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冷水机组 + 亚环境冷却

概述

本文探讨了液体冷却系统的当前趋势,并侧重于冷水机组的使用和应用。这包括冷水机组标准和设计指南,用于利用冷水机组提高效率、提高性能和更好地保持对高热负荷应用的严格温度控制。虽然本文侧重于更常见的冷水机组类型和外形因子,但重要的是要注意,冷水机组可以集成在各种变化中,如果您不确定最佳利用率,请与热力工程师交谈。

液体冷却系统的趋势

全球电子化、智能技术和技术依赖度不断上升,推动工程师开发更强大的芯片和数据技术。技术进步的最大障碍之一是管理数据处理和存储以及发电和供应增加所产生的多余热量。从企业、5G、电信到医疗、运输、储能和工业自动化等所有主要行业都是如此。

新的高功率应用需要更高效地冷却,以紧凑的体积处理高热负荷,导致工程师转向液体解决方案。液体的传热能力比相同质量的强制空气的容量高出4倍。这样可以改善传热和提高热性能,提高设计灵活性和可扩展性。

液冷系统是一种液压回路,通常由与设备中的热源接口的冷板、通过系统循环流体的软管和泵以及将热量排入周围环境的热交换器组成。这些集成系统提供高效的冷却,能够保持高功率应用以最佳性能可靠运行;但是,存在一些限制。

磁共振成像仪
独立式标准循环冷水机组

使用高功率设备和设施时,最显着的挑战之一是在环境温度内保持精确的温度控制,并在环境中保持高散热性。在给定参数范围内工作,设备不能冷却到低于环境温度或进气温度,从而限制了性能并增加了出站温度,从而导致环境不安全。

在具有大量同时运行的高功率系统的设施(如数据中心)中,或在需要保持非常接近的温度公差且热负荷变化非常大的应用中(例如MRI机器),诸如此类问题尤其明显。在这种情况下,使用冷却器通常是最有效的解决方案。

冷却器是一种通过蒸汽压缩,吸附制冷或吸收制冷循环从液体中除去热量的装置。它们可以用作更复杂的液体系统的一部分,也可以用作独立的系统。冷水机组解决方案允许冷却到低于环境温度的温度,从而提高效率并实现更严格的温度公差。

冷水机组概述

Boyd 冷水机组的设计范围从标准的模块化系统和独立产品到高度集成的复杂系统,其中每个组件都是针对特定应用量身定制的。标准选项是根据常见外形规格最常用的自定义项开发的。

Boyd 集成式冷水机组的常见外形尺寸包括标准 19 英寸机架安装式和紧凑型门式安装。机架式冷水机组通常用于服务器和半导体行业,而紧凑型门式冷水机组则用于工业电池存储应用。

在为您的应用选择或开发冷水机组时,优化组件以及整个设计是关键。例如,选择高效压缩机以降低使用时的功耗,或集成触摸屏HMI(人机界面)或用于储液罐的连续液位传感器等增强功能。评估每个组件以获得最大的可靠性和效率至关重要,特别是对于泵。

基本冷水机组原理图
独立式标准循环冷水机组
高容量循环冷却装置

独立/标准

Boyd独立式标准冷水机组可以单独运行,也可以作为集成系统的一部分运行,通常根据其一般用途规格(如过程温度、容量和环境)进行定义和分类。这些循环冷却器设计用于精确控制温度或冷却低于环境温度。

标准冷水机组采用传统部件制造,使用水或水/乙二醇作为工艺流体。这些部件在从室温到0°C的工艺温度下运行,性能匹配,包括优化的热系统和工程材料以及必要的机械装置,如泵、压缩机和阀门。

标准、低温和级联冷水机组

较低的温度可提高性能和效率,但需要与标准系统进行更改。标准低温冷水机组是为需要从-40o C到0o C的较低工艺温度的应用而开发的,使用的流体范围从水/乙二醇混合物到特种传热流体。主要区别在于所使用的工艺流体/制冷剂。

