Cómo elegir los mejores intercambiadores de calor compactos para refrigeración de dispositivos electrónicos

 

El uso de componentes de alta densidad de potencia en productos electrónicos está aumentando rápidamente, lo que hace que la refrigeración líquida sea una solución viable para aplicaciones de alto flujo de calor, que es actualmente una tendencia importante. Entre otros factores, un sistema de refrigeración líquida eficaz depende de la capacidad de disipación de calor de su intercambiador de calor. Estos intercambiadores de calor varían en tipo, tamaño y configuración según el escenario de aplicación.

 

 

I Construcción Básica

 

La Figura 1 muestra un sistema típico de circuito cerrado, refrigerado por líquido, agua-aire. El refrigerante se bombea a través de una placa fría en contacto con los componentes del CI. El calor absorbido por los componentes se disipa al aire a través del intercambiador de calor y el líquido enfriado continúa a través del circuito, repitiendo el ciclo.

 

▲ Figura 1. Circuito de enfriamiento híbrido de agua y aire para dispositivos electrónicos

 

La fórmula para calcular el calor transferido del agua al aire es la siguiente:

 

Dónde:

• Tw2: temperatura del fluido que ingresa al intercambiador de calor;
• Ta: temperatura del aire circundante del intercambiador de calor;
• Cmin: la menor de las tasas de capacidad calorífica del aire (Ca) o del agua (Cw), que es el producto del caudal másico y el calor específico a presión constante;
• ε: la efectividad del intercambiador de calor, definida como la relación entre la transferencia de calor real en el intercambiador de calor y la transferencia de calor máxima posible termodinámicamente.

 

La temperatura de la superficie de los componentes del CI en contacto con la placa fría se calcula mediante la fórmula 2.

 

 

Dónde:

• Tw1 es la temperatura del agua a la entrada de la placa fría;
• Rcp es la resistencia térmica de los componentes del CI a la entrada de la placa fría, incluida la resistencia de la interfaz entre los componentes y la placa fría.

 

El aumento de temperatura del agua debido al calor de los componentes se puede estimar mediante la siguiente fórmula:

 

 

Dónde:Cw es la tasa de capacidad calorífica del líquido, que es el producto del caudal másico y el calor específico del líquido.

Al integrar las fórmulas 1-3, derivamos la fórmula 4:

 

 

Esto vincula la temperatura de la superficie de los componentes del CI con el rendimiento de la placa fría y el intercambiador de calor.

En las ecuaciones anteriores, si se utilizan diferentes tipos de fluidos en el intercambiador de calor, los subíndices "w" y "a" deben cambiarse a los subíndices generales "c" y "h" para representar las propiedades de los fluidos fríos y calientes, respectivamente. .

 

Área de superficie del intercambiador de calor

 

La superficie del intercambiador de calor debe ser muy grande, especialmente en el lado expuesto al aire. Esto se debe a que el coeficiente de transferencia de calor en la refrigeración por aire es mucho menor que en la refrigeración líquida. Aumentar la superficie en el lado del aire reduce la resistencia térmica, lo que permite una mayor transferencia de calor entre el líquido y el aire.

 

A pesar de la necesidad de grandes superficies para disipar el calor de manera efectiva, muchos proyectos no tienen suficiente espacio para acomodar grandes unidades intercambiadoras de calor, especialmente en aplicaciones a nivel de dispositivo para componentes y placas.

 

Es fundamental elegir el intercambiador de calor adecuado dentro del espacio disponible. Además, se pueden ajustar parámetros como el caudal másico, el uso de líquidos con mayor calor específico o el aumento de la potencia del ventilador de refrigeración para mejorar el rendimiento de la refrigeración.

 

 

II Tipos de aletas de intercambiador de calor

 

El lado del aire de los intercambiadores de calor suele estar equipado con aletas compactas para aumentar el intercambio de calor entre el aire y el líquido.

El tipo de aletas debe ser apropiado para el escenario de aplicación específico. BibliaIntercambiadores de calor compactosintroduce varios tipos de aletas, incluidas aletas rectas, aletas de rejilla, aletas en tira, aletas onduladas y aletas de pasador, como se muestra en la Figura 2.

 

▲ Figura 2. Tipos de aletas de intercambiador de calor

 

Los estudios han probado intercambiadores de calor enfriados por aire yproporcionó pautas para optimizar el diseño de las aletascombinando transferencia de calor, caída de presión, tamaño, peso y costo.

