CFD · Υπολογιστική ρευστοδυναμική

Συζευγμένη μετάδοση θερμότητας (CFD)

Η θερμότητα που κινείται μέσα από τα στερεά εξαρτήματα και τον αέρα γύρω τους, ως ένα ενιαίο πρόβλημα: πόσο θερμαίνεται κάθε εξάρτημα, από πού έρχεται η θερμότητα και τι αλλάζει μια σχεδιαστική αλλαγή.

Τομή ηλεκτρικής ψηστιέρας: αντίσταση, θερμοκρασίες τοιχωμάτων και κυκλοφορία του αέρα μέσα και πάνω από αυτήν
Τι καλύπτει

Όταν η θερμοκρασία ενός εξαρτήματος εξαρτάται από όλα όσα το περιβάλλουν.

Σε μια συσκευή, ένα κέλυφος με ηλεκτρονικά ή μια θερμαινόμενη διάταξη, η θερμότητα φεύγει από την πηγή με ακτινοβολία, θερμαίνει τον αέρα, περνά με αγωγή μέσα από το μέταλλο και φτάνει στα πλαστικά μέρη από πολλές διαδρομές ταυτόχρονα. Ένας συντελεστής μετάδοσης από εγχειρίδιο δεν μπορεί να το περιγράψει. Η συζευγμένη μετάδοση θερμότητας (CHT) λύνει μαζί την αγωγή στα στερεά, τη συναγωγή στον αέρα και την ακτινοβολία μεταξύ των επιφανειών, χωρίς εμπειρικούς συντελεστές στις διεπιφάνειες.

  • Θερμοκρασία κάθε εξαρτήματος
  • Θερμικό ισοζύγιο: πού πηγαίνει η ισχύς
  • Θερμικά φορτία στα πλαστικά μέρη
  • Φυσική συναγωγή και θερμά ρεύματα
  • Ακτινοβολία μεταξύ επιφανειών
  • Καμπύλες θέρμανσης από ψυχρή εκκίνηση
  • Ενδείξεις αισθητήρων και θερμοστατών
  • Επίδραση μιας σχεδιαστικής αλλαγής

Τυπικά ερωτήματα

  • Θα μείνει αυτό το πλαστικό εξάρτημα κάτω από το όριο συνεχούς χρήσης του;
  • Από ποια διαδρομή φτάνει η θερμότητα: ακτινοβολία, θερμό αέρα ή επαφή με μέταλλο;
  • Γιατί ο θερμοστάτης ή ο αισθητήρας δείχνει λιγότερο από τον αέρα γύρω του;
  • Ποιο υλικό, ποιο διάκενο ή ποια θέση λύνει το πρόβλημα, πριν κατασκευαστεί νέο καλούπι;
  • Σε πόσο χρόνο φτάνει η συσκευή τη θερμοκρασία λειτουργίας της;
Γραμμές ροής του θερμού ρεύματος πάνω από συσκευή, χρωματισμένες με την ταχύτητα
Το θερμό ρεύμα πάνω από τη συσκευή: ο αέρας του δωματίου εισρέει από τα πλάγια και από κάτω και απομακρύνει σχεδόν τη μισή θερμότητα.
Θερμοκρασία πλαστικής βάσης κάτω από θερμό μεταλλικό σώμα, με γραμμές ροής αέρα
Η πλαστική βάση είναι θερμότερη στο εσωτερικό χείλος που «βλέπει» το θερμό μεταλλικό σώμα· η εξωτερική πλευρά μένει κοντά στη θερμοκρασία δωματίου.
Παράδειγμα μελέτης

Επιτραπέζια ηλεκτρική ψηστιέρα: πλαστικά μέρη δίπλα σε αντίσταση 1200 W.

Ένας κατασκευαστής αναβάθμιζε μια ψηστιέρα με νέα εξαρτήματα από ενισχυμένο πολυαμίδιο (PA66-GF30), σχεδιασμένα σε 3D CAD και τυπωμένα σε 3D εκτυπωτή για τις εργαστηριακές δοκιμές. Δύο ερωτήματα: μένουν τα πλαστικά μέρη μέσα στα όριά τους, και γιατί ο θερμοστάτης διακόπτει αργότερα από το αναμενόμενο;

Συζευγμένη μετάδοση θερμότητας

Το μοντέλο και τι έδειξε

Η ψηστιέρα πάνω στο τραπέζι, μέσα σε έναν όγκο αέρα του δωματίου, με την αντίσταση, το ανοξείδωτο σώμα, τον θερμοστάτη και τα πλαστικά μέρη. Αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία λύθηκαν μαζί από ψυχρή εκκίνηση για 40 λεπτά, μέχρι τη θερμική ισορροπία.

