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Die besten Wärmeübertragungsflüssigkeiten für Flüssigkeitskühlung

EGW from Dow

Nachdem Sie sich nun dazu entschlossen haben, dass Flüssigkeitskühlung die Lösung ist, wissen Sie auch, welche Wärmeübertragungsflüssigkeit Sie benutzen wollen? Einer der wichtigsten Faktoren wenn Sie eine Flüssigkeitskühlungstechnologie für Ihre Anwendung auswählen ist die Kompatibilität der Wärmeübertragungsflüssigkeit mit den angefeuchteten Oberflächen der Kühlungskomponenten oder des Systems und Ihrer Anwendung. Die Kompatibilität der Wärmeübertragungsflüssigkeit spielt eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, die Verlässlichkeit des Systems auf lange Zeit hin zu garantieren. Einige andere Anforderungen an die Wärmeübertragungsflüssigkeit können thermische Leitfähigkeit und spezifische Wärme, niedrige Viskosität, niedriger Gefrierpunkt, hoher Flammpunkt, niedrige Korrosivität, niedrige Toxizität und thermische Stabilität1 sein. Basierend auf diesen Kriterien sind die am häufigsten benutzen Kühlmittel für Flüssigkeitskühlungsanwendungen heutzutage:

  • Wasser
  • Entionisiertes Wasser
  • Inhibiertes Glykol und wässrige Lösungen
  • Nichtleitende Flüssigkeiten

Durch die Auswahl eines kompatiblen Paares von Wärmeübertragungsflüssigkeiten und eines angefeuchteten Materials können Sie das Korrosionsrisiko minimieren und Ihre thermische Leistung optimieren. Kupfer ist mit Wasser und Glykol-/Wasserlösungen kompatibel und Aluminium ist mit Glykol-/Wasserlösungen, nichtleitenden Flüssigkeiten und Ölen kompatibel. Bei der Benutzung von entionisiertem Wasser und anderen korrosiven Flüssigkeiten wird allerdings in der Regel Stahl empfohlen, da er korrosionsresistenter ist als andere Metalle. (Siehe Tabelle 1.) Die meisten Kühlungssysteme sind mit Wasser oder Glykol-/Wasserlösungen kompatibel, benötigen aber besondere Rohrleitungen für die Kompatibilität mit entionisiertem Wasser oder einer nichtleitenden Flüssigkeit, wie etwa Polyalphaolefin (PAO).

Tabelle 1

MATERIALIEN- & FLÜSSIGKEITSKOMPTIBILITÄT  
  Wasser Glykole Entionisiertes Wasser Nichtleitende Flüssigkeiten (Fluorinert, PAO)
Kupfer X X   X
Aluminum   X   X
Edelstahl X X X X

Wasser

Wasser ist aufgrund seiner Hitzekapazität und thermischen Leitfähigkeit eine der besten Optionen für Flüssigkeitskühlungsanwendungen. Es ist auch mit Kupfer kompatibel, das für die Benutzung in Ihrem Flüssigkeitspfad eines der besten Hitzeübertragungsmaterialien ist und deshalp häufig in Wärmetauschern verwendet wird. Das Wasser für die Kühlung stammt aus verschiedenen Quellen. Leitungswasser beispielsweise kommt von einer Trinkwasseranlage oder einem Brunnen aus öffentlicher Hand. Der Vorteil bei der Nutzung von Leitungswasser ist, dass es stets bereit und günstig ist. Was es bei Trinkwasser oder Leitungswasser allerdings zu beachten gilt ist, dass es wahrscheinlich unbehandelt ist und damit vermutlich Unreinheiten enthält. Diese Unreinheiten könnten zu Korrosion im Flüssigkeitskühlungskreislauf und/oder zu einer Verstopfung der Flüssigkeitskanäle führen. Daher wird die Verwendung von gutem Wasser empfohlen, um das Korrosionsrisiko zu minimieren und die thermische Leistung zu optimieren.

