Како дизајнирати и оптимизовати водено хлађене плочасте канале за максималну ефикасност

 

Цео систем течног хлађења укључује компоненте као што су плоча за течно хлађење, течни расхладни медијум, пумпа, цеви и радијатор.

 

Уопштено говорећи, термофизичка својства најчешће коришћених течности за хлађење су приказана у табели испод:

 

▲ Својства хлађења течности

 

Из горње табеле јасно је да избор течног расхладног медија има фиксни утицај на ефикасност хлађења целог система. Без мењања других услова, приоритет треба дати јефтиним медијима који испуњавају захтеве животне средине (као што су надморска висина и температура околине).

 

Међутим, плоча са воденим хлађењем је такође кључни део система за хлађење течности. Као компонента за размену топлоте система за хлађење течности, садржи канале за размену топлоте, односно путеве протока. Дизајн ових унутрашњих путева протока може значајно утицати на ефикасност размене топлоте целог система, уз значајну варијабилност.

 

Стога, данас нећемо расправљати о течним расхладним медијима, већ ћемо уместо тога, користећи чисту воду као пример, анализирати дизајн и приступ оптимизацији путева протока плоча са воденим хлађењем.

 

Приликом пројектовања водено хлађене плоче, потребно је узети у обзир следеће факторе:

 

• Захтеви за перформансе размене топлоте:Под подешеним протоком и температурном разликом између улазне и излазне воде, постићи жељени пораст температуре извора топлоте и циљ расипање топлоте радијатора, испуњавајући захтеве перформанси.
• Захтеви за чврстоћу и притисак:У неким пројектима, због коришћења животне средине или захтева за инсталацију унутар система, дају се посебна упутства за површински притисак и опште услове напрезања водено хлађене плоче.
• Отпорност на корозију:Течни медијум за хлађење тече кроз канал током дужег периода, а високе температуре могу убрзати деградацију металних материјала, потенцијално довести до блокада које утичу на ефикасност хлађења.
• Спречавање цурења:Дизајн покривне плоче, горње и доње површине, заптивне траке, па чак и методе заваривања треба да спрече цурење.
• Исплативост:Смањење трошкова због фактора као што су изводљивост производње, избор материјала, сложеност процеса, отпор протока и отпорност на топлоту, уз минимизирање притиска пумпе и радног времена.

 

Да би се испунили горе наведени захтеви, морају се узети у обзир свеобухватна разматрања у погледу материјала, структуре и метода производње.

 

 

И Избор материјала за плоче са воденим хлађењем

 

Материјал водено хлађене плоче утиче на перформансе размене топлоте између канала и расхладне воде. Материјале високе топлотне проводљивости треба користити за плоче хлађене водом како би се ефективно смањио укупни топлотни отпор система. Уобичајени материјали попут алуминијума и бакра показују следећа својства:

 

▲ Својства материјала

 

Легуре алуминијума, као најчешће коришћени расхладни материјал, имају предности као што су висока топлотна проводљивост, мала густина, добра обрадивост, одлична отпорност на корозију и повољна физичко-механичка својства.

 

Процес заштите од корозије за алуминијумске профиле је добро успостављен, осигуравајући дугорочну поуздану употребу водено хлађених плоча.

 

Алуминијумски хладњаци који се користе у електронским производима се обично праве од легура серије 50 или 60, као што су АЛ5051, 60601 и 6063. Ови материјали нуде одличну топлотну проводљивост, отпорност на корозију, могућност обраде и погодни су за анодизацију и ЦНЦ обраду сложених канала протока .

 

Ова студија се фокусира на дизајн и приступ оптимизацији путева протока плоча са воденим хлађењем, претпостављајући унапред одређене брзине протока и основне захтеве за пад притиска.

