CC BY
0УДК 620.9 Новиков И.К., Мицура Д.И., Рахимбулов В.Е.
Новиков И.К.
студент кафедры электро- и теплоэнергетики Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Мицура Д.И.
студент кафедры электро- и теплоэнергетики Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Рахимбулов В.Е.
студент кафедры электро- и теплоэнергетики Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОБЗОРА ИЗЛУЧЕНИЯ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ТЕПЛОВОЙ АНАЛИЗ ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫХ РАДИАТОРОВ С ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИЕЙ
Аннотация: в данной статье проводится полностью взаимосвязанный анализ потока жидкости и теплопередачи, разработана простая в использовании схема синтеза для определения коэффициента обзора.
Ключевые слова: эффективное управление, комбинированный эффект, коэффициент, углубленный анализ.
В этой статье рассматривается влияние коэффициента обзора излучения и геометрических параметров на механизмы теплопередачи в пластинчато-ребристых радиаторах с естественной конвекцией. Тепловое поведение и
динамика воздушного потока анализировались в полностью связанных симуляциях различных конфигураций радиаторов. Экспериментальная проверка включала проектирование, изготовление и тестирование прототипов из алюминия 6063--Г5. Была разработана диаграмма синтеза в качестве вспомогательного инструмента для определения коэффициентов обзора канала и общего обзора, показывающая, что в большинстве случаев коэффициент обзора канала уменьшается с увеличением высоты ребра или уменьшением расстояния между ребрами. Пренебрежение фактическим коэффициентом обзора привело к переоценке излучения и недооценке конвективного теплообмена, что снизило расчетный коэффициент конвективной теплопередачи и число Нуссельта. Более того, коэффициент конвективной теплопередачи и конвективное тепловое сопротивление были описаны как функции геометрических параметров ребра, и были установлены новые корреляции между числом Нуссельта, параметрами ребра и числом Рэлея как для горизонтальной, так и для вертикальной ориентации. Численное исследование дало подробное представление о динамике жидкости пассивного воздушного охлаждения. Результаты улучшают понимание взаимосвязи между коэффициентом обзора, геометрическими параметрами и тепловыми характеристиками пластинчато-ребристых радиаторов, что позволяет разрабатывать более эффективные конструкции радиаторов для устройств, генерирующих тепло.
Эффективное управление температурой имеет важное значение для оптимизации производительности и срока службы микроэлектронных компонентов и мощных электрических устройств. Эффективные системы охлаждения ограничивают максимальные рабочие температуры, предотвращая перегрев. Стратегии рассеивания тепла подразделяются на активное и пассивное охлаждение. Активное охлаждение подразумевает принудительное нагнетание охлаждающей жидкости на нагретую поверхность для поглощения избыточного тепла, в то время как пассивное охлаждение опирается на естественную конвекцию и излучение для рассеивания тепла. Хотя активное
охлаждение более эффективно благодаря таким устройствам, как вентиляторы и насосы, оно увеличивает потребление энергии, снижает надежность и создает шум. Следовательно, пассивное охлаждение предпочтительнее для приложений, требующих высокой надежности, тишины и экономической эффективности. Воздушное охлаждение является известным пассивным методом из-за его низкой стоимости, безопасности и надежности в опасных средах.
Увеличение площади поверхности является распространенным методом улучшения рассеивания тепла в пассивных системах, поскольку тепловые коэффициенты и условия окружающей среды, как правило, стабильны в большинстве приложений. В системах с воздушным охлаждением используются расширенные поверхности или ребра, обычно расположенные в массивах, называемых радиаторами. Ребра разрывают пограничные слои и повышают эффективность теплопередачи. Пассивные радиаторы могут иметь различные конфигурации — прямоугольные, трапециевидные, треугольные, параболические и синусоидальные профили. Прямоугольные радиаторы широко используются из-за их экономической эффективности, простой конструкции и простоты изготовления.