Die Fähigkeit von Wasser, Metall zum Rosten zu bringen, kann abhängig von seiner chemischen Zusammensetzung erheblich variieren. Chlorid beispielsweise, das sich in der Regel in Leitungswasser finden, kann korrosiv sein. Trink- oder Leitungswasser sollten nicht für einen Flüssigkeitskühlungskreislauf verwendet werden, wenn es mehr als 25 PPM Chlorid enthält. Der Anteil von Kalzium und Magnesium im Wasser sollte ebenfalls bedacht werden, da Kalzium und Magnesium Kalkablagerungen auf metallenen Oberflächen verursachen und damit die thermische Leistung der Komponenten reduzieren können. (Siehe Tabelle 2.)

Tabelle 2

MINIMALANFORODERUNGEN AN QUALITATIV GUTES WASSER2

Mineralien  Empfohlene Grenze
Kalzium < 50 ppm
Magnesium < 50 ppm
Gesamthärte < 100 ppm (5 grains)
Chlorid < 25 ppm
Sulfate < 25 ppm

Wenn Sie feststellen, dass Ihr Trink- oder Leitungswasser einen hohen Prozentsatz an Mineralien, Salzen oder anderen Unreinheiten enthält, können Sie es entweder filtern, oder entionisiertes Wasser kaufen. Wenn Ihr Trink- oder Leitungswasser relativ rein und innerhalb der oben angegebenen Grenzen ist, wird in der Regel trotzdem empfohlen, dass Sie ein Korrosionsschutzmittel zum zusätzlichen Schutz hinzugeben. Phosphate sind ein effektives Korrosionsschutzmittel für rostfreien Stahl und die meisten Aluminiumkomponenten. Sie sind auch für die pH-Kontrolle effektiv. Ein Nachteil von Phosphaten ist jedoch, dass Sie sich mit Kalzium in hartem Wasser absetzen. Für Kupfer und Messing ist Tolyltriazol ein gebräuchliches und äußerst wirksames Mittel zum Korrosionsschutz der Wärmetauscher. Für Aluminium bieten organische Säuren wie 2-Ethyl Hexan- oder Sebacinsäure Schutz.

Entionisiertes Wasser

Entionisiertes Wasser ist Wasser, dessen Ionen entfernt wurden, ebenso wie Natrium, Kalzium, Eisen, Kupfer, Chlorid und Bromid. Der Entionisierungsprozess entfernt schädliche Mineralien, Salze und andere Unreinheiten, die Korrosion oder Kalkbildung verursachen können. Mit Leitungswasser und den meisten anderen Flüssigkeiten verglichen hat entionisiertes Wasser einen hohen Widerstand. Entionisiertes Wasser ist ein ausgezeichnetes Isoliermittel und wird daher bei der Produktion elektrischer Komponenten verwendet, wenn es gilt, Teile elektrisch zu isolieren. Wenn der Widerstand des Wassers ansteigt, steigt allerdings auch die Korrosivität des Wassers. Entionisiertes Wasser hat vermutlich einen pH-Wert von etwa 7.0, wird aber schnell sauer, wenn es mit Luft in Berührung kommt. Das Kohlendioxid in der Luft wird sich im Wasser lösen, damit Ionen einführen und somit zu einem sauren pH-Wert von etwa 5.0 führen. Daher ist es bei der Verwendung von tatsächlich reinem Wasser nötig, ein Korrosionsschutzmittel zu verwenden. Bei der Nutzung von entionisiertem Wasser in einem Rückkühler  sind besonders reine Rohre nötig. Die Anschlüsse sollten nickelbeschichtet sein und die Verdunster sollten nickelverlötet sein. Bei der Nutzung von entionisiertem Wasser für Kühlplatten  oder Wärmetauscher sind Kupfer-Leitungen inkompatibel. Es empfehlen sich Leitungen aus rostfreiem Stahl.

