Πώς να σχεδιάσετε και να βελτιστοποιήσετε κανάλια υδρόψυκτης πλάκας για μέγιστη απόδοση

 

Ολόκληρο το σύστημα υγρής ψύξης περιλαμβάνει εξαρτήματα όπως η πλάκα υγρής ψύξης, το υγρό ψυκτικό μέσο, ​​η αντλία, οι σωλήνες και το ψυγείο.

 

Γενικά, οι θερμοφυσικές ιδιότητες των υγρών ψυκτικών υγρών που χρησιμοποιούνται συνήθως φαίνονται στον παρακάτω πίνακα:

 

▲ Ιδιότητες υγρής ψύξης

 

Από τον παραπάνω πίνακα, είναι σαφές ότι η επιλογή του υγρού ψυκτικού μέσου έχει σταθερό αντίκτυπο στην απόδοση ψύξης ολόκληρου του συστήματος. Χωρίς αλλαγή άλλων συνθηκών, θα πρέπει να δίνεται προτεραιότητα σε μέσα χαμηλού κόστους που πληρούν τις περιβαλλοντικές απαιτήσεις (όπως το υψόμετρο και η θερμοκρασία περιβάλλοντος).

 

Ωστόσο, η υδρόψυκτη πλάκα είναι επίσης ένα κρίσιμο μέρος του συστήματος υγρής ψύξης. Ως στοιχείο ανταλλαγής θερμότητας του συστήματος ψύξης υγρού, περιέχει κανάλια ανταλλαγής θερμότητας, δηλαδή διαδρομές ροής. Ο σχεδιασμός αυτών των εσωτερικών διαδρομών ροής μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση ανταλλαγής θερμότητας ολόκληρου του συστήματος, με σημαντική μεταβλητότητα.

 

Ως εκ τούτου, σήμερα δεν θα συζητήσουμε τα υγρά ψυκτικά μέσα, αλλά αντίθετα, χρησιμοποιώντας καθαρό νερό ως παράδειγμα, θα αναλύσουμε την προσέγγιση σχεδιασμού και βελτιστοποίησης των διαδρομών ροής υδρόψυκτων πλακών.

 

Κατά το σχεδιασμό της δομής της υδρόψυκτης πλάκας, πρέπει να ληφθούν υπόψη οι ακόλουθοι παράγοντες:

 

• Απαιτήσεις απόδοσης ανταλλαγής θερμότητας:Κάτω από τον καθορισμένο ρυθμό ροής και τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του νερού εισόδου και εξόδου, επιτύχετε την επιθυμητή αύξηση θερμοκρασίας της πηγής θερμότητας και τον στόχο απαγωγής θερμότητας του ψυγείου, πληρώντας τις απαιτήσεις απόδοσης.
• Απαιτήσεις αντοχής και πίεσης:Σε ορισμένα έργα, λόγω περιβαλλοντικής χρήσης ή απαιτήσεων εγκατάστασης εντός του συστήματος, δίνονται συγκεκριμένες οδηγίες για την επιφανειακή πίεση και τις συνολικές συνθήκες καταπόνησης της υδρόψυκτης πλάκας.
• Αντοχή στη διάβρωση:Το υγρό ψυκτικό μέσο ρέει μέσω του καναλιού για παρατεταμένες περιόδους και οι υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να επιταχύνουν την αποικοδόμηση των μεταλλικών υλικών, οδηγώντας ενδεχομένως σε μπλοκαρίσματα που επηρεάζουν την απόδοση ψύξης.
• Πρόληψη διαρροών:Ο σχεδιασμός της πλάκας κάλυψης, οι άνω και κάτω επιφάνειες, οι ταινίες στεγανοποίησης και ακόμη και οι μέθοδοι συγκόλλησης θα πρέπει να αποτρέπουν τη διαρροή.
• Κόστους-αποτελεσματικότητας:Μείωση του κόστους από παράγοντες όπως η σκοπιμότητα παραγωγής, η επιλογή υλικού, η πολυπλοκότητα της διαδικασίας, η αντίσταση ροής και η αντίσταση στη θερμότητα, ελαχιστοποιώντας παράλληλα την πίεση της αντλίας και τον χρόνο εργασίας.

 

Για να ικανοποιηθούν οι παραπάνω απαιτήσεις, πρέπει να ληφθούν υπόψη ολοκληρωμένες σχεδιαστικές εκτιμήσεις σχετικά με τα υλικά, τη δομή και τις μεθόδους κατασκευής.