 

Las correlaciones para usar el factor de Colburn (JH) y el factor de fricción (f) para describir el índice de transferencia de calor y el índice de caída de presión se muestran en las fórmulas 5 y 6.

 

 

 

 

Dónde:ρ y v son la densidad y la viscosidad cinemática del fluido.

 

El número de Stanton (St) en la fórmula 5 se puede reescribir de la siguiente manera:

 

 

En las fórmulas 5-7, Pr, t, v, NU y Re representan el número de Prandtl, el esfuerzo cortante de la pared, la viscosidad cinemática del fluido, el número de Nusselt y el número de Reynolds, respectivamente.

 

La Figura 3 muestra la relación entre la relación (JH/f) y el número de Reynolds para las estructuras de aletas que se muestran en la Figura 2.

 

 

▲ Figura 3. Relación entre las estructuras de las aletas y el número de Reynolds

 

Se puede ver claramente en la Figura 3 que cuando el factor clave de diseño del intercambiador de calor es la transferencia de calor por unidad de caída de presión, las aletas rectas son las más eficientes, seguidas de las estructuras de rejilla, onduladas, de tira desplazada y de aletas de pasador.

 

En diversas condiciones de velocidad, la resistencia térmica de las aletas rectas era la más baja.

 

En la Figura 4, la transferencia de calor por unidad de altura y la relación del número de Reynolds indican que las aletas de pasador son la configuración más adecuada, seguidas de las aletas de rejilla, tira desplazada, onduladas y rectas.

 

▲ Figura 4. Transferencia de calor por altura de unidad para diferentes configuraciones de intercambiador de calor

 

Otro factor de diseño importante es el peso. Por ejemplo, la optimización de los intercambiadores de calor utilizados en los sistemas de aviónica a menudo prioriza primero las aletas de rejilla, seguidas de los diseños de aletas onduladas, de tiras desplazadas, de pasadores y rectas.

 

 

III Refrigerante del intercambiador de calor compacto

 

Dependiendo del sistema y la aplicación, los intercambiadores de calor pequeños utilizan diferentes tipos de fluidos. Ciertos fluidos tienen una mayor transferencia de calor y una difusión térmica más efectiva por unidad de volumen.

 

Para ilustrar esto, considere el transporte de calor debido al cambio de entalpía en un sistema abierto, como se muestra en la fórmula 8.

 

 

Dónde:

 

 

(ρ es la densidad del fluido, V es la velocidad y A es el área de la sección transversal), Cp es el calor específico a presión constante.

 

Si la velocidad y el área de la sección transversal se consideran constantes, Cp y ρ determinan la transferencia de calor cuando se utilizan diferentes fluidos.

 

La Tabla 1 muestra los valores de Cp, ρ, μ y k para etilenglicol, agua y aire a 300 K.

 

▲ Tabla 1. Propiedades termodinámicas de refrigerantes típicos

 

La Tabla 1 muestra que los fluidos con mayor densidad y capacidad calorífica pueden eliminar más calor. El uso de dichos fluidos aumenta significativamente la transferencia de calor en aplicaciones de alto flujo de calor.

 

Sin embargo, el uso de líquidos con mejores capacidades de transferencia de calor requiere una mayor potencia de bomba para impulsar el fluido a través del sistema.

 

Para reducir la potencia necesaria para la circulación del refrigerante, el intercambiador de calor utiliza la transferencia de calor en ebullición.

 

En algunos sistemas, el refrigerante absorbe calor de la fuente de calor y se evapora.

 

Según la complejidad del sistema, el refrigerante caliente se bombea a través de una sección de condensador con aletas, donde el refrigerante se enfría y regresa a la fase líquida.

 

Dado que el refrigerante cambia de fase de líquido a gas y pierde densidad, la potencia de bombeo requerida para la circulación del refrigerante se reduce considerablemente.

 

A medida que los circuitos integrados avanzan rápidamente y los componentes tienen mayor densidad de potencia, los intercambiadores de calor compactos se están volviendo esenciales en las soluciones de refrigeración electrónica.

 

Para utilizar plenamente estos dispositivos, es importante comprender sus conceptos, beneficios y limitaciones. Para utilizar correctamente los sistemas de intercambiadores de calor, se deben priorizar factores de diseño como la caída de presión, la transferencia de calor, el tamaño, el peso y el costo.