Luento 6 diat
Transcription
Luento 6 diat
2/17/2015 • • • • • • Nesteiden lämmönjohtavuus on yleensä huomattavasti suurempi kuin kaasuilla, joten myös niiden lämmönsiirtokertoimet sekä lämmönsiirtotehokkuus ovat kaasujen vastaavia arvoja suurempia Pakotettu konvektio: • Ilma α = 10 … 500 W/m2K • Neste α = 100 … 5000 W/m2K Suora- ja epäsuora nestejäähdytys (nesteiden ominaisuudet) Avoin- ja suljettu nestekierto Pakotettu tai luonnollinen konvektio, kiehuminen Ongelmat: vuodot, korroosio, laitteiston koko ja kondensoitumattomat kaasut Transistori Vesi sisään Jäähdytyslevy Vesi ulos 1 2/17/2015 • • • • • Suuritehoiset komponentit voidaan jäähdyttää tehokkaasti upottamalla ne dielektriseen nesteeseen hyödyntämällä samalla kiehumisen suurta konvektiokerrointa (α = 1000 … 100000 W/m2K) Myös vapaaseen konvektioon perustuvia upotusjäähdytysratkaisuja on olemassa Vakiopaineessa oleva neste kiehuu isotermisesti tietyssä kyllästyslämpötilassa, jolloin suuri lämpömäärä absorboituu tasalämpöiseen nesteeseen Itse kylpy on vakiolämpötilassa, joten hot-spotit eliminoituvat Avoin ja suljettu kierto mahdollinen Paineenalennusventtiili Nestesäiliö Varoventtiili Höyry Dielektrinen neste Jäähdytettävät komponentit 2 2/17/2015 Ilmajäähdytteinen lauhdutin Rivat Tuuletin Jäähdytysaine ulos Jäähdytysaine sisään Höyry Dielektrinen neste Herkkä höyryssä oleville kondensoitumattomille kaasuille. Mikäli ilman osuus höyryn massasta kasvaa 0.5 % putoaa lauhdutuksen konvektiokerroin viidennekseen alkuperäisestä. Paisuntasäiliö Dielektrinen neste Lauhdutin upotettu jäähdytysnesteeseen • Kondensoitumattomat kaasut eivät ole ongelma • Lauhduttimen (putkilämmönsiirtimen) lämmönsiirtokyky määrää laitteiston tehokkuuden, koska pakotetun konvektion lämmönsiirtokyky on lauhtumista pienempi 3 2/17/2015 Paisuntasäiliö Rivat Jäähdytysilma ulos Dielektrinen neste Jäähdytysilma sisään Puhallin • • • Lämpö siirretään altaan ulkoseinän kautta ilmaan Käyttövarmin uppojäähdytin Tehokkuus määräytyy ulkoisen jäähdytysjärjestelmän perusteella Komponentin teho [W] Lämpövuo [W/m2] Tneste = 5 °C 20 43.8 A = 0.457 cm2 D 10 21.9 9 8 17.5 7 6 13.1 5 11.0 C B 4 8.8 3 6.6 2 4.4 A 10 A-B vapaa konvektio B-C kuplanmuodostus ja kiehuminen C-D täydellinen kiehuminen 2.2 20 30 40 50 70 100 T komponentti - Tneste [°C] 4 2/17/2015 Sydän Lämpö sisään Nestevirtaus Höyryvirtaus Höyrystin Adiabaattinen osa Lämpö ulos Lauhdutin Kapillaari-ilmiön ansiosta lämpöputki toimii mielivaltaisessa asennossa gravitaatiokentässä. Lämpöputken toiminta on kuitenkin tehokkaimmillaan silloin, kun gravitaatiovoimat ja kapillaarivoimat vaikuttavat samaan suuntaan (lämpöputken höyrystinpää alhaalla) ja sen toiminta on heikointa gravitaatiovoimien ja kapillaarivoimien ollessa vastakkaiset (lauhdutin alhaalla) • Lämpöputken toiminta perustuu seuraaviin fysikaalisiin ilmiöihin: • • • • • Vakiopaineella toimittaessa neste höyrystyy ja höyry lauhtuu lämpötilassa, jota kutsutaan kyllästyslämpötilaksi. Siten paineenmuutos lämpöputkessa muuttaa sitä lämpötilaa, jossa faasimuutos tapahtuu Vakiopaineella tai vakiolämpötilassa lämpömäärä, jolla massayksikkö nestettä höyrystyy on yhtä suuri kuin sen lauhtuessa luovuttama lämpömäärä Kapillaari-ilmiön vaikutuksesta lämpöputken sydämeen kehittyvä kapillaaripaine liikuttaa nestettä jopa gravitaatiokenttää vastaan Kanavassa oleva neste virtaa alempaa painetta kohden Yksinkertaisen lämpöputken, missä lämmönsiirtonesteenä on vesi, efektiivinen lämmönjohtavuus on luokkaa 100 000 W/m°C, eikä efektiivisen lämmönjohtavuuden arvo 400 000 W/m°C ole harvinainen. Esimerkiksi 15 cm pitkä ja halkaisijaltaan 0.6 cm olevalla vesitäytteisellä lämpöputkella voidaan siirtää jopa 300 W lämpöteho 5 2/17/2015 Toiminta-alue oltava kolmoispisteen ja kriittisen pisteen välissä Fluidi Helium Vety Neon Typpi Metaani Ammoniakki Vesi Elohopea Cesium Natrium Litium Luovutettu lämpö Kupari Kupari Absorboitunut Aukkojen suunta lämpö + + N-tyypin puolijohde Lämpötila-alue [°C] -271 … -268 -259 … -240 -248 … -230 -210 … -150 -182 … - 82 -78 … -130 5 … 230 200 … 500 400 … 1000 500 … 1200 850 … 1600 DC-lähde P-tyypin puolijohde DC-lähde - - Absorboitunut lämpö Elektronivirran suunta N-tyypin puolijohde Luovutettu lämpö P-tyypin puolijohde 1 pelletti 5 A/60 mV 6 2/17/2015 Luovutettu lämpö N P N P N P - + Absorboitunut lämpö 254 pellettiä 16 V/ 5 A Laitteen kotelossa oleva jäähdytyslevy Peltier-elementti Kotelon ulkopuolinen jäähdytyselementti 7 2/17/2015 Vortex-putkessa olevaan sylinterimäiseen pyörregeneraattoriin, jonka halkaisija on itse Vortexputken halkaisijaa suurempi, johdetaan paineilmaa. Ilma virtaa edelleen pyörregeneraattorista putkeen suuttimen kautta, jolloin ilman virtaus muuttuu pyörteiseksi. Ilman pyörimisnopeus saavuttaa jopa 1 000 000 rpm nopeuden, kun se pakotetaan virtaamaan putken pidemmän (kuumaan) osan sisäpintaa pitkin. Putken kuuman osan päässä on säädettävä neulaventtiili, jonka avulla putkesta poistettavaa kuumaa ilmaa voidaan säätää. Loput ilmasta pakotetaan virtaamaan takaisin tulovirtauksen sisäpuolella, paluuvirtauksen nopeuden ollessa huomattavasti tulovirtausta pienempi. Samalla lämpöä siirtyy paluuvirtauksesta tulovirtaukseen. Jäähtynyt ilma virtaa pyörregeneraattorin läpi sen kylmässä osassa olevaan poistoilmaputkeen, josta se johdetaan jäähdytettävään kohteeseen. Vortex-putken pääperiaate on siten jakaa pyörteinen ilmavirtaus kuumaan ja kylmään virtaukseen. 8