护。

去离子水

去离子水是去除了离子的水,包括钠、钙、铁、铜、氯化物和溴化物。去离子过程可去除有害矿物质、盐和其他可能导致腐蚀或结垢的杂质。与自来水和大多数其他流体相比,去离子水具有较高的电阻率。去离子水是一种出色的绝缘体,非常适合电子元件制造或浸入式冷却,其中组件被电气隔离。

去离子水

去离子水的腐蚀性

然而,随着水电阻率的增加,它的腐蚀性也会增加。去离子水的 pH 值约为 7.0,但暴露在空气中会很快变成酸性。空气中的二氧化碳溶解在水中,引入离子并将 pH 值降低到 5.0。使用几乎纯水时需要缓蚀剂。在循环冷却器或 CDU 中使用去离子水时,必须采用特殊的高纯度管道。配件应镀镍,蒸发器应镀镍。在冷板或热交换器中使用去离子水时,建议使用不锈钢管。

液体冷却系统中去离子水的优点

自来水可满足大多数液体冷却应用的需求。然而,去离子(DI)水具有化学和电气特性,当液体回路包含微通道或涉及敏感电子器件时,水是冷却的最佳选择。

去离子水的离子浓度极低,这决定了重要的性能属性。首先,它消除了阻碍冷却剂流动的矿物质沉积物,从而降低冷却效率和系统运行性能。其次,它消除了由于循环冷却剂中静电荷积聚而产生电弧的风险。电弧会损坏冷却设备中的敏感控制电子设备。去离子水中无离子消除了这两个问题。

如何在液体冷却系统中使用脱离子水

需要去离子水的应用包括以下行业:

  • 医疗设备
  • 实验室仪器
  • 药品生产和食品加工
  • 化妆品
  • 半导体制造
  • 激光、电镀、化学和其他工业加工

使用 DI 水时要小心。缺乏离子使这种冷却剂具有异常的腐蚀性。去离子水被称为“通用溶剂”,是已知的最具腐蚀性的溶剂之一。它将在不同程度上溶解它所接触到的一切。因此,冷却回路中的所有材料都必须耐腐蚀。

铜与去离子水的不相容性

铜和许多其他常见材料与DI水不相容,会污染它。使用 DI 水设计系统时,请务必指定与 DI 兼容的材料,如不锈钢或镍。

用于去离子水的不锈钢接液管路

在热交换器或冷板中,我们建议使用不锈钢流体管路。DI 友好型 循环冷却器 应包含镍钎焊蒸发器、不锈钢泵头和镀镍配件。最后,为了保持去离子水的纯度,必须包括一个去离子柱。与所有耗材一样,DI 滤筒必须定期更换。

总之,许多类型的设备和应用都需要 DI 水冷系统。如果设计和维护得当,这些系统可以提供可靠的冷却和多年的无泄漏运行。

液体冷却中的抑制乙二醇和水溶液

液体冷却中的抑制乙二醇和水溶液

液体冷却应用中最常用的两种乙二醇是乙二醇和水 (EGW) 以及丙二醇和水 (PGW) 溶液。

乙二醇和水

乙二醇具有理想的热性能,包括高沸点、低凝固点、在很宽的温度范围内保持稳定性以及高比热和导热性。它还具有低粘度,这意味着减少了泵送要求。尽管 EGW 的导热系数不如水高,但它提供防冻保护,在使用或运输过程中可能是有益的。

丙二醇和水

尽管 EGW 具有比 PGW 更理想的物理特性,但丙二醇/水用于可能考虑毒性的应用。PGW 通常被认为可以安全地用于食品或食品加工应用,也可用于封闭空间。

汽车乙二醇和水

乙二醇用于汽车防冻液。但是,汽车乙二醇不应用于冷却系统或热交换器,因为它含有硅酸盐基防锈剂。这些抑制剂会凝胶和污染,覆盖热交换器表面并降低其效率。硅酸盐还被证明会显著缩短泵密封件的使用寿命。

为乙二醇和水解决方案选择合适的防锈剂

虽然错误的抑制剂会导致重大问题,但正确的抑制剂可以防止腐蚀并显著延长液体冷却回路的使用寿命。抑制性乙二醇可以从专门的流体生产公司购买,强烈建议使用非抑制性乙二醇。