 

 

I Επιλογή Υλικού Υδρόψυκτης Πλάκας

 

Το υλικό της υδρόψυκτης πλάκας επηρεάζει την απόδοση ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ του καναλιού και του νερού ψύξης. Υλικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας θα πρέπει να χρησιμοποιούνται για υδρόψυκτες πλάκες για να μειωθεί αποτελεσματικά η συνολική θερμική αντίσταση του συστήματος. Τα κοινά υλικά όπως το αλουμίνιο και ο χαλκός παρουσιάζουν τις ακόλουθες ιδιότητες:

 

▲ Ιδιότητες υλικού

 

Τα κράματα αλουμινίου, ως το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο ψυκτικό υλικό, έχουν πλεονεκτήματα όπως υψηλή θερμική αγωγιμότητα, χαμηλή πυκνότητα, καλή μηχανική ικανότητα, εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και ευνοϊκές φυσικές και μηχανικές ιδιότητες.

 

Η διαδικασία αντιδιαβρωτικής προστασίας για προφίλ αλουμινίου είναι καθιερωμένη, διασφαλίζοντας τη μακροχρόνια αξιόπιστη χρήση υδρόψυκτων πλακών.

 

Οι ψύκτρες αλουμινίου που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά προϊόντα κατασκευάζονται συνήθως από κράματα σειράς 50 ή 60, όπως AL5051, 60601 και 6063. Αυτά τα υλικά προσφέρουν εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα, αντοχή στη διάβρωση, δυνατότητα επεξεργασίας και είναι κατάλληλα για ανοδίωση και επεξεργασία CNC σύνθετων καναλιών ροής .

 

Αυτή η μελέτη εστιάζει στην προσέγγιση σχεδιασμού και βελτιστοποίησης των διαδρομών ροής υδρόψυκτων πλακών, υποθέτοντας προκαθορισμένους ρυθμούς ροής και βασικές απαιτήσεις πτώσης πίεσης.

 

 

II Βασικοί τύποι διαδρομών ροής υδρόψυκτων πλακών

 

Οι κύριοι τύποι υδρόψυκτων διαδρομών ροής πλακών περιλαμβάνουν: επίπεδα, σχήματος W, κυκλικά, κυλινδρικά και Αρχιμήδεια σπειροειδή κανάλια. Ακολουθούν σύντομες περιγραφές για το καθένα, με τις αντίστοιχες εικόνες:

 

▲ Επίπεδη υδρόψυκτη εικόνα πλάκας

 

▲ Εικόνα W Water-cooled Plate Image

 

▲ Κυκλική υδρόψυκτη εικόνα πλάκας

 

▲ Κυλινδρική υδρόψυκτη εικόνα πλάκας

 

Στο παράδειγμα της κυλινδρικής υδρόψυκτης πλάκας, η εσωτερική σχεδίαση μπορεί να περιλαμβάνει ορθογώνιες στήλες ή επιμήκεις ψύκτρες για να ενισχύσει την περιοχή επαφής με τη ροή του νερού.

 

▲ Εικόνα Μονοπατιού Σπειροειδούς Ροής Αρχιμήδειου

 

Αναφερόμενος σε αυτό το φυσικό αντικείμενο, χρησιμοποίησα σκόπιμα το solidworks για να σχεδιάσω την τρισδιάστατη δομή του όπως φαίνεται παρακάτω.

 

▲ Εικόνα διαδρομής ροής ενός κύκλου

 

▲ Εικόνα διαδρομής ροής διπλού βρόχου

 

Τα παραπάνω είναι τυπικά υδρόψυκτα σχέδια διαδρομής ροής. Στη συνέχεια, θα διερευνήσουμε την προσέγγιση βελτιστοποίησης για αυτά τα σχέδια.

 

 

III Προσέγγιση βελτιστοποίησης διαδρομής ροής

 

Η προσέγγιση βελτιστοποίησης για διαδρομές ροής υδρόψυκτων πλακών μοιράζεται ομοιότητες με τη βελτιστοποίηση διαδρομής ροής αέρα σε αερόψυκτα συστήματα.

 

Για αερόψυκτες λύσεις, οι αρχές της βελτιστοποίησης της διαδρομής ροής αέρα μπορούν να αναφέρονται στο άρθρο: "Αρχές για τη βελτιστοποίηση των διαδρομών ροής αέρα στον θερμικό σχεδιασμό για ηλεκτρονικά προϊόντα".

