Questão:
Avaliação do desempenho de projetos de dissipadores de calor sem simulação de elementos finitos
PlasmaHH
2015-02-26 21:33:32 UTC
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Tenho a oportunidade de fazer algumas impressões 3D de metal por apenas o custo do material e gostaria de experimentar o desempenho de designs de dissipadores de calor (principalmente para diversão).

Como não tenho experiência em projetar dissipadores de calor, eu diria que a taxa de falha esperada ao imprimir o que tenho em mente e testar será bastante alta, então preciso de uma boa maneira de avaliar o desempenho de um design antes de criar um protótipo.

Agora, uma vez que isso é apenas para minha diversão, não quero investir em ferramentas caras de simulação de elementos finitos. Não encontrei nada gratuito que seja útil, pois acho que tem que levar em conta o fluxo de ar e a radiação térmica. Como posso ter uma ideia de como será o desempenho do meu projeto antes de imprimir um protótipo e sem usar a simulação de elementos finitos?

Estou planejando um elemento Peltier de 4 cm por 4 cm de 120 W (superfície de cerâmica), o O dissipador de calor deve ser de aço inoxidável, embora eu espere que o desempenho relativo de dois dissipadores de calor não mude com um material diferente (um dia espero poder usar cobre).

Não tenho tanta certeza sobre a temperatura diferencial aqui, mas estou assumindo uma temperatura ambiente de 25 ° C.

Não sou um especialista, mas apenas minhas ideias sobre o seu projeto interessante: o aço inoxidável conduz cerca de $ 16 \, [W / m \ cdot k] $ enquanto, por exemplo, o alumínio conduz $ 210 $ e a dinâmica de convecção (para levá-lo para o meio circundante) depende mais da geometria . Acho que a otimização para um material de condução relativamente baixa resultará em resultados diferentes (mais compactos?) Que provavelmente não serão transferidos para outro material.
Não tenho certeza sobre os detalhes, mas temo que o metal impresso em 3D, que na verdade é um pó metálico termicamente fundido, terá propriedades térmicas muito diferentes do metal sólido usinado.
@SF: Tenho minhas dúvidas aqui, afinal afaik eles criam peças de pás de turbina em liga de titânio porque esse processo tem menos potencial para defeitos estruturais
@PlasmaHH Mas IT não se referia a propriedades estruturais, mas a propriedades térmicas!
Se Rth (Forma_A, Material_X)
Dois respostas:
#1
+5
regdoug
2015-02-27 02:06:41 UTC
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Primeiro, para contrariar o que algumas pessoas estão dizendo sobre metais impressos, a sinterização seletiva a laser pode produzir peças que são tão termicamente condutoras quanto seus metais básicos. Eles são limitados apenas pela porosidade, e as máquinas de última geração podem produzir peças de metal totalmente densas (porosidade zero).

Em segundo lugar, você provavelmente não precisa receber radiação em conta porque você está em baixa temperatura e o fluxo de ar vai fazer uma contribuição muito maior do que a radiação.

Terceiro, o projeto tradicional do dissipador de calor usa equações que calculam a distribuição de temperatura ao longo da barbatana, da raiz à ponta a fim de chegar a uma "área efetiva" sobre a qual um coeficiente de convecção médio pode ser imposto. Isso significa que você não está calculando o fluxo de ar exato, mas usando uma média de toda a superfície.

Qualquer bom livro de transferência de calor terá fórmulas para muitos formatos diferentes de barbatanas, incluindo barbatanas com um não constante área de barbatana. Eu, pessoalmente, gosto de Incropera e DeWitt.

No entanto, se você projetar aletas suficientemente complicadas, as equações padrão irão quebrar. Você então tem três opções:

  1. Aproxime suas nadadeiras com nadadeiras semelhantes. Isso pode levar a resultados próximos o suficiente.
  2. Simplifique seu design para que se encaixe em um padrão estabelecido
  3. Vá para uma simulação completa de elementos finitos.

Eu aconselharia usar o número 1 ou o número 2 porque eles podem ser mais precisos. É fácil cometer erros sutis em modelos de elementos finitos que invalidam completamente seus resultados 1 , no entanto, se você escolher seguir esse caminho, você deve saber que existem solucionadores de FEM de código aberto gratuitos (Elmer vem à mente).

