Jak zaprojektować i zoptymalizować kanały płytowe chłodzone wodą w celu uzyskania maksymalnej wydajności

 

Cały układ chłodzenia cieczą obejmuje takie elementy, jak płyta chłodząca ciecz, czynnik chłodzący, pompa, rury i chłodnica.

 

Ogólnie rzecz biorąc, właściwości termofizyczne powszechnie stosowanych cieczy chłodzących przedstawiono w poniższej tabeli:

 

▲ Właściwości chłodzenia cieczą

 

Z powyższej tabeli jasno wynika, że ​​wybór ciekłego czynnika chłodzącego ma stały wpływ na efektywność chłodzenia całego układu. Nie zmieniając innych warunków, pierwszeństwo należy przyznać tanim mediom, które spełniają wymagania środowiskowe (takie jak wysokość i temperatura otoczenia).

 

Jednak płyta chłodzona wodą jest również kluczową częścią układu chłodzenia cieczą. Jako element wymiany ciepła w układzie chłodzenia cieczą zawiera kanały wymiany ciepła, czyli ścieżki przepływu. Konstrukcja tych wewnętrznych ścieżek przepływu może znacząco wpłynąć na efektywność wymiany ciepła całego systemu, przy znacznej zmienności.

 

Dlatego dzisiaj nie będziemy omawiać ciekłych mediów chłodzących, ale zamiast tego, na przykładzie czystej wody, przeanalizujemy projektowanie i podejście optymalizacyjne do ścieżek przepływu płyt chłodzonych wodą.

 

Projektując konstrukcję płytową chłodzoną wodą, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

 

• Wymagania dotyczące wydajności wymiany ciepła:Przy ustawionym natężeniu przepływu i różnicy temperatur pomiędzy wodą wlotową i wylotową należy osiągnąć pożądany wzrost temperatury źródła ciepła i docelowy poziom odprowadzania ciepła przez grzejnik, spełniając wymagania wydajnościowe.
• Wymagania dotyczące wytrzymałości i ciśnienia:W niektórych projektach, ze względu na użytkowanie środowiskowe lub wymagania instalacyjne w systemie, podane są szczegółowe instrukcje dotyczące ciśnienia powierzchniowego i ogólnych warunków naprężenia płyty chłodzonej wodą.
• Odporność na korozję:Ciekły czynnik chłodzący przepływa przez kanał przez dłuższy czas, a wysokie temperatury mogą przyspieszyć degradację materiałów metalowych, potencjalnie prowadząc do zatorów, które wpływają na wydajność chłodzenia.
• Zapobieganie wyciekom:Konstrukcja pokrywy, powierzchni górnej i dolnej, listew uszczelniających, a nawet metody spawania powinny zapobiegać wyciekom.
• Opłacalność:Obniżenie kosztów na podstawie takich czynników, jak wykonalność produkcji, dobór materiałów, złożoność procesu, opór przepływu i odporność na ciepło, przy jednoczesnej minimalizacji ciśnienia pompy i czasu pracy.

 

Aby spełnić powyższe wymagania, należy uwzględnić kompleksowe rozważania projektowe dotyczące materiałów, konstrukcji i metod produkcji.

 

 

I Wybór materiału płyty chłodzonej wodą

 

Materiał płyty chłodzonej wodą wpływa na wydajność wymiany ciepła pomiędzy kanałem a wodą chłodzącą. Aby skutecznie zmniejszyć ogólny opór cieplny systemu, w płytach chłodzonych wodą należy stosować materiały o wysokiej przewodności cieplnej. Typowe materiały, takie jak aluminium i miedź, wykazują następujące właściwości:

 

▲ Właściwości materiału

 

Stopy aluminium, jako najczęściej stosowany materiał chłodzący, mają zalety takie jak wysoka przewodność cieplna, niska gęstość, dobra skrawalność, doskonała odporność na korozję oraz korzystne właściwości fizyczne i mechaniczne.

 

Proces ochrony antykorozyjnej profili aluminiowych jest dobrze ugruntowany, co zapewnia długotrwałe i niezawodne użytkowanie płyt chłodzonych wodą.

 

Aluminiowe radiatory stosowane w produktach elektronicznych są zwykle wykonane ze stopów serii 50 lub 60, takich jak AL5051, 60601 i 6063. Materiały te zapewniają doskonałą przewodność cieplną, odporność na korozję, obrabialność i nadają się do anodowania i obróbki CNC złożonych kanałów przepływowych .

 

Niniejsze badanie skupia się na projektowaniu i optymalizacji ścieżek przepływu płyt chłodzonych wodą, przy założeniu wcześniej określonych prędkości przepływu i podstawowych wymagań dotyczących spadku ciśnienia.

