Kako dizajnirati i optimizirati vodeno hlađene pločaste kanale za maksimalnu učinkovitost

 

Cijeli sustav za hlađenje tekućinom uključuje komponente kao što su ploča za hlađenje tekućinom, tekući rashladni medij, pumpa, cijevi i hladnjak.

 

Općenito, termofizička svojstva uobičajenih tekućih rashladnih tekućina prikazana su u donjoj tablici:

 

▲ Svojstva tekućeg hlađenja

 

Iz gornje tablice jasno je da odabir tekućeg rashladnog medija ima fiksni utjecaj na učinkovitost hlađenja cijelog sustava. Bez mijenjanja drugih uvjeta, prednost treba dati jeftinim medijima koji zadovoljavaju ekološke zahtjeve (kao što su nadmorska visina i temperatura okoline).

 

Međutim, vodeno hlađena ploča također je ključni dio sustava za hlađenje tekućinom. Kao komponenta za izmjenu topline sustava za hlađenje tekućinom, sadrži kanale za izmjenu topline, odnosno staze protoka. Dizajn ovih unutarnjih putova protoka može značajno utjecati na učinkovitost izmjene topline cijelog sustava, uz značajnu varijabilnost.

 

Stoga danas nećemo raspravljati o tekućim rashladnim medijima, već ćemo umjesto toga, koristeći čistu vodu kao primjer, analizirati dizajn i pristup optimizaciji vodeno hlađenih pločastih staza protoka.

 

Pri projektiranju vodeno hlađene ploče potrebno je uzeti u obzir sljedeće čimbenike:

 

• Zahtjevi za izmjenu topline:Pod postavljenom brzinom protoka i temperaturnom razlikom između ulazne i izlazne vode, postignite željeni porast temperature izvora topline i ciljanu disipaciju topline radijatora, ispunjavajući zahtjeve performansi.
• Zahtjevi za čvrstoću i pritisak:U nekim projektima, zbog ekološke upotrebe ili zahtjeva za ugradnju unutar sustava, daju se posebne upute za površinski tlak i uvjete ukupnog naprezanja vodeno hlađene ploče.
• Otpornost na koroziju:Tekući rashladni medij teče kroz kanal dulje vrijeme, a visoke temperature mogu ubrzati degradaciju metalnih materijala, potencijalno dovodeći do blokada koje utječu na učinkovitost hlađenja.
• Sprječavanje curenja:Dizajn pokrovne ploče, gornje i donje površine, brtvene trake, pa čak i metode zavarivanja trebaju spriječiti curenje.
• Isplativost:Smanjenje troškova zbog čimbenika kao što su izvedivost proizvodnje, izbor materijala, složenost procesa, otpor protoka i otpornost na toplinu, uz minimaliziranje pritiska pumpe i vremena rada.

 

Kako bi se ispunili gore navedeni zahtjevi, moraju se uzeti u obzir sveobuhvatna projektna razmatranja u vezi s materijalima, strukturom i metodama proizvodnje.

 

 

I Izbor materijala vodeno hlađene ploče

 

Materijal vodeno hlađene ploče utječe na izmjenu topline između kanala i rashladne vode. Za vodeno hlađene ploče treba koristiti materijale visoke toplinske vodljivosti kako bi se učinkovito smanjio ukupni toplinski otpor sustava. Uobičajeni materijali poput aluminija i bakra pokazuju sljedeća svojstva:

 

▲ Svojstva materijala

 

Aluminijske legure, kao najčešće korišteni rashladni materijal, imaju prednosti kao što su visoka toplinska vodljivost, niska gustoća, dobra obradivost, izvrsna otpornost na koroziju te povoljna fizikalna i mehanička svojstva.

 

Proces zaštite od korozije za aluminijske profile dobro je uhodan, osiguravajući dugotrajnu pouzdanu upotrebu vodeno hlađenih ploča.

 

Aluminijski hladnjaki koji se koriste u elektroničkim proizvodima obično se izrađuju od legura serije 50 ili 60, kao što su AL5051, 60601 i 6063. Ovi materijali nude izvrsnu toplinsku vodljivost, otpornost na koroziju, obradivost i prikladni su za eloksiranje i CNC obradu složenih kanala protoka .

 

Ova se studija usredotočuje na dizajn i pristup optimizaciji vodeno hlađenih pločastih staza protoka, uz pretpostavku unaprijed određenih protoka i osnovnih zahtjeva za pad tlaka.

