2633

Исследование теплового режима работы охладителя на тепловых трубах

Практическая работа

Информатика, кибернетика и программирование

В настоящем отчете представлены результаты экспериментального исследования теплового режима охладителя на тепловых трубах (далее по тексту ТТ). Исследование проводилось на базе оборудования ИС-706. В отчете приведено описание объекта исследования...

Русский

2012-11-12

743.09 KB

29 чел.

В настоящем отчете представлены результаты экспериментального исследования теплового режима охладителя на тепловых трубах (далее по тексту ТТ). Исследование проводилось на базе оборудования ИС-706.

В отчете приведено описание объекта исследования, экспериментальное определение тепловой характеристики охладителя и исследование его теплового поля, определен тип применяемого капиллярно-пористого материала фитиля (далее по тексту КПМ) и рабочей жидкости, выполнен расчет теплового сопротивления охладителя и мощности теплопередачи.


Содержание

1. Цель

2. Объект исследования

3. Экспериментальное определение тепловой характеристики охладителя

4. Результаты исследования

5. Выводы

Литература

Приложение - Тепловая труба как техническая система: характеристики,

конструкция, свойства

4

5

6

8

13

14

15


1 Цель исследования

Целью исследования является измерение тепловой характеристики охладителя – определение зависимости температуры в контрольных точках от подводимой к нему тепловой мощности и расчет теплового сопротивления охладителя.


2 Объект исследования

Объектом исследования является охладитель COOLER NINJA MINI, предназначенный для охлаждения центрального процессора ПК, представлен на рисунке 1. В состав охладителя входят шесть медных тепловых трубок, алюминиевый радиатор и вентилятор. Оребрение выполнено из 16 алюминиевых пластин. Через пластины проходят медные тепловые трубки диаметром 6 мм, образующие букву U.

Продувку радиатора осуществляет вентилятор. Частота вращения крыльчатки вентилятора 2300 об/мин. Создаваемый в процессе работы вентилятора воздушный поток 54,7 м3/час обладает достаточной силой, чтобы продувать все оребрение. В результате, тепло не скапливается, а быстро рассеивается.

Помимо основного радиатора, в состав охладителя входит небольшой алюминиевый радиатор, расположенный в основании. Основная функция данного элемента состоит в частичном снятии тепловой нагрузки, которая ложится на тепловые трубки в процессе снятия и передачи тепла.

Сведения по тепловым трубам приведены в Приложении.

Рисунок 1 – Объект исследования


3 Экспериментальное определение тепловой характеристики охладителя

Для проведения исследования был изготовлен нагреватель (рисунок 2), состоящий из трех нагревательных элементов (3 резистора суммарным сопротивлением 450 Ом) установленных через термопасту (из комплекта охладителя) на медную пластину-основание толщиной 2 мм.

Рисунок 2 – Конструкция нагревателя

Соединение нагревателя и охладителя выполнялось с помощью штатной крепежной рамки, входящей в комплект охладителя. На поверхности контакта нанесена термопаста. На рисунке 3 представлена вся конструкция в сборе.

Рисунок 3 – Нагреватель с охладителем в сборе

Исследования проводились в два этапа – без обдува радиатора вентилятором в диапазоне тепловой мощности (12,5…50) Вт и с обдувом вентилятором (частота вращения крыльчатки вентилятора 2300 об/мин) в диапазоне тепловой мощности (50…200) Вт.

Термометрирование охладителя выполнялось термопарами типа «ХК», которые регистрировали температуру в следующих контрольных точках (рисунок 4):

1 – стенка тепловой трубы (ТТ) в конце зоны оребрения;

2 – окружающий воздух;

4 – стенка ТТ в области основания охладителя;

6 – стенка ТТ в начале зоны оребрения;

7 – корпус нагревательного элемента (резистора);

8 – основание охладителя (теплосъёмная «подошва»).

2

8

7

6

4

1

Рисунок 4 – Расположение замеров температуры

Регистрация температуры осуществлялась по истечении 2…3 часов работы, при стабилизации теплового режима охладителя.

