Активное охлаждение - Active cooling

Активное охлаждение представляет собой теплоотводящий механизм, который обычно используется в электронных устройствах и внутри зданий для обеспечения надлежащей теплопередачи и циркуляции изнутри.

В отличие от пассивного охлаждения, активное охлаждение полностью зависит от потребления энергии для работы. В нем используются различные механические системы, которые потребляют энергию для рассеивания тепла. Это обычно применяется в системах, которые не могут поддерживать свою температуру с помощью пассивных средств. Системы активного охлаждения обычно получают питание от электричества или тепловой энергии, но некоторые системы могут работать от солнечной или даже гидроэлектрической энергии. Они должны быть в хорошем состоянии и устойчивыми, чтобы они могли выполнять свои необходимые задачи, иначе может возникнуть возможность повреждения внутри объектов. Различные области применения коммерческих активных систем охлаждения включают кондиционеры воздуха в помещении, компьютерные вентиляторы и тепловые насосы.^[1][2][3]

Использование здания

Многие здания требуют высоких требований к охлаждению, и до 27 из 50 крупнейших столичный области по всему миру расположены в районах с жаркой или тропической погодой. При этом инженеры должны установить тепловой баланс, чтобы обеспечить надлежащую вентиляцию всей конструкции.

Уравнение теплового баланса имеет вид:

${\displaystyle p\cdot c_{p}\cdot V\cdot dT/dt=E_{int}+E_{Conv}+E_{Vent}+E_{AC}}$

куда ${\displaystyle p}$ это плотность воздуха, ${\displaystyle c_{p}}$ это удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, ${\displaystyle dT/dt}$ это скорость теплопередача, ${\displaystyle E_{int}}$ это внутреннее тепловыделение, ${\displaystyle E_{Conv}}$ - теплопередача через оболочку, ${\displaystyle E_{Vent}}$ - приток / потеря тепла между внутренним и наружным воздухом, и ${\displaystyle E_{AC}}$ - механическая теплопередача.^[2]

Используя это, можно определить, сколько охлаждения требуется в инфраструктуре.

В жилом секторе обычно используются три активные системы охлаждения:

Поклонники

Основная статья: Поклонник

Вентилятор представляет собой от трех до четырех лопастей, вращаемых электродвигателем с постоянной скоростью. Во время вращения создается воздушный поток, который охлаждает окружающую среду за счет принудительной конвекционной передачи тепла. Из-за относительно низкой цены она является наиболее часто используемой из трех активных систем охлаждения в жилом секторе.

Тепловые насосы

Основная статья: Тепловой насос

Тепловой насос использует электричество для отвода тепла из прохладного помещения в теплое, в результате чего в прохладном помещении температура понижается, а в теплом - повышается.^[4]

Есть два типа тепловых насосов:^[5]

Компрессионные тепловые насосы

Компрессионные тепловые насосы, являясь наиболее популярным вариантом из двух, работают за счет использования цикла хладагента. Пар хладагента в воздухе сжимается при повышении температуры, создавая перегретый пар. Затем пар проходит через конденсатор и превращается в жидкую форму, рассеивая при этом больше тепла. Проходя через расширительный клапан, жидкий хладагент образует смесь жидкости и пара. Проходя через испаритель, пар хладагента образуется и уносится в воздух, повторяя цикл хладагента.

Абсорбционные тепловые насосы

Процесс для абсорбционного теплового насоса работает аналогично варианту со сжатием, но основным отличием является использование абсорбера вместо компрессора. Абсорбер впитывает парообразный хладагент и создает жидкую форму, которая затем поступает в жидкостной насос и превращается в перегретый пар. Абсорбционный тепловой насос использует как электричество, так и тепло для своей функциональности по сравнению с компрессионным тепловым насосом, который использует только электричество.^[2]

Испарительные охладители

Основная статья: Испарительный охладитель

Испарительный охладитель поглощает наружный воздух и пропускает его через водонасыщенные подушки, снижая температуру воздуха за счет испарения воды.^[6]

Его можно разделить на:

Прямой

Этот метод испаряет воду, которая затем попадает прямо в воздушный поток, создавая небольшую влажность. Обычно требуется приличный расход воды, чтобы должным образом снизить температуру окружающей среды.

Косвенный

Этот метод испаряет воду во второй воздушный поток, а затем пропускает ее через теплообменник, снижая температуру основного воздушного потока без добавления влажности. По сравнению с охладителями с прямым испарением, он требует гораздо меньшего расхода воды для работы и снижения температуры.^[2]

Другие приложения

Помимо обычного коммерческого использования активного охлаждения, исследователи также ищут способы улучшить внедрение активного охлаждения в различные технологии.