乙二醇浓度

随着溶液中乙二醇浓度的增加,传热流体的热性能降低。使用尽可能低浓度的抑制性乙二醇,以满足您的防腐蚀和防冻需求。陶氏化学建议最低浓度为 25-30% EGW4。在此最低浓度下,乙二醇还可用作杀菌剂和杀菌剂。对于循环冷水机组,与单独使用水相比,30% 乙二醇溶液的热性能仅会导致热性能下降约 3%,但将提供腐蚀保护以及低至 -15°C (5°F) 的防冻保护。

乙二醇溶液中的水质

乙二醇溶液中使用的水质也很重要。水应达到或超过推荐矿物质限值表中规定的限值,即使您使用的是抑制性乙二醇。水中的离子会导致抑制剂从溶液中脱落,从而导致结垢和腐蚀。

在液体冷却剂中添加乙二醇

在液体冷却剂中添加乙二醇

什么时候需要在冷却剂中添加乙二醇?

Boyd 建议在冷却剂温度设定点低于 10°C (48°F) 时,将 30/70 乙二醇-水混合物与其循环冷却器一起使用。乙二醇降低混合物的凝固点 *(图 1)。在冷却剂中添加乙二醇可将冷却剂的冰点降低到 -34°C 左右,从而防止冻结对冷却装置造成任何损坏的风险。

乙二醇不像纯净水那样传递热量(图2和3)。因此,如果没有冻结的风险,请使用 100% 的水,因为向系统中添加乙二醇会降低性能。但是,当设定点低于 10°C (48°F) 时,存在结冰的风险,应将乙二醇添加到水中。性能的轻微下降是必要的权衡,以便安全地允许较低的温度设定点。

图 1:DOWCAL 10 水溶液的凝固点图
比热 热导率 与 Dowcal 图

冷却剂在冷水机组中的工作原理

在循环冷却器中,液体冷却剂流经应用,带走多余的热量并提高液体的温度。然后,该冷却剂需要流经称为蒸发器的热交换器,使其返回到设定点温度。

了解有关 基于压缩机的制冷的更多信息。

热交换器在液体冷却剂和系统的制冷剂气体之间传递热量。制冷剂的温度必须低于冷却剂液体的温度,以便热量流动并让冷却剂温度有效地返回到设定值。

制冷剂的温度通常比冷却剂温度低 5°C 至 10°C,以允许热量流动。因此,如果温度设定点低于 10°C (48°F),制冷剂的温度可能接近甚至低于水的冰点。如果冷却剂结冰,蒸发器可能会堵塞,从而阻止水流。水在结冰时会膨胀,这可能会永久损坏蒸发器。

介电流体

电力电子、激光和半导体行业可能更有可能选择介电流体而不是水。介电流体是不导电的,在处理敏感电子设备时优于水。

介电流体

全氟碳作为传热流体

全氟碳,例如 3M 的介电流体 Fluorinert™,不易燃、不易爆,并且在很宽的工作温度范围内具有热稳定性。虽然去离子水也是不导电的,但氟惰性的™腐蚀性比去离子水小,因此对于某些应用来说可能是更好的选择。然而,水的导热系数约为 0.59 W/m°C(0.341 BTU/hr ft °F),而氟惰性™ FC-77 的导热系数仅为约 0.063 W/m°C(0.036 BTU/hr ft °F)。氟惰性™也比去离子水贵得多。

聚 α 烯烃液体冷却

PAO 是一种合成碳氢化合物,因其介电性能和广泛的工作温度而经常用于国防和航空航天应用。例如,当今喷气式战斗机上的火控雷达是使用 PAO 进行液冷的。Boyd 拥有与 PAO 兼容的循环冷却器,用于测试冷板和热交换器,这些冷板和热交换器将在其最终应用中使用 PAO。PAO 的导热系数为 0.14 W/m°C(0.081 BTU/hr ft °F)。尽管介电流体为电子设备提供了低风险的液体冷却,但它们的导热系数通常比水和大多数水基溶液低得多。

选择您的导热油

选择您的导热油

水、去离子水、乙二醇/水溶液和介电流体(如碳氟化合物和 PAO)是高性能液体冷却应用中最常用的传热流体。选择与您的流体路径兼容、提供腐蚀保护或最小腐蚀风险并满足您应用的特定要求的传热流体非常重要。使用正确的化学成分,您的导热油可以为您的液体冷却回路提供非常有效的冷却。

有关 液体冷却技术和 在您的系统中使用的适当工作流体的更多信息, 请联系我们

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