Aktivní chlazení - Active cooling

Aktivní chlazení je mechanismus snižující teplo, který je obvykle implementován v elektronických zařízeních a vnitřních budovách, aby byl zajištěn správný přenos tepla a cirkulace zevnitř.

Na rozdíl od svého protějšku pasivního chlazení je aktivní chlazení zcela závislé na spotřebě energie, aby fungovalo. K odvádění tepla využívá různé mechanické systémy, které spotřebovávají energii. Běžně je implementován v systémech, které nejsou schopny udržovat svoji teplotu pasivními prostředky. Aktivní chladicí systémy jsou obvykle napájeny z elektřiny nebo tepelné energie, ale je možné, že některé systémy jsou napájeny solární energií nebo dokonce vodní energií. Aby mohly plnit své nezbytné úkoly, musí být dobře udržované a udržitelné, jinak by mohlo dojít k poškození objektů. Mezi různé aplikace komerčních aktivních chladicích systémů patří vnitřní klimatizace, počítačové ventilátory a tepelná čerpadla.

Využití budovy

Mnoho budov vyžaduje vysoké nároky na chlazení a až 27 z 50 největších metropolitních oblastí po celém světě se nachází v oblastech horkého nebo tropického počasí. Díky tomu musí inženýři vytvořit tepelnou bilanci, aby byla zajištěna správná ventilace v celé konstrukci.

Rovnice tepelné bilance je dána jako:

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

kde je hustota vzduchu, je specifická tepelná kapacita vzduchu při konstantním tlaku, je rychlost přenosu tepla , je vnitřní tepelné zisky, je přenos tepla skrz baňku, je tepelný zisk / ztráta mezi vnitřní a venkovní vzduch, a je to mechanický přenos tepla. ${\ displaystyle p}$ ${\ displaystyle c_ {p}}$ ${\ displaystyle dT/dt}$ ${\ displaystyle E_ {int}}$ ${\ displaystyle E_ {Conv}}$ ${\ displaystyle E_ {Vent}}$ ${\ displaystyle E_ {AC}}$

Pomocí toho lze určit, kolik chlazení je v infrastruktuře zapotřebí.

V obytných sektorech se běžně používají tři aktivní chladicí systémy:

Fanoušci

Ventilátor je tři až čtyři lopatky otáčené elektromotorem konstantní rychlostí. V průběhu otáčení se vytváří proud vzduchu, který má ochlazování okolí procesem nuceného přenosu tepla. Vzhledem ke své relativně nízké ceně je nejčastěji využívaným ze tří aktivních chladicích systémů v rezidenčním sektoru.

Tepelná čerpadla

Tepelné čerpadlo využívá elektřinu k extrakci tepla z chladné oblasti do teplé oblasti, což způsobí snížení teploty v chladné oblasti a zvýšení teploty v teplé oblasti.

Existují dva typy tepelných čerpadel:

Kompresní tepelná čerpadla

Jako nejoblíbenější varianta z těchto dvou pracuje kompresní tepelná čerpadla pomocí cyklu chladiva. Parní chladivo ve vzduchu se při zvyšování teploty stlačuje a vytváří přehřátou páru. Pára poté prochází kondenzátorem a převádí se do kapalné formy, přičemž během procesu uvolňuje více tepla. Tekuté chladivo prochází expanzním ventilem a tvoří směs kapaliny a páry. Při průchodu výparníkem vzniká parní chladivo, které se vypuzuje do vzduchu a opakuje chladicí cyklus.

Absorpční tepelná čerpadla

Proces pro absorpční tepelné čerpadlo funguje podobně jako u kompresní varianty, přičemž hlavním kontrastem je použití absorbéru místo kompresoru. Absorbér nasaje parní chladivo a vytvoří kapalnou formu, která pak putuje do kapalinového čerpadla, kde se přemění na přehřátou páru. Absorpční tepelné čerpadlo využívá ke své funkčnosti jak elektrické, tak tepelné ve srovnání s kompresními tepelnými čerpadly, která používají pouze elektřinu.

Odpařovací chladiče

Odpařovací chladič absorbuje venkovní vzduch a prochází jím podložkami nasycenými vodou, čímž snižuje teplotu vzduchu odpařováním vody.

Lze jej rozdělit:

Přímo

Tato metoda odpařuje vodu, která by poté putovala přímo do proudu vzduchu a vytvářela malou formu vlhkosti. Aby bylo možné správně snížit teplotu okolního prostředí, obvykle to vyžaduje slušnou spotřebu vody.

Nepřímý

Tato metoda odpařuje vodu do druhého proudu vzduchu a poté ji prochází přes výměník tepla, čímž se snižuje teplota hlavního proudu vzduchu bez přidání jakékoli vlhkosti. Ve srovnání s přímými odpařovacími chladiči vyžaduje mnohem menší spotřebu vody na provoz a snížení teploty.

Další aplikace

Kromě běžného komerčního využití aktivního chlazení výzkumníci hledají také způsoby, jak zlepšit implementaci aktivního chlazení do různých technologií.

Termoelektrický generátor (TEG)

Termoelektrický generátor , nebo TEG, která je zdrojem energie, který byl v poslední době experimentoval s testovat jeho životaschopnosti v udržování aktivního chlazení. Jedná se o zařízení, které využívá Seebeckův efekt k přeměně tepelné energie na elektrickou energii. Aplikace zdroje energie se běžně vyskytují v technologiích vyžadujících vysoký výkon. Mezi příklady patří vesmírné sondy, letadla a automobily.

