Как дизайнът на каналите влияе върху потока на плочите за охлаждане на течности?
Виждам проблема: неравномерният поток на охлаждащата течност в плочата за течно охлаждане създава горещи точки и загуба на капацитет.
Дизайнът на каналите в плочата за охлаждане на течности оказва пряко влияние върху това колко равномерно тече течността, какъв е спадът на налягането и колко ефективно се отвежда топлината от повърхността.
Ще ви разкажа какво означава проектиране на канали, защо геометрията е от значение, как да проектирате за по-добра равномерност на потока и най-новите тенденции, за да можете да ги приложите в бизнеса си с екструдиране на алуминий / студена ламарина.
Какво представлява дизайнът на канала за охлаждане на течността?
Когато за първи път започнах да разглеждам студените плочи, разбрах, че много инженери просто разглеждат вътрешните канали като общи - но те не са такива.
Дизайнът на каналите за течно охлаждане се отнася до разположението, формата, размера и подредбата на течните канали в охлаждащата плоча (студената плоча), които насочват охлаждащата течност от входа към изхода и по охлажданата повърхност.
По-подробно, дизайнът на каналите означава пътя, който охлаждащата течност изминава в студената плоча: дали е единичен серпентинен канал, паралелни канали, спирала или комбинация от колектор и разклонения? Той включва и напречното сечение на всеки канал: неговата ширина, височина, форма и разстояние, както и начина, по който охлаждащата течност влиза и излиза от плочата.
От гледна точка на вашия бизнес дизайнът на каналите влияе върху това колко лесно е да се произведе дадена плоча, колко струва, колко е надеждна и как се представя по отношение на потока и топлопреноса. Някои дизайни могат да бъдат директно екструдирани, докато други изискват CNC обработка или спояване. Добрият дизайн на каналите балансира необходимостта от равномерно охлаждане и нисък пад на налягането. Ако каналите са твърде тесни, налягането спада. Ако са твърде широки или разположени на твърде голямо разстояние, топлоотвеждането става неравномерно.
Вътрешните канали влияят и върху това колко добре се разпространява течността по цялата охлаждаща повърхност. Недобре проектираните канали могат да оставят зони с малък поток, което води до горещи точки. Правилният дизайн гарантира, че охлаждащата течност тече равномерно и ефективно, като увеличава топлинните характеристики и същевременно контролира разходите и сложността на производството.
Конструкцията на канала влияе само върху скоростта на движение на охлаждащата течност и не оказва влияние върху равномерността на температурата върху повърхността на плочата.Фалшив
Дизайнът на канала влияе не само върху дебита, но и върху равномерното покриване на повърхността с охлаждаща течност, което от своя страна влияе върху равномерността на температурата.
Дизайнът на каналите се отнася до разположението, размера и формата на каналите в охлаждащата плоча, които отвеждат охлаждащата течност.Истински
Точно това е определението за проектиране на канали за плочи за течно охлаждане.
Защо геометрията на канала влияе на потока?
Притесняваше ме фактът, че две еднакви студени плочи могат да се държат толкова различно - тайната беше в геометрията на каналите.
Геометрията на каналите (форма, напречно сечение, дължина, разстояние, разположение на входовете и изходите) влияе върху скоростта на флуида, падането на налягането, разпределението на потока между клоновете, термичните гранични слоеве и коефициентите на топлопренасяне - и по този начин определя как тече флуидът и колко добре се охлажда плочата.
Ето как геометрията има значение:
Напречно сечение и размер
Тесният канал ускорява потока, създава по-голяма турбулентност и подобрява топлообмена, но също така увеличава съпротивлението. По-широките канали намаляват спада на налягането, но забавят охлаждащата течност, което намалява топлинната ефективност. Съществува баланс между скоростта, поглъщането на топлина и налягането.
Трасе и дължина на канала
По-дългите или навити трасета увеличават спада на налягането и могат да доведат до загряване на охлаждащата течност, преди да достигне далечния край, което намалява производителността. Острите завои или задънените улици също могат да причинят разделяне на потока и неравномерно охлаждане.
Паралелни клонове
При плочи с множество паралелни канали може да се получи неравномерно разпределение, ако разклоненията не са проектирани така, че да балансират потока. Ако един клон получава по-голям поток, той се охлажда по-добре от другите. Еднаквата дължина и напречно сечение на всички клонове помагат да се избегне този проблем.