Boyd还提供超低温冷水机组,使过程温度从-80o C到-40o C。为了实现这些较低的温度,采用级联制冷技术,通常使用两种制冷剂到两个串联运行的独立制冷回路中。

标准高容量冷水机组

高容量冷水机组设计用于冷却高热负荷,同时仍保持严格控制的输出温度。这些冷水机组可以设计成离心泵,用于0.5°C以下的温度控制,或涡轮泵,具有更高的压力容量,可实现高达50kW的最高冷却水平。添加具有双电压选项的泵,使冷水机组能够轻松地从 60 Hz 切换到 50 Hz。

冷水机组概述

在选择标准冷水机组或开始定制冷水机的概念和设计过程之前,了解建立基本模型的最低要求至关重要:

  • 热负荷
    • 瓦特或 BTU/小时。
    • 什么是热负荷?它是稳定的还是波动的?
  • 冷却设施水的接入/接入点
    • 尽管使用了冷却剂,但冷水机组必须能够获得冷冻水。接入点以及与液体系统其余部分的集成会影响外形尺寸和安装。
  • 冷却液
    • 如果不使用水或水/乙二醇,请确保具有精确的流体细节,包括任何腐蚀性属性。(参见工艺流体部分)
  • 所需冷却液温度(设定点)
  • 环境温度
    • 吸入温度
  • 工艺流体的流速(LPM 或 GPM)
  • 所需流体压力
    • 注意流体压力和压降。
  • 电源输入
    • 可用电源(伏特、相位和 Hz)
  • 环境条件
    • 影响冷水机组设计和工程材料使用。示例包括湿度、灰尘和颗粒以及振动或冲击。

优化可用空间

根据组件的放置以及冷却器连接到设备或系统的连接方式,冷水机组可以集成到各种应用中的各种外形尺寸中。这些决策会影响性能、数量、可靠性和易维护性。在为不同外形尺寸设计冷水机组时,重要的是在最小的占地面积内提供最大的冷却。布局需要考虑产品性能、可靠性和维修的可访问性。它还需要在安装到设备中时提供简单且防错的集成。

紧凑型定制冷水机组
在标准冷水机组内

确保长期可靠性

使用冷水机组的限制因素之一是增加了更多的移动/机械部件。在设计包含冷水机组的系统时,制定测试、可靠性和维护协议至关重要。

  • 其中包括以下注意事项:
    • 远程监控
    • 电能计量
    • 泄漏检测
    • “热插拔”设计,避免停机
    • 维护合同

泵是要评估的最重要组件,以确保高使用寿命和可靠性。花时间进行比较和测试,以选择功率更低的泵,并为具有所需压力扬程的应用提供最佳泵流量。其余管道材料和流量部件的选择可以进一步提高泵的性能和系统效率。

工艺流体

工艺流体对性能、使用和效率有重大影响。大多数液体冷却器使用水或水/乙二醇工艺流体溶液。添加缓蚀剂和杀菌剂对于防止长期腐蚀和藻类生长至关重要,这些腐蚀和藻类生长会因泄漏或流动堵塞而使系统瘫痪。了解工艺流体接触的每个表面的润湿化学成分对于选择正确的缓蚀剂至关重要。使用具有耐冻性的乙二醇可能需要使用杀菌剂,因为乙二醇是藻类的非常好的食物来源。现成的预制工艺冷却剂很多。

