Các loại chất lỏng truyền nhiệt tốt nhất cho làm mát bằng chất lỏng
Độ tin cậy lâu dài của hệ thống làm mát bằng chất lỏng phụ thuộc vào khả năng tương thích của chất lỏng truyền nhiệt. Chất lỏng truyền nhiệt cũng cần đáp ứng các yêu cầu khác như độ dẫn nhiệt cao, nhiệt dung riêng phù hợp, độ nhớt thấp, điểm đông đặc thấp, điểm bắt cháy cao, ít ăn mòn, độc tính thấp và ổn định về nhiệt. Theo những tiêu chí này, các loại chất làm mát phổ biến nhất hiện nay cho các ứng dụng làm mát bằng chất lỏng là:
Chọn đúng cặp chất lỏng truyền nhiệt và vật liệu tiếp xúc tương thích giúp giảm thiểu nguy cơ ăn mòn và tối ưu hiệu suất nhiệt.
Đồng tương thích với nước và dung dịch glycol/nước.
Nhôm tương thích với dung dịch glycol/nước, chất lỏng điện môi và dầu.
Thép không gỉ phù hợp hơn với nước khử ion hoặc các chất lỏng ăn mòn khác, nhờ khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với các kim loại khác.
Hầu hết hệ thống làm mát đều tương thích với nước hoặc dung dịch glycol/nước, nhưng cần hệ thống ống chuyên dụng nếu dùng nước khử ion hoặc chất lỏng điện môi như polyalphaolefin (PAO).
Kim loại |
Nước |
Glycol |
Khử ion |
Chất lỏng điện môi |
| Đồng | X | X | X | |
| Nhôm | X | X | ||
| Thép không gỉ | X | X | X | X |
Nước dùng cho làm mát bằng chất lỏng có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau. Ví dụ: nước máy thường lấy từ hệ thống xử lý nước công cộng hoặc giếng khoan. Lợi ích của việc dùng nước cấp từ cơ sở hoặc nước máy là dễ tìm và chi phí thấp. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng loại nước này thường chưa qua xử lý và có thể chứa tạp chất. Tạp chất có thể gây ăn mòn trong vòng tuần hoàn làm mát và/hoặc làm tắc nghẽn kênh dẫn chất lỏng. Vì vậy, nên sử dụng nguồn nước chất lượng tốt để giảm thiểu tình trạng ăn mòn và tối ưu hiệu suất nhiệt.
Khả năng ăn mòn kim loại của nước có thể khác nhau đáng kể tùy theo thành phần hóa học. Clorua gây ăn mòn thường có trong nước máy. Không nên dùng nước cấp cơ sở hoặc nước máy trong vòng tuần hoàn làm mát nếu hàm lượng clorua vượt quá 25 PPM.
Ngoài ra, cần lưu ý đến hàm lượng canxi và magiê trong nước. Canxi và magiê có thể tạo ra cặn bám trên bề mặt kim loại, làm giảm hiệu suất nhiệt của các linh kiện.
Khoáng chất |
Giới hạn khuyến nghị |
| Canxi | < 50 ppm |
| Clorua | < 25 ppm |
| Magiê | < 50 ppm |
| Sulfat | < 25 ppm |
| Độ cứng toàn phần | < 100 ppm (5 grain) |
Nếu nước tại cơ sở hoặc nước máy chứa nhiều khoáng chất, muối hoặc tạp chất khác, bạn có thể lọc nước, hoặc mua nước lọc/nước khử ion sẵn có.
Chúng tôi vẫn khuyến nghị dùng thêm chất ức chế ăn mòn để tăng cường bảo vệ, ngay cả khi nước tại cơ sở hoặc nước máy của bạn tương đối tinh khiết và đáp ứng các giới hạn khuyến nghị. Phosphat là chất ức chế ăn mòn hiệu quả cho thép không gỉ và phần lớn linh kiện bằng nhôm. Nó cũng kiểm soát pH hiệu quả. Nhược điểm của phosphat là dễ kết tủa với canxi trong nước cứng. Với đồng và đồng thau, tolyltriazole là chất ức chế ăn mòn phổ biến và rất hiệu quả. Với nhôm, các axit hữu cơ như axit 2-ethyl hexanoic hoặc axit sebacic sẽ bảo vệ tốt.