Разположение на входа и изхода
Ако охлаждащата течност влиза в единия ъгъл, а излиза в противоположния, зоните в близост до изхода могат да получат по-топла охлаждаща течност. Поставянето на входа близо до центъра или използването на няколко входа/изхода може да подобри разпределението.
Разстояние между каналите
Твърде отдалечените един от друг канали могат да оставят горещи зони между тях, докато плътно разположените канали подобряват равномерността, но може да струват повече или да са по-трудни за производство.
Смущения на потока
Перките, каналите или други елементи вътре в каналите увеличават смесването и отвеждането на топлината. Те обаче също така увеличават триенето и изискват по-голяма мощност на помпата.
Всички тези геометрични характеристики влияят върху това колко добре тече охлаждащата течност и колко равномерно отвежда топлината. Ето защо дори малки промени във формата или разположението на каналите могат да доведат до големи разлики в производителността.
Твърде голямото разстояние между каналите може да доведе до лоша равномерност на температурата върху плочата.Истински
Ако каналите са отдалечени един от друг, разстоянието на топлопроводност до охлаждащата течност е по-голямо, което може да доведе до горещи точки.
Турбулаторите винаги подобряват топлообмена без никакви санкции.Фалшив
Турбулаторите увеличават смесването и топлообмена, но също така повишават спада на налягането и мощността на помпите, така че има компромис.
Как да проектираме канали за по-добра равномерност на потока?
Когато препроектирах плоча за клиент, осъзнах, че равномерността на потока е от първостепенно значение - хората често се фокусират върху максималното отвеждане на топлина, но забравят за равномерността на охлаждането.
За да постигнете по-добра равномерност на потока, трябва да съгласувате геометрията на канала, разположението на колектора, разположението на входа/изхода и производствените ограничения, така че всяка област на плочата да получава сходни условия за дебит, скорост и топлообмен.
Ето как го правя стъпка по стъпка:
1. Изготвяне на карта на източниците на топлина
Разберете къде се генерира топлина върху плочата. Поставете повече канали в зоните с висока температура. Ако топлинното натоварване е концентрирано, конструкцията ви трябва да осигури допълнително охлаждане там.
2. Изберете правилното оформление на канала
Паралелните канали обикновено предлагат по-равномерно разпределение от серпентините. Но те се нуждаят от внимателно проектиране, за да се гарантира, че потокът се разпределя равномерно. Когато е възможно, използвайте симетрично оформление.
| Тип оформление | Разпределение на потока | Сложност | Случай на употреба |
|---|---|---|---|
| Серпентина | Просто, но неравномерно | Нисък | Ниски разходи, малки натоварвания |
| Паралелен | Равномерно, ако е балансирано | Среден | Високопроизводително охлаждане |
| Спирала/формат | Много равномерно | Висока | Прецизни приложения |
3. Задаване на разстоянието между каналите
Разстоянието между тях трябва да е достатъчно малко, за да се избегнат горещи точки, но достатъчно голямо, за да може да се произвеждат. Колкото по-тънка е плочата, толкова по-близо до повърхността трябва да са каналите, за да се отвежда ефективно топлината.
4. Използване на множество входове/изходи
Ако плочата е голяма, един вход може да не е достатъчен. Добавянето на втори изход или вход може да помогне за изравняване на потока. Ако е възможно, поддържайте симетрични позиции на входа и изхода.
5. Съответствие на налягането във всички пътища
Всички паралелни пътища трябва да имат еднакво съпротивление. Това означава еднаква дължина, брой извивки и площ на напречното сечение. Ако това не е така, потокът ще предпочете по-лесния път.
| Параметър | Целеви резултат |
|---|---|
| Еднаква дължина на пътя | Балансиран поток |
| Равномерна ширина на канала | Стабилна скорост |
| Къс канал до повърхността | Ниско термично съпротивление |
| Равномерни разстояния | Без горещи зони |
6. Симулиране и тестване
Използвайте инструменти за симулация, за да проверите дебита във всеки канал. След производството тествайте единица от пробата с термодвойки, за да се уверите, че топлината се отвежда равномерно.
