Как спроектировать и оптимизировать каналы пластин с водяным охлаждением для достижения максимальной эффективности

 

Вся система жидкостного охлаждения включает в себя такие компоненты, как пластина жидкостного охлаждения, жидкостная охлаждающая среда, насос, трубы и радиатор.

 

В целом теплофизические свойства обычно используемых жидкостных охлаждающих жидкостей показаны в таблице ниже:

 

▲ Свойства жидкостного охлаждения

 

Из приведенной выше таблицы видно, что выбор жидкой охлаждающей среды оказывает определенное влияние на эффективность охлаждения всей системы. Не меняя других условий, приоритет следует отдавать недорогим носителям, отвечающим экологическим требованиям (таким как высота над уровнем моря и температура окружающей среды).

 

Однако пластина с водяным охлаждением также является важной частью системы жидкостного охлаждения. Являясь теплообменным компонентом системы жидкостного охлаждения, она содержит теплообменные каналы, т.е. пути потока. Конструкция этих внутренних путей потока может существенно повлиять на эффективность теплообмена всей системы, причем она может значительно варьироваться.

 

Поэтому сегодня мы не будем обсуждать жидкие охлаждающие среды, а вместо этого на примере чистой воды проанализируем подход к проектированию и оптимизации проточных частей пластинчатых водоохлаждаемых трактов.

 

При проектировании пластинчатой ​​конструкции с водяным охлаждением необходимо учитывать следующие факторы:

 

• Требования к эффективности теплообмена:При заданном расходе и разнице температур между входной и выходной водой достигается желаемое повышение температуры источника тепла и целевое рассеивание тепла радиатора, отвечающее требованиям к производительности.
• Требования к прочности и давлению:В некоторых проектах из-за экологических требований к использованию или установке внутри системы даются конкретные инструкции по поверхностному давлению и общим напряженным условиям пластины с водяным охлаждением.
• Коррозионная стойкость:Жидкая охлаждающая среда течет по каналу в течение длительного времени, а высокие температуры могут ускорить разрушение металлических материалов, что потенциально может привести к закупорке, что повлияет на эффективность охлаждения.
• Предотвращение утечек:Конструкция крышки, верхней и нижней поверхностей, уплотнительных полос и даже методы сварки должны предотвращать утечку.
• Экономическая эффективность:Снижение затрат за счет таких факторов, как осуществимость производства, выбор материала, сложность процесса, сопротивление потоку и термостойкость, при этом минимизируя давление насоса и время работы.

 

Чтобы удовлетворить вышеуказанные требования, необходимо уделить всестороннее внимание проектированию материалов, конструкции и методов производства.

 

 

I Выбор материала пластины с водяным охлаждением

 

Материал водоохлаждаемой пластины влияет на эффективность теплообмена между каналом и охлаждающей водой. Для пластин с водяным охлаждением следует использовать материалы с высокой теплопроводностью, чтобы эффективно снизить общее тепловое сопротивление системы. Распространенные материалы, такие как алюминий и медь, обладают следующими свойствами:

 

▲ Свойства материала

 

Алюминиевые сплавы, как наиболее часто используемый охлаждающий материал, имеют такие преимущества, как высокая теплопроводность, низкая плотность, хорошая обрабатываемость, отличная коррозионная стойкость и благоприятные физико-механические свойства.

 

Процесс защиты от коррозии алюминиевых профилей хорошо отлажен, что обеспечивает долгосрочное и надежное использование пластин с водяным охлаждением.

 

Алюминиевые радиаторы, используемые в электронных продуктах, обычно изготавливаются из сплавов серии 50 или 60, таких как AL5051, 60601 и 6063. Эти материалы обладают превосходной теплопроводностью, коррозионной стойкостью, обрабатываемостью и подходят для анодирования и обработки с ЧПУ сложных каналов потока. .

 

В данном исследовании основное внимание уделяется проектированию и оптимизации проточных путей пластинчатых пластин с водяным охлаждением, предполагая заранее заданные скорости потока и базовые требования к перепаду давления.