Значение измеренных температур выводилось на дисплей устройства контроля температуры УКТ-38. Для подачи напряжения на нагревательные элементы применялись источники Б5-9; напряжение на обмотку вентилятора подавалось источником питания Б5-71/1 м.


4 Результаты исследования

Измерение температуры охладителя без обдува радиатора вентилятором выполнялось при тепловой мощности (12,5…50) Вт. Результаты измерений температуры приведены в таблице 1 и на рисунке 5 в виде зависимости температуры в контрольных точках от мощности тепловыделения.

Таблица 1- Результаты термометрирования без обдува вентилятором

Мощность/№ термопары

1

2

4

6

7

8

12,5 Вт

38,9

23,1

38,5

39,3

41,2

39,5

16 Вт

43,4

22,9

43,2

43,7

46,4

44,2

22 Вт

49,7

24,1

49,4

50,1

53,3

50,6

50 Вт

69,3

23,7

69,5

69,3

75,9

71,1

Рисунок 5 – Тепловая характеристика охладителя без обдува вентилятором

Из рисунка 5 видно, что охладитель без обдува ребер вентилятором обеспечивает температуру нагревателя 76 С при мощности тепловыделения 50 Вт, при этом тепловое сопротивление, которое определяется разностью температур между основанием охладителя и средой и тепловой мощностью, подводимой к нагревателю, составит 0,95С/Вт.

Из графика также следует, что температура стенки ТТ в начале и в конце зоны оребрения практически совпадают, что объясняется изотермичностью зоны отвода тепла ввиду неизменной температуры в точке фазового перехода пар-жидкость.

Дополнительно было выполнено исследование теплового поля охладителя с применением тепловизора TESTO 880-1.

Результаты исследования температурного поля при мощности тепловыделения 12,5 Вт представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Результаты исследования теплового поля охладителя без обдува

вентилятором. Мощность тепловыделения 12,5 Вт

Измерение температуры охладителя с обдувом радиатора вентилятором (штатный режим работы охладителя) выполнялось при тепловой мощности (50…200) Вт. Результаты измерений температуры приведены в таблице 2 и на рисунке 7 в виде зависимости температуры в контрольных точках от мощности тепловыделения.

Таблица 2 - Результаты термометрирования с обдувом вентилятором

Мощность/№ термопары

1

2

4

6

7

8

50 Вт

29,0

23,8

29,4

29,5

38,7

31,1

89 Вт

34,1

23,9

34,9

34,5

51,0

37,5

128 Вт

39,1

23,1

40,4

38,2

61,9

43,8

174 Вт

45,1

23,2

47,0

45,0

75,6

51,6

200 Вт

49,2

23,6

51,2

47,5

83,5

56,6

Рисунок 7 – Тепловая характеристика охладителя с обдувом вентилятором

Из рисунка 7 видно, что охладитель с обдувом ребер вентилятором обеспечивает температуру нагревателя 84С при мощности тепловыделения 200 Вт, при этом тепловое сопротивление, которое определяется разностью температур между основанием охладителя и средой и тепловой мощностью, подводимой к нагревателю, составит 0,165С/Вт.

Результаты исследования температурного поля охладителя с применением тепловизора TESTO 880-1 при мощности тепловыделения 200 Вт представлены на рисунке 8.

Дополнительно было выполнено термометрирование нагревателя без присоединения к нему охладителя. Измерение температуры нагревательного элемента выполнялось при тепловой мощности до 22 Вт. При этом температура нагревателя достигла 113С, то есть подогрев относительно окружающего воздуха составил 91С. Результаты термометрирования нагревателя представлены на рисунке 9.

Рисунок 8 – Результаты исследования теплового поля охладителя с обдувом

вентилятором (мощность тепловыделения 200 Вт)

Рисунок 9 – Результаты исследования нагревателя без охлаждения

После проведения всех исследований, одна из шести тепловых трубок, входящих в состав охладителя была вскрыта, для визуального определения типа капиллярно-пористого материала фитиля. Как видно из рисунка 10 в исследуемом охладителе применяется КПМ из спеченного медного порошка, а в качестве рабочей жидкости - вода. Данный тип фитиля считается наиболее эффективным для быстрого возврата конденсата к зоне испарения ТТ.

