Pregunta:
Evaluación del rendimiento de diseños de disipadores de calor sin simulación de elementos finitos
PlasmaHH
2015-02-26 21:33:32 UTC
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Tengo la oportunidad de hacer algunas impresiones 3D de metal por solo el costo del material y me gustaría experimentar con el rendimiento de los diseños de disipadores de calor (principalmente por diversión).

Como no tengo experiencia en el diseño de disipadores de calor, diría que la tasa de fallas esperada al imprimir lo que tengo en mente y probar será bastante alta, por lo que necesito una buena manera de evaluar el rendimiento. de un diseño antes de crear un prototipo.

Ahora que esto es solo para mi diversión, no quiero invertir en costosas herramientas de simulación de elementos finitos. No pude encontrar nada gratis que sea útil, ya que creo que tiene que tener en cuenta el flujo de aire y la radiación térmica. ¿Cómo puedo hacerme una idea de cómo funcionará mi diseño antes de imprimir un prototipo y sin usar la simulación de elementos finitos?

Estoy planeando un elemento Peltier de 4 cm por 4 cm 120 W (superficie cerámica), el El disipador de calor debe ser de acero inoxidable, aunque espero que el rendimiento relativo de dos disipadores de calor no cambie con un material diferente (algún día espero poder usar cobre).

No estoy tan seguro de la temperatura diferencial aquí, pero supongo que la temperatura ambiente es de 25 ° C.

No soy un experto, pero solo mis ideas sobre su interesante proyecto: el acero inoxidable conduce alrededor de $ 16 \, [W / m \ cdot k] $ mientras que, por ejemplo, el aluminio conduce $ 210 $ y la dinámica de convección (para llevarlo al medio circundante) depende más de la geometría . Creo que la optimización para un material de conducción relativamente baja dará como resultado un resultado diferente (¿más compacto?) Que probablemente no se transferirá a otro material.
No estoy realmente seguro de los detalles, pero me temo que el metal impreso en 3D, que de hecho es polvo metálico fundido térmicamente, tendrá propiedades térmicas muy diferentes del metal sólido mecanizado.
@SF: Tengo mis dudas aquí, después de todo afaik crean piezas de álabes de turbina de aleación de titanio porque ese proceso tiene menos potencial de defectos estructurales
-1
Si Rth (Shape_A, Material_X)
Dos respuestas:
#1
+5
regdoug
2015-02-27 02:06:41 UTC
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En primer lugar, para contrarrestar lo que dicen algunas personas sobre los metales impresos, la sinterización selectiva por láser puede producir piezas que son tan conductoras térmicamente como sus metales base. Están limitados solo por la porosidad, y las máquinas de última generación pueden producir piezas metálicas completamente densas (sin porosidad).

En segundo lugar, probablemente no necesite recibir radiación. en cuenta porque está a baja temperatura y el flujo de aire va a hacer una contribución mucho mayor que la radiación.

En tercer lugar, el diseño tradicional del disipador de calor utiliza ecuaciones que calculan la distribución de temperatura a lo largo de la aleta desde la raíz hasta la punta para llegar a un "área efectiva" sobre la cual se pueda imponer un coeficiente de convección promedio. Esto significa que no está calculando el flujo de aire exacto, sino usando un promedio de toda la superficie.

Cualquier buen libro de texto sobre transferencia de calor tendrá fórmulas para muchas formas de aletas diferentes, incluidas las aletas con una variable no constante. área de la aleta. Personalmente, me gustan Incropera y DeWitt.

Sin embargo, si diseña aletas suficientemente complicadas, las ecuaciones estándar se romperán. Entonces tienes tres opciones:

  1. Aproxima tus aletas con aletas similares. Esto puede llevar a resultados lo suficientemente cercanos.
  2. Simplifique su diseño para que se ajuste a un patrón establecido
  3. Vaya a una simulación completa de elementos finitos.

Aconsejaría usar el número 1 o el número 2 porque podrían ser más precisos. Es fácil cometer errores sutiles en modelos de elementos finitos que invalidan por completo sus resultados 1 ; sin embargo, si elige seguir ese camino, debe saber que existen solucionadores FEM de código abierto gratuitos (Elmer viene a la mente).