• Αύξηση κυκλωμάτων:Μετά τον αρχικό σχεδιασμό του σχεδιασμού της διαδρομής ροής του νερού, οι αριθμητικές προσομοιώσεις μπορεί να αποκαλύψουν ότι η απόδοση ψύξης δεν ανταποκρίνεται στις προσδοκίες, με υψηλότερη θερμική αντίσταση. Σε αυτήν την περίπτωση, η αύξηση του αριθμού των κυκλωμάτων (π.χ. από ένα σε διπλό ή περισσότερα κυκλώματα) μπορεί να βελτιώσει την ανταλλαγή θερμότητας.
• Αυξήστε την περιοχή απαγωγής θερμότητας:Εάν το επιτρέπει ο χώρος της εσωτερικής δομής, η προσθήκη κυλινδρικών ή ορθογώνιων πτερυγίων σε κλιμακωτές ή ευθυγραμμισμένες διαμορφώσεις μπορεί να βελτιώσει τη βελτιστοποίηση εντός της διαδρομής ροής.
• Βελτιστοποίηση ταχύτητας εσωτερικής ροής νερού:Όταν η περιοχή διατομής εισόδου είναι σταθερή, η αύξηση της διατομής της διαδρομής ροής μειώνει την ταχύτητα ροής, εμποδίζοντας την ταχεία ανταλλαγή θερμότητας. Ωστόσο, η απλή μείωση της περιοχής διατομής για αύξηση της ταχύτητας μπορεί να οδηγήσει σε υψηλότερη αντίσταση ροής.
• Ισορροπία υδρόψυκτης περιοχής:Βεβαιωθείτε ότι η διαδρομή ροής καλύπτει ομοιόμορφα την επιφάνεια επαφής της πηγής θερμότητας. Σε καταστάσεις με περιορισμένο εμβαδόν ή χώρο, η διαδρομή σπειροειδούς ροής του Αρχιμήδη είναι μια καλή επιλογή.
• Αποφύγετε τα βραχυκυκλώματα:Όταν η είσοδος και η έξοδος είναι πολύ κοντά, σχεδιάστε δομές ραβδώσεων στη διαδρομή ροής για να την επεκτείνουν και να διανέμουν το νερό κάτω από την πηγή θερμότητας, εμποδίζοντας το νερό να ρέει απευθείας από την είσοδο στην έξοδο.
• Αποφύγετε το υπερβολικό μήκος ροής:Σε περιπτώσεις με πηγές θερμότητας με κατακόρυφα στρώματα, η συνήθης προσέγγιση μπορεί να είναι ο σχεδιασμός διαδρομών ροής από πάνω προς τα κάτω ή αντίστροφα, κάτι που μπορεί να προκαλέσει σημαντική διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του μπροστινού και του πίσω μέρους. Εξετάστε το ενδεχόμενο ξεχωριστής ψύξης για κάθε στρώμα για να επιλύσετε αυτό το ζήτημα.
• Ελαχιστοποίηση κάμψεων:Οι κάμψεις αυξάνουν την απώλεια κεφαλής και την αντίσταση ροής. Εάν οι κάμψεις είναι αναπόφευκτες, εξασφαλίστε ομαλές μεταβάσεις για να μειώσετε την πτώση πίεσης αυξάνοντας παράλληλα την περιοχή απαγωγής θερμότητας.

 

Κατά τη διαδικασία βελτιστοποίησης, βεβαιωθείτε ότι η αντίσταση ροής του συστήματος, η θερμική αντίσταση και η δομική αντοχή (π.χ. επιφανειακή πίεση) πληρούν τις απαιτήσεις του έργου, λαμβάνοντας υπόψη τη σκοπιμότητα και το κόστος παραγωγής.

 

 

IV Μέθοδοι Σχεδιασμού Βελτιστοποίησης

 

• Ανάλυση υποθέσεων:Με βάση το αρχικό έργο, εφαρμόστε ιδέες βελτιστοποίησης όπως η αύξηση της περιοχής απαγωγής θερμότητας, η μείωση της επιφάνειας διατομής ή η προσθήκη κυκλωμάτων και υπολογίστε τα θεωρητικά αποτελέσματα.
• Αριθμητική προσομοίωση:Με βάση την ανάλυση, δημιουργήστε μοντέλα σχεδιασμού πολλαπλών μονοπατιών ροής, προσομοίωση υπό τις απαιτούμενες συνθήκες και συγκρίνετε τα αποτελέσματα.
• Πειραματική Δοκιμή:Δημιουργήστε πειραματικά μοντέλα και δοκιμές για να επαληθεύσετε την ανάλυση των υποθέσεων και τα αποτελέσματα αριθμητικής προσομοίωσης.