Ευρήματα
  • Από τα 1200 W, το 47 % φεύγει με το θερμό ρεύμα, το 35 % ακτινοβολείται στο δωμάτιο και το 17 % πηγαίνει στο τραπέζι. Η αντίσταση αποδίδει το 80 % της ισχύος της ως ακτινοβολία.
  • Ο αέρας στο εσωτερικό στρωματοποιείται έντονα: περίπου 305 °C στο ύψος του θερμοστάτη, 205 °C περίπου 25 mm χαμηλότερα. Η ένδειξη ενός θερμοστοιχείου εξαρτάται από τη θέση του.
  • Η μύτη του θερμοστάτη σταθεροποιήθηκε 96 K κάτω από τη μέση θερμοκρασία του αέρα: το 82 % της θερμότητας που προσλάμβανε διέφευγε με αγωγή προς το εξωτερικό του τμήμα, στον αέρα του δωματίου.
  • Με την πραγματική γεωμετρία, το ανοιχτό άκρο της υποδοχής του θερμοστάτη απέχει 2.5 mm από το θερμό σώμα και έφτασε τους 172 °C, πάνω από το όριο συνεχούς χρήσης του PA66-GF30 (περίπου 120–140 °C).
Έλεγχος με το εργαστήριο

Στο εκτεθειμένο τμήμα του θερμοστάτη, έξω από την ψηστιέρα, το μοντέλο έδωσε 117 °C και το εργαστήριο μέτρησε 118 °C. Η θερμοκρασία αυτή εξαρτάται από όλη τη διαδρομή της θερμότητας μέσα από τον θερμοστάτη, άρα η συμφωνία ελέγχει το μοντέλο και όχι μόνο έναν αριθμό.

Όπου μοντέλο και μέτρηση διέφεραν, βρέθηκε η αιτία: το θερμοστοιχείο του αέρα ακουμπούσε στη σχάρα, που απορροφά απευθείας την ακτινοβολία της αντίστασης και είναι πολύ θερμότερη από τον αέρα.

Τι αποφασίζει

Όχι τα χρώματα αλλά οι διαδρομές της θερμότητας: όταν είναι γνωστό πώς φτάνει η θερμότητα σε ένα πλαστικό εξάρτημα, είναι σαφές ποια αλλαγή αξίζει να γίνει.

Θερμοκρασία αέρα σε κατακόρυφη τομή της ψηστιέρας και του θερμοστάτη
Θερμοκρασία αέρα σε τομή που περνά από τον θερμοστάτη. Το θερμό στρώμα κάτω από το καπάκι και την αντίσταση, και ο θερμοστάτης που εισέρχεται από το πλευρικό τοίχωμα.
Υποδοχή θερμοστάτη σε ισορροπία, με γραμμές ροής του αέρα γύρω της
Η υποδοχή του θερμοστάτη σε ισορροπία. Θερμοκρασίες των στερεών και ο αέρας που περνά δίπλα της, σε ένα μοντέλο.
Σχεδιαστικές επαναλήψεις

Τέσσερις εκδοχές της υποδοχής, πριν από οποιοδήποτε καλούπι

Κάθε εκδοχή υπολογίστηκε μέχρι την ισορροπία και οι ροές θερμότητας συγκρίθηκαν με την προηγούμενη. Ο στόχος: το σώμα από PA66 κάτω από 100 °C, χωρίς να μετακινηθεί η μύτη του θερμοστάτη σε ψυχρότερο αέρα.

Εκδοχή Σώμα PA66, μέγ. Μύτη θερμοστάτη
Υποδοχή δύο μερών σε μεταλλικό λαμάκι 198 °C 255 °C
Πλαστικό χωριστά από το μέταλλο, οπές αερισμού 179 °C 255 °C
Υποδοχή και λαμάκι πιο έξω 156 °C 228 °C
Λαμάκι έξω από τα πλαστικά μέρη 140 °C 226 °C
Τι έδειξε κάθε βήμα
  • Ένα πλαστικό υψηλότερης θερμοκρασίας (PPS-GF40) δίπλα στο τοίχωμα απλώς μετέφερε το πρόβλημα πιο έξω: το μεταλλικό λαμάκι που κρατά μένει θερμό, και μαζί το PA66 που το ακουμπά.
  • Τη θερμοκρασία του λαμακιού την καθορίζουν τα άκρα της αντίστασης στα οποία είναι στερεωμένο, όχι η μορφή της υποδοχής. Κρύωσε μόνο όταν απομακρύνθηκε από το τοίχωμα, και αυτό κόστισε στον θερμοστάτη 27 K.
  • Στην τελευταία εκδοχή η θερμότητα φτάνει στο PA66 κυρίως μέσα από λεπτά διάκενα αέρα γύρω από τα άκρα της αντίστασης, πλάτους περίπου 1 mm.
Το αποτέλεσμα