 

 

II Podstawowe typy torów przepływu płyt chłodzonych wodą

 

Główne typy ścieżek przepływu płyt chłodzonych wodą obejmują: kanały płaskie, w kształcie litery W, okrągłe, cylindryczne i spiralne Archimedesa. Poniżej znajdują się krótkie opisy każdego z nich wraz z odpowiednimi obrazami:

 

▲ Obraz płaskiej płyty chłodzonej wodą

 

▲ Obraz płyty chłodzonej wodą w kształcie litery W

 

▲ Obraz okrągłej płyty chłodzonej wodą

 

▲ Obraz cylindrycznej płyty chłodzonej wodą

 

W przykładzie cylindrycznej płyty chłodzonej wodą konstrukcja wewnętrzna może obejmować prostokątne kolumny lub wydłużone radiatory, aby zwiększyć powierzchnię kontaktu z przepływem wody.

 

▲ Obraz ścieżki przepływu spirali Archimedesa

 

Odnosząc się do tego obiektu fizycznego, celowo użyłem Solidworks do zaprojektowania jego struktury 3D, jak pokazano poniżej.

 

▲ Obraz ścieżki przepływu w jednym cyklu

 

▲ Obraz ścieżki przepływu z podwójną pętlą

 

Powyższe są typowymi konstrukcjami ścieżek przepływu chłodzonych wodą. Następnie zbadamy podejście optymalizacyjne dla tych projektów.

 

 

III Podejście do optymalizacji ścieżki przepływu

 

Podejście optymalizacyjne dla ścieżek przepływu płyt chłodzonych wodą jest podobne do optymalizacji ścieżki przepływu powietrza w systemach chłodzonych powietrzem.

 

W przypadku rozwiązań chłodzonych powietrzem zasady optymalizacji ścieżki przepływu powietrza można znaleźć w artykule: „Zasady optymalizacji ścieżek przepływu powietrza w projektowaniu termicznym produktów elektronicznych”.

• Zwiększ obwody:Po wstępnym zaplanowaniu projektu ścieżki przepływu wody symulacje numeryczne mogą wykazać, że wydajność chłodzenia nie spełnia oczekiwań, przy większym oporze cieplnym. W takim przypadku zwiększenie liczby obwodów (np. z pojedynczego do podwójnego lub większej liczby obwodów) może poprawić wymianę ciepła.
• Zwiększ obszar rozpraszania ciepła:Jeśli pozwala na to przestrzeń struktury wewnętrznej, dodanie cylindrycznych lub prostokątnych żeber w konfiguracjach naprzemiennych lub wyrównanych może poprawić optymalizację ścieżki przepływu.
• Zoptymalizuj prędkość wewnętrznego przepływu wody:Gdy pole przekroju poprzecznego wlotu jest stałe, zwiększenie pola przekroju poprzecznego ścieżki przepływu zmniejsza prędkość przepływu, utrudniając szybką wymianę ciepła. Jednak zwykłe zmniejszenie pola przekroju poprzecznego w celu zwiększenia prędkości może prowadzić do większych oporów przepływu.
• Waga chłodzona wodą:Upewnij się, że ścieżka przepływu pokrywa równomiernie powierzchnię styku źródła ciepła. W sytuacjach o ograniczonej powierzchni lub przestrzeni dobrym rozwiązaniem jest spiralna ścieżka przepływu Archimedesa.
• Unikaj zwarć:Gdy wlot i wylot są zbyt blisko siebie, należy zaprojektować żebrowaną konstrukcję na ścieżce przepływu, aby ją wydłużyć i rozprowadzić wodę poniżej źródła ciepła, zapobiegając bezpośredniemu przepływowi wody z wlotu do wylotu.
• Unikaj nadmiernej długości przepływu:W przypadku źródeł ciepła ułożonych pionowo, typowym podejściem może być zaprojektowanie ścieżek przepływu od góry do dołu lub odwrotnie, co może spowodować znaczną różnicę temperatur pomiędzy przodem i tyłem. Aby rozwiązać ten problem, rozważ oddzielne chłodzenie dla każdej warstwy.
• Minimalizuj zagięcia:Zagięcia zwiększają utratę ciśnienia i opory przepływu. Jeśli zagięcia są nieuniknione, należy zapewnić płynne przejścia, aby zmniejszyć spadek ciśnienia, jednocześnie zwiększając obszar rozpraszania ciepła.

 

Podczas procesu optymalizacji należy upewnić się, że opór przepływu, opór cieplny i wytrzymałość konstrukcyjna (np. ciśnienie powierzchniowe) spełniają wymagania projektu, biorąc pod uwagę wykonalność i koszty produkcji.

 

 

IV Metody projektowania optymalizacji

 

• Analiza hipotez:W oparciu o oryginalny projekt zastosuj pomysły optymalizacyjne, takie jak zwiększenie obszaru odprowadzania ciepła, zmniejszenie pola przekroju poprzecznego lub dodanie obwodów, i oblicz wyniki teoretyczne.
• Symulacja numeryczna:Na podstawie analizy utwórz wiele modeli projektowych ścieżek przepływu, wykonaj symulację w wymaganych warunkach i porównaj wyniki.
• Testy eksperymentalne:Buduj modele eksperymentalne i testy w celu weryfikacji analizy hipotez i wyników symulacji numerycznych.