Cómo calcular la resistencia térmica de un intercambiador de calor
Figure 1: shows a typical liquid cooling loop, consisting of a cold plate (CP), pump, and heat exchanger (HX) connected by hoses or tubing. Como los componentes son parte del sistema, es importante seleccionarlos juntos para poder garantizar la medición correspondiente de los componentes para su aplicación. Por lo general, los fabricantes presentan los datos de rendimiento para las placas de refrigeración y los intercambiadores de calor de forma individual, con el rendimiento de la placa de refrigeración en resistencia térmica y el rendimiento del intercambiador de calor en capacidad térmica.
Entonces, ¿cómo selecciona el intercambiador de calor y la placa fría óptimos para todo el sistema? Es más fácil de lo que podría pensar, ya que las ecuaciones necesarias para calcular la combinación adecuada de la placa fría y el intercambiador de calor se reducen a un formato muy simple:
Para llegar a esta ecuación, el primer paso es calcular la resistencia térmica de la placa de refrigeración, θCP, que se define como la diferencia entre la temperatura máxima de la superficie necesaria, TS, MAX, y la temperatura de salida del fluido, TH, dividido por la carga térmica, Q, que se distribuye uniformemente por toda la superficie de la placa de refrigeración:
De igual manera, la capacidad térmica del intercambiador de calor, CHX, que se define como la carga térmica, Q, se divide por la diferencia de temperatura entre los dos fluidos de entrada, TH -TAIR, que se describe con la siguiente ecuación:
La capacidad térmica también es igual a la inversa de la resistencia térmica.
Suponiendo que no hay aumento térmico de la bomba o pérdida térmica a través de las mangueras o tuberías de conexión entre la placa fría y el intercambiador de calor (puesto que suelen ser menores), las ecuaciones (2), (3) y (4) se pueden combinar en una ecuación simple:
La temperatura de los fluidos del proceso térmico TH ha quedado fuera de la fórmula porque la temperatura de los líquidos se ha extraído de la ecuación, por eso no es necesario calcular los caudales y las capacidades térmicas del líquido. Solo nos queda la temperatura deseada de la superficie de la placa de refrigeración y también la temperatura del ambiente que refrigera el intercambiador de calor; y el rendimiento se caracteriza por completo con las resistencias térmicas de la placa de refrigeración y el intercambiador de calor. Por lo tanto, ya no tenemos que analizar los componentes individuales del sistema. En cambio, determinamos la resistencia térmica de todo el sistema. Tenga en cuenta que el efecto del caudal no está incluido en los resultados porque ya está incorporado en los valores de la resistencia térmica.
El cliente quiere usar una placa de refrigeración CP12 de 12" (30.48 cm) (placa adjunta) para eliminar 1200 W de calor de un dispositivo electrónico de 12"x 5" (30.48 cm x 12.70 cm). El refrigerante tiene 1 gpm (3.785 LPM) de agua y la temperatura ambiente es de 20 °C. El cliente quiere el intercambiador de calor más pequeño que quite 1200 W del calor generado por este dispositivo y, al mismo tiempo, mantener una temperatura máxima de la superficie de 80 °C.
Step 1:
First we determine system thermal resistance, θSYSTEM:
Step 2:
Any combination of cold plates and heat exchangers that provide a thermal resistance less than or equal to the total system requirement will work. En otras palabras:
Step 3:
Table 1 shows the resistance and flow rates of the CP12 cold plate and two different heat exchanger/fan combinations:
| Caudal (gpm) | θCP (CP12) (°C/W) | θHX (6110 w/Kona fan) (°C/W) | θHX (6210 w/Marin Fan) (°C/W) |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 0.013 | 0.049 | 0.019 |
| 1.0 | 0.009 | 0.046 | 0.017 |
| 1.5 | 0.007 | 0.044 | 0.016 |
| 1.5 | 0.007 | 0.044 | 0.016 |
| 2.0 | 0.006 | 0.042 | 0.016 |
Si vemos el sistema en su totalidad, comenzamos a observar cambios entre los componentes, incluso la forma en que el caudal puede influir en la selección del intercambiador de calor. Con caudales bajos, aumenta la resistencia térmica de la placa de refrigeración. Con esto se necesita un intercambiador de calor más grande con mayor capacidad térmica y, por lo tanto, una menor resistencia térmica. Con caudales más elevados, es posible usar un intercambiador de calor más pequeño.