此外,重要的是要记住,缓蚀剂需要随着时间的推移而补充,因为它们在钝化流过的表面时会随着时间的推移而消耗。更换工艺冷却液或补充缓蚀剂化学品是必要的预防性维护。

制冷剂

制冷剂在冷水机组中用作工艺冷却剂的闭环,其中两者不直接接触,热量在工艺冷却剂和制冷剂之间传递。制冷剂的选择可以对能源效率产生重大影响。

在运行中,制冷剂流由蒸汽和液体组成。蒸汽质量是饱和混合物中蒸汽的百分比;换句话说,饱和蒸汽的“质量”为100%,饱和液体的“质量”为0%。蒸汽质量是工作压力和温度的函数;每种制冷剂的额定值适用于低压、中压和高压。这严重影响了压缩机电机的选择;糟糕的制冷剂选择可能会抵消品牌“节能”压缩机的任何效率提升。

绿色制冷剂

新型、更环保的制冷剂正变得越来越受欢迎。全球变暖潜能值(GWP)是大气中任何温室气体吸收的热量。它表示为相同质量的二氧化碳(CO2 = 1的GWP)吸收的热量的倍数。较旧的标准制冷剂,如R22(氟利昂)已被一系列具有较低GWP的更环保的制冷剂所取代。随着全球环境法规的日益严格,在选择工艺流体时,这是一个重要的考虑因素。

通信选项

冷水机组设计的最新进展包括改进的连接性、通信和 HMI。传统的通信协议与最终用户系统集成,以监控温度、流量、压力和系统运行状况等过程变量。使用较新的接口,用户也可以远程控制冷水机组。一些Boyd定制冷水机组解决方案还利用定制协议来监控和报告应用需求。能够监视和控制变量可实现峰值效率并更严格地控制系统。

成本考虑因素

在液冷系统中增加冷水机组的总体成本取决于关键部件的选择,特别是泵、压缩机和热交换器。这种初始成本与运行冷水机的成本相结合,就是冷水机组的总成本。水冷系统是节能系统,因此具有最有效的使用成本。维护和认证成本必须与这些使用成本一起考虑,以计算运行冷水机组的总成本。

选择标准冷水机组的后续步骤

随着大功率电子产品在容量和热负荷方面的不断进步,冷水机组的采用率将继续上升。成本可能是采用的最大障碍。

降低这些成本的最佳方法是:

  • 在流程的早期与解决方案合作伙伴接洽 - 由于优化冷水机组和液体系统以确保性能、可靠性和成本的因素很多,因此在流程中尽早与设计和制造合作伙伴接洽至关重要。这将确保您使用针对您的确切应用要求而优化的正确冷却器。
  • 降低初始成本 - 有些人可能会尝试通过使用低于标准或较低质量的零件来降低成本。这最终将导致更高的长期维护和维修成本,从而导致更高的总体成本。更好的选择是选择比定制型号更低的标准基础冷水机组,并从那里进行定制。从经过严格审查的制造合作伙伴那里选择标准还可以通过简化生产来降低初始成本。
  • 最大限度地提高能源效率 - 通过在确定设计选择的同时检查能源效率,冷水机组可以以更低的能源使用成本运行,从而显着降低运营成本。
  • 维护更少/简单 - 与提供可靠性测试和高度可靠组件的解决方案制造商合作,以减少维修和维护的需求。确保保修已到位,并且解决方案合作伙伴具有简化维护流程的内部流程。

博伊德作为解决方案合作伙伴

随着电力负荷的持续上升,液体冷却将继续被采用并适应大多数主要行业的现有和新应用。随着最终用户期望更轻的重量、更好的可靠性、改进的功能和连接性以及更快的处理速度,客户需求持续增长。满足这些要求的最大障碍是在不影响使用寿命、用户安全和性能的情况下处理大量热量。

这要求Boyd液体冷却方法领先于应用,以适应新一代技术和市场需求。Boyd与我们的客户密切合作,了解他们的产品路线图,评估未来的需求,并做好准备。

Boyd数十年的创新专业知识、经验、资源开发以及将多种功能集成到简化解决方案中的独特方法使我们能够满足新的要求并超越期望。Boyd 90多年来一直在应对热挑战,是企业,电动汽车,5G,替代能源和其他主要行业液体解决方案的先驱。

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