 

 

II Osnovni tipovi vodeno hlađenih pločastih puteva strujanja

 

Glavni tipovi vodeno hlađenih pločastih staza protoka uključuju: ravne kanale, kanale u obliku slova W, kružne, cilindrične i Arhimedove spiralne kanale. Slijede kratki opisi svakog od njih, s odgovarajućim slikama:

 

▲ Slika planarne vodeno hlađene ploče

 

▲ Slika vodeno hlađene ploče u obliku slova W

 

▲ Slika kružne vodeno hlađene ploče

 

▲ Slika cilindrične vodeno hlađene ploče

 

U primjeru cilindrične vodeno hlađene ploče, unutarnji dizajn može uključivati ​​pravokutne stupove ili izdužene hladnjake za povećanje kontaktne površine s protokom vode.

 

▲ Slika staze toka Arhimedove spirale

 

Referirajući se na ovaj fizički objekt, namjerno sam koristio solidworks za dizajn njegove 3D strukture kao što je prikazano u nastavku.

 

▲ Slika staze toka s jednim ciklusom

 

▲ Slika puta protoka dvostruke petlje

 

Gore su tipični projekti vodeno hlađenog puta protoka. Zatim ćemo istražiti pristup optimizaciji za ove dizajne.

 

 

III Pristup optimizaciji putanje protoka

 

Optimizacijski pristup za vodeno hlađene staze protoka ploča ima sličnosti s optimizacijom putanje protoka zraka u sustavima sa zračnim hlađenjem.

 

Za rješenja sa zračnim hlađenjem, načela optimizacije putanje protoka zraka mogu se navesti u članku: "Principi za optimizaciju putanja protoka zraka u toplinskom dizajnu za elektroničke proizvode."

• Povećaj krugove:Nakon početnog planiranja dizajna putanje protoka vode, numeričke simulacije mogu otkriti da učinkovitost hlađenja ne ispunjava očekivanja, uz veći toplinski otpor. U tom slučaju povećanje broja krugova (npr. s jednog na dva ili više krugova) može poboljšati izmjenu topline.
• Povećanje područja rasipanja topline:Ako prostor unutarnje strukture dopušta, dodavanje cilindričnih ili pravokutnih rebara u raspoređenim ili poravnatim konfiguracijama može poboljšati optimizaciju unutar putanje protoka.
• Optimizirajte brzinu unutarnjeg protoka vode:Kada je površina ulaznog poprečnog presjeka fiksna, povećanje površine poprečnog presjeka staze protoka smanjuje brzinu protoka, sprječavajući brzu izmjenu topline. Međutim, jednostavno smanjenje površine poprečnog presjeka radi povećanja brzine može dovesti do većeg otpora protoku.
• Ravnotežno vodeno hlađeno područje:Osigurajte da put protoka ravnomjerno pokriva kontaktnu površinu izvora topline. U situacijama s ograničenim područjem ili prostorom, Arhimedov spiralni tok je dobra opcija.
• Izbjegavajte kratke spojeve:Kada su ulaz i izlaz preblizu, dizajnirajte rebraste strukture na putu protoka kako biste ga produžili i distribuirali vodu ispod izvora topline, sprječavajući da voda izravno teče od ulaza do izlaza.
• Izbjegavajte prekomjernu duljinu protoka:U slučajevima s okomito slojevitim izvorima topline, uobičajeni pristup može biti projektiranje staza protoka odozgo prema dolje ili obrnuto, što može uzrokovati značajnu temperaturnu razliku između prednje i stražnje strane. Razmotrite zasebno hlađenje za svaki sloj kako biste riješili ovaj problem.
• Smanjite zavoje:Zavoji povećavaju gubitak visine i otpor protoka. Ako su zavoji neizbježni, osigurajte glatke prijelaze kako biste smanjili pad tlaka uz povećanje površine rasipanja topline.

 

Tijekom procesa optimizacije, osigurajte da otpor protoka sustava, toplinska otpornost i čvrstoća konstrukcije (npr. površinski pritisak) zadovoljavaju zahtjeve projekta, uzimajući u obzir izvedivost i troškove proizvodnje.

 

 

IV Metode optimizacijskog dizajna

 

• Analiza hipoteze:Na temelju izvornog projekta primijenite ideje optimizacije kao što je povećanje površine rasipanja topline, smanjenje površine poprečnog presjeka ili dodavanje krugova i izračunajte teoretske rezultate.
• Numerička simulacija:Na temelju analize izradite višestruke modele dizajna putanje protoka, simulirajte pod traženim uvjetima i usporedite rezultate.
• Eksperimentalno testiranje:Izradite eksperimentalne modele i testove za provjeru analize hipoteza i rezultata numeričke simulacije.