Domanda:
Valutazione delle prestazioni dei progetti di dissipatori di calore senza simulazione agli elementi finiti
PlasmaHH
2015-02-26 21:33:32 UTC
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Ho l'opportunità di eseguire alcune stampe 3D in metallo solo per il costo del materiale e vorrei sperimentare le prestazioni dei progetti di dissipatori di calore (principalmente per divertimento).

Dato che non ho esperienza nella progettazione di dissipatori di calore, direi che il tasso di errore previsto quando si stampa solo ciò che ho in mente e lo si prova sarà piuttosto alto, quindi ho bisogno di un buon modo per valutare le prestazioni di un progetto prima di creare un prototipo.

Ora, poiché è solo per divertimento, non voglio investire in costosi strumenti di simulazione agli elementi finiti. Non sono riuscito a trovare nulla di gratuito che sia utile, poiché penso che debba tener conto del flusso d'aria e della radiazione termica. Come posso avere un'idea delle prestazioni del mio progetto prima di stampare un prototipo e senza utilizzare la simulazione agli elementi finiti?

Sto progettando un elemento Peltier da 4 cm per 4 cm 120 W (superficie ceramica), il il dissipatore di calore dovrebbe essere in acciaio inossidabile, anche se spero che le prestazioni relative di due dissipatori non cambino con un materiale diverso (un giorno spero di poter usare il rame).

Non sono così sicuro della temperatura differenziale qui ma presumo una temperatura ambiente di 25 ° C.

Non un esperto, ma solo le mie idee sul tuo interessante progetto: Stainless conduce circa $ 16 \, [W / m \ cdot k] $ mentre ad esempio l'alluminio conduce $ 210 $ e le dinamiche di convezione (per portarlo al mezzo circostante) dipendono più dalla geometria . Penso che l'ottimizzazione per un materiale a conduzione relativamente bassa produrrà risultati diversi (più compatti?) Che probabilmente non si trasferiranno su un altro materiale.
Non sono molto sicuro dei dettagli, ma temo che il metallo stampato in 3D, che in realtà è polvere metallica fusa termicamente, avrà proprietà termiche molto diverse dal metallo solido e lavorato.
@SF: Ho i miei dubbi qui, dopotutto creano parti di pale per turbine in lega di titanio perché quel processo ha meno potenziale di difetti strutturali
-1
Se Rth (Shape_A, Material_X)
Due risposte:
#1
+5
regdoug
2015-02-27 02:06:41 UTC
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In primo luogo, per contrastare ciò che alcune persone dicono sui metalli stampati, la sinterizzazione laser selettiva può produrre parti termicamente conduttive come i loro metalli di base. Sono limitati solo dalla porosità e le macchine all'avanguardia possono produrre parti metalliche completamente dense (porosità zero).

Secondo, probabilmente non è necessario prendere radiazioni in considerazione perché sei a bassa temperatura e il flusso d'aria darà un contributo molto maggiore della radiazione.

Terzo, il design tradizionale del dissipatore di calore utilizza equazioni che calcolano la distribuzione della temperatura lungo la pinna dalla radice alla punta al fine di ottenere una "area effettiva" su cui imporre un coefficiente di convezione medio. Ciò significa che non stai calcolando il flusso d'aria esatto, ma piuttosto utilizzando una media su tutta la superficie.

Qualsiasi buon libro di testo per il trasferimento di calore avrà formule per molte diverse forme di pinne, comprese le pinne con una non costante zona delle pinne. Personalmente mi piacciono Incropera e DeWitt.

Tuttavia, se progetti pinne sufficientemente complicate, le equazioni standard verranno meno. Hai quindi tre scelte:

  1. Approssimare le tue pinne con pinne simili. Questo può portare a risultati abbastanza vicini.
  2. Semplifica il tuo progetto per adattarlo a uno schema stabilito
  3. Vai a una simulazione completa agli elementi finiti.

Suggerirei di utilizzare il numero 1 o il numero 2 perché potrebbero essere più precisi. È facile commettere errori sottili nei modelli a elementi finiti che invalidano completamente i risultati 1 , tuttavia se scegli di seguire quella strada, dovresti sapere che ci sono risolutori FEM open source gratuiti (Elmer viene in mente).