 

 

II Основные типы проточных трактов водоохлаждаемых пластин

 

К основным типам проточной части пластинчатых водоохлаждаемых каналов относятся: плоские, W-образные, круговые, цилиндрические и архимедовы спиральные каналы. Ниже приведены краткие описания каждого из них с соответствующими изображениями:

 

▲ Изображение плоской пластины с водяным охлаждением

 

▲ Изображение W-образной пластины с водяным охлаждением

 

▲ Изображение круглой пластины с водяным охлаждением

 

▲ Изображение цилиндрической пластины с водяным охлаждением

 

В примере с цилиндрической пластиной с водяным охлаждением внутренняя конструкция может включать прямоугольные колонны или удлиненные радиаторы для увеличения площади контакта с потоком воды.

 

▲ Изображение архимедовой спиральной траектории потока

 

Что касается этого физического объекта, я намеренно использовал SolidWorks для проектирования его трехмерной структуры, как показано ниже.

 

▲ Изображение пути потока для одного цикла

 

▲ Изображение пути потока с двойной петлей

 

Выше приведены типичные конструкции проточной части с водяным охлаждением. Далее мы рассмотрим подход к оптимизации этих проектов.

 

 

III Подход к оптимизации пути потока

 

Подход к оптимизации путей потока пластин с водяным охлаждением имеет сходство с оптимизацией путей потока воздуха в системах с воздушным охлаждением.

 

Для решений с воздушным охлаждением принципы оптимизации путей воздушного потока можно найти в статье: «Принципы оптимизации путей воздушного потока при термическом проектировании электронных продуктов».

• Увеличение цепей:После первоначального планирования конструкции пути потока воды численное моделирование может показать, что эффективность охлаждения не соответствует ожиданиям из-за более высокого термического сопротивления. В этом случае увеличение количества контуров (например, от одного до двух или более контуров) может улучшить теплообмен.
• Увеличение площади рассеивания тепла:Если позволяет внутреннее пространство конструкции, добавление цилиндрических или прямоугольных ребер в шахматном или соосном порядке может улучшить оптимизацию пути потока.
• Оптимизация внутренней скорости потока воды:Когда площадь входного поперечного сечения фиксирована, увеличение площади поперечного сечения проточной части снижает скорость потока, препятствуя быстрому теплообмену. Однако простое уменьшение площади поперечного сечения для увеличения скорости может привести к более высокому сопротивлению потоку.
• Балансная зона с водяным охлаждением:Убедитесь, что путь потока равномерно охватывает контактную поверхность источника тепла. В ситуациях с ограниченной площадью или пространством хорошим вариантом является путь потока по спирали Архимеда.
• Избегайте коротких замыканий:Если входное и выходное отверстия расположены слишком близко, спроектируйте ребристые конструкции на пути потока, чтобы расширить его и распределить воду ниже источника тепла, предотвращая прямое течение воды от входа к выходу.
• Избегайте чрезмерной длины потока:В случаях с вертикально расположенными источниками тепла обычным подходом может быть проектирование путей потока сверху вниз или наоборот, что может вызвать значительную разницу температур между передней и задней частью. Чтобы решить эту проблему, рассмотрите возможность отдельного охлаждения для каждого слоя.
• Минимизируйте изгибы:Изгибы увеличивают потери напора и сопротивление потоку. Если изгибы неизбежны, обеспечьте плавные переходы, чтобы уменьшить падение давления и одновременно увеличить площадь рассеивания тепла.

 

В процессе оптимизации убедитесь, что сопротивление потоку системы, термическое сопротивление и прочность конструкции (например, поверхностное давление) соответствуют требованиям проекта, учитывая при этом осуществимость производства и стоимость.

 

 

IV Методы оптимизации проектирования

 

• Анализ гипотез:На основе исходного проекта примените идеи оптимизации, такие как увеличение площади рассеивания тепла, уменьшение площади поперечного сечения или добавление цепей, и рассчитайте теоретические результаты.
• Численное моделирование:На основе анализа создайте несколько моделей проектирования путей потока, смоделируйте их в необходимых условиях и сравните результаты.
• Экспериментальное тестирование:Создавайте экспериментальные модели и тесты для проверки анализа гипотез и результатов численного моделирования.