Рисунок 10 – КПМ из спеченного медного порошка


5. Выводы.

В результате исследование теплового режима работы охладителя, определено его тепловое сопротивление и тепловая характеристика в диапазоне тепловой мощности (12,5…200) Вт.

Исследуемый охладитель при работе без обдува ребер вентилятором обеспечил температуру нагревателя 76С при мощности тепловыделения 50 Вт, при этом тепловое сопротивление охладителя составило 0,95С/Вт.

При штатном режиме работы охладителя (с обдувом ребер вентилятором) температура нагревателя составила 84С при мощности тепловыделения 200 Вт, при этом тепловое сопротивление охладителя имело величину 0,165 С/Вт. Такое сопротивление является достаточно хорошим показателем для устройств с воздушным охлаждением.

Исследование нагревателя без присоединения к нему охладителя показало, что перегрев нагревателя относительно окружающего воздуха составил 91С при тепловой мощности 22 Вт. При работе нагревателя с охладителем такое повышение температуры было бы возможно только при тепловой мощности свыше 280 Вт, то есть более чем в 12 раз больше. Мощность теплопередачи в данном случае составит 186 Вт/см2. Для примера, если тепловые трубы в охладителе заменить на медные стержни такого же сечения, то мощность теплопередачи составит всего 23,8 Вт/см2.

Таким образом, исследованный охладитель на медных тепловых трубках является высокоэффективным устройством для отвода тепла от локального источника тепловой мощности, в сравнении с обычными штыревыми или ребристыми радиаторами, при этом применение вентилятора значительно уменьшает тепловое сопротивление охладителя.

Ведущий инженер НИС-711 И.А. Шлёнкин


Литература

1 Гровер Г.М. и др. Устройство, обладающее очень высокой теплопроводностью J.Appl. Phys. USA, 1964.

2 Низкотемпературные тепловые трубы. Под ред. д.т.н. Л.П. Васильева. "Наука и техника", Минск, 1976.

3 Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы: Пер с англ. М.: Энергия, 1979.

4 Алексеев В.А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 1979.


ПРИЛОЖЕНИЕ - Тепловая труба как техническая система:

характеристики, конструкция, свойства

Тепловая труба – это замкнутое испарительно-конденсационное устройство, предназначенное для охлаждения, нагрева, или терморегулирования объектов.

Если взять обычную металлическую трубку, налить в нее немного воды, практически полностью откачать из нее воздух (это очень важно, не откачанный воздух будет мешать парообразованию и быстрому движению пара), и герметически закрыть ее с обеих сторон, то мы получим простейшую тепловую трубу, которая называется термосифоном, и идеально работает при вертикальном расположении.

Термосифон работает так: к нижнему концу (зона испарения) подводиться тепло, вода начинает испаряться без пузырькового кипения (это тоже очень важно, потому что при кипении на стенках ТТ возникают пузырьки, которые затрудняют теплопередачу и, следовательно, ограничивают мощность теплопередачи), поглощая при этом большую энергию, пар поднимается по трубе к холодному концу (зона конденсации), конденсируется, отдавая энергию, и в виде воды стекает по стенкам трубки вниз. Так как скрытая теплота фазового перехода у многих веществ достаточно высока, обеспечивается высокая плотность теплового потока. Термосифоны могут работать, если зона испарения находится ниже зоны конденсации, поэтому область их применения ограничена.

6 июля 1944г в США был зарегистрирован патент №2350348. Автором изобретения был Гоглер, сотрудник американской фирмы General Motors. Как указывал автор, целью изобретения было "...обеспечение поглощения теплоты, или, другими словами, испарение жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора". Для возврата жидкости из зоны конденсации в зону испарения была предложена капиллярная структура. То есть Гоглер изобрел тепловую трубу, которая могла работать в любом положении и иметь любую форму.

Впервые термин "тепловая труба" был предложен Гровером Г.М. и использован в [1].

