Nella prima delle nostre serie Ask an Expert sul nostro LinkedIn, abbiamo chiesto alle persone di inviare domande su una delle nostre tecnologie termiche più popolari: il raffreddamento bifase. Abbiamo ricevuto diverse domande, quindi abbiamo parlato con uno dei nostri esperti termici, David Miller, per rispondere di seguito.
Cosa lo rende un raffreddamento "bifase"?
Essenzialmente, "Bifase" significa che si verifica un cambiamento di fase di un fluido da liquido a vapore. Questo cambiamento di fase provoca una sostanziale trasformazione del calore, chiamata calore latente di trasformazione. In un tubo di calore, una quantità molto piccola di acqua pura (o altro liquido) satura lo stoppino all'interno. Quando quel tubo di calore è esposto al calore in un'area, quel liquido evapora, causando un cambiamento di fase dell'acqua in vapore. Il cambiamento di quest'acqua in vapore trasporta rapidamente il calore nelle regioni più fredde dove si condensa. Questo spostamento di calore ha una conduttività termica efficace molto più elevata rispetto alla conduzione attraverso un materiale solido come il rame.
Quali sono i vantaggi del raffreddamento bifase rispetto al raffreddamento ad aria?
In qualsiasi sistema di gestione termica, il calore deve passare dal caldo al freddo, quindi è necessario un modo per spostare il calore da una posizione all'altra. I tubi di calore, le camere a vapore e i termosifoni sono tutti componenti che realizzano questo in modo più efficiente rispetto ai conduttori metallici convenzionali solidi, come il rame o l'alluminio. A causa del cambiamento di fase che si verifica in questi metodi di raffreddamento a due fasi, la conduttività termica è 100-200 volte quella del rame. Ciò riduce la resistenza termica totale del sistema di raffreddamento e la differenza di temperatura (Δt) da un punto all'altro. Detto questo, hai ancora bisogno di aria. Non è possibile sostituire un dispositivo raffreddato ad aria con solo un tubo di calore; Si utilizza un tubo di calore in combinazione con una superficie estesa (alette) e qualche tipo di sistema di movimento dell'aria (o per convezione naturale). Ma minore è la resistenza termica, più velocemente il calore si trasferirà, quindi per la stessa quantità di potenza, la differenza di temperatura da un dispositivo all'aria sarà inferiore con un sistema di raffreddamento potenziato a due fasi.
Quando dovrei usare termosifoni, tubi di calore e camere di vapore?
Abbiamo molte informazioni su come ciascuno di questi funziona sul
nostro sito web, che è un buon punto di partenza. Poiché la maggior parte delle applicazioni sono uniche, sarebbe meglio contattare Boyd e collaborare con uno dei nostri ingegneri applicativi o progettisti per sviluppare una soluzione di raffreddamento ottimizzata per te.
Quali sono alcune delle sfide legate all'implementazione di un sistema di raffreddamento bifase?
Dipende da cosa è il sistema bifase. Il costo può variare in modo sostanziale, a seconda della tecnologia utilizzata. Ci sono anche alcune limitazioni sulla lunghezza massima di un tubo di calore; Se devi spostare il calore su una distanza molto lunga, un tubo di calore può potenzialmente limitare la lunghezza. Anche le dimensioni fisiche di un tubo di calore o di una camera di vapore possono essere una sfida, poiché vi sono limitazioni in ciò che è possibile produrre in base agli utensili disponibili. Infine, l'ambiente può essere un fattore; Gli ambienti che funzionano sotto lo zero possono rappresentare una sfida poiché i tubi di calore a base di acqua di rame funzionano solo al di sopra delle temperature di congelamento. Ora, ci sono modi per aggirare ciascuna di queste sfide, incluso l'uso di un
termosifone per distanze più lunghe o l'uso di metanolo invece di acqua in un tubo di calore per operare a temperature inferiori allo zero. In definitiva, la cosa migliore da fare è inviarci i requisiti specifici del progetto e possiamo aiutarti a determinare i metodi più adatti per il raffreddamento.
Qual è la differenza tra un tubo di calore e un tubo di calore ad anello?
Pensa a un tubo di calore convenzionale come a un tubo di rame che ha uno stoppino e una quantità specifica di fluido all'interno. Quando si riscalda un'estremità, l'acqua all'interno evapora e viaggia verso l'altra estremità, dove si raffredda. Il liquido quindi condensa e viaggia indietro lungo lo stesso tubo fino all'estremità riscaldata per azione capillare. Un Loop Heat Pipe funziona come un loop continuo; Ha un punto di partenza (un evaporatore) dove l'acqua si trasforma in vapore. Il vapore viaggia lungo un tubo fino a un condensatore, dove il liquido si ricondensa e viaggia lungo una linea separata, restituendolo all'evaporatore. C'è molta fisica che guida il funzionamento di un Loop Heat Pipe. Un uso tipico per i tubi di calore ad anello è il raffreddamento delle applicazioni dei veicoli spaziali, in cui il calore deve essere spostato su distanze più lunghe (in genere usano l'ammoniaca come fluido termovettore interno). Se si dispone di un orientamento di gravità fisso e noto o favorevole, un termosifone ad anello può essere utilizzato in modo simile pur essendo più economico.