E agora algumas dicas gerais:

  • Como outros observaram, o aço inoxidável é um mau condutor de calor. O alumínio é provavelmente uma escolha muito melhor, mas a menos que você decida não imprimi-lo em 3D, provavelmente não poderá usar alumínio. Este é o motivo pelo qual provavelmente imprimiria outra coisa se tivesse acesso a uma impressora 3D
  • O coeficiente de desempenho dos coolers Peltier costuma ser menor que um, então, para obter, por exemplo, Com 20 W de potência de resfriamento, você precisará colocar mais de 20 W de potência elétrica. Seu dissipador de calor precisa dissipar a soma da potência de resfriamento e da energia elétrica.

tl; dr: Você pode modelar projetos de dissipadores de calor sem usar FEM e como contanto que seus designs não sejam muito malucos, você provavelmente obterá bons resultados. Os cálculos "manuais" tradicionais não levam em consideração a radiação e pressupõem um fluxo de ar médio em toda a superfície, o que geralmente é bom o suficiente. Eu pessoalmente evitaria fazer dissipadores de calor e usaria seu tempo na impressora 3D para coisas melhores.


1 Acredite em mim, sou um graduado estudante de Engenharia Mecânica, e estraguei tantos muitos modelos.

Ótima resposta. Eu sei que o aço está ruim, mas ele vem com um custo muito baixo, por todos os outros materiais eu teria que pagar mais do que apenas o material. Seria bom se você pudesse adicionar uma palavra a se um modelo tem melhor desempenho do que outro com aço, se isso for o mesmo para, por exemplo, cobre. Eu olhei alguns programas FEM, mas como não estou familiarizado com eles, parecia que muitos não seriam capazes de modelar adequadamente o fluxo de ar e o fluxo de calor ao mesmo tempo. Elmer pode fazer isso?
Se você não está familiarizado com os programas FEM, aconselho evitar totalmente o FEM. (Na verdade, meu orientador geralmente recomenda evitar o FEM, mesmo se você estiver familiarizado, e ele fez dinâmica molecular em seu trabalho de graduação). Provavelmente, sua melhor aposta seria usar uma equação simples de projeto de aleta para obter uma boa estimativa e, em seguida, apenas dar ao seu projeto real mais área de superfície para que você saiba que funcionará. As equações do projeto de aletas levam em consideração as propriedades do material, então você deve estar bem nisso.
Eu entendo isso como um "não, não pode" então
Na verdade, Elmer pode modelar a transferência de calor no sólido e o fluxo de ar ao redor dele simultaneamente, mas não sei se você conseguirá fazer o que deseja. FEM, CFD e similares são muito complicados.
É algo para se divertir e aprender, e tenho uma desculpa para brincar com o FEM, algo que me fascinou por décadas. Não há prazo, e produzir algo que funciona bem no FEM e falha miseravelmente na vida real também é uma experiência de aprendizado;)
Ok, então vá em frente: D A curva de aprendizado provavelmente será frustrante, então recomendo duas coisas: (1) Comece devagar. Muito pequeno. Algo para o qual você possa encontrar uma solução analítica. Dessa forma, você pode verificar seu trabalho. (2) Você pode verificar os [tutoriais de CFD de Cornell] (https://confluence.cornell.edu/display/SIMULATION/FLUENT+Learning+Modules). Eles não são para Elmer, mas os conceitos se aplicam.
Eu faço latex com vim, falo sobre curvas de aprendizado frustrantes. Muito obrigado pelas dicas.
#2
+2
George Herold
2015-02-27 01:30:04 UTC
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Algumas dicas:

  1. É primeiro sobre a área de superfície! Mas não coloque as nadadeiras muito juntas ou não haverá espaço suficiente para a convecção natural começar ... Eu li em algum lugar que ~ 0,25 "(~ 6 mm) é um espaçamento razoável.

  2. O aço inoxidável não é uma boa escolha. Você quer um metal com boa condutividade térmica. O alumínio é quase perfeito, pois também é leve. O cobre também funcionaria.

  3. O design do dissipador de calor parece bastante maduro para mim, eu copiava outros designs para começar.

Eu sei sobre o ponto 2, mas é o que tenho disponível para brincar.


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