Рисунок П1 - Схематическое изображение тепловой трубы

Перенос тепла в ТТ осуществляется путем переноса массы теплоносителя, сопровождающегося изменением его фазового состояния (обычно испарение рабочей жидкости и ее последующая конденсация). В октябре 1973г в Штутгарте прошла первая международная конференция по тепловым трубам, после которой они получили общее признание.

Классическая ТТ имеет одну - главную полезную функцию - теплопередача в осевом направлении между двумя разделенными в пространстве точками.

Подвод тепла может осуществляться любым известным способом (открытым пламенем, теплообменом с нагретым телом, электрическим током, ИК-лучами, электронной бомбардировкой и др.). При этом из-за термического сопротивления стенки будет обычный перепад температур между источником тепла и рабочей жидкостью. Температурный предел зависит только от термо- (хладо)-стойкости материала корпуса.

Плотность теплового потока в зоне испарения не должна превышать некоторого значения, при котором может наступить кризис теплоотдачи (осушение фитиля, когда КПМ не успевает подавать новые порции жидкости в зону испарения).

Существует два типа конденсации - капельная или, чаще, пленочная. Обычно пар конденсируется на поверхности пленки жидкости. Между этой поверхностью и наружной поверхностью стенки существует небольшой перепад температур (т.е. температура стенки ненамного, но отличается от температуры пара). Поверхность ТТ в зоне конденсации обладает интересным свойством - изотермичностью, т.к. эта поверхность работает практически при постоянной температуре (близкой к температуре фазового перехода пар-жидкость). Если на каком-то участке возникает местный тепловой сток, то количество конденсирующегося в этом месте пара увеличивается и температура поддерживается на прежнем уровне.

В зоне испарения создается избыточное давление насыщения пара, которое расходуется на разгон пара до осевой скорости, на преодоление силы трения парового потока на поверхности фитиля и на преодоление сил вязкости пара. Вследствие этого, давление по длине ТТ, от зоны испарения падает. В среднем участке трубы давление стабилизируется (адиабатный участок). В зоне конденсации давление восстанавливается почти до величины давления в зоне испарения. Практически, потери давления в простых ТТ связаны только с преодолением вязкостных сил.

В настоящее время более эффективного устройства для передачи тепловой энергии, чем ТТ, не существует. Цилиндрическая ТТ с водой при t =50oС будет иметь теплопроводность в сотни раз больше чем у меди. ТТ на литии при t =1500oС В осевом направлении может передать тепловой поток до 25кВт/см2.

Современные ТТ имеют следующие характеристики [2]:

  1.  Рабочая температура от 4К до 2300К
  2.  Длина от нескольких сантиметров до десятков метров
  3.  Диаметр от 2-3мм. до нескольких метров
  4.  Мощность теплопередачи до 25кВт/см2
  5.  Ресурс работы до 100 000 часов

По виду теплоносителей различают металлические (калий, натрий, цезий и т.д.) для очень высоких температур, и неметаллические (вода, аммиак, ацетон, фреоны и т.д.) для низких и средних температур. Для возврата конденсата в зону испарения могут использоваться гравитационные, капиллярные, центробежные, электростатические и т.д. силы.

Важно отметить, что ТТ начинает работать при любом перепаде температур на ее концах, т.к. скрытая теплота парообразования у жидкостей велика.

Наиболее современный и распространенный тип тепловой трубы – ТТ Гровера, она состоит всего из трех элементов: корпус, рабочая жидкость, КПМ (капиллярно-пористый материал).

Корпус должен обеспечивать изоляцию рабочей жидкости от внешней среды, должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами, обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее.

Сечение ТТ – круглое или прямоугольное. Минимальный диаметр ТТ должен быть таким, чтобы внутренний диаметр зоны транспорта пара исключал действие капиллярных сил, т.е. чтобы паровой канал не превратился в капиллярный; максимальный – принципиальных ограничений не имеет. Материал – обычно используют медь, нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, стекло, бронзу; пластмассы (гибкие ТТ), керамику (высокотемпературные ТТ).

