Como projetar e otimizar canais de placas resfriadas a água para máxima eficiência

 

Todo o sistema de refrigeração líquida inclui componentes como placa de refrigeração líquida, meio de refrigeração líquida, bomba, tubos e radiador.

 

Geralmente, as propriedades termofísicas dos fluidos de resfriamento líquido comumente usados ​​são mostradas na tabela abaixo:

 

▲ Propriedades de resfriamento líquido

 

A partir da tabela acima, fica claro que a seleção do meio de resfriamento líquido tem um impacto fixo na eficiência de resfriamento de todo o sistema. Sem alterar outras condições, deve ser dada prioridade aos meios de comunicação de baixo custo que cumpram os requisitos ambientais (tais como altitude e temperatura ambiente).

 

No entanto, a placa resfriada a água também é uma parte crucial do sistema de refrigeração líquida. Como componente de troca de calor do sistema de resfriamento líquido, ele contém canais de troca de calor, ou seja, caminhos de fluxo. O projeto destes caminhos de fluxo internos pode afetar significativamente a eficiência da troca de calor de todo o sistema, com variabilidade considerável.

 

Portanto, hoje não discutiremos meios de resfriamento líquido, mas em vez disso, usando água pura como exemplo, analisaremos a abordagem de projeto e otimização de caminhos de fluxo de placas resfriadas a água.

 

No projeto da estrutura de placas resfriadas a água, os seguintes fatores precisam ser considerados:

 

• Requisitos de desempenho de troca de calor:Sob a vazão definida e a diferença de temperatura entre a água de entrada e saída, alcance o aumento de temperatura desejado da fonte de calor e a meta de dissipação de calor do radiador, atendendo aos requisitos de desempenho.
• Requisitos de força e pressão:Em alguns projetos, devido ao uso ambiental ou aos requisitos de instalação dentro do sistema, são fornecidas instruções específicas para a pressão superficial e as condições gerais de tensão da placa resfriada a água.
• Resistência à corrosão:O meio de resfriamento líquido flui através do canal por longos períodos, e as altas temperaturas podem acelerar a degradação dos materiais metálicos, levando potencialmente a bloqueios que afetam a eficiência do resfriamento.
• Prevenção de vazamentos:O design da placa de cobertura, das superfícies superior e inferior, das tiras de vedação e até mesmo dos métodos de soldagem devem evitar vazamentos.
• Custo-benefício:Reduzindo custos de fatores como viabilidade de produção, seleção de materiais, complexidade do processo, resistência ao fluxo e resistência ao calor, ao mesmo tempo que minimiza a pressão da bomba e o tempo de mão de obra.

 

Para atender aos requisitos acima, considerações abrangentes de projeto devem ser feitas em relação aos materiais, estrutura e métodos de fabricação.

 

 

I Seleção de material de placa resfriada a água

 

O material da placa resfriada a água afeta o desempenho da troca de calor entre o canal e a água de resfriamento. Materiais de alta condutividade térmica devem ser usados ​​para placas resfriadas a água para reduzir efetivamente a resistência térmica geral do sistema. Materiais comuns como alumínio e cobre apresentam as seguintes propriedades:

 

▲ Propriedades dos materiais

 

As ligas de alumínio, como material de resfriamento mais comumente utilizado, apresentam vantagens como alta condutividade térmica, baixa densidade, boa usinabilidade, excelente resistência à corrosão e propriedades físicas e mecânicas favoráveis.

 

O processo de proteção contra corrosão para perfis de alumínio está bem estabelecido, garantindo o uso confiável a longo prazo de placas resfriadas a água.

 

Os dissipadores de calor de alumínio usados ​​em produtos eletrônicos são normalmente feitos de ligas das séries 50 ou 60, como AL5051, 60601 e 6063. Esses materiais oferecem excelente condutividade térmica, resistência à corrosão, usinabilidade e são adequados para anodização e processamento CNC de canais de fluxo complexos. .

 

Este estudo se concentra na abordagem de projeto e otimização de caminhos de fluxo de placas resfriadas a água, assumindo taxas de fluxo predeterminadas e requisitos básicos de queda de pressão.