Nước khử ion là nước đã loại bỏ các ion, bao gồm natri, canxi, sắt, đồng, clorua và bromua. Quá trình khử ion loại bỏ các khoáng chất, muối và tạp chất có hại vốn có thể gây ăn mòn hoặc hình thành cặn bám. So với nước máy và hầu hết các loại chất lỏng khác, nước khử ion có điện trở suất cao. Nước khử ion là chất cách điện tuyệt vời, rất phù hợp cho sản xuất linh kiện điện tử hoặc làm mát ngâm, nơi các linh kiện cần được cách điện hoàn toàn.
Tuy nhiên, điện trở suất của nước càng cao thì khả năng gây ăn mòn cũng càng lớn. Nước khử ion có độ pH xấp xỉ 7,0 nhưng sẽ nhanh chóng chuyển sang có tính axit khi tiếp xúc với không khí. Carbon dioxide trong không khí hòa tan vào nước, tạo ra các ion và làm giảm pH xuống 5,0. Cần dùng chất ức chế ăn mòn khi sử dụng nguồn nước gần như tinh khiết hoàn toàn. Khi dùng nước khử ion trong chiller tuần hoàn hoặc CDU, bắt buộc phải sử dụng hệ thống đường ống có độ tinh khiết cao chuyên dụng. Các phụ kiện cần được mạ niken, còn bộ bay hơi cần được hàn bằng niken. Khi dùng nước khử ion trong tấm lạnh hoặc bộ trao đổi nhiệt, nên chọn loại ống bằng thép không gỉ.
Nước máy đáp ứng nhu cầu cho phần lớn các ứng dụng làm mát bằng chất lỏng. Tuy nhiên, nước khử ion (DI) có các đặc tính hóa học và điện học khiến nó là lựa chọn tối ưu khi mạch chất lỏng có vi kênh hoặc liên quan đến thiết bị điện tử nhạy cảm.
Nước DI có nồng độ ion cực thấp, là yếu tố quyết định nhiều đặc tính hiệu suất quan trọng. Trước hết, nó loại bỏ hiện tượng cặn khoáng làm tắc dòng chảy chất làm mát, vốn làm giảm hiệu quả làm mát và hiệu suất vận hành hệ thống. Thứ hai, nó loại bỏ nguy cơ phóng hồ quang điện do tĩnh điện tích tụ từ chất làm mát tuần hoàn. Hồ quang điện có thể làm hỏng các linh kiện điện tử điều khiển nhạy cảm trong thiết bị được làm mát. Việc không có ion trong nước DI giúp loại bỏ cả hai vấn đề này.
Các ứng dụng cần dùng nước DI thường ở các ngành như:
Cần thận trọng khi sử dụng nước DI. Việc thiếu ion khiến loại chất làm mát này có tính ăn mòn bất thường. Được mệnh danh là “dung môi vạn năng”, nước khử ion là một trong những dung môi có khả năng hòa tan mạnh nhất được biết đến. Nó hòa tan mọi thứ tiếp xúc với nó, ở các mức độ khác nhau. Vì vậy, mọi vật liệu trong vòng tuần hoàn làm mát đều phải có khả năng chống ăn mòn.
Đồng và nhiều vật liệu phổ biến khác không tương thích với nước DI và sẽ làm nhiễm bẩn nguồn nước này. Khi thiết kế hệ thống sử dụng nước DI, hãy chắc chắn chọn các vật liệu tương thích với DI như thép không gỉ hoặc niken.
Với bộ trao đổi nhiệt hoặc tấm lạnh, chúng tôi khuyến nghị dùng đường dẫn chất lỏng bằng thép không gỉ. Một chiller tuần hoàn thân thiện với DI nên có bộ bay hơi hàn niken, đầu bơm bằng thép không gỉ và các phụ kiện mạ niken. Cuối cùng, để duy trì độ tinh khiết của nước DI, hệ thống cần có thêm lõi khử ion. Cũng như mọi vật tư tiêu hao khác, lõi khử ion cần được thay thế định kỳ.
Tóm lại, nhiều loại thiết bị và ứng dụng cần đến hệ thống làm mát bằng nước DI. Nếu được thiết kế và bảo trì đúng cách, các hệ thống này có thể vận hành ổn định, không rò rỉ trong suốt nhiều năm liền.
