Ricerca sulla progettazione di una piastra di raffreddamento a liquido con canale di flusso a spirale per una fonte di calore da 1200 W

Nel sistema di dissipazione del calore delle apparecchiature di potenza da 1200 W, le tradizionali piastre a canale dritto soffrono spesso di problemi come l'accumulo di calore localizzato e la bassa efficienza di scambio termico. Questo progetto prevede una piastra della girante con dimensioni di 150 mm × 150 mm e uno spessore di 25 mm, abbinata a una sorgente di calore con un diametro di 140 mm. Ottimizzando il percorso del fluido attraverso un canale a spirale, si ottiene un trasferimento di calore uniforme e un'efficiente dissipazione del calore dalla sorgente di calore, soddisfacendo i requisiti di dissipazione del calore per il funzionamento stabile a lungo termine dell'apparecchiatura. Progetto che utilizza saldatura ad agitazione per attrito processo con piastra inferiore e piastra di copertura

Con l'obiettivo principale di "adattarsi alla fonte di calore e ottimizzare il campo di flusso", vengono determinati i parametri chiave del canale di flusso a spirale per garantire una corrispondenza precisa con i requisiti di dissipazione del calore della fonte di calore da 1200 W e le dimensioni della piastra della girante:

La larghezza del canale di flusso è impostata su 8 mm e la profondità è di 18 mm (uno spessore della piastra di 7 mm è riservato per garantire la resistenza strutturale). La lunghezza di un canale di flusso a cerchio singolo è di circa 439.6 mm (calcolata sulla base del diametro di 140 mm della fonte di calore), con un totale di 2.5 cerchi, per una lunghezza totale del canale di flusso di circa 1099 mm.

Un angolo di inclinazione costante di 15° viene adottato per bilanciare la resistenza al flusso del fluido e l'area di contatto dello scambiatore di calore. Un angolo di inclinazione eccessivamente piccolo tende a causare ristagno del fluido, mentre uno eccessivamente grande riduce il tempo di scambio termico. Un angolo di 15° consente al calore generato dalla sorgente di calore da 1200 W di essere trasferito uniformemente lungo il canale di flusso senza accumulo locale.

L'ingresso e l'uscita sono posizionati rispettivamente agli angoli opposti della piastra della girante (a 20 mm dal bordo). Il diametro di ingresso è di 10 mm e quello di uscita di 12 mm, compatibili con le tubazioni convenzionali per il trasporto dei fluidi di dissipazione del calore. Allo stesso tempo, evita interferenze tra i fluidi di ingresso e di uscita, garantendo la stabilità del campo di flusso.

• Area di scambio termico massimizzata: rispetto ai canali dritti delle stesse dimensioni, il canale a flusso a spirale aumenta l'area di scambio termico di circa il 60%, che può entrare completamente in contatto con l'area di riscaldamento della fonte di calore da 140 mm di diametro e assorbire rapidamente il calore generato dalla potenza di 1200 W.

• Nessuna zona morta nel campo di flusso: il percorso a spirale consente al fluido (come il liquido di raffreddamento) di formare un "ciclo a spirale" all'interno della piastra spessa 25 mm, evitando il problema del "flusso di cortocircuito" tipico dei canali rettilinei. Garantisce una temperatura uniforme nell'area della sorgente di calore di 140 mm, con una differenza di temperatura controllata entro 5 °C.

• Compatibilità strutturale: le dimensioni esterne di 150 mm x 150 mm possono essere adattate direttamente allo spazio di installazione della maggior parte delle apparecchiature di classe 1200 W. Lo spessore di 25 mm bilancia l'efficienza di dissipazione del calore e la compattezza dell'apparecchiatura, senza la necessità di ulteriori modifiche alla struttura dell'apparecchiatura.

Quando la sorgente di calore da 1200 W è in funzione, il calore viene trasferito al corpo della piastra della girante per conduzione termica. Il fluido (come olio termoconduttore o liquido di raffreddamento) scorre lungo il canale di flusso a spirale con un angolo di inclinazione di 15°. All'interno della lunghezza totale del canale di flusso di 1099 mm, assorbe continuamente calore attraverso lo "scambio termico convettivo". Allo stesso tempo, la struttura a spirale del canale di flusso a spirale migliora l'effetto turbolento del fluido, aumentando l'efficienza dello scambio termico di circa il 40% rispetto al flusso laminare. Infine, realizza un rapido raffreddamento della sorgente di calore da 1200 W, garantendo che la temperatura dei componenti principali dell'apparecchiatura sia controllata entro la soglia di sicurezza.

Per verificare ulteriormente la fattibilità del progetto, è possibile effettuare i due seguenti aspetti:

1. Verifica della simulazione: utilizzare il software di simulazione della dinamica dei fluidi computazionale (CFD) Ansys 2022 R1 per simulare il campo di flusso e il campo di temperatura sotto la sorgente di calore da 1200 W e verificare se la velocità del fluido nel canale di flusso a spirale (si consiglia di controllarlo a 0.8-1.2 m/s) e la temperatura massima nell'area della sorgente di calore soddisfano gli obiettivi di progettazione.

2. Test fisici: realizzare un campione di piastra della girante a canale di flusso a spirale con dimensioni di 150×150×25 mm, dotarlo di una fonte di calore simulata da 140 W con diametro di 1200 mm, testare l'efficienza di dissipazione del calore a diverse portate, confrontare l'effetto di raffreddamento con la tradizionale piastra della girante a canale dritto e ottimizzare i dettagli del canale di flusso.

Concentrandosi sulle tre condizioni fondamentali della sorgente di calore da 1200 W, delle dimensioni della piastra della girante di 150 x 150 x 25 mm e del diametro della sorgente di calore di 140 mm, questo progetto raggiunge un equilibrio tra area di scambio termico, stabilità del campo di flusso e compatibilità strutturale in uno spazio limitato attraverso l'ottimizzazione dei parametri e la progettazione strutturale del canale di flusso a spirale. Fornisce una soluzione di dissipazione del calore efficiente e compatta per apparecchiature di classe 1200 W e, allo stesso tempo, offre parametri e idee di riferimento per la progettazione del canale di flusso di piastre della girante di dimensioni simili.