В пассивных воздухоохлаждаемых радиаторах тепло передается от источника тепла к радиатору посредством теплопроводности, в то время как рассеивание в окружающую среду происходит посредством конвекции и излучения одновременно. Геометрия является критическим параметром для достижения оптимальной производительности для радиаторов с естественной конвекцией, поскольку она напрямую влияет на механизмы теплопередачи и скорость отвода энергии. Геометрия радиатора определяет его морфологию, влияя как на силы плавучести, которые управляют естественной конвекцией, так и на свойства поверхности, такие как коэффициент обзора, который управляет эффективностью излучения. Кроме того, геометрическая конструкция ребер контролирует развитие пограничного слоя и схемы воздушного потока, влияя на тепловое сопротивление. Следовательно,
всестороннее понимание взаимосвязи между геометрическими параметрами и характеристиками рассеивания тепла пластинчато-ребристых радиаторов (PFHS) имеет решающее значение для эффективного проектирования и оптимизации систем охлаждения.
Большинство анализов мини- или микрорадиаторов, работающих при низких температурах, упускают из виду вклад теплового излучения, как подчеркивается в таких работах, как. Аналогично, в сценариях принудительной конвекции излучение часто игнорируется из-за его незначительного вклада в процесс охлаждения. Несколько исследований изучали влияние геометрии на тепловые характеристики прямоугольных пластинчато-ребристых радиаторов (PFHS), часто подчеркивая естественную конвекцию и пренебрегая эффектами излучения. Это упущение является распространенным недостатком в тепловом анализе прямоугольных радиаторов, обнаруженном в специализированной литературе.
Например, Каратанассис и др. оценили удлиненные PFHS с пошаговым изменением ширины канала, сосредоточившись на геометрическом влиянии на тепловые и потоковые характеристики, но исключив лучистую теплопередачу. Аналогичным образом, Джу и Ким сравнили тепловые характеристики пластинчато-ребристых и штифтовых радиаторов в условиях естественной конвекции, проанализировав геометрию и характеристики потока, игнорируя излучение. Задхуш и др. использовали конструктивную оптимизацию для улучшения конструкций прямоугольных ребер, учитывая только проводимость и конвекцию. Канарги и др. исследовали наклонно-ребристые радиаторы с помощью численного моделирования и экспериментов, сосредоточившись на конвекции, исключив излучение. Хагиги и др. предложили новые геометрические конструкции для улучшения естественной конвекции в PFHS, но не рассматривали лучистую теплопередачу. Да Силва и др. изучали естественную конвекцию в радиаторах с помощью моделирования и экспериментов OpenFOAM, не учитывая излучение.
Несмотря на значительный объем литературы, Зу и др. подчеркнули продолжающееся отсутствие всесторонних тепловых анализов, которые рассматривают комбинированные эффекты излучения и естественной конвекции в пассивных радиаторах. Кобус и Ошио выявили одну ключевую проблему: сложность определения коэффициента обзора излучения особенно когда поверхности частично закрыты. Эта трудность часто заставляет исследователей игнорировать влияние геометрического расположения ребер на эффективность излучения прямоугольных PFHS с воздушным охлаждением. Неточности, вызванные игнорированием фактического коэффициента обзора, часто более значительны, чем те, которые вызваны игнорированием самого теплового излучения.
Целью данной работы является проведение углубленного анализа сложного взаимодействия между коэффициентом обзора излучения, геометрическими параметрами ребер и механизмами теплопередачи в прямоугольных PFHS при естественной конвекции. Разработана обобщенная и простая в использовании диаграмма для предоставления коэффициентов обзора канала и общего обзора как функций геометрических соотношений сторон. С помощью этой диаграммы синтеза демонстрируется критическая роль точной оценки коэффициента обзора в достижении реалистичного термического анализа.
Теплоотводы были проанализированы экспериментально и численно в трех различных диапазонах средней температуры поверхности: 35-45 °С, 45-55 °С и 55-65 °С. Эти температурные диапазоны были достигнуты путем наложения различных интенсивностей теплового потока. Целью исследования было обеспечение схожих чисел Рэлея во всех случаях, что позволило бы оценить теплоотводы в сопоставимых условиях потока.
В ходе данного исследования была проведена всесторонняя оценка влияния коэффициента обзора излучения и геометрических параметров ребристых радиаторов на процессы теплопередачи при естественной конвекции. Особое внимание уделялось как горизонтальной, так и
вертикальной ориентации радиаторов, что позволило выявить ключевые закономерности, влияющие на эффективность охлаждения.