Hai loại glycol phổ biến nhất cho ứng dụng làm mát bằng chất lỏng là dung dịch ethylene glycol và nước (EGW), và propylene glycol và nước (PGW).
Ethylene glycol có nhiều đặc tính nhiệt lý tưởng: điểm sôi cao, điểm đông đặc thấp, ổn định trên dải nhiệt độ rộng, nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt cao. Nó cũng có độ nhớt thấp, nghĩa là giảm yêu cầu công suất bơm. Dù độ dẫn nhiệt của EGW không cao bằng nước, nó lại giúp chống đóng băng, là lợi thế hữu ích trong quá trình sử dụng hoặc vận chuyển.
Mặc dù EGW có đặc tính vật lý tốt hơn PGW, dung dịch propylene glycol/nước vẫn được dùng trong các ứng dụng cần quan tâm đến độc tính. PGW nhìn chung được công nhận là an toàn để dùng trong ứng dụng thực phẩm hoặc chế biến thực phẩm, đồng thời cũng phù hợp cho không gian kín.
Ethylene glycol được dùng làm chất chống đông trong ngành ô tô. Tuy nhiên, không nên sử dụng glycol dùng cho ô tô trong hệ thống làm mát hay bộ trao đổi nhiệt, vì loại này chứa chất ức chế gỉ gốc silicat. Các chất ức chế này có thể tạo gel và bám cặn, phủ lên bề mặt bộ trao đổi nhiệt và làm giảm hiệu suất. Silicat cũng được chứng minh làm giảm đáng kể tuổi thọ của phớt bơm.
Chất ức chế không phù hợp có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng, còn chất ức chế đúng loại sẽ ngăn ăn mòn và kéo dài đáng kể tuổi thọ vòng tuần hoàn làm mát. Có thể mua glycol có chất ức chế từ các nhà sản xuất chất lỏng chuyên dụng, và loại này được khuyến nghị hơn hẳn so với glycol không bị ức chế.
Khi nồng độ glycol trong dung dịch tăng, hiệu suất nhiệt của chất lỏng truyền nhiệt sẽ giảm. Đối với glycol có chất ức chế, hãy sử dụng nồng độ thấp nhất có thể, ở mức đủ để đáp ứng nhu cầu chống ăn mòn và chống đóng băng của bạn. Dow Chemical khuyến nghị nồng độ tối thiểu 25–30% EGW4. Ở nồng độ tối thiểu này, ethylene glycol còn có tác dụng diệt khuẩn và diệt nấm. Với chiller tuần hoàn, dung dịch ethylene glycol 30% chỉ làm giảm khoảng 3% hiệu suất nhiệt so với chỉ dùng nước, nhưng đổi lại mang đến khả năng chống ăn mòn cũng như chống đóng băng đến -15°C (5°F).
Chất lượng nước dùng trong dung dịch glycol cũng rất quan trọng. Nước cần đạt hoặc vượt giới hạn nêu trong bảng Giới hạn khoáng chất khuyến nghị, ngay cả khi bạn dùng glycol bị ức chế. Ion trong nước có thể khiến chất ức chế bị kết tủa khỏi dung dịch, dẫn đến bám cặn và ăn mòn.
Eaton khuyến nghị dùng hỗn hợp glycol-nước tỷ lệ 30/70 với các chiller tuần hoàn của công ty bất cứ khi nào điểm đặt nhiệt độ chất làm mát dưới 10°C (48°F). Glycol giúp hạ điểm đông đặc của hỗn hợp *(Hình 1). Việc thêm glycol vào chất làm mát giúp hạ điểm đông đặc xuống khoảng -34°C, loại trừ nguy cơ hư hỏng chiller do đóng băng.
Glycol truyền nhiệt kém hiệu quả hơn nước tinh khiết (Hình 2 và 3). Vì vậy, nếu không có nguy cơ đóng băng, hãy dùng 100% nước, vì thêm glycol vào hệ thống sẽ làm giảm hiệu suất. Tuy nhiên, khi điểm đặt dưới 10°C (48°F), nguy cơ đóng băng xuất hiện và cần thêm glycol vào nước. Việc giảm nhẹ hiệu suất là cần thiết để có thể an toàn hạ điểm đặt nhiệt độ.