Los intercambiadores de calor líquido-a-aire y las placas de refrigeración a menudo se combinan en un circuito de fluidos, por eso es importante entender cómo se tienen que seleccionar los componentes simultáneamente para optimizar el rendimiento de su sistema. Con las especificaciones precisas y una ecuación simplificada, la selección de componentes en el circuito de refrigeración líquida puede ser relativamente directa. Además, al seleccionar los componentes de un mismo distribuidor de equipos térmicos, usted usa los componentes que se prueban de la misma manera y es más probable que funcionen bien como sistema.
Cálculos térmicos para refrigeración de gabinete
Cómo calcular la resistencia térmica requerida para un gabinete o carcasa
Los fabricantes de intercambiadores de calor suelen presentar los datos de rendimiento térmico en función de la carga de calor y los caudales entrantes de aire y agua. Esto funciona bien para aplicaciones en las que el intercambiador de calor se usa para enfriar agua con aire, ya que simplemente puede conectar su carga de calor, temperatura del aire y temperatura del líquido para determinar si ofrece un rendimiento térmico suficiente.
Las aplicaciones de refrigeración de gabinetes utilizan el intercambiador de calor en la configuración opuesta: el agua fría fluye en el circuito de líquido y el aire caliente del gabinete se enfría a medida que pasa a través de las aletas del intercambiador de calor. En las aplicaciones de refrigeración de gabinetes, generalmente es necesario conocer la temperatura del aire cuando ingresa al gabinete y la temperatura máxima que alcanzará el aire en el gabinete. Ninguno de estos se puede leer directamente en las curvas de rendimiento del intercambiador de calor.
La forma habitual de calcular el cambio de temperatura del aire es utilizar el cálculo del caudal de masa.
Esto puede llevar mucho tiempo y ser propenso a errores.
To avoid these calculations, Boyd developed charts to quickly estimate temperature rise in common heat transfer media at various heat loads. Los gráficos están disponibles para aire, agua, aceite y etilenglicol-agua (EGW) en una proporción de 30/70. Para calcular el cambio de temperatura, simplemente seleccione el gráfico apropiado, busque su caudal y carga de calor, y lea el cambio de temperatura. In our technical library under thermal reference you can view a pdf or our temperature change graphs.
Cuando se utilizan junto con las curvas de rendimiento del producto, ofrecen una forma rápida y sencilla de calcular la temperatura del aire frío que ingresa al gabinete y la temperatura máxima del aire en el gabinete.
Ejemplo de cálculo de refrigeración de gabinete
Está evaluando un intercambiador de calor 6310 con un ventilador Ostro para refrigerar un gabinete de componentes electrónicos. El agua que ingresa al intercambiador de calor está a 20 °C y tiene un caudal de 1 gpm. La carga de calor, Q, es de 2400 W.
¿Cuál es la temperatura del aire enfriado que ingresa al gabinete (es decir, la temperatura del aire que sale del intercambiador de calor) y cuál es la temperatura máxima en el gabinete (es decir, la temperatura del aire caliente que ingresa al intercambiador de calor)?
Primero verifique la curva de rendimiento de 6310 en el catálogo. Verá que con un flujo de agua de 1 gpm y el ventilador Ostro que suministra aproximadamente 250 cfm, su rendimiento es de 80 W/°C.
Como sabemos que Q es 2400 W y Q/ITD es 80 °C/W, podemos calcular la diferencia de temperatura inicial (ITD).
ITD = 2400 W ÷ 80 °C/W = 30 °C
También sabemos que la temperatura del agua entrante es de 20 °C. Por lo tanto, podemos calcular la temperatura del aire entrante:
La temperatura del aire entrante = 20 °C + 30 °C = 50 °C.
Para determinar la temperatura de salida del aire, usamos la tabla "Flujo de aire" usando los parámetros 250 CFM y 2400 W.
Encontramos que el cambio de temperatura es aproximadamente 17 °C. La temperatura del aire de salida es 50 °C - 17 °C = 33 °C.
Sabemos que este intercambiador de calor con el ventilador Ostro enfriará el aire a 33 °C, y la temperatura más caliente que alcanzará el aire en el gabinete es 50 °C.
Para determinar la temperatura de salida del agua, utilizamos la tabla "Flujo de agua".
A 1 gpm y 2400 W, muestra que el cambio de temperatura es de aproximadamente 9 °C. Por lo tanto, la temperatura del agua de salida es 20 °C + 9 °C = 29 °C.
Los gráficos de aire, agua, aceite y EGW están disponibles en formato PDF para descargar. Los mismos son útiles para determinar el tamaño de intercambiadores de calor y placas de refrigeración, y también son útiles en una variedad de otros cálculos de cambio de temperatura.
