Aletas para enfriamiento exitoso

Aletas para el éxito de enfriamiento

Figura 1: en el sentido de las agujas del reloj desde la esquina superior derecha son
Lugar, desplazamiento condenado, ondulado y aletas rectas.

A medida que la electrónica de alta potencia continúa superando los límites de densidad de potencia, los ingenieros de diseño de componentes enfrentan mayores desafíos y compensaciones en su elección para soluciones de enfriamiento. Una forma de enfrentar estos desafíos y compensaciones es a través de la ingeniería de la geometría de las aletas y la densidad de aletas de los dispositivos de transferencia de calor, como intercambiadores de calor y placas frías .

Este artículo explicará cómo la geometría de las aletas y la densidad de aletas afectan el rendimiento de los intercambiadores de calor y las placas frías. Revisará brevemente alguna teoría básica de transferencia de calor, comparará diferentes tipos de geometrías de aletas y su papel en la mejora del rendimiento, y se centrará en minimizar la resistencia térmica como una forma de maximizar el rendimiento.

Transferencia de calor

La ecuación básica que describe la transferencia de calor total en un proceso viene dada por:

Q = u × a x lmtd (1)

Dónde:

El aumento de U, A o LMTD dará como resultado una mayor transferencia de calor.

Para la mayoría de las aplicaciones de intercambiador de calor y placas frías, el coeficiente de transferencia de calor general consiste principalmente en una combinación de términos de conducción y convección , donde el término de conducción tiende a ser mucho más pequeño que los términos de convección. Esto es importante porque los diseñadores de componentes generalmente tienen poco control sobre los materiales de construcción, lo que afecta la conducción y el refrigerante a ser utilizado. Sin embargo, ejercen un control considerable sobre la geometría de la aleta y la densidad de aletas, lo que afecta la convección.

Geometría y densidad de aletas

Las geometrías y densidades de aletas que crean flujo turbulento y mejoran el rendimiento también aumentan la caída de presión, lo cual es un requisito crítico en la mayoría de las aplicaciones de alto rendimiento. La combinación óptima de geometría de aleta y densidad de aletas es un compromiso de rendimiento, caída de presión, peso y tamaño. Una comparación de la figura de mérito basada en el rendimiento, la caída de presión, el peso y el tamaño entre los tipos de aletas comunes se describe en [ Diseño del intercambiador de calor compacto de aire para enfriar electrónica ".

Además de la geometría de la aleta, los parámetros como el grosor, la altura, el tono y el espacio también se pueden alterar para mejorar el rendimiento. Típicamente, los espesores de la aleta varían de 0.004 pulgadas (0.1 mm) a 0.012 pulgadas (0.3 mm), las alturas varían de 0.035 pulgadas (0.89 mm) a 0.6 pulgadas (15.24 mm), y las densidades varían de 8 a 30 fpi (aletas por pulgadas) .

En la mayoría de las aplicaciones de alto rendimiento, las aletas están hechas de cobre o aluminio. Las aletas de aluminio se prefieren en aplicaciones electrónicas de enfriamiento de líquidos de aeronaves debido a su peso más ligero. Las aletas de cobre se usan principalmente en aplicaciones donde el peso no es un factor importante, pero la compatibilidad con otros materiales de bucle de enfriamiento lo es.

Hay muchas geometrías de aletas diferentes utilizadas en aplicaciones de transferencia de calor. Algunos de los más utilizados son las aletas de desplazamiento, recto y ondulados con longitud comúnmente. (Ver Figura 1.)

Maximizar el rendimiento minimizando la resistencia térmica

La tarea de optimizar el rendimiento y minimizar la resistencia térmica se puede demostrar mejor mediante un ejemplo teórico. Considere un proceso de transferencia de calor en el que el aire ambiente 50/50 se enfríe 50/50 de etilenglicol y agua (EGW) en un intercambiador de calor de aleta de placa . La Figura 2 ilustra la ruta del flujo de calor a través del intercambiador de calor utilizando una analogía eléctrica.

Figura 2: Analogía eléctrica del diagrama de flujo de calor

En este ejemplo, el calor fluye por convección entre las temperaturas T _H y T ₁ , luego por conducción entre las temperaturas T ₁ y T ₂ , y finalmente por convección entre T ₂ y T _c . La resistencia térmica total es igual a la suma de las tres resistencias térmicas en serie.

En comparación, una placa fría generalmente tiene solo un refrigerante que fluye a través de él. Como resultado, el calor fluye por conducción desde el dispositivo electrónico disipado por calor montado en la placa fría a través del material de la interfaz térmica y los materiales de placa fría. El calor luego fluye por convección desde la superficie interna del material de la ruta del fluido al refrigerante.

Como se muestra en el ejemplo anterior, si queremos maximizar la transferencia de calor, debemos minimizar la resistencia térmica. Para lograr esto, debemos aumentar las áreas de transferencia de calor correspondientes, los coeficientes de la película o ambos. Aumentar el área de transferencia de calor es relativamente fácil en concepto, aunque a veces limitado por requisitos de aplicación como peso, tamaño y caída de presión. Una forma efectiva de aumentar el área de transferencia de calor es aumentar la densidad de aletas (aletas por unidad de longitud). Sin embargo, aumentar el coeficiente de la película es más complicado porque el coeficiente de película depende de las propiedades del fluido que se está considerando, la velocidad del fluido y la geometría de la aleta.

Conocer el desafío

Cuando se enfrenta a requisitos de aplicación exigentes y a veces conflictivos, que incluyen rendimiento, caída de presión, peso y tamaño, trabajar con un proveedor experimentado que comprende cómo optimizar la geometría de las aletas y la densidad de aletas de los intercambiadores de calor y las placas frías es esencial para maximizar el rendimiento. y cumplir con los requisitos de la aplicación.