Было установлено, что точный учет коэффициента обзора излучения играет критически важную роль в термическом анализе пластинчато-ребристых радиаторов. В большинстве случаев коэффициент обзора канала снижался с увеличением высоты ребра или уменьшением расстояния между ребрами, что приводило к изменениям в балансе тепловых потоков между излучением и конвекцией. Игнорирование реального коэффициента обзора приводило к значительным ошибкам в расчетах, в частности к переоценке вклада излучения и недооценке конвективной составляющей теплообмена. Это, в свою очередь, приводило к занижению расчетного коэффициента конвективной теплопередачи и числа Нуссельта.
Для систематизации полученных данных была разработана диаграмма синтеза, которая представляет собой универсальный инструмент для точного определения коэффициентов обзора в зависимости от геометрических параметров радиатора. Она охватывает широкий диапазон соотношений сторон и позволяет учитывать влияние различных комбинаций высоты, расстояния между ребрами и их излучательной способности. Этот инструмент может быть использован как в практических инженерных приложениях, так и в последующих исследованиях для оптимизации конструкций радиаторов.
Численное моделирование с использованием сопряженного анализа потока жидкости и теплопередачи позволило детально изучить динамику воздушных потоков и распределение температурных полей внутри радиаторов. Было показано, что развитие пограничного слоя и возникающие рециркуляционные зоны значительно влияют на локальные и глобальные коэффициенты теплообмена. В дополнение к численным методам результаты были подтверждены экспериментально с использованием прототипов алюминиевых радиаторов, что обеспечило высокую достоверность полученных данных.
Полученные в этом исследовании корреляции между числом Нуссельта, числом Рэлея и геометрическими параметрами позволили установить новые эмпирические зависимости, применимые для радиаторов с естественной конвекцией. Было продемонстрировано, что оптимальная геометрия радиатора может существенно снизить термическое сопротивление, улучшая тем самым эффективность теплоотвода.
В целом, результаты исследования вносят значительный вклад в развитие методов проектирования радиаторов с естественной конвекцией. Разработанная диаграмма коэффициентов обзора может быть использована для точного учета тепловых процессов в расчетах, что поможет инженерам разрабатывать более эффективные системы охлаждения. Эти выводы особенно важны для устройств, требующих пассивного воздушного охлаждения, таких как микроэлектроника, силовая электроника и другие тепловые системы, где надежность и энергоэффективность имеют первостепенное значение.
Таким образом, проведенный анализ подтвердил важность комплексного подхода к изучению теплопередачи в пластинчато-ребристых радиаторах, а также необходимость точного учета коэффициента обзора излучения при моделировании и проектировании эффективных систем охлаждения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Александров, В. Н., & Кочетов, Ю. А. (2019). Теплообмен в пластинчато-ребристых радиаторах при естественной конвекции. Москва: Издательство МЭИ;
2. Григорьев, П. И., & Семенов, В. В. (2020). Численное моделирование теплоотдачи пластинчатых радиаторов с учетом излучения и конвекции. Журнал "Теплофизика и аэромеханика", 27(3), 355-366;
3. Иванов, Д. А., & Кузнецов, Н. М. (2018). Влияние геометрических параметров радиатора на эффективность теплоотдачи при естественном охлаждении. Вестник машиностроения, 10, 49-55;
4. Лебедев, С. П., & Романов, Ю. В. (2021). Исследование коэффициента излучения пластинчатых теплообменников в условиях естественной конвекции. Известия вузов. Энергетика, 64(5), 25-32;
5. Мартынов, П. А., & Федоров, В. В. (2017). Методы расчета теплообмена пластинчато-ребристых радиаторов с учетом излучения и конвекции. Теплоэнергетика, 9, 78-85;
6. Петров, В. Н., & Захаров, О. С. (2019). Экспериментальная проверка моделей теплообмена пластинчатых радиаторов в условиях естественной конвекции. Инженерно-физический журнал, 92(2), 210-218
Novikov I.K., Mitsura D.I., Rakhimbulov V.E.
Novikov I.K.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Mitsura D.I.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Rakhimbulov V.E.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
INFLUENCE OF THE RADIATION VIEWING FACTOR AND GEOMETRICAL PARAMETERS ON THERMAL ANALYSIS OF PLATE-FIN RADIATORS WITH NATURAL CONVECTION
Abstract: this paper presents a fully coupled analysis offluid flow and heat transfer, and a simple-to-use synthesis scheme for determining the viewing factor is developed.
Keywords: effective management, combined effect, radiation, in-depth analysis.
