Влияние некоторых геометрических параметров на теплоотдачу в осевых системах охлаждения радиоэлектронного оборудования, выполненных на основе разрезного оребрения

Об авторах:

Габдуллина Розалия Альбертовна, аспирант, ассистент кафедры реактивных двигателей и энергетических установок, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева — КАИ; rozzy94@mail.ru
Лопатин Алексей Александрович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой реактивных двигателей и энергетических установок, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева — КАИ; aalopatin@kai.ru
Биктагирова Айгуль Рафисовна, аспирант кафедры реактивных двигателей и энергетических установок, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева — КАИ; arbiktagirova@kai.ru
Терентьев Александр Андреевич, ассистент кафедры лазерных и аддитивных технологий, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева — КАИ; lavochkin7@live.ru

Аннотация:

Активное развитие передовых цифровых технологий в последние 10 лет привело к формированию нового комплекса задач, связанного с обеспечением бесперебойной и прогнозируемой работы радиоэлектронного и электросилового оборудования. Так, современные телекоммуникационные и вычислительные системы во время своей штатной работы характеризуются значительным тепловыделением. Одной из основных проблем таких систем, наравне с соблюдением массогабаритных характеристик, является обеспечение определенных рабочих тепловых режимов компонентов в широком диапазоне внешних условий. В таких ситуациях очень часто применяются пассивные и активные системы с осевым расположением оребрения.

В результате работы проведены и представлены экспериментальные исследования интенсификации теплоотдачи в условиях вынужденной конвекции с использованием разрезных ребер. Показана эффективность использования разрезного оребрения, в ходе эксперимента выявлены наиболее оптимальные геометрические параметры рабочего участка и соответствующие им режимные характеристики. На основе обработки и анализа экспериментальных данных установлено, что данный способ интенсификации позволяет повысить интенсивность теплоотдачи до 64%, т. к. рассечение ребер позволяет активно препятствовать формированию пограничного слоя и дополнительно турбулизировать поток, что, в свою очередь, благоприятно сказывается на термических параметрах работы всей системы. Выполнена визуализация процесса теплоотдачи, которая иллюстрирует активные вихревые течения, образующиеся при обтекании и срыве с кромок ребра набегающего потока теплоносителя. Произведен расчет толщины пограничного слоя около разрезного ребра, при котором выявлено, что при всех исследованных углах разгиба ребер γ увеличение числа Re характеризуется уменьшением толщины пограничного слоя во всем диапазоне тепловых нагрузок. В заключении проведена общая оценка влияния геометрических и режимных параметров на интенсивность теплоотдачи при принудительной подаче воздуха.

Список литературы:

1. Афанасьев В. Н. Цилиндр в пограничном слое плоской пластины / В. Н. Афанасьев, С. А. Бурцев, К. С. Егоров, А. Ю. Кулагин // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2011. № 2. С. 3-22.

2. Горобец В. Г. Исследование теплоотдачи новых типов вертикальных поверхностей с дискретным оребрением в условиях свободной конвекции // Труды Второй Российской национальной конференции по теплообмену. 1998. Том 3. С. 58-60.

3. Дилевская Е. В. Применение вихревой интенсификации теплообмена для повышения эффективности охладителей силовых электронных устройств / Е. В. Дилевская, С. И. Каськов // Труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену. 2006. Том 6. С. 204-206.

4. Жукаускас А. А. Конвективный перенос в теплообменниках / А. А. Жукаускас. М.: Наука, 1982. 472 с.

5. Исаченко В. П. Теплопередача: учеб. для вузов / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.

6. Кириллов П. Л. Справочник по теплогидравлическим расчетам / П. Л. Кириллов, Ю. С. Юрьев, В. П. Бобков. М.: Энергоатомиздат, 1984. 296 с.

7. Кутателадзе С. С. Справочник по теплопередаче / С. С. Кутателадзе, В. М. Боришанский. М.: Госэнергоиздат, 1958. 417 с.

