En la primera de nuestra serie Ask an Expert en nuestro LinkedIn, pedimos a las personas que enviaran preguntas sobre una de nuestras tecnologías térmicas más populares: la refrigeración bifásica. Recibimos varias preguntas, así que hablamos con uno de nuestros expertos térmicos, David Miller, para responderlas a continuación.
¿Qué lo convierte en un enfriamiento "bifásico"?
Esencialmente, "bifásico" significa que hay un cambio de fase de un fluido de líquido a vapor que ocurre. Este cambio de fase provoca una transformación sustancial del calor, llamada calor latente de transformación. En un tubo de calor, una cantidad muy pequeña de agua pura (u otro líquido) satura la mecha en el interior. Cuando ese tubo de calor está expuesto al calor en un área, ese líquido se evapora, causando un cambio de fase del agua a vapor. El cambio de esta agua a vapor transporta rápidamente el calor a regiones más frías donde se condensará. Este movimiento de calor tiene una conductividad térmica efectiva mucho mayor que la conducción a través de un material sólido como el cobre.
¿Cuáles son los beneficios de la refrigeración bifásica sobre la refrigeración por aire?
En cualquier sistema de gestión térmica, el calor debe pasar del calor al frío, por lo que necesita una forma de mover el calor de un lugar a otro. Los tubos de calor, las cámaras de vapor y los termosifones son componentes que logran esto de manera más eficiente que los conductores metálicos convencionales sólidos, como el cobre o el aluminio. Debido al cambio de fase que ocurre en estos métodos de enfriamiento bifásico, la conductividad térmica es 100-200 veces mayor que la del cobre. Esto reduce la resistencia térmica total del sistema de refrigeración y la diferencia de temperatura (Δt) de un punto a otro. Con todo eso dicho, todavía necesitas aire. No puede reemplazar un dispositivo refrigerado por aire con solo un tubo de calor; Usted utiliza un tubo de calor junto con un área de superficie extendida (aletas) y algún tipo de sistema de movimiento de aire (o por convección natural). Pero cuanto menor sea la resistencia térmica, más rápido se transferirá el calor, por lo que para la misma cantidad de energía, la diferencia de temperatura de un dispositivo al aire será menor con un sistema de enfriamiento mejorado de dos fases.
¿Cuándo usaría termosifones, tubos de calor y cámaras de vapor?
Tenemos mucha información sobre cómo funciona cada uno de estos en
nuestro sitio web, que es un buen punto de partida. Dado que la mayoría de las aplicaciones son únicas, sería mejor ponerse en contacto con Boyd y trabajar con uno de nuestros ingenieros de aplicaciones o diseño para desarrollar una solución de refrigeración optimizada para usted.
¿Cuáles son algunos de los desafíos involucrados en la implementación de un sistema de enfriamiento de dos fases?
Depende de cuál sea el sistema bifásico. El costo puede variar sustancialmente, dependiendo de la tecnología que se utilice. También hay algunas limitaciones en la longitud máxima de un tubo de calor; Si tiene que mover el calor a través de una distancia muy larga, un tubo de calor puede ser potencialmente limitante en longitud. El tamaño físico de una tubería de calor o cámara de vapor también puede ser un desafío, ya que existen limitaciones en lo que puede fabricar en función de las herramientas disponibles. Finalmente, el medio ambiente puede ser un factor; Los entornos que funcionan por debajo del punto de congelación pueden plantear desafíos, ya que las tuberías de calor a base de cobre y agua solo funcionan por encima de las temperaturas de congelación. Ahora, hay formas de sortear cada uno de estos desafíos, incluido el uso de un
termosifón para distancias más largas, o mediante el uso de metanol en lugar de agua en un tubo de calor para operar por debajo de temperaturas de congelación. En última instancia, lo mejor que puede hacer es enviarnos los requisitos específicos de su proyecto, y podemos ayudarlo a determinar los métodos más adecuados para la refrigeración.
¿Cuál es la diferencia entre un tubo de calor y un tubo de calor de bucle?
Piense en un tubo de calor convencional como un tubo de cobre que tiene una mecha y una cantidad específica de fluido en su interior. Cuando calientas un extremo, el agua del interior se evapora y viaja al otro extremo, donde se enfría. El líquido luego se condensa y viaja de regreso a lo largo de la misma tubería hasta el extremo calentado por acción capilar. Un tubo de calor de bucle funciona como un bucle continuo; Tiene un punto de partida (un evaporador) donde el agua se convierte en vapor. El vapor viaja a lo largo de una tubería hasta un condensador, donde el líquido se recondensa y viaja a lo largo de una línea separada, devolviéndolo al evaporador. Hay mucha física que impulsa el funcionamiento de un tubo de calor de bucle. Un uso típico de los tubos de calor de bucle es enfriar aplicaciones de naves espaciales, donde el calor debe moverse distancias más largas (generalmente usan amoníaco como fluido de transferencia de calor interno). Si tiene una orientación de gravedad fija y conocida o favorable, un termosifón de bucle se puede utilizar de manera similar y ser más económico.