Ve výzkumu z roku 2019 byla testována životaschopnost aktivního chlazení TEG. Test byl aplikován na Raspberry PI3 , malý jednodeskový počítač, vybavený ventilátorem poháněným TEG a byl porovnáván s dalším napájeným komerčním pasivním chladičem. Během výzkumu bylo pozorováno a zaznamenáváno napětí, výkon a teplota v obou Raspberry PI. Data ukázala, že v průběhu srovnávacího testu se Raspberry PI3 poháněný TEG stabilizoval na teplotu o několik stupňů Celsia nižší než pasivní chlazení Raspberry PI3. Síla vyrobená TEG byla také analyzována, aby se změřila možnost ventilátoru, který má soběstačné schopnosti. V současné době použití pouze TEG k napájení ventilátoru nestačí na to, aby bylo zcela soběstačné, protože postrádá dostatek energie pro počáteční spuštění ventilátoru. Ale s implementací energetického akumulátoru by to bylo možné.

Výroba energie TEG je dána jako:

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

kde je výkon generovaný TEG, je tepelný odpor a je teplota z TEG. ${\ displaystyle P_ {TEG}}$ ${\ displaystyle R_ {thermal}}$ ${\ displaystyle T_ {TEG}}$

Na základě výsledku bylo prokázáno, že aktivní chlazení termoelektrického generátoru účinně snižuje a udržuje teploty, které jsou srovnatelné s komerčním využitím pasivních chladičů.

Near Immersion Active Cooling (NIAC)

Near Immersion Active Cooling neboli NIAC je technika tepelného managementu, která byla nedávno zkoumána ve snaze snížit množství akumulace tepla generované výrobou Wire + Arc Additive Manufacturing nebo WAAM (kovová 3D technologie tisku).

V experimentu 2020 chtěli vědci zjistit proveditelnost používání NIAC a vyzkoušet jeho chladicí schopnosti. NIAC využil chladicí kapalinu, která obklopuje WAAM v pracovní nádrži a zvýšila hladinu vody, když se ukládal kov. Přímý kontakt s kapalinou umožňuje rychlý odběr tepla z WAAM, čímž se teplota výrazně sníží. Experiment porovnával účinnost zmírňující teploty generované WAAM mezi přirozeným chlazením, pasivním chlazením a aktivním chlazením blízko ponoření. Přirozené chlazení využívalo vzduch, pasivní chlazení chladicí kapalinou, která zůstává na pevné úrovni, a NIAC chladicí kapalinu, která stoupá na základě působení WAAM.

K měření proveditelnosti použití NIAC byly použity následující testy: tepelná analýza , geometrická kvalita, posouzení pórovitosti a mechanické vlastnosti. V tepelné analýze došlo k výraznému rozdílu tepla mezi NIAC a ostatními typy chlazení, přičemž technologie NIAC chladila technologii mnohem rychleji. Pokud jde o geometrickou kvalitu stěn, měl NIAC nejtenčí a nejvyšší zeď, která vykazuje vysokou odolnost WAAM při aktivním chlazení. Hodnocení pórovitosti ukázalo, že aktivní chlazení obsahuje nejnižší úroveň pórovitosti. Vysoká úroveň pórovitosti vyvolává riziko mechanických vlastností WAAM. NIAC má tendenci vyrovnávat mechanické vlastnosti, což vede k lepším vlastnostem, na rozdíl od přirozeného i pasivního chlazení. Prostřednictvím těchto testů bylo stanoveno, že použití NIAC je platnou možností a je srovnatelné s konvenčními způsoby chlazení, jako je pasivní a přirozené chlazení.

Srovnání s pasivním chlazením

Aktivní chlazení se obvykle porovnává s pasivním chlazením v různých situacích, aby se určilo, který poskytuje lepší a efektivnější způsob chlazení. Oba jsou v mnoha situacích životaschopné, ale v závislosti na několika faktorech může být jeden výhodnější než druhý.

Výhody

Aktivní chladicí systémy jsou obvykle lepší z hlediska snižování teploty než pasivní chladicí systémy. Pasivní chlazení nevyužívá ke svému provozu mnoho energie, ale místo toho využívá výhody přirozeného chlazení, jehož chlazení trvá delší dobu delší dobu. Většina lidí upřednostňuje použití aktivních chladicích systémů v horkém nebo tropickém podnebí před pasivním chlazením kvůli jeho účinnosti při snižování teploty v krátkém časovém intervalu. V technologiích pomáhá udržovat správné tepelné podmínky, čímž předchází riziku poškození nebo přehřátí hlavních operačních systémů. Je schopen lépe vyvážit generování tepla z technologie a udržovat ji konzistentním způsobem. Některé aktivní chladicí systémy také obsahují možnost soběstačnosti, jak ukazuje aplikace termoelektrického generátoru ve srovnání s pasivním chlazením, kde je provoz velmi závislý na přírodních prostředcích.

Nevýhody

Problémy s aktivním chlazením ve srovnání s pasivním chlazením jsou hlavně finanční náklady a spotřeba energie. Díky vysokému energetickému požadavku aktivního chlazení je energeticky mnohem méně energeticky účinný a také méně nákladově efektivní. V obytném prostředí spotřebuje aktivní chlazení obvykle velké množství energie, aby zajistilo dostatečné chlazení v celé budově, což zvyšuje finanční náklady. Inženýři budovy by museli vzít v úvahu, že zvýšení spotřeby energie by také hrálo faktor negativního ovlivňování globálního klimatu. Ve srovnání s aktivním chlazením je pasivní chlazení více vidět v místech s průměrnými nebo nízkými teplotami.

Languages

In other projects