8. Лопатин А. А. Особенности теплообмена в вынужденно-конвективных системах охлаждения радиоэлектронного оборудования с частично-разрезным оребрением / А. А. Лопатин // Энергетика Татарстана. 2012. № 3. С. 30-34.

9. Лопатин А. А. Разрезное оребрение как перспективный способ интенсификации теплоотдачи в системах охлаждения теплонагруженных элементов радиоэлектронного оборудования в авиационной и ракетно-космической технике / А. А. Лопатин, Р. А. Габдуллина, Ч. Ф. Еремеева, Р. В. Худабердин // Космонавтика и ракетостроение. 2018. № 6. С. 101-107.

10. Михеев М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. М.: Энергия, 1977. 344 с.

11. Неило Р. В. Теплообмен и гидродинамика одиночного горизонтального цилиндра в вертикальном щелевом адиабатном канале в условиях термогравитационной конвекции / Р. В. Неило, В. Е. Туз // Труды Шестой Российской национальной конференции по теплообмену. 2014. С. 361-364.

12. Попов И. А. Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободно-конвективных вертикальных течений с интенсификацией / И. А. Попов // Интенсификация теплообмена: монография / под общ. ред. Ю. Ф. Гортышова. Казань: Центр инновационных технологий, 2007. 326 с.

13. Попов И. А. Системы охлаждения электронных устройств на основе оребренных тепловых труб / И. А. Попов, А. В. Щелчков, Ю. Ф. Гортышов, Н. Т. А. Аль-Харбави // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2015. № 3. С. 57-62.

14. Попов И. А. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования при вынужденном и свободно-конвективном движении теплоносителей: автореф. дис. д-ра техн. наук / И. А. Попов. Казань, 2008. 41 с.

15. Попов И. А. Теплоотдача при кипении различных жидкостей на микроструктурированных поверхностях / И. А. Попов, А. В. Щелчков, Н. Н. Зубков, Р. А. Лэй, Ю. Ф. Гортышов // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2014. № 4. С. 49-53.

16. Спэрроу Е. М. Интенсификация теплоотдачи свободной конвекцией в шахматных рядах вертикальных дискретных пластин / Е. М. Спэрроу, К. Пракаш // Теплопередача. 1980. Том 102. № 2. С. 34-41.

17. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. Интенсификация теплообмена: монография / Ю. Ф. Гортышов, И. А. Попов, В. В. Олимпиев, А. В. Щелчков, С. И. Каськов; под общ. ред. Ю. Ф. Гортышова. Казань: Центр инновационных технологий, 2009. 531 с.

18. Топорков М. А. Исследование теплоотдачи спирально-оребренных труб аппаратов воздушного охлаждения в условиях свободной конвекции / М. А. Топорков, В. Б. Кунтыш, А. Э. Пиир. Минск, 1978. 11 с.

19. Цветков Ф. Ф. Задачник по тепломассообмену / Ф. Ф. Цветков, Р. В. Керимов, В. И. Величко; под ред. Ф. Ф. Цветкова. М.: Изд. дом МЭИ, 1997. 136 с.

20. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1956. 528 с.

21. Çengel Yu. A. Heat Transfer: A Practical Approach / Yu. A. Çengel. 2nd edition. New York, NY: McGraw Hill, 2003. Chapter 15: Cooling of Electronic Equipment. Pp. 785-841.

22. Kwak C. E. Experimental and numerical study on natural convection from vertical plates with horizontal rectangular grooves / C. E. Kwak, T. H. Song // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1998. Vol. 41. No. 16. Pp. 2517-2528. DOI: 10.1016/S0017-9310(97)00311-6

23. Sethumadhavan R. Turbulent flow heat transfer and fluid friction in helical-wire-coil-inserted tubes / R. Sethumadhavan, M. Raja Rao // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1983. Vol. 26. No. 12. Pp. 1833-1845. DOI: 10.1016/S0017-9310(83)80154-9