Разработка геометрии канала в единичном теплоотводящем элементе жидкостной

Разработка геометрии канала в единичном теплоотводящем элементе жидкостной системы охлаждения

Объект исследования Единичные жидкостные охладители, представляющие собой пластины из алюминиевого сплава с щелевыми каналами прямоугольного сечения для охлаждения тепловыделяющих электро радиоэлементов находящихся на поверхности пластин

Цель работы: Разработка оптимальной геометрии каналов в единичном охлаждающем элементе заданной конструкции

Данные для расчета: Единичный теплоотводящий элемент представляет собой пластину из алюминиевого сплава на которую с двух сторон устанавливаются тепловыделяющие электро радиоэлементы (16 шт. )

Каждый элемент выделяет тепла в размере 120 Вт. Суммарная выделяемая тепловая мощность радиоэлементов – 1920 Вт Площадь каждого радиоэлемента разбита на 2 участка, выделяемых по 20 и 100 Вт Температура окружающей среды о т 50°С до +50°С Конструктивные требования: Внутри охладителя организован канал для охлаждающей жидкости высотой 3 мм Пространственное расположение жидкостного охладителя (ЖО)– вертикальное В угломестной плоскости рабочее положение ЖО от минус 10° до 80° скорость поворота 15 °/сек

• • Требования к обеспечению теплового режима Максимально допустимая температура внешней поверхностей ЖО не должна превышать +70°С Температура охлаждающей жидкости на входе ЖО от 40°С до 62°С с шагом 5°С В качестве рабочей охлаждающей жидкости использован «Тосол А 65» , с температурой кипения 120 °С и температурой замерзания не выше 60 °С. Теплофизические свойства в интересующем диапазоне температур представлены в таблице Т, К Т, °С ν*10 -6, м 2/с ρ, кг/м 3 Ср , Дж/кг*К λ, Вт/м*К 313 318 323 328 333 40 45 50 55 62 3, 3 3 2, 65 2, 32 2, 0 1076 1073 1069 1065 1062 3151 3185 3221 3260 3303 0, 347 0, 351 0, 355 0, 359

Общий вид жидкостного охладителя (ЖО)

Общий вид электро радиоэлемента

Результатом расчета является: Эскизы каналов Визуализация полей давлений и скоростей жидкости по длине щелевых каналов в зависимости от различных расходов при заданных температурах на входе

Ход работы: Работа разбита на разделы. Каждый раздел включает в себя расчет определенной геометрии канала при температурах рабочей жидкости (40, 45, 50, 55, 60 °С) на различных расходах, проходящих через канал

Алгоритм определения геометрии каналов и параметров охлаждающей жидкости Выбор предварительной геометрии канала с учетом крепления электро радиоэлементов Выбор аналитической методик расчета, соответствующей заданной геометрии канала и условия течения жидкости Уточнение геометрии и разработка электронной модели каналов жидкостного охладителя Определение полей давлений и температур по длине канала в зависимости от изменения расхода и температуры на входе Построение графиков гидравлических сопротивлений жидкости в зависимости от изменения расхода и температуры на входе

Пути усовершенствования жидкостного охлаждения Интенсификация теплоотдачи от стенок к охлаждающей жидкости Рациональное развитие поверхности теплообмена Турбулизация пограничного слоя за счет увеличения скорости Использование криволинейных каналов, выступов Приводит к увеличению гидравлических сопротивлений Возникновение в жидкости инерционных сил Возникновение вторичной циркуляции (сложное винтовое движение) Увеличение коэффициента теплоотдачи

Принципы определения геометрии канала Развитие поверхности теплообмена в непосредственной близости от зоны контакта с элементом Минимальная масса и габариты конструкции Конструкция канала должна обеспечивать высокое значение коэффициента теплоотдачи

Анализ существующих методик расчета Для процесса теплообмена не существует единой методики обработки опытных данных и выбора основных расчетных параметров. Большинство авторов обрабатывают результаты экспериментов в виде критериальных зависимостей: Nu=f((Pe*Dэ)/l)

Nu=f((Pe*Dэ)/l) Где l – длина канала Dэ – эквивалентный диаметр Pe – Re*Pr – критерий Пекле Re – критерий Рейнольдса Pr критерий Прандтля Расчеты по зависимостям рекомендуемым разными авторами дают различные численные расхождения

Основные факторы, влияющие на выбор методики расчета Поперечное сечение канала мало по сравнению с площадью рабочей поверхности Канал может иметь сложную изогнутую форму с малыми участками кривизны Расположение канала в пространстве наклонное или вертикальное

Методика 1: Теплоотдача пластины, обтекаемой ламинарным пограничным слоем Обоснование применения: каналы небольшой длины с площадью сечения превышающей рабочую площадь канала

Методика 2: Расчет числа Nu и коэффициента теплоотдачи для криволинейного канала с малой длиной участка Обоснование применения: возникает вторичная циркуляция, что интенсифицирует теплоотдачу Данная методика учитывает сразу 3 фактора: Криволинейность потока Влияние гравитационных сил Влияние инерционных сил

Методика 3, 4, 5: расчет течения жидкости по плоским прямоугольным каналам Обоснование применения: метод базируется на исследовании процесса на моделях каналов либо для других поверхностей с введением в расчет характерных для данного канала уточнений