Il raffreddamento bifase è sempre liquido a gas? O ci sono soluzioni da solido a liquido?
Sì, e sono spesso indicati come "materiali a cambiamento di fase (PCM)". Un esempio di PCM è la cera di paraffina, utilizzata per l'accumulo di energia in combinazione con le batterie agli ioni di litio nei veicoli elettrici. Le batterie possono essere incorporate nella cera, che viene riscaldata e provoca la fusione della cera, che immagazzina il calore. Mentre il PCM solido si sta sciogliendo, la temperatura si stabilizza, consentendo ai picchi di potenza di essere assorbiti e quindi dissipati per un periodo di tempo più lungo. Per qualsiasi applicazione che stia prendendo in considerazione PCM o altre tecniche di raffreddamento bifase, contattaci e i nostri esperti possono aiutarti a consigliare il metodo di raffreddamento ottimale.
Come posso simulare i tubi di calore all'interno della mia applicazione?
Per molte persone che fanno analisi fluidodinamica computazionale (CFD), usano regole empiriche generali per modellare la conduttività termica equivalente di un tubo di calore o di una camera di vapore. Le limitazioni geometriche e l'orientamento limitano la capacità di modellare accuratamente i tubi di calore e i risultati non tengono conto di fattori come la gravità o la flessione e l'appiattimento di un tubo di calore. Inoltre, non è possibile prevedere i limiti di un tubo di calore o se è sovradimensionato.
Boyd SmartCFD è l'unico strumento software che modella accuratamente componenti complessi di raffreddamento bifase come tubi di calore e camere di vapore, quantifica la capacità di utilizzo e avverte dell'essiccazione. Questo software tiene conto di tutti questi fattori quando si simula un tubo di calore o una camera di vapore. Aiuta a prevedere le prestazioni di un sistema di raffreddamento con un tubo di calore o una camera di vapore molto più accuratamente rispetto ad altri programmi CFD, quindi sono un grande sostenitore di SmartCFD.
Quali sono le applicazioni di raffreddamento bifase più estreme su cui hai lavorato?
Per temperature estreme, abbiamo già realizzato tubi di calore per applicazioni inferiori a 0 ° C, che siamo stati in grado di fare utilizzando il metanolo come fluido. Nella fascia alta, ho visto applicazioni che arrivano fino a circa 1000 ° C (anche se generalmente cerchiamo di usarle in applicazioni intorno o sotto gli 150 ° C per il raffreddamento dell'elettronica). In termini di scala estrema, ho sviluppato un termosifone per un'applicazione geotermica lunga molti metri. Vediamo applicazioni molto interessanti che potrebbero essere risolte con soluzioni bifase. Incoraggiamo vivamente i clienti a contattarci con le loro opportunità. Siamo sempre lieti di esaminare i requisiti e formulare raccomandazioni.
Qual è il futuro del raffreddamento bifase?
Ci sono infinite opportunità per le soluzioni bifase nella gestione termica, dalle tradizionali applicazioni aziendali e consumer ai nuovi usi nei settori dell'eMobility, medico e delle energie rinnovabili. Recentemente abbiamo lavorato alla realizzazione di tubi di calore
tridimensionali e camere di vapore per applicazioni ad altissimo flusso di calore, dove si desidera una temperatura uniforme attraverso un intero dissipatore di calore. In genere, si inserisce un tubo di calore o una camera di vapore nella base del dissipatore di calore che tocca un dispositivo caldo, si diffonde e si trasferisce alle alette e si dissipa tramite convezione naturale o forzata. Con una camera di vapore tridimensionale, non dovresti subire il colpo sulla resistenza termica nel passare da un tubo di calore a un'aletta solida. Invece, la resistenza termica è drasticamente ridotta poiché il vapore viaggia dal dispositivo riscaldato direttamente nel volume delle alette. Un'altra area interessante è l'utilizzo di
camere a vapore ultrasottili, che offrono interessanti possibilità per dispositivi di raffreddamento come smartphone e tablet. I carichi termici sono in continuo aumento e la grafite, che è stata utilizzata convenzionalmente, sta raggiungendo il limite come efficace diffusore termico. Le nostre camere a vapore ultrasottili possono spostare quantità molto più grandi di calore in modo molto efficiente in regioni molto sottili (fino a 0,25 mm di spessore). Vorremmo ringraziare tutti coloro che hanno inviato domande! Per saperne di più sulle nostre capacità o per scoprire quale soluzione di raffreddamento bifase è adatta alla tua applicazione,
contatta i nostri esperti.
