Investigación sobre el diseño de una placa de refrigeración líquida con canal de flujo en espiral para una fuente de calor de 1200 W

En el sistema de disipación de calor de equipos de 1200 W, las placas de canal recto tradicionales suelen presentar problemas como la acumulación local de calor y una baja eficiencia de intercambio térmico. Este diseño se basa en una placa impulsora de 150 mm × 150 mm y 25 mm de espesor, compatible con una fuente de calor de 140 mm de diámetro. Al optimizar el flujo del fluido a través de un canal de flujo en espiral, se logra una transferencia de calor uniforme y una disipación térmica eficiente de la fuente de calor, cumpliendo así con los requisitos de disipación de calor para el funcionamiento estable a largo plazo del equipo. Diseño basado en soldadura por fricción-agitación proceso con placa inferior y placa de cubierta

Con la "adaptación a la fuente de calor y la optimización del campo de flujo" como eje central, se determinan los parámetros clave del canal de flujo en espiral para garantizar una correspondencia precisa con los requisitos de disipación de calor de la fuente de calor de 1200 W y las dimensiones de la placa del impulsor:

El ancho del canal de flujo es de 8 mm y la profundidad, de 18 mm (se reserva un espesor de placa de 7 mm para garantizar la resistencia estructural). La longitud de un canal de flujo de un solo círculo es de aproximadamente 439.6 mm (calculada a partir del diámetro de 140 mm de la fuente de calor), con un total de 2.5 círculos, lo que resulta en una longitud total del canal de flujo de aproximadamente 1099 mm.

Se adopta un ángulo de avance constante de 15° para equilibrar la resistencia al flujo del fluido y el área de contacto de intercambio de calor. Un ángulo de avance demasiado pequeño tiende a causar estancamiento del fluido, mientras que uno demasiado grande acorta el tiempo de intercambio de calor. Un ángulo de 15° permite que el calor generado por la fuente de calor de 1200 W se transfiera uniformemente a lo largo del canal de flujo sin acumulación local.

La entrada y la salida se ubican respectivamente en las esquinas opuestas de la placa del impulsor (a 20 mm del borde). El diámetro de entrada es de 10 mm y el de salida, de 12 mm, compatibles con las tuberías convencionales de fluidos de disipación de calor. Al mismo tiempo, se evita la interferencia entre los fluidos de entrada y salida, garantizando así la estabilidad del campo de flujo.

•Área de intercambio de calor maximizada: en comparación con los canales rectos del mismo tamaño, el canal de flujo en espiral aumenta el área de intercambio de calor en aproximadamente un 60%, lo que puede entrar en contacto completamente con el área de calentamiento de la fuente de calor de 140 mm de diámetro y absorber rápidamente el calor generado por la potencia de 1200 W.

Sin zonas muertas en el campo de flujo: La trayectoria en espiral permite que el fluido (como el refrigerante) forme un "ciclo en espiral" dentro de la placa de 25 mm de espesor, evitando así el problema del "flujo de cortocircuito" de los canales rectos. Garantiza una temperatura uniforme en el área de la fuente de calor de 140 mm, con una diferencia de temperatura controlada dentro de 5 °C.

Compatibilidad estructural: La dimensión externa de 150 mm × 150 mm se adapta directamente al espacio de instalación de la mayoría de los equipos de 1200 W. El grosor de 25 mm equilibra la eficiencia de disipación de calor con la compacidad del equipo, sin necesidad de realizar ajustes adicionales en la estructura.

Cuando la fuente de calor de 1200 W funciona, el calor se transfiere al cuerpo de la placa impulsora mediante conducción térmica. El fluido (como aceite conductor de calor o líquido refrigerante) en el canal de flujo en espiral fluye a lo largo de este con un ángulo de avance de 15°. Dentro de la longitud total del canal de flujo de 1099 mm, absorbe calor continuamente mediante intercambio térmico convectivo. Al mismo tiempo, la estructura en espiral del canal de flujo en espiral potencia el efecto turbulento del fluido, aumentando la eficiencia del intercambio térmico en aproximadamente un 40 % en comparación con el flujo laminar. Finalmente, permite un enfriamiento rápido de la fuente de calor de 1200 W, garantizando que la temperatura de los componentes principales del equipo se mantenga dentro de un umbral seguro.

Para verificar aún más la viabilidad del diseño, se pueden llevar a cabo los dos aspectos siguientes:

1. Verificación de simulación: utilice software de simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) Ansys 2022 R1 Simular el campo de flujo y el campo de temperatura bajo la fuente de calor de 1200 W, y verificar si la velocidad del fluido en el canal de flujo en espiral (se recomienda controlarlo a 0.8-1.2 m/s) y la temperatura máxima en el área de la fuente de calor cumplen con los objetivos de diseño.

2. Prueba física: Fabricar una muestra de placa impulsora de canal de flujo en espiral con dimensiones de 150 × 150 × 25 mm, equiparla con una fuente de calor simulada de 140 W de 1200 mm de diámetro, probar la eficiencia de disipación de calor con diferentes caudales, comparar el efecto de enfriamiento con la placa impulsora de canal recto tradicional y optimizar los detalles del canal de flujo.

Centrándose en las tres condiciones fundamentales de la fuente de calor de 1200 W, el tamaño de la placa impulsora de 150 × 150 × 25 mm y el diámetro de la fuente de calor de 140 mm, este diseño logra un equilibrio entre el área de intercambio de calor, la estabilidad del campo de flujo y la compatibilidad estructural en un espacio limitado mediante la optimización de parámetros y el diseño estructural del canal de flujo en espiral. Proporciona una solución de disipación de calor eficiente y compacta para equipos de 1200 W, a la vez que ofrece parámetros e ideas útiles para el diseño del canal de flujo de placas impulsoras de tamaños similares.