Проектирането за равномерност означава по-плавна работа, по-дълъг живот на компонентите и по-доволни клиенти. Това може да струва повече в началото, но дългосрочните ползи са реални.
Използването на множество паралелни канали с еднаква дължина подобрява равномерността на потока в сравнение с един дълъг серпентинен канал.Истински
Паралелните канали могат да осигурят по-равномерно разпределение на потока и по-малка максимална дължина на пътя, което води до по-добра равномерност.
Намаляването на пътя на проводимост от източника на топлина до стената на канала е без значение за равномерността на потока.Фалшив
Разстоянието оказва влияние върху това колко бързо топлината достига до охлаждащата течност, което се отразява върху равномерността на температурата на повърхността и ефективността на охлаждането.
Какви са най-новите тенденции в дизайна на каналите?
Наблюдавах най-съвременните проекти и видях някои вълнуващи нови модели в геометрията на каналите и микроохлаждането.
Най-новите тенденции в проектирането на канали включват микроканали и 3D струйни канали, съобразени с горещите точки, топологично оптимизирани мрежи от канали, постепенно променящи се геометрии на ребрата и адитивни/произведени сложни канали за приложения с екстремна плътност на топлината.
Ето тенденциите, които намирам за най-полезни и обещаващи:
Микроканали
Това са свръхмалки канали, които позволяват контакт с много голяма повърхност. Използват се в електрониката и центровете за данни, където топлинният поток е изключително висок. Те увеличават преноса на топлина, но изискват прецизно производство.
Ударна струя и 3D канали
При тях се използва високоскоростна струя охлаждаща течност, която попада в най-горещата точка непосредствено преди разпръскване. 3D проектите намаляват дължината на пътя на потока, като същевременно увеличават локалното охлаждане.
Топологично оптимизирани дизайни
Софтуерните инструменти вече оптимизират разположението на каналите въз основа на целите за топлинна ефективност. Тези инструменти регулират ширината, формата и броя на каналите, за да съответстват на топлинната карта на повърхността.
Постепенно променящи се перки
Вместо да използват еднакви ламели или прави канали, инженерите вече използват ламели, които променят размера си по протежение на канала. Това позволява по-добър топлообмен в близост до входа и по-добър поток надолу по течението.
Хибридно производство
Сложните форми на каналите, които не могат да бъдат екструдирани, сега се изработват чрез комбиниране на екструдиране с механична обработка, щамповане или 3D печат. Това дава възможност за по-добра производителност, без да се жертва възможността за производство.
По-добри инструменти за симулация
Симулацията вече включва цифрови близнаци и обратна връзка с данни в реално време. Дизайнерите тестват заедно топлинни, флуидни и структурни модели. Това улеснява балансирането на охлаждащите характеристики с разходите.
Тези нововъведения помагат за постигане на по-добра равномерност, намаляване на енергията на помпата и позволяват по-малки и по-ефективни плочи. За една компания, работеща в областта на екструдирането на алуминий и обработката по поръчка, да бъде в крак с тези тенденции означава да остане актуална и да предлага на клиентите си производителност от следващо ниво.
Оптимизираните по топология подредби на каналите могат да намалят спада на налягането и същевременно да подобрят топлинните характеристики в сравнение с прави еднотипни канали.Истински
Проучванията показват, че оптимизацията на топологията води до по-ниско повишаване на температурата или по-ниска загуба на налягане в сравнение с еднаквите прави канали.
Тенденцията при проектирането на каналите е към по-прости и по-големи канали, за да се намалят разходите при всички нива на производителност.Фалшив
Всъщност тенденцията е към по-сложни, адаптирани, дори микроканали за по-висока производителност; намаляването на разходите е част от възможността за производство, но не само чрез опростяване на каналите.
Заключение
Проектирането на каналите е решаващ фактор за ефективността на плочите за течно охлаждане: чрез внимателен избор на разположението, геометрията и производствения подход се гарантира равномерен поток, ниска загуба на налягане и ефективен топлообмен. Равномерността е толкова важна, колкото и суровия капацитет. Във вашия бизнес можете да се отличите, като предлагате персонализирани геометрии на каналите, проекти, подкрепени със симулации, и производство, съобразено както с производителността, така и с разходите.