Рабочая жидкость должна обеспечивать теплоперенос в системе при рабочих температурах, иметь точку фазового перехода жидкость-пар в требуемом диапазоне рабочих температур, не должна разлагаться при этих температурах, должна обладать достаточно большой скрытой теплотой парообразования и хорошо смачивать материал фитиля и корпуса, должна иметь низкое значение вязкости жидкой и паровой фаз и иметь высокую теплопроводность и высокое поверхностное натяжение.

Большое поверхностное натяжение жидкости необходимо для создания достаточно большого капиллярного напора для хорошей работы против сил гравитации. Для хорошего смачивания корпуса и фитиля жидкость должна иметь краевой угол смачивания близким к нулю. Чем выше скрытая теплота парообразования, тем меньше потребуется жидкости. Жидкость с высокой теплопроводностью сведет к минимуму перепад температур между стенкой и поверхностью испарения (тем меньше вероятность возникновения пузырькового кипения на границе фитиля со стенкой корпуса). Чем меньше вязкость жидкости, тем меньше гидравлическое сопротивление ее течению.

В зависимости от интервала температур (указана температура охлаждаемого тела) могут быть использованы самые различные вещества приведенные к жидкой фазе – от сжиженных газов до металлов [3]:

  1.  гелий (-271 ... -269oC);
  2.  аммиак (-60 ... +100oC);
  3.  фреон-11 (-40 ... +120oC);
  4.  ацетон (0 ... +120oC);
  5.  вода (25 ... 200°C);
  6.  ртуть (250 ... 650°C);
  7.  натрий (600 ... 1200°C);
  8.  серебро (1800 ... 2300oC) и т.д.

Капиллярно-пористый материал (фитиль) должен быть мелкопористым для создания максимального напора и в то же время должен быть крупнопористым для увеличения проницаемости (по жидкости); в связи с этим в условиях работы против сил гравитации практически не используется ТТ длиной более 1 м. Слой КПМ вдоль стенок должен быть толстым для увеличения расхода жидкости (увеличение теплопередачи) и в то же время должен быть тонким для уменьшения термического сопротивления фитиля в радиальном направлении (с целью увеличения плотности теплового потока в испарителе).

КПМ обеспечивает перемещение жидкости из зоны конденсации в зону испарения и равномерно распределяет ее по всей зоне испарения. Требования к КПМ противоречивы, необходимые параметры подбирают, исходя из конкретной ситуации. Наиболее часто используют металлические сетки, металлические ткани саржевого плетения, спеченные металлические порошки, металлический войлок.

Рисунок П2 - Типы КПМ (порошковый и сеточный)

Направление движения пара и жидкости в ТТ противоположны. Поэтому на поверхности раздела фитиль - паровой поток на жидкость действуют касательные напряжения - возможен срыв капель. Унос капель жидкости наступит тогда, когда скоростной напор пара превысит силы поверхностного натяжения жидкости. Установлено, что чем тоньше сетка (чем меньше шаг проволочек), тем менее вероятен унос капель.

При низких температурах преобладающими являются силы вязкости в паровом потоке: чем они выше, тем меньше скорость пара и мощность теплопередачи. Установлено, что для увеличения скорости пара достаточно снизить давление (в идеале до нуля) в зоне конденсации, т.е. снизить температуру этого конца ТТ.

Снижение давления (температуры) в зоне конденсации и повышение температуры в зоне испарения как бы повышает "разность потенциалов" между концами ТТ, тем самым повышая скорость движения пара. Однако существует физический предел - скорость звука, при достижении которого уже никакое увеличение "разности потенциалов" не приводит к увеличению скорости пара. Достигается состояние, которое носит название "запирание" канала ТТ. При этом, если продолжать и далее уменьшать температуру в зоне конденсации, то ТТ потеряет свойство изотермичности - по ее длине будет наблюдаться значительный градиент температур.

При возрастании теплового потока в зоне испарения должен возрастать приток жидкости по фитилю. Предельная величина притока жидкости зависит от типа конструкции фитиля.