Κάθε βήμα κατέβασε το PA66 κατά 16–23 K. Τα 40 K που απομένουν οδήγησαν σε δύο σαφείς επιλογές για τον πελάτη: σώμα επίσης από PPS-GF40, που ήδη λειτουργεί κάτω από το όριό του, ή στοιχεία από τον κατασκευαστή του θερμοστάτη για τις θερμοκρασίες διακοπής και για μακρύτερο αισθητήριο.

Όρια

Τα όρια των υλικών είναι τυπικές τιμές από φύλλα δεδομένων· η τελική αξιολόγηση χρειάζεται τα στοιχεία του συγκεκριμένου βαθμού υλικού. Η μελέτη αφορά την κενή ψηστιέρα σε πλήρη ισχύ, τη δυσμενέστερη μόνιμη κατάσταση.

CFD με λογισμικό ανοιχτού κώδικα

Επαγγελματική ανάλυση ροής, χωρίς το κόστος εταιρικών αδειών.

Τα εμπορικά πακέτα CFD κοστίζουν συχνά χιλιάδες ευρώ τον χρόνο ανά άδεια, και αυτό το κόστος καταλήγει στην τιμή κάθε μελέτης. Εμείς δουλεύουμε με ώριμα εργαλεία ανοιχτού κώδικα, ώστε μια ΜμΕ να πληρώνει τεχνικό χρόνο και όχι άδειες λογισμικού.

Ο επιλυτής, το OpenFOAM, είναι από τους πιο διαδεδομένους κώδικες CFD στη βιομηχανία και την έρευνα: μόνιμη και μεταβατική, στρωτή και τυρβώδης ροή.

Ειλικρίνεια για τα όρια

Όπου ένα ερώτημα χρειάζεται πραγματικά δυνατότητα που υπάρχει μόνο σε εμπορικό πακέτο, το λέμε πριν ξεκινήσει η εργασία.

Η ροή εργασίας

  1. Γεωμετρία: FreeCAD

    Ο χώρος της ροής δημιουργείται από το μοντέλο CAD, αφαιρώντας λεπτομέρειες που δεν επηρεάζουν τη ροή.

  2. Επίλυση: OpenFOAM

    Ορίζονται φυσικά μοντέλα και συνοριακές συνθήκες, καταγράφεται κάθε παραδοχή και ελέγχονται η σύγκλιση και η ευαισθησία.

  3. Μετα-επεξεργασία: ParaView

    Ταχύτητες και πιέσεις εξάγονται και παρουσιάζονται με γραμμές ροής, τομές και μεγέθη για την απόφαση.

This offering is not approved or endorsed by OpenCFD Limited, producer and distributor of the OpenFOAM software via www.openfoam.com, and owner of the OPENFOAM® and OpenCFD® trade marks. Τα υπόλοιπα ονόματα προϊόντων είναι εμπορικά σήματα των αντίστοιχων κατόχων τους.

Σχετικά έργα

Ένα πραγματικό έργο.

CFD · Μηχανολογικός σχεδιασμός

Υδροπονικό εργαστήριο σε container

Η ροή αέρα διορθωμένη με CFD πριν την κατασκευή.
Δείτε το έργο

Όλα τα έργα: CFD

Έχετε ένα τεχνικό ερώτημα; Συζητήστε το.

Πείτε μας τι αναπτύσσετε, τι αλλάζετε ή τι προσπαθείτε να διορθώσετε. Εξετάζουμε πρώτα το τεχνικό ερώτημα και μετά σας λέμε καθαρά τι αξίζει να γίνει: ένας υπολογισμός, ένας έλεγχος σχεδιασμού, μια δοκιμή, μια προσομοίωση ή συνδυασμός τους.

Δωρεάν πρώτη επίσκεψη & μελέτη στον χώρο σας Σύνταξη προσφοράς ανεξαρτήτως μεγέθους έργου Απόλυτη διασφάλιση απορρήτου (NDA)