Термоэлектрический генератор (ТЭГ)

В термоэлектрический генератор, или ТЭГ, представляет собой источник питания, с которым недавно были проведены эксперименты, чтобы проверить его жизнеспособность в поддержании активного охлаждения. Это устройство, использующее Эффект Зеебека преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Источники питания чаще используются в технологиях, требующих высокой мощности. Примеры включают космические зонды, самолеты и автомобили.

В исследовании 2019 года была проверена жизнеспособность активного охлаждения ТЭГ. Тест применялся на Малина PI3, небольшой одноплатный компьютер, оснащенный вентилятором с питанием от ТЭГ и сравниваемый с другим, работающим от коммерческого пассивного кулера. На протяжении всего исследования наблюдались и записывались напряжение, мощность и температура обоих ИП Raspberry. Данные показали, что в ходе эталонного теста Raspberry PI3 с ТЭГ стабилизировался до температуры на несколько градусов Цельсия ниже, чем у Raspberry PI3 с пассивным охлаждением. Мощность, производимая ТЭГ, также была проанализирована, чтобы измерить возможность автономной работы вентилятора. В настоящее время использования только ТЭГ для питания вентилятора недостаточно, чтобы быть полностью автономным, потому что ему не хватает энергии для первоначального запуска вентилятора. Но с применением аккумулятора энергии это было бы возможно.

Выработка электроэнергии ТЭГ определяется как:

${\displaystyle P_{TEG}\rightarrow {fanairflow \over fanpower}\rightarrow \sum R_{thermal}\rightarrow \bigtriangleup T_{TEG}\rightarrow P_{TEG}}$

куда ${\displaystyle P_{TEG}}$ мощность, вырабатываемая ТЭГ, ${\displaystyle R_{thermal}}$ - тепловое сопротивление, а ${\displaystyle T_{TEG}}$ это температура от ТЭГ.

На основании полученных результатов было показано, что активное охлаждение термоэлектрического генератора эффективно снижает и поддерживает температуру, сопоставимую с коммерческим использованием пассивных охладителей.^[7][8][9]

Активное охлаждение, близкое к погружению (NIAC)

Активное охлаждение, близкое к погружению, или NIAC, - это метод управления температурой, который недавно был исследован с целью уменьшить количество тепла, генерируемого аддитивным производством Wire + Arc, или WAAM (технология трехмерной печати на металле).

В эксперименте 2020 года исследователи хотели выяснить возможность использования NIAC и проверить его возможности охлаждения. В NIAC использовалась охлаждающая жидкость, которая окружает WAAM в рабочем резервуаре, и повышался уровень воды при осаждении металла. Прямой контакт с жидкостью позволяет быстро отводить тепло от WAAM, значительно снижая температуру. В эксперименте сравнивалась эффективность снижения температуры, создаваемой WAAM, между естественным охлаждением, пассивным охлаждением и почти иммерсионным активным охлаждением. Естественное охлаждение использовало воздух, пассивное охлаждение использовало охлаждающую жидкость, которая остается на фиксированном уровне, а NIAC использовал охлаждающую жидкость, которая поднимается в зависимости от действий WAAM.

Следующие тесты были использованы для измерения возможности использования NIAC: термический анализ, геометрическое качество, оценка пористости и механические свойства. При термическом анализе было обнаружено значительное несоответствие тепла между NIAC и другими типами охлаждения, при этом NIAC охлаждает технологию с гораздо большей скоростью. Что касается геометрического качества стен, у NIAC была самая тонкая и самая высокая стена, что свидетельствует о высокой прочности WAAM при использовании активного охлаждения. Оценка пористости показала, что активное охлаждение имеет самый низкий уровень пористости. Высокий уровень пористости вызывает риск нарушения механических свойств WAAM. NIAC стремится уравнять механические свойства, что приводит к лучшим свойствам, в отличие от естественного и пассивного охлаждения. В ходе этих испытаний было определено, что использование NIAC является допустимой возможностью и сопоставимо с традиционными методами охлаждения, такими как пассивное и естественное охлаждение.^[10][11][12]

Сравнение с пассивным охлаждением

Активное охлаждение обычно сравнивают с пассивным охлаждением в различных ситуациях, чтобы определить, какой способ охлаждения обеспечивает лучший и более эффективный. Оба они жизнеспособны во многих ситуациях, но в зависимости от нескольких факторов один может быть более выгодным, чем другой.