E ora alcuni suggerimenti generali:

  • Come altri hanno notato, l'acciaio inossidabile è un cattivo conduttore di calore. L'alluminio è probabilmente una scelta molto migliore, ma a meno che tu non decida di non stamparlo in 3D, probabilmente non puoi usare l'alluminio. Questo è il motivo per cui probabilmente stamperei qualcos'altro se avessi accesso a una stampante 3D
  • Il coefficiente di prestazione dei dissipatori Peltier è spesso inferiore a uno, quindi per ottenere ad es. 20 W di potenza di raffreddamento, dovrai inserire più di 20 W di potenza elettrica. Il tuo dissipatore di calore deve dissipare la somma della potenza di raffreddamento e della potenza elettrica.

tl; dr: Puoi modellare progetti di dissipatori di calore senza utilizzare FEM e come fintanto che i tuoi progetti non sono troppo folli, probabilmente otterrai buoni risultati. I calcoli tradizionali "manuali" non tengono conto della radiazione e presuppongono un flusso d'aria medio su tutta la superficie, che di solito è abbastanza buono. Personalmente eviterei del tutto di fare dissipatori di calore e impiegherei il tuo tempo sulla stampante 3D per cose migliori.


1 Fidati di me, sono un laureato studente in ingegneria meccanica e ho rovinato così molti modelli.

Bella risposta. So che l'acciaio è cattivo, ma per me ha un costo davvero basso, per tutti gli altri materiali dovrei pagare di più del solo materiale. Sarebbe bello se potessi aggiungere una parola a se un modello funziona meglio di un altro con l'acciaio, se questo sarà lo stesso per es. rame. Ho esaminato alcuni programmi FEM, ma poiché non ne ho familiarità, sembrava che molti non sarebbero stati in grado di modellare correttamente il flusso d'aria e il flusso di calore contemporaneamente. Può Elmer farlo?
Se non hai familiarità con i programmi FEM, ti consiglio di evitare completamente FEM. (In effetti, il mio consulente consiglia spesso di evitare FEM anche se hai familiarità, e ha fatto dinamiche molecolari nel suo lavoro di laurea). Probabilmente la soluzione migliore sarebbe quella di utilizzare una semplice equazione di progettazione delle pinne per ottenere una buona stima, e quindi dare al tuo progetto reale più area di superficie in modo da sapere che funzionerà. Le equazioni di progettazione delle pinne tengono conto delle proprietà dei materiali, quindi dovresti stare bene lì.
Allora lo prendo come un "no, non può"
In realtà, Elmer può modellare il trasferimento di calore nel solido e il flusso d'aria attorno ad esso contemporaneamente, ma non so se sarai in grado di farlo fare quello che vuoi. FEM, CFD e simili sono molto complicati.
È qualcosa per divertirsi e imparare, e ho una scusa per giocare con FEM, qualcosa che mi ha affascinato per decenni. Non ci sono scadenze e produrre qualcosa che funziona bene in FEM e fallisce miseramente nella vita reale è anche un'esperienza di apprendimento;)
Ok, allora fallo: D La curva di apprendimento sarà probabilmente frustrante, quindi ti consiglio due cose: (1) Inizia in piccolo. Molto piccolo. Qualcosa per cui puoi trovare una soluzione analitica. In questo modo puoi controllare il tuo lavoro. (2) Puoi dare un'occhiata ai [tutorial CFD di Cornell] (https://confluence.cornell.edu/display/SIMULATION/FLUENT+Learning+Modules). Non sono per Elmer, ma i concetti si applicano.
Faccio latex con vim, parlo di curve di apprendimento frustranti. Grazie mille per i suggerimenti.
#2
+2
George Herold
2015-02-27 01:30:04 UTC
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Alcuni suggerimenti:

  1. Si tratta innanzitutto della superficie! Ma non mettere le alette troppo vicine o non c'è abbastanza spazio per l'inizio della convezione naturale ... Ho letto da qualche parte che ~ 0,25 "(~ 6 mm) è una distanza ragionevole.

  2. L'acciaio inossidabile non è una buona scelta. Vuoi un metallo con una buona conduttività termica. L'alluminio è quasi perfetto poiché è anche leggero. Anche il rame potrebbe funzionare.

  3. Il design del dissipatore di calore mi sembra abbastanza maturo, per cominciare copierei altri design.

Conosco il punto 2, ma è quello con cui ho a disposizione per giocare.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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