Trong chiller tuần hoàn, chất lỏng làm mát chảy qua ứng dụng, hấp thụ nhiệt dư và làm tăng nhiệt độ của chính nó. Sau đó, chất làm mát này cần được đưa trở lại nhiệt độ điểm đặt bằng cách chảy qua một bộ trao đổi nhiệt gọi là bộ bay hơi.
Tìm hiểu thêm về nguyên lý làm lạnh bằng máy nén.
Bộ trao đổi nhiệt truyền nhiệt giữa chất lỏng làm mát và khí môi chất lạnh trong hệ thống. Nhiệt độ môi chất lạnh phải thấp hơn nhiệt độ chất lỏng làm mát thì nhiệt mới truyền được, giúp đưa nhiệt độ chất làm mát trở lại điểm đặt hiệu quả.
Nhiệt độ môi chất lạnh thường thấp hơn nhiệt độ chất làm mát khoảng 5°C đến 10°C, để đảm bảo nhiệt truyền được. Do đó, nếu điểm đặt nhiệt độ dưới 10°C (48°F), nhiệt độ môi chất lạnh có thể tiệm cận hoặc thậm chí thấp hơn điểm đóng băng của nước. Nếu chất làm mát bị đóng băng, bộ bay hơi có thể bị tắc nghẽn, cản trở dòng nước lưu thông. Nước nở ra khi đóng băng, có thể gây hỏng vĩnh viễn cho bộ bay hơi.
Các ngành điện tử công suất, laser và bán dẫn thường có xu hướng chọn chất lỏng điện môi thay vì nước. Chất lỏng điện môi không dẫn điện, nên được ưu tiên hơn nước khi làm việc với thiết bị điện tử nhạy cảm.
Cacbon perfluor hóa, ví dụ như chất lỏng điện môi Fluorinert™ của 3M, không cháy, không gây nổ và ổn định về mặt nhiệt trên dải nhiệt độ vận hành rộng. Dù nước khử ion cũng không dẫn điện, Fluorinert™ ít gây ăn mòn hơn nước khử ion nên có thể là lựa chọn tốt hơn cho một số ứng dụng. Tuy nhiên, nước có độ dẫn nhiệt khoảng 0,59 W/m°C (0,341 BTU/giờ·ft·°F), trong khi Fluorinert™ FC-77 chỉ đạt khoảng 0,063 W/m°C (0,036 BTU/giờ·ft·°F). Fluorinert™ cũng có giá thành cao hơn đáng kể so với nước khử ion.
PAO là hydrocarbon tổng hợp, thường được dùng trong các ứng dụng quốc phòng và hàng không vũ trụ nhờ đặc tính điện môi và khả năng chịu dải nhiệt độ vận hành rộng. Ví dụ: radar điều khiển hỏa lực trên các máy bay tiêm kích hiện nay đều được làm mát bằng chất lỏng PAO. Eaton có chiller tuần hoàn tương thích PAO, dùng để thử nghiệm các tấm lạnh và bộ trao đổi nhiệt sẽ sử dụng PAO trong ứng dụng thực tế. PAO có độ dẫn nhiệt 0,14 W/m°C (0,081 BTU/giờ·ft·°F). Dù chất lỏng điện môi mang đến giải pháp làm mát ít rủi ro cho thiết bị điện tử, nhưng thường có độ dẫn nhiệt thấp hơn nhiều so với nước và phần lớn các dung dịch gốc nước.
Nước, nước khử ion, dung dịch glycol/nước và chất lỏng điện môi như fluorocarbon hay PAO là những chất lỏng truyền nhiệt phổ biến nhất trong các ứng dụng làm mát bằng chất lỏng hiệu suất cao. Bạn nên chọn chất lỏng truyền nhiệt tương thích với đường dẫn chất lỏng của mình với khả năng chống ăn mòn hoặc giảm thiểu rủi ro ăn mòn, đồng thời đáp ứng đúng yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Với thành phần hóa học phù hợp, chất lỏng truyền nhiệt sẽ cho hiệu quả làm mát tối ưu cho vòng tuần hoàn của bạn.
Để biết thêm thông tin về các công nghệ làm mát bằng chất lỏng cũng như chất lỏng làm việc phù hợp cho hệ thống của bạn, vui lòng liên hệ với chúng tôi.
Gửi email
Câu hỏi Thường gặp MyEaton