Y ahora algunos consejos generales:

  • Como han señalado otros, el acero inoxidable es un mal conductor del calor. El aluminio es probablemente una opción mucho mejor, pero a menos que decida no imprimirlo en 3D, probablemente no pueda usar aluminio. Esta es la razón por la que probablemente imprimiría otra cosa si tuviera acceso a una impresora 3D
  • El coeficiente de rendimiento de los refrigeradores Peltier suele ser menor que uno, por lo que para obtener p. Ej. 20 W de potencia de refrigeración, necesitará poner más de 20 W de potencia eléctrica. Su disipador de calor necesita disipar la suma de la potencia de refrigeración y la potencia eléctrica.

tl; dr: Puede modelar diseños de disipador de calor sin utilizar FEM y como Siempre que sus diseños no sean demasiado disparatados, probablemente obtendrá buenos resultados. Los cálculos tradicionales "manuales" no tienen en cuenta la radiación y suponen un flujo de aire promedio sobre toda la superficie, que suele ser suficientemente bueno. Personalmente, evitaría hacer disipadores de calor y usaría su tiempo en la impresora 3D para cosas mejores.


1 Créame, soy un graduado estudiante de Ingeniería Mecánica, y arruiné tantos modelos.

Gran respuesta. Sé que el acero es malo, pero para mí viene a un costo realmente bajo, por todos los demás materiales tendría que pagar más que solo el material. Sería bueno si pudiera agregar una palabra a si un modelo funciona mejor que otro con acero, si esto será lo mismo para, por ejemplo, cobre. Observé bastantes programas FEM, pero como no estoy familiarizado con ellos, parecía que muchos no serían capaces de modelar correctamente el flujo de aire y el flujo de calor a la vez. ¿Puede Elmer hacer esto?
Si no está familiarizado con los programas FEM, le aconsejo que evite FEM por completo. (De hecho, mi asesor a menudo recomienda evitar FEM incluso si está familiarizado, y él hizo dinámica molecular en su trabajo de posgrado). Probablemente su mejor opción sería usar una ecuación de diseño de aleta simple para obtener una buena estimación, y luego simplemente darle más área de superficie a su diseño real para que sepa que funcionará. Las ecuaciones de diseño de aletas tienen en cuenta las propiedades del material, por lo que debería estar bien allí.
Lo tomo como un "no, no puede" entonces
En realidad, Elmer puede modelar la transferencia de calor en el sólido y el flujo de aire a su alrededor simultáneamente, pero no sé si podrá lograr que haga lo que quiera. FEM, CFD y similares son muy complicados.
Es algo para divertirme y aprender, y tengo una excusa para jugar con FEM, algo que me fascinó durante décadas. No hay fecha límite, y producir algo que funcione bien en FEM y falle estrepitosamente en la vida real también es una experiencia de aprendizaje;)
Bien, entonces adelante: D La curva de aprendizaje probablemente será frustrante, así que recomendaré dos cosas: (1) Empiece de a poco. Muy pequeña. Algo para lo que puedas encontrar una solución analítica. De esa forma puedes comprobar tu trabajo. (2) Es posible que desee consultar los [tutoriales de CFD de Cornell] (https://confluence.cornell.edu/display/SIMULATION/FLUENT+Learning+Modules). No son para Elmer, pero los conceptos se aplican.
Hago látex con vim, hablo de curvas de aprendizaje frustrantes. Muchas gracias por los consejos.
#2
+2
George Herold
2015-02-27 01:30:04 UTC
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Algunas sugerencias:

  1. ¡Se trata primero de la superficie! Pero no coloque las aletas demasiado juntas o no hay suficiente espacio para que comience la convección natural ... Leí en alguna parte que ~ 0.25 "(~ 6 mm) es un espacio razonable.

  2. El acero inoxidable no es una buena opción. Usted quiere un metal con buena conductividad térmica. El aluminio es casi perfecto ya que también es liviano. El cobre también funcionaría.

  3. El diseño del disipador de calor me parece bastante maduro, copiaría otros diseños para empezar.

Sé sobre el punto 2, pero eso es lo que tengo disponible para jugar.


Esta pregunta y respuesta fue traducida automáticamente del idioma inglés.El contenido original está disponible en stackexchange, a quien agradecemos la licencia cc by-sa 3.0 bajo la que se distribuye.
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