Frage:
Bewertung der Leistung von Kühlkörperkonstruktionen ohne Finite-Elemente-Simulation
PlasmaHH
2015-02-26 21:33:32 UTC
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Ich habe die Möglichkeit, ein paar 3D-Metalldrucke nur für die Materialkosten zu erstellen, und möchte mit der Leistung von Kühlkörperdesigns experimentieren (hauptsächlich zum Spaß).

Da ich keine Erfahrung mit dem Entwerfen von Kühlkörpern habe, würde ich sagen, dass die erwartete Fehlerrate beim Drucken und Testen ziemlich hoch ist. Daher brauche ich eine gute Möglichkeit, die Leistung zu bewerten eines Entwurfs vor dem Erstellen eines Prototyps.

Da dies nur zu meinem Spaß ist, möchte ich nicht in teure Finite-Elemente-Simulationswerkzeuge investieren. Ich konnte nichts Nützliches finden, das nützlich ist, da ich denke, dass es den Luftstrom und die Wärmestrahlung berücksichtigen muss. Wie kann ich mir vor dem Drucken eines Prototyps und ohne Finite-Elemente-Simulation ein Bild von der Leistung meines Entwurfs machen?

Ich plane ein 4 x 4 cm großes 120-W-Peltier-Element (Keramikoberfläche), das Der Kühlkörper sollte aus rostfreiem Stahl sein, obwohl ich hoffe, dass sich die relative Leistung von zwei Kühlkörpern bei einem anderen Material nicht ändert (eines Tages hoffe ich, dass ich Kupfer verwenden kann).

Ich bin mir hinsichtlich der Temperatur nicht so sicher Differenz hier, aber ich gehe von 25 ° C Umgebungstemperatur aus.

Kein Experte, sondern nur meine Ideen zu Ihrem interessanten Projekt: Edelstahl leitet ungefähr 16 $, [W / m \ cdot k] $, während Aluminium beispielsweise 210 $ leitet und die Konvektionsdynamik (um es auf das umgebende Medium zu bringen) mehr von der Geometrie abhängt . Ich denke, dass die Optimierung für ein relativ schwach leitendes Material zu einem anderen (kompakteren?) Ergebnis führt, das wahrscheinlich nicht auf ein anderes Material übertragen wird.
Bei Details bin ich mir nicht sicher, aber ich befürchte, dass 3D-gedrucktes Metall, bei dem es sich tatsächlich um thermisch verschmolzenes Metallpulver handelt, ganz andere thermische Eigenschaften aufweist als festes, bearbeitetes Metall.
@SF: Ich habe hier meine Zweifel, schließlich stellen sie afaik Turbinenschaufelteile aus Titanlegierung her, weil dieser Prozess weniger Potenzial für strukturelle Defekte hat
@PlasmaHH Aber SF bezog sich nicht auf strukturelle, sondern auf thermische Eigenschaften!
Wenn Rth (Shape_A, Material_X)
Zwei antworten:
#1
+5
regdoug
2015-02-27 02:06:41 UTC
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Um dem entgegenzuwirken, was manche über gedruckte Metalle sagen, können durch selektives Lasersintern Teile erzeugt werden, die genauso wärmeleitend sind wie ihre unedlen Metalle. Sie sind nur durch die Porosität begrenzt, und Maschinen nach dem Stand der Technik können vollständig dichte Metallteile (ohne Porosität) herstellen.

Zweitens müssen Sie wahrscheinlich keine Strahlung aufnehmen Dies wird berücksichtigt, weil Sie eine niedrige Temperatur haben und der Luftstrom einen viel größeren Beitrag als die Strahlung leisten wird.

Drittens verwendet das traditionelle Kühlkörperdesign Gleichungen, die die Temperaturverteilung entlang der Rippe von der Wurzel bis zur Spitze berechnen um eine "effektive Fläche" zu erhalten, auf die ein durchschnittlicher Konvektionskoeffizient angewendet werden kann. Dies bedeutet, dass Sie nicht den genauen Luftstrom berechnen, sondern einen Durchschnitt über die gesamte Oberfläche verwenden.

Jedes gute Lehrbuch zur Wärmeübertragung enthält Formeln für viele verschiedene Lamellenformen, einschließlich Lamellen mit einer nicht konstanten Flossenbereich. Ich persönlich mag Incropera und DeWitt.

Wenn Sie jedoch ausreichend komplizierte Flossen entwerfen, werden die Standardgleichungen zusammenbrechen. Sie haben dann drei Möglichkeiten:

  1. Annähern Sie Ihre Flossen mit ähnlichen Flossen. Dies kann zu Ergebnissen führen, die nahe genug sind.
  2. Vereinfachen Sie Ihr Design, damit es zu einem festgelegten Muster passt.
  3. Wechseln Sie zu einer vollständigen Finite-Elemente-Simulation.
  4. ol>

    Ich würde empfehlen, Nummer 1 oder Nummer 2 zu verwenden, da diese möglicherweise genauer sind. Es ist leicht, subtile Fehler in Finite-Elemente-Modellen zu machen, die Ihre Ergebnisse vollständig ungültig machen. 1 sup> Wenn Sie sich jedoch für diesen Weg entscheiden, sollten Sie wissen, dass es kostenlose Open-Source-FEM-Löser gibt (Elmer kommt) zu beachten).