Inhibiertes Glykol and Wässrige Lösungen  

Ethylen-Glykol-Wasser (EWG) und Propylen-Glykol-Wasser (PWG) sind die beiden am häufigsten genutzten Lösungen für Flüssigkeitskühlungsanwendungen. Ethylenglykol hat positive thermische Eigenschaften, wie zum Beispiel einen hohen Siedepunkt, niedrigen Gefrierpunkt, Stabilität über einen großen Temperaturbereich hinweg, eine hohe spezifische Wärme und thermische Leitfähigkeit. Es hat außerdem eine niedrige Viskosität und damit reduzierte Anforderungen an die Rohre. Obwohl EGW bessere physikalische Eigenschaften hat als PGW, wird PGW für Anwendungen verwendet, wo Toxizität ein Problem sein könnte. PGW ist allgemein für seine sichere Nutzung in Lebensmittel oder bei der Weiterverarbeitung von Lebensmitteln bekannt und kann auch in umschlossenen Räumen3 benutzt werden.

Obwohl de thermische Leitfähigkeit von EGW nicht so hoch ist wie die von Wasser, bietet EWG einen Gefrierschutz, der während der Nutzung oder der Lieferung sinnvoll sein kann. So ist Ethylen die Chemikalie, die bei Frostschutzmitteln für Autos genutzt wird. Das in Autos verwendete Glykol sollte allerdings nicht in einem Kühlsystem oder Wärmetauscher benutzt werden, da es ein auf Silikaten basiertes Rostschutzmittel enthält. Diese Schutzmittel können fest werden und verschmutzen, sich auf der Oberfläche von Wärmetauschern ablagern und damit deren Effizienz senken. Silikate senken außerdem in erheblichem Maße die Lebensdauer von Pumpenversiegelungen. Während das falsche Schutzmittel zu großen Problemen führen kann, kann das richtige Schutzmittel Korrosion verhindern und die Lebensdauer eines Flüssigkeitskühlungskreislaufs deutlich verlängern. Inhibierte Glykole können von Firmen wie DynaleneHoughton Chemical, oder der Dow Chemical Company gekauft werden und sind nicht-inhibierten Glykolen unbedingt vorzuziehen.

Mit dem Anstieg der Glykolkonzentration in der Lösung nimmt auch die thermische Leistung des Wärmetauschers zu. Daher ist es das Beste, die niedrigste Konzentration des inhibierten Glykols zu verwenden die nötig ist, um Ihre Korrosions- und Frierschutzanforderungen zu erfüllen. Dow Chemical empfiehlt eine Mindestkonzentration von 25-30% EGW4. Bei dieser Mindestkonzentration fungiert das Ethylenglykol gleichzeitig als ein Bakterizid und Fungizid. Bei Rückkühlern wird eine Lösung mit 30% Ethylenglykol in einen nur etwa 3%igen Abfall bei der thermischen Leistung im Vergleich zu Wasser führen, wird aber einen Korrosionsschutz und einen Gefrierschutz bis zu -15°C gewähren.

Die Qualität des Wassers, das in der Glykollösung verwendet wird ist ebenfalls wichtig. Das Wasser sollte die in Tabelle 2 aufgeführten Grenzen einhalten oder übertreffen, selbst wenn Sie inhibiertes Glykol benutzen. Ionen im Wasser können dazu führen, dass der Inhibitor in der Lösung versagt, was zu Verschmutzung und Korrosion führt.