 

 

ИИ Основни типови водено хлађених плочастих токова

 

Главни типови водено хлађених плочастих токова обухватају: планарне, В-облике, кружне, цилиндричне и архимедове спиралне канале. У наставку су кратки описи сваког од њих, са одговарајућим сликама:

 

▲ Планар Ватер-Цоолед Плоча Слика

 

▲ Слика водено хлађене плоче у облику слова В

 

▲ Кружна слика водено хлађене плоче

 

▲ Слика цилиндричне водено хлађене плоче

 

У примеру цилиндричне плоче са воденим хлађењем, унутрашњи дизајн може укључивати правоугаоне стубове или издужене хладњаке за побољшање контактне површине са протоком воде.

 

▲ Слика путање Архимедовог спиралног тока

 

Позивајући се на овај физички објекат, намерно сам користио солидворкс да дизајнирам његову 3Д структуру као што је приказано у наставку.

 

▲ Једноциклусна слика путање протока

 

▲ Слика путање тока двоструке петље

 

Горе наведени су типични дизајни путева протока са воденим хлађењем. Затим ћемо истражити приступ оптимизације за ове дизајне.

 

 

ИИИ Приступ оптимизације путање протока

 

Приступ оптимизације за водено хлађене плоче протока дели сличности са оптимизацијом путање протока ваздуха у системима са ваздушним хлађењем.

 

За решења са ваздушним хлађењем, принципи оптимизације путање протока ваздуха могу се позвати у чланку: „Принципи за оптимизацију путања ваздушног струјања у термичком дизајну за електронске производе“.

• Повећани кругови:Након почетног планирања дизајна путање протока воде, нумеричке симулације могу открити да ефикасност хлађења не испуњава очекивања, са већом топлотном отпорношћу. У овом случају, повећање броја кола (нпр. са једног на два или више кола) може побољшати размену топлоте.
• Повећајте површину дисипације топлоте:Ако простор унутрашње структуре дозвољава, додавање цилиндричних или правоугаоних ребара у поређаним или поравнатим конфигурацијама може побољшати оптимизацију унутар путање протока.
• Оптимизујте брзину унутрашњег протока воде:Када је површина попречног пресека улаза фиксирана, повећање површине попречног пресека пута смањује брзину протока, ометајући брзу размену топлоте. Међутим, једноставно смањење површине попречног пресека ради повећања брзине може довести до већег отпора протока.
• Баланс водено хлађено подручје:Уверите се да пут протока равномерно покрива контактну површину извора топлоте. У ситуацијама са ограниченом површином или простором, Архимедов спирални ток је добра опција.
• Избегавајте кратке спојеве:Када су улаз и излаз сувише близу, дизајнирајте ребрасте структуре на путу протока да га продуже и дистрибуирају воду испод извора топлоте, спречавајући воду да директно тече од улаза до излаза.
• Избегавајте превелику дужину протока:У случајевима са вертикално слојевитим изворима топлоте, уобичајени приступ може бити пројектовање путева протока од врха до дна, или обрнуто, што може изазвати значајну температурну разлику између предње и задње стране. Размислите о засебном хлађењу за сваки слој да бисте решили овај проблем.
• Смањите кривине:Завоји повећавају губитак главе и отпор протока. Ако су кривине неизбежне, обезбедите глатке прелазе да бисте смањили пад притиска уз повећање површине одвођења топлоте.

 

Током процеса оптимизације, обезбедите да отпор протока система, топлотна отпорност и чврстоћа конструкције (нпр. површински притисак) испуњавају захтеве пројекта, узимајући у обзир изводљивост производње и цену.

 

 

ИВ Методе пројектовања оптимизације

 

• Анализа хипотезе:На основу оригиналног пројекта, примените идеје за оптимизацију као што је повећање површине дисипације топлоте, смањење површине попречног пресека или додавање кола и израчунајте теоријске резултате.
• Нумеричка симулација:На основу анализе, креирајте вишеструке моделе пројектовања путање протока, симулирајте под потребним условима и упоредите резултате.
• Експериментално тестирање:Изградите експерименталне моделе и тестове за верификацију анализе хипотезе и резултата нумеричке симулације.