Для неметаллических жидкостей характерно возникновение пузырькового кипения в фитиле зоны испарения. Это затрудняет отвод образующегося на греющей поверхности пара через толщу фитиля, а, следовательно, ограничивает мощность теплопередачи.

В 1967 тепловая труба была впервые испытана на космическом спутнике на околоземной орбите (корпус - нержавеющая сталь, рабочая жидкость - вода, электрообогрев), а в 1968 - впервые применена для теплового регулирования спутника "Геос - Б" (две тепловые трубы, корпус -алюминиевый сплав, фитиль - алюминиевая сетка, рабочая жидкость - фреон-11; назначение - снижение до минимума разности температур между ответчиками, расположенными в разных частях спутника) [4].

В последующие годы сфера применения тепловых труб резко расширилась: от авиации, радиоэлектроники и гелиотехники - до бытовой техники и криохирургии.

Основными объектами охлаждения, в которых используются ТТ, являются узлы и блоки РЭА, включающие в себя элементы повышенной мощности (полупроводниковые приборы, БИС, процессоры ПК). При этом ТТ применяются как для отвода тепла от отдельных элементов, так и от групп элементов.

Принципиально применение тепловых труб возможно в следующих случаях:

- из конструктивных соображений необходимо развести на некоторое расстояние участки теплоподвода и теплосброса (например, при отводе тепла от гермоблоков; при плотной компоновке тепловыделяющих элементов и т.д.);

- ТТ увеличивает эффективность теплообменника – например, при установке на конденсационном (изотермичном) участке ТТ радиатора, обеспечивается изотермичность оснований ребер радиатора, что увеличивает теплоотвод. Кроме того, применение ТТ позволяет (за счет увеличения длины конденсационного участка) либо значительно развить поверхность теплообменника, не снижая его эффективности, либо использовать эффективный теплообменник меньших размеров.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72730. Создание простейшего прикладного приложения: калькулятор, просмоторщик рисунков, графический редактор, текстовый редактор, медиаплеер 4.9 MB
  Цель работы. Разработка приложений использующих главное меню формы всплывающего меню строки состояния панели инструментов быстрых кнопок с картинками подсказок к кнопкам а также стандартных диалогов открытия и сохранения файлов на примере создания приложения для просмотра графических файлов точечных рисунков.
72732. Изучение компонентов среды С++ Builder 6: TStringGrid (таблица строк), TMainMenu. Работа с массивами данных 264 KB
  Получение навыков работы с компонентами TStringGrid (таблица строк), TMainMenu (главное меню), программирования ввода матрицы смежности графа с помощью компоненты TStringGrid, разработки классов для решения задач на графах.
72733. История одного ордена (орден Отечественной войны) 75.5 KB
  Цель: Через знакомство с историей ордена Отечественной войны установить имена ветеранов Великой Отечественной войны проживающих в нашем поселке награжденных этим орденом. Актуальность: В 2011 году 22 июня весь наш народ вспоминал одну из самых трагичных страниц в истории России начало Великой Отечественной...
72734. История семьи в судьбе Отечества (вечер воспоминаний) 35 KB
  Цель: Затронуть патриотические чувства учащихся, сделать акцент на выборе доблестной и почетной профессии военного. Побуждать родителей делиться опытом о том, как в семье хранит память о старшем поколении, воспитываются моральные ценности, строятся отношения между поколениями, формируется отношение к окружающему миру.
72735. Бактерии полезные и вредные 42 KB
  Цель: выяснить какие бактерии полезные а какие вредные. Задачи исследования: выяснить где живут бактерии от чего зависит их жизнь какие бывают бактерии и микробы. Сидя перед телевизором часто слышу слова бактерии полезные бактерии вредные бактерии пробиотики пребиотики высказывания о различных йогуртах...
72736. Исследование влияния состава воздуха на здоровье населения города Омска 138.5 KB
  Город Омск – один из крупнейших городов азиатской части России с населением более 1,1 млн. человек. В процессе своей жизнедеятельности город, как и любой другой крупный населенный пункт, производит значительное количество веществ, загрязняющих окружающую среду: воздух, водные объекты и территорию.