Исследования проведены для каналов: высотой 3 мм шириной 17 мм высотой 3. 2 мм шириной 19. 5 мм высотой 2. 14 мм шириной 50 мм

Методика 6: Расчет течения жидкости по пластинчато ребрестой поверхности с гладким прямоугольным оребрением Обоснование применения: Возможно изменения агрегатного состояния охлаждающей среды в процессе движения по каналу, а так же неравномерность теплоотдачи по длине канала при большой его протяженности. Следовательно закономерна аналогия с пластинчато ребрестым ТА со сходными геометрическими характеристиками 1 разделительная пластина; 2 боко вой брусок; 3 гофрированная ребристая поверхность

Выводы по результатам анализа: Выбор методики для каждого варианта канала должен проводиться по результатам анализа величины влияния каждого из перечисленных факторов с учетом течения жидкости в канале. Оценка эффективности проводилась по следующим параметрам: увеличение коэффициента теплоотдачи каналов снижения гидравлического сопротивления каналов упрощение геометрии каналов

Анализ выбранных жидкостных охладителей Жидкостный охладитель № 1 «Прямой канал»

Расчет критериальных зависимостей и коэффициентов теплоотдачи проведен по методике 1 «Теплоотдача пластины, обтекаемой ламинарным пограничным слоем» . Результаты расчета представлены в таблице:

Проведен расчет геометрии канала при температурах рабочей жидкости (40, 45, 50, 55, 60 °С) на различных расходах, проходящих через канал. Расчеты выполнены методом конечных объемов с помощью современного, универсального, расчетного комплекса. 1. Определение полного давления: определяется зависимость параметра давления на входе и выходе из канала , от числа итераций или времени расчета. Из этого графика определяется значение полного давления на входе в канал. Значение полного давления считается оптимальным, когда график зависимости не изменяется с увеличением числа итераций.

Пример графика для 40 С и расход 50 кг/ч и диаграмма изменения расхода

2. В таблице показаны результаты гидравлических потерь «прямого канала» на различных расходах рабочей жидкости

Ниже нарисован график зависимости гидравлических потерь канала от расхода рабочей жидкости через канал при температуре 40 °С

Сравнение полученных результатов гидравлических потерь «прямого канала» для различных температур рабочей жидкости G, кг/ч 50 100 200 300 ΔР 190 330 650 1850 2950 4620 1760 2800 4450 1220 1630 2640 4230 1530 2510 4070 1040 1420 2400 3890 50 °С 170 290 550 850 55 °С ΔР 950 45 °С ΔР 700 1380 990 ΔР 500 40 °С ΔР 400 62 °С 160 260 470 730

Жидкостный охладитель № 2 Канал «Змейка»

Пример графика для 40 С и расход 50 кг/ч и диаграмма изменения расхода

Расчет критериальных зависимостей и коэффициентов теплоотдачи проведен по методике 2 «Расчет числа Nu и коэффициента теплоотдачи для криволинейного канала с малой длиной участка» для криволинейных участков методике 6 «Расчет течения жидкости по пластинчато ребрестой поверхности с гладким прямоугольным оребрением» для прямолинейных участков. Результаты расчета представлены в таблице:

Дальнейшие действия проходят идентично ЖО№ 1. Ниже приведенных таблице и графике обобщены результаты расчетов по гидравлическим потерям в зависимости от температуры рабочей жидкости: 50 ΔР ΔР ΔР 100 200 1060 2170 5120 930 1880 4490 830 1650 3930 300 40 °С 8820 14650 45 °С 50 °С 8640 14590 55 °С 62 °С 8250 14220 500 700 950 22140 41740 74050 22040 41430 73320 21510 40560 71770 21400 40390 71310 21260 40130 70840

Жидкостный охладитель № 3 Канал «Волна»

Расчет критериальных зависимостей и коэффициентов теплоотдачи проведен по методике 2 «Расчет числа Nu и коэффициента теплоотдачи для криволинейного канала с малой длиной участка» для криволинейных участков. Результаты расчета представлены в таблице:

Пример графика для 40 С и расход 50 кг/ч и диаграмма изменения расхода

обобщены результаты расчетов по гидравлическим потерям в зависимости от температуры рабочей жидкости: 500 Р, Па 700 950 G, кг/ч Рвх Р 1 114320 124500 140660 Р 2 113670 123170 138350 Рвых ΔР 101330 ΔР 1 12990 23170 39330 ΔР 2 Σ ΔР 12340 21840 37020 25330 45010 76350

Вывод Наибольшие коэффициенты теплоотдачи следует ожидать у жидкостного охладителя № 3. Расчет коэффициента теплоотдачи для жидкостного охладителя № 3 вызывает особые трудности, так как помимо влияния массовых сил, требуется учитывать вторичную циркуляцию, которая появляется из за криволинейности каналов При этом, температура стенки канала асимптотически будет приближаться к температуре жидкости

Определение температур жидкости на выходе и наружных температур пластины (максимальной и средней) жидкостных охладителей Представлены результаты расчета температур жидкости на выходе и наружных температур пластины (максимальной и средней) на различных расходах, проходящих через каналы. Расчеты выполнены методом конечных объемов с помощью современного универсального расчетного комплекса.