Com dissenyar i optimitzar els canals de plaques refrigerades per aigua per obtenir la màxima eficiència

 

Tot el sistema de refrigeració líquida inclou components com ara la placa de refrigeració líquida, el medi de refrigeració líquid, la bomba, les canonades i el radiador.

 

En general, les propietats termofísiques dels fluids de refrigeració líquids d'ús habitual es mostren a la taula següent:

 

▲ Propietats de refrigeració líquida

 

A la taula anterior, queda clar que la selecció del medi de refrigeració líquid té un impacte fix en l'eficiència de refrigeració de tot el sistema. Sense canviar altres condicions, s'ha de donar prioritat als mitjans de baix cost que compleixin els requisits ambientals (com l'altitud i la temperatura ambient).

 

Tanmateix, la placa refrigerada per aigua també és una part crucial del sistema de refrigeració líquida. Com a component d'intercanvi de calor del sistema de refrigeració líquida, conté canals d'intercanvi de calor, és a dir, camins de flux. El disseny d'aquestes vies de flux intern pot afectar significativament l'eficiència d'intercanvi de calor de tot el sistema, amb una variabilitat considerable.

 

Per tant, avui no parlarem dels mitjans de refrigeració líquids, sinó que, utilitzant aigua pura com a exemple, analitzarem l'enfocament de disseny i optimització de les vies de flux de plaques refrigerades per aigua.

 

En el disseny de l'estructura de la placa refrigerada per aigua, cal tenir en compte els factors següents:

 

• Requisits de rendiment de l'intercanvi de calor:Sota el cabal establert i la diferència de temperatura entre l'aigua d'entrada i sortida, assoleix l'augment de temperatura desitjat de la font de calor i l'objectiu de dissipació de calor del radiador, complint els requisits de rendiment.
• Requisits de força i pressió:En alguns projectes, a causa de l'ús ambiental o els requisits d'instal·lació dins del sistema, es donen instruccions específiques per a la pressió superficial i les condicions generals de tensió de la placa refrigerada per aigua.
• Resistència a la corrosió:El medi de refrigeració líquid flueix pel canal durant períodes prolongats i les altes temperatures poden accelerar la degradació dels materials metàl·lics, la qual cosa pot provocar bloquejos que afecten l'eficiència de refrigeració.
• Prevenció de fuites:El disseny de la placa de coberta, les superfícies superior i inferior, les tires de segellat i fins i tot els mètodes de soldadura han d'evitar les fuites.
• Cost-efectivitat:Reduir els costos a partir de factors com ara la viabilitat de la producció, la selecció de materials, la complexitat del procés, la resistència al flux i la resistència a la calor, alhora que minimitza la pressió de la bomba i el temps de treball.

 

Per complir amb els requisits anteriors, s'han de fer consideracions de disseny integrals pel que fa als materials, l'estructura i els mètodes de fabricació.

 

 

I Selecció de material de plaques refrigerades per aigua

 

El material de la placa refrigerada per aigua afecta el rendiment d'intercanvi de calor entre el canal i l'aigua de refrigeració. S'han d'utilitzar materials d'alta conductivitat tèrmica per a plaques refrigerades per aigua per reduir eficaçment la resistència tèrmica global del sistema. Els materials comuns com l'alumini i el coure presenten les següents propietats:

 

▲ Propietats del material

 

Els aliatges d'alumini, com a material de refrigeració més utilitzat, tenen avantatges com una alta conductivitat tèrmica, baixa densitat, bona mecanització, excel·lent resistència a la corrosió i propietats físiques i mecàniques favorables.

 

El procés de protecció contra la corrosió dels perfils d'alumini està ben establert, assegurant l'ús fiable a llarg termini de plaques refrigerades per aigua.

 

Els dissipadors de calor d'alumini utilitzats en productes electrònics solen estar fets d'aliatges de sèrie 50 o 60, com AL5051, 60601 i 6063. Aquests materials ofereixen una excel·lent conductivitat tèrmica, resistència a la corrosió, maquinabilitat i són adequats per a l'anodització i el processament CNC de canals de flux complexos. .

 

Aquest estudi se centra en l'enfocament de disseny i optimització de camins de flux de plaques refrigerades per aigua, assumint cabals predeterminats i requisits bàsics de caiguda de pressió.