 

 

II Tipos básicos de caminhos de fluxo de placas resfriadas a água

 

Os principais tipos de caminhos de fluxo de placas resfriadas a água incluem: canais planares, em forma de W, circulares, cilíndricos e espirais de Arquimedes. A seguir estão breves descrições de cada um, com imagens correspondentes:

 

▲ Imagem de placa plana resfriada a água

 

▲ Imagem de placa resfriada a água em formato de W

 

▲ Imagem de placa circular resfriada a água

 

▲ Imagem de placa cilíndrica resfriada a água

 

No exemplo da placa cilíndrica resfriada a água, o design interno pode incluir colunas retangulares ou dissipadores de calor alongados para aumentar a área de contato com o fluxo de água.

 

▲ Imagem do caminho do fluxo em espiral de Arquimedes

 

Referindo-me a este objeto físico, usei propositalmente o SolidWorks para projetar sua estrutura 3D, conforme mostrado abaixo.

 

▲ Imagem do caminho de fluxo de ciclo único

 

▲ imagem do caminho de fluxo de loop duplo

 

Os itens acima são projetos típicos de caminhos de fluxo resfriados a água. A seguir, exploraremos a abordagem de otimização para esses projetos.

 

 

III Abordagem de Otimização do Caminho de Fluxo

 

A abordagem de otimização para caminhos de fluxo de placas resfriadas a água compartilha semelhanças com a otimização do caminho de fluxo de ar em sistemas resfriados a ar.

 

Para soluções resfriadas a ar, os princípios de otimização do caminho do fluxo de ar podem ser referenciados no artigo: "Princípios para otimizar caminhos do fluxo de ar no projeto térmico para produtos eletrônicos".

• Aumentar Circuitos:Após o planejamento inicial do projeto do caminho do fluxo de água, simulações numéricas podem revelar que a eficiência de resfriamento não atende às expectativas, com maior resistência térmica. Neste caso, aumentar o número de circuitos (por exemplo, de circuitos simples para circuitos duplos ou mais) pode melhorar a troca de calor.
• Aumentar a área de dissipação de calor:Se o espaço da estrutura interna permitir, adicionar aletas cilíndricas ou retangulares em configurações escalonadas ou alinhadas pode melhorar a otimização no caminho do fluxo.
• Otimize a velocidade interna do fluxo de água:Quando a área da seção transversal de entrada é fixa, o aumento da área da seção transversal do caminho do fluxo reduz a velocidade do fluxo, dificultando a rápida troca de calor. Entretanto, simplesmente reduzir a área da seção transversal para aumentar a velocidade pode levar a uma maior resistência ao fluxo.
• Área refrigerada a água de equilíbrio:Certifique-se de que o caminho do fluxo cubra uniformemente a superfície de contato da fonte de calor. Em situações com área ou espaço limitado, o caminho do fluxo em espiral de Arquimedes é uma boa opção.
• Evite curtos-circuitos:Quando a entrada e a saída estiverem muito próximas, projete estruturas de nervuras no caminho do fluxo para estendê-lo e distribuir a água abaixo da fonte de calor, evitando que a água flua diretamente da entrada para a saída.
• Evite comprimento excessivo de fluxo:Em casos com fontes de calor em camadas verticais, a abordagem usual pode ser projetar caminhos de fluxo de cima para baixo, ou vice-versa, o que pode causar uma diferença significativa de temperatura entre a parte frontal e traseira. Considere o resfriamento separado para cada camada para resolver esse problema.
• Minimizar curvas:As curvas aumentam a perda de carga e a resistência ao fluxo. Se as curvas forem inevitáveis, garanta transições suaves para reduzir a queda de pressão e aumentar a área de dissipação de calor.

 

Durante o processo de otimização, certifique-se de que a resistência ao fluxo do sistema, a resistência térmica e a resistência estrutural (por exemplo, pressão superficial) atendam aos requisitos do projeto, considerando ao mesmo tempo a viabilidade e o custo da produção.

 

 

IV Métodos de Projeto de Otimização

 

• Análise de hipóteses:Com base no projeto original, aplique ideias de otimização, como aumentar a área de dissipação de calor, reduzir a área da seção transversal ou adicionar circuitos, e calcule os resultados teóricos.
• Simulação Numérica:Com base na análise, crie vários modelos de projeto de trajetória de fluxo, simule sob as condições exigidas e compare os resultados.
• Teste Experimental:Construir modelos experimentais e testes para verificar a análise de hipóteses e resultados de simulação numérica.