    Und jetzt einige allgemeine Tipps:

  • Wie andere angemerkt haben, ist Edelstahl ein schlechter Wärmeleiter. Aluminium ist wahrscheinlich eine viel bessere Wahl, aber wenn Sie sich nicht dafür entscheiden, es nicht in 3D zu drucken, können Sie wahrscheinlich kein Aluminium verwenden. Dies ist der Grund, warum ich wahrscheinlich etwas anderes drucken würde, wenn ich Zugang zu einem 3D-Drucker hätte.
  • Der Leistungskoeffizient von Peltier-Kühlern ist oft kleiner als eins. Bei einer Kühlleistung von 20 W müssen Sie mehr als 20 W Strom einspeisen. Ihr Kühlkörper muss die Summe aus Kühlleistung und elektrischer Leistung abführen.

tl; dr: Sie können Kühlkörperkonstruktionen ohne Verwendung von FEM und as modellieren Solange Ihre Designs nicht zu verrückt sind, werden Sie wahrscheinlich gute Ergebnisse erzielen. Herkömmliche "von Hand" -Berechnungen berücksichtigen die Strahlung nicht und gehen von einem durchschnittlichen Luftstrom über die gesamte Oberfläche aus, der normalerweise gut genug ist. Ich persönlich würde es vermeiden, Kühlkörper herzustellen, und Ihre Zeit auf dem 3D-Drucker für bessere Dinge nutzen.


1 sup> Vertrauen Sie mir, ich bin Absolvent Student in Maschinenbau, und ich habe so viele Modelle vermasselt. sub>

Gute Antwort. Ich weiß, dass Stahl schlecht ist, aber es ist für mich sehr kostengünstig, für alle anderen Materialien müsste ich mehr als nur das Material bezahlen. Es wäre schön, wenn Sie ein Wort hinzufügen könnten, wenn ein Modell mit Stahl besser abschneidet als ein anderes, wenn dies z. Kupfer. Ich habe mir einige FEM-Programme angesehen, aber da ich damit nicht vertraut bin, schien es, dass viele nicht in der Lage sein würden, den Luft- und Wärmefluss gleichzeitig richtig zu modellieren. Kann Elmer das tun?
Wenn Sie mit FEM-Programmen nicht vertraut sind, würde ich empfehlen, FEM vollständig zu vermeiden. (Tatsächlich empfiehlt mein Berater oft, FEM zu vermeiden, auch wenn Sie vertraut sind, und er hat in seiner Abschlussarbeit Molekulardynamik betrieben). Wahrscheinlich ist es am besten, eine einfache Flossen-Design-Gleichung zu verwenden, um eine gute Schätzung zu erhalten, und dann Ihrem tatsächlichen Design einfach mehr Oberfläche zu geben, damit Sie wissen, dass es funktioniert. Flossenkonstruktionsgleichungen berücksichtigen Materialeigenschaften, daher sollten Sie dort in Ordnung sein.
Ich nehme das dann als "nein, es kann nicht"
Eigentlich kann Elmer den Wärmeübergang im Feststoff und den Luftstrom um ihn herum gleichzeitig modellieren, aber ich weiß nicht, ob Sie ihn dazu bringen können, das zu tun, was Sie wollen. FEM, CFD und dergleichen sind sehr schwierig.
Es ist etwas zum Spaß und Lernen, und ich habe eine Ausrede, mit FEM zu spielen, was mich jahrzehntelang fasziniert hat. Es gibt keine Frist, und etwas zu produzieren, das in der FEM gut funktioniert und im wirklichen Leben kläglich versagt, ist auch eine Lernerfahrung;)
Ok, dann machen Sie es: D Die Lernkurve wird wahrscheinlich frustrierend sein, daher empfehle ich zwei Dinge: (1) Fangen Sie klein an. Sehr klein. Etwas, für das Sie eine analytische Lösung finden können. Auf diese Weise können Sie Ihre Arbeit überprüfen. (2) Vielleicht möchten Sie [Cornells CFD-Tutorials] lesen (https://confluence.cornell.edu/display/SIMULATION/FLUENT+Learning+Modules). Sie sind nicht für Elmer, aber die Konzepte gelten.
Ich mache Latex mit Vim, spreche über frustrierende Lernkurven. Vielen Dank für die Hinweise.
#2
+2
George Herold
2015-02-27 01:30:04 UTC
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Einige Hinweise:

  1. Es geht zuerst um die Oberfläche! Aber stellen Sie die Lamellen nicht zu nahe beieinander ein, da sonst nicht genügend Platz für die natürliche Konvektion vorhanden ist. Ich habe irgendwo gelesen, dass ~ 6 mm (0,25 ") ein angemessener Abstand sind.

  2. Edelstahl ist keine gute Wahl. Sie möchten ein Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit. Aluminium ist nahezu perfekt, da es auch leicht ist. Kupfer würde auch funktionieren.

  3. Kühlkörperdesign scheint mir ziemlich ausgereift zu sein, ich würde zunächst andere Designs kopieren.

  4. ol>
Ich weiß über Punkt 2 Bescheid, aber damit kann ich spielen.


Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 3.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
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