 

 

II Tipus bàsics de camins de flux de plaques refrigerades per aigua

 

Els principals tipus de vies de flux de plaques refrigerades per aigua inclouen: canals plans, en forma de W, circulars, cilíndrics i espirals d'Arquimedian. A continuació es presenten breus descripcions de cadascun, amb les imatges corresponents:

 

▲ Imatge de placa plana refrigerada per aigua

 

▲ Imatge de placa refrigerada per aigua en forma de W

 

▲ Imatge de placa circular refrigerada per aigua

 

▲ Imatge de placa cilíndrica refrigerada per aigua

 

En l'exemple de placa cilíndrica refrigerada per aigua, el disseny intern pot incloure columnes rectangulars o dissipadors de calor allargats per millorar l'àrea de contacte amb el flux d'aigua.

 

▲ Imatge del camí del flux en espiral d'Arquimedes

 

En referència a aquest objecte físic, vaig utilitzar intencionadament Solidworks per dissenyar la seva estructura 3D tal com es mostra a continuació.

 

▲ Imatge del camí de flux d'un sol cicle

 

▲ Imatge del camí de flux de doble bucle

 

Els anteriors són dissenys típics de trajectes de flux refrigerats per aigua. A continuació, explorarem l'enfocament d'optimització d'aquests dissenys.

 

 

III Enfocament d'optimització de la trajectòria de flux

 

L'enfocament d'optimització de les vies de flux de plaques refrigerades per aigua comparteix similituds amb l'optimització de la trajectòria del flux d'aire en sistemes refrigerats per aire.

 

Per a solucions refrigerades per aire, es poden fer referència als principis d'optimització de la trajectòria del flux d'aire a l'article: "Principis per a l'optimització de camins de flux d'aire en el disseny tèrmic per a productes electrònics".

• Augmenta els circuits:Després de la planificació inicial del disseny del camí del flux d'aigua, les simulacions numèriques poden revelar que l'eficiència de refrigeració no compleix les expectatives, amb una resistència tèrmica més alta. En aquest cas, augmentar el nombre de circuits (per exemple, de circuits senzills a circuits dobles o més) pot millorar l'intercanvi de calor.
• Augmenta l'àrea de dissipació de calor:Si l'espai de l'estructura interna ho permet, afegir aletes cilíndriques o rectangulars en configuracions esglaonades o alineades pot millorar l'optimització dins del camí del flux.
• Optimitzar la velocitat interna del flux d'aigua:Quan l'àrea de la secció transversal d'entrada està fixada, augmentar l'àrea de la secció transversal del camí de flux redueix la velocitat del flux, dificultant l'intercanvi ràpid de calor. Tanmateix, simplement reduir l'àrea de la secció transversal per augmentar la velocitat pot conduir a una major resistència al flux.
• Equilibra la zona refrigerada per aigua:Assegureu-vos que el camí del flux cobreix la superfície de contacte de la font de calor de manera uniforme. En situacions amb àrea o espai limitat, el camí de flux en espiral d'Arquimede és una bona opció.
• Eviteu curtcircuits:Quan l'entrada i la sortida estiguin massa a prop, dissenyeu estructures de costelles a la ruta de flux per estendre'l i distribuir l'aigua per sota de la font de calor, evitant que l'aigua flueixi directament de l'entrada a la sortida.
• Eviteu la longitud del flux excessiu:En els casos amb fonts de calor en capes verticals, l'enfocament habitual pot ser dissenyar camins de flux de dalt a baix, o viceversa, la qual cosa pot provocar una diferència de temperatura important entre la part davantera i posterior. Penseu en un refredament separat per a cada capa per resoldre aquest problema.
• Minimitzar corbes:Les corbes augmenten la pèrdua de càrrega i la resistència al flux. Si les corbes són inevitables, assegureu-vos de transicions suaus per reduir la caiguda de pressió alhora que augmenta l'àrea de dissipació de calor.

 

Durant el procés d'optimització, assegureu-vos que la resistència al flux del sistema, la resistència tèrmica i la resistència estructural (p. ex., la pressió superficial) compleixin els requisits del projecte, tenint en compte la viabilitat i el cost de la producció.

 

 

IV Mètodes de disseny d'optimització

 

• Anàlisi d'hipòtesis:A partir del projecte original, apliqueu idees d'optimització com ara augmentar l'àrea de dissipació de calor, reduir l'àrea de la secció transversal o afegir circuits i calcular els resultats teòrics.
• Simulació numèrica:A partir de l'anàlisi, creeu diversos models de disseny de camins de flux, simuleu-los en les condicions requerides i compareu els resultats.
• Prova experimental:Construir models experimentals i proves per verificar l'anàlisi d'hipòtesis i els resultats de la simulació numèrica.