Nichtleitende Flüssigkeit

Während es in der Lebensmittelindustrie wahrscheinlicher ist, dass PGW einer EGW für die Wärmeübertragung vorgezogen wird, werden sich die Hersteller aus den Bereichen LeistungselektronikLaser und Halbleiter eher für dielektrische Flüssigkeiten anstelle von Wasser entscheiden. Eine dielektrische Flüssigkeit ist nichtleitend und damit besser als Wasser, wenn mit empfindlichen elektronischen Geräten gearbeitet wird. Perfluorierte Kohlenstoffe wie die dielektrische Flüssigkeit Fluorinert™ von 3 M sind nicht-brennbar, nicht-explosiv und über einen breiten Bereich an Betriebstemperaturen hin thermisch stabil. Obwohl auch entionisiertes Wasser nichtleitend ist, ist Fluorinert™ weniger korrosiv als entionisiertes Wasser und kann daher für einige Anwendungen die bessere Wahl sein. Allerdings hat Wasser eine thermische Leitfähigkeit von etwa 0.59 W/m°C , während Fluorinert FC-77 lediglich eine thermische Leitfähigkeit von circa 0.063 W/m°C aufweist.5 Fluorinert ist außerdem deutlich teurer als entionisiertes Wasser.

PAO ist ein synthetischer Kohlenwasserstoff, der aufgrund seiner nichtleitenden Eigenschaften und seines breiten Bereiches an Betriebstemperaturen regelmäßig für Anwendungen in Militär und Raumfahrt genutzt wird. Die Feuerkontrollradare an den heutigen Düsenjägern sind beispielsweise flüssigkeitsgekühlt und verwenden dazu PAO. Für das Testen von Kühlplatten und Wärmetauschern die PAO als Wärmeübertragungsflüssigkeit nutzen werden stehen PAO-kompatible Rückkühler zur Verfügung zur Verfügung. PAO hat eine thermische Leitfähigkeit von 0.14 W/m°C. Obwohl also nichtleitende Flüssigkeiten eine Flüssigkeitskühlung mit geringem Risiko für Elektronik Geräte bieten, haben sie in der Regel eine deutlich geringere Leitfähigkeit als Wasser und die meisten wasserbasierten Lösungen.

Wasser, entionisiertes Wasser, Glykol-/Wasserlösungen und nichtleitende Flüssigkeiten wie Fluorkohlenstoffe und PAO sind die Wärmeübertragungsflüssigkeiten die am häufigsten in Hochleistungsanwendungen mit Flüssigkeitskühlung verwendet werden. Es ist wichtig eine Wärmeübertragungsflüssigkeit auszuwählen, die mit Ihrem Fließweg kompatibel ist, Korrosionsschutz bietet, oder ein minimales Korrosionsrisiko mit sich bringt und die speziellen Anforderungen Ihrer Anwendung erfüllt. Mit der richtigen Chemie kann Ihre Wärmeübertragungsflüssigkeit eine äußerst effektive Kühlung für Ihren Flüssigkeitskühlungskreislauf bieten. Für weitere Informationen zu Flüssigkeitskühlungstechnologien wenden Sie sich bitte an Lytron. Für weitere Informationen zu Wasserchemie oder Wasseraufbereitung holen Sie sich bitte Rat von einem chemischen Ingenieur oder einem Wasserqualitätsspezialist.

1Mohapatra, Satish C., “An Overview of Liquid Coolants for Electronics Cooling,” ElectronicsCooling, Mai 2006, S. 22.

2The Dow Chemical Company, “The Importance of Using Good-Quality Water in Heat Transfer Fluid Solutions,”  www.Dow.com, Form No.180-01396-1099QRP, Oktober 1999.  

3The Dow Chemical Company, “How to Choose the Right Heat Transfer Fluid”, Process Heating, January 2008, Troy, MI, p. 52.

4The Dow Chemical Company, “Engineering and Operating Guide for DOWTHERM SR-1 AND DOWTHERM 4000 Inhibited Ethylene Glycol-based Heat Transfer Fluids”,  www.Dow.com, Form No. 180-1190-0901 AMS, September 2001, S. 6.

53M, “3M Fluorinert™ Electronic Liquid FC-77”,  www.3M.com, 98-0212-2309-8 (HB), Mai 2000, S. 1.