¿El enfriamiento bifásico es siempre líquido a gas? ¿O hay soluciones sólidas a líquidas?
Sí, y a menudo se les conoce como "materiales de cambio de fase (PCM)". Un ejemplo de un PCM es la cera de parafina, utilizada para el almacenamiento de energía junto con baterías de iones de litio en vehículos eléctricos. Las baterías se pueden incrustar en cera, que se calienta y hace que la cera se derrita, lo que almacena el calor. Mientras el PCM sólido se derrite, la temperatura se estabiliza, lo que permite que los picos de potencia sean absorbidos y luego disipados durante un período de tiempo más largo. Para cualquier aplicación que esté considerando PCM u otras técnicas de enfriamiento bifásico, comuníquese con nosotros y nuestros expertos pueden ayudarlo a aconsejar el método de enfriamiento óptimo.
¿Cómo puedo simular tubos de calor dentro de mi aplicación?
Para muchas personas que realizan análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD), utilizan reglas generales para modelar la conductividad térmica equivalente de una tubería de calor o cámara de vapor. Las limitaciones geométricas y la orientación limitan la capacidad de modelar con precisión los tubos de calor, y los resultados no tienen en cuenta factores como la gravedad o la flexión y el aplanamiento de un tubo de calor. Tampoco puede predecir los límites de un tubo de calor, o si está sobrediseñado.
Boyd SmartCFD es la única herramienta de software que modela con precisión componentes complejos de enfriamiento bifásico como tubos de calor y cámaras de vapor, cuantifica la capacidad de utilización y advierte sobre el secado. Este software permite todos esos factores al simular un tubo de calor o una cámara de vapor. Ayuda a predecir el rendimiento de un sistema de enfriamiento con un tubo de calor o cámara de vapor con mucha más precisión que otros programas CFD, por lo que soy un gran defensor de SmartCFD.
¿Cuáles son las aplicaciones de refrigeración bifásica más extremas en las que ha trabajado?
Para temperaturas extremas, hemos hecho tubos de calor para aplicaciones por debajo de 0 ° C antes, lo que pudimos hacer usando metanol como fluido. En el extremo superior, he visto aplicaciones que suben hasta aproximadamente 1000 ° C (aunque generalmente tratamos de usarlas en aplicaciones alrededor o por debajo de 150 ° C para la refrigeración electrónica). En términos de escala extrema, he desarrollado un termosifón para una aplicación geotérmica de muchos metros de longitud. Vemos aplicaciones muy interesantes que podrían solucionarse con soluciones bifásicas. Recomendamos encarecidamente a los clientes que se pongan en contacto con nosotros con sus oportunidades. Siempre estamos encantados de revisar los requisitos y hacer recomendaciones.
¿Cuál es el futuro de la refrigeración bifásica?
Existen infinitas oportunidades para las soluciones de dos fases en la gestión térmica, desde las aplicaciones empresariales y de consumo tradicionales hasta los nuevos usos en las industrias de movilidad eléctrica, médica y de energía renovable. Recientemente hemos trabajado en la fabricación de
tubos de calor tridimensionales y cámaras de vapor para aplicaciones de flujo de calor muy alto, donde querría una temperatura uniforme a través de un disipador de calor completo. Por lo general, colocaría un tubo de calor o una cámara de vapor en la base del disipador de calor que toca un dispositivo caliente, el calor se propaga y se transfiere a las aletas y se disipa por convección natural o forzada. Con una cámara de vapor tridimensional, no tendría que recibir el golpe en la resistencia térmica al pasar de un tubo de calor a una aleta sólida. En cambio, la resistencia térmica se reduce drásticamente ya que el vapor viaja desde el dispositivo calentado directamente al volumen de la aleta. Otra área que es interesante es el uso de
cámaras de vapor ultradelgadas, que ofrecen posibilidades interesantes para dispositivos de enfriamiento como teléfonos inteligentes y tabletas. Las cargas de calor aumentan continuamente, y el grafito, que se ha utilizado convencionalmente, está llegando al límite como un difusor térmico efectivo. Nuestras cámaras de vapor ultrafinas pueden mover cantidades mucho mayores de calor de manera muy eficiente en regiones muy delgadas (tan delgadas como 0.25 mm de espesor). ¡Nos gustaría agradecer a todos los que enviaron preguntas! Para obtener más información sobre nuestras capacidades o para averiguar qué solución de refrigeración bifásica es la adecuada para su aplicación,
póngase en contacto con nuestros expertos.