Преимущества

Активные системы охлаждения обычно лучше с точки зрения снижения температуры, чем пассивные системы охлаждения. Пассивное охлаждение не потребляет много энергии для своей работы, но вместо этого использует естественное охлаждение, которое требует больше времени для охлаждения в течение длительного периода времени. Большинство людей предпочитают использовать активные системы охлаждения в жарком или тропическом климате, чем пассивное охлаждение, из-за их эффективности в снижении температуры за короткий промежуток времени. В технологиях он помогает поддерживать надлежащий тепловой режим, предотвращая риск повреждения или перегрева основных операционных систем. Он способен лучше сбалансировать тепловыделение от технологии, поддерживая его на постоянной основе. Некоторые активные системы охлаждения также могут быть самодостаточными, как показано в применении термоэлектрического генератора, по сравнению с пассивным охлаждением, где оно сильно зависит от естественных средств работы.^[8][11]

Недостатки

Проблемы с активным охлаждением по сравнению с пассивным, в основном, связаны с финансовыми затратами и потреблением энергии. Из-за высоких требований к энергии активное охлаждение делает его гораздо менее энергоэффективным, а также менее экономичным. В жилых помещениях активное охлаждение обычно потребляет большое количество энергии для обеспечения достаточного охлаждения всего здания, что увеличивает финансовые затраты. Инженеры здания должны принять во внимание, что увеличение потребления энергии также будет играть фактор, отрицательно влияющий на глобальный климат.^[2] По сравнению с активным охлаждением, пассивное охлаждение чаще используется в местах со средней или низкой температурой.

Смотрите также

• Охлаждение

Рекомендации

1. «Управление температурным режимом электроники: активное против пассивного охлаждения». arrow.com. 2020-01-31.
2. Оропеза-Перес, Иван; Остергаард, Пол Альберг (01.02.2018). «Активные и пассивные методы охлаждения жилья: обзор». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 82: 531–544. Дои:10.1016 / j.rser.2017.09.059. ISSN  1364-0321.
3. «Системы охлаждения зданий». www.designingbuildings.co.uk. Получено 2020-11-15.
4. «Системы тепловых насосов». Energy.gov. Получено 2020-11-11.
5. Лехнер, Норберт (2014-10-13). Отопление, охлаждение, освещение: методы устойчивого проектирования для архитекторов. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-1-118-58242-8.
6. «Испарительные охладители». Energy.gov. Получено 2020-11-11.
7. Чемпион, Даниэль (2017-05-15). «Термоэлектрические генераторы: обзор приложений». Преобразование энергии и управление. 140: 167–181. Дои:10.1016 / j.enconman.2017.02.070. ISSN  0196-8904.
8. Тосато, Пьетро; Росси, Маурицио; Брунелли, Давиде (2019). Сапонара, Серджио; Де Глория, Алессандро (ред.). «Исследование активной системы охлаждения, работающей от термоэлектрического генератора». Применение электроники в промышленности, окружающей среде и обществе. Конспект лекций по электротехнике. Чам: Издательство Springer International: 205–211. Дои:10.1007/978-3-030-11973-7_24. ISBN  978-3-030-11973-7.
9. Zhou, Y .; Paul, S .; Бхуниа, С. (март 2008 г.). «Сбор отработанного тепла в микропроцессоре с помощью термоэлектрических генераторов: моделирование, анализ и измерение». 2008 Дизайн, автоматизация и испытания в Европе: 98–103. Дои:10.1109 / ДАТА.2008.4484669.
10. Дин, Дунхун; Пан, Цзэнси; Куйури, Доминик; Ли, Хуэйцзюнь (01.10.2015). «Аддитивное производство металлических деталей с использованием проволоки: технологии, разработки и интересы на будущее». Международный журнал передовых производственных технологий. 81 (1): 465–481. Дои:10.1007 / s00170-015-7077-3. ISSN  1433-3015.
11. да Силва, Леандро Жуан; Соуза, Даниэль Монтейро; де Араужо, Дуглас Безерра; Рейс, Рухам Пабло; Скотти, Америко (01.03.2020). «Концепция и проверка технологии активного охлаждения для уменьшения накопления тепла в WAAM». Международный журнал передовых производственных технологий. 107 (5): 2513–2523. Дои:10.1007 / s00170-020-05201-4. ISSN  1433-3015.
12. DebRoy, T .; Wei, H.L .; Zuback, J.S .; Mukherjee, T .; Elmer, J. W .; Milewski, J. O .; Beese, A.M .; Wilson-Heid, A .; ДЭА.; Чжан, В. (2018-03-01). «Аддитивное производство металлических компонентов - процесс, структура и свойства». Прогресс в материаловедении. 92: 112–224. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2017.10.001. ISSN  0079-6425.