열 교환기의 열 저항 계산
Figure 1: shows a typical liquid cooling loop, consisting of a cold plate (CP), pump, and heat exchanger (HX) connected by hoses or tubing. Since the components are part of a system, it is important to select them together to ensure proper component sizing for your application. Manufacturers typically provide performance data for cold plates and heat exchangers individually, with cold plate performance in thermal resistance and heat exchanger performance in thermal capacity.
So how do you select the optimal heat exchanger and cold plate for the complete system? It is easier than you might think, since the equations needed to determine the right cold plate and heat exchanger combination reduce to a very simple format:
이 공식을 사용하려면 냉각판 저항(θCP)을 먼저 계산해야 하는데, 이는 필수 표면 최고 온도(TS, MAX)와 유체 출구 온도(TH) 간의 차이값을 전체 냉각판 표면에 고르게 분포된 열 부하(Q)로 나눈 것입니다.
이와 유사한 방식으로, 열 교환기 열 용량(CHX)은 다음 식과 같이 열 부하(Q)를 두 개의 유입 유체 간의 온도차(TH -TAIR)로 나눈 값이라고 정의할 수 있습니다.
또한 열 용량은 열 저항의 역과 같습니다.
펌프로부터 열이 추가되거나 냉각판과 열 교환기 사이의 호스 또는 튜브를 통해 열이 손실되지 않았다고 가정할 경우(일반적으로 열 손실이 매우 적음), 공식 (2), (3) 및 (4)는 하나의 간단한 공식으로 결합될 수 있습니다.
고온 공정 유체 온도(TH)는 공식에서 제외되었습니다. 액체 온도가 공식에서 제거되었으므로, 액체의 유속과 열 용량을 계산하지 않아야 됩니다. 냉각판에 요구되는 표면 온도와 열 교환기를 냉각하는 대기 온도만 남게 되며, 성능은 냉각판과 열 교환기의 열 저항에 의해서만 결정됩니다. 따라서 더 이상 시스템의 개별 부품을 분석할 필요가 없으며, 그 대신 전체 시스템의 열 저항을 파악하게 됩니다. 흐름이 미치는 영향은 열 저항값 내에 포함되어 있으므로 결과에서 제외된 것이 아니라는 점을 참고하세요.
고객이 플레이트 측에 30.48cm(12")짜리 CP12 냉각판을 사용하여 30.48cm x 12.70cm(12"x5") 크기의 전자 장치에서 1200W의 열을 제거하고자 합니다. 냉각수는 1gpm(3.785LPM)의 물이며 실내 온도는 20°C입니다. 고객은 최대 표면 온도 80°C를 유지하면서 1200W의 열을 제거할 수 있는 가장 작은 열 교환기를 원하고 있습니다.
Step 1:
First we determine system thermal resistance, θSYSTEM:
Step 2:
Any combination of cold plates and heat exchangers that provide a thermal resistance less than or equal to the total system requirement will work. In other words:
Step 3:
Table 1 shows the resistance and flow rates of the CP12 cold plate and two different heat exchanger/fan combinations:
| 유속(gpm) | θCP (CP12) (°C/W) | θHX (6110 w/Kona fan) (°C/W) | θHX (6210 w/Marin Fan) (°C/W) |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 0.013 | 0.049 | 0.019 |
| 1.0 | 0.009 | 0.046 | 0.017 |
| 1.5 | 0.007 | 0.044 | 0.016 |
| 1.5 | 0.007 | 0.044 | 0.016 |
| 2.0 | 0.006 | 0.042 | 0.016 |
시스템 전체를 살펴보면, 유속이 열 교환기 선택에 미치는 영항 등 부품 간에 어떤 상쇄 효과가 있는지를 알 수 있습니다. 유속이 낮으면 냉각판 열 저항이 증가합니다. 따라서 열 저항을 낮추기 위해 더 많은 열 용량을 가진 더 큰 열 교환기를 필요로 하게 됩니다. 유속이 높으면 더 작은 열 교환기를 사용할 수 있습니다.
액체 대 공기 열 교환기와 냉각판이 하나의 유체 회로로 결합되는 경우도 많기 때문에, 시스템 성능을 최적화하기 위해서 부품을 동시에 선택하는 방법을 이해하는 것이 중요합니다. 정확한 사양과 간소화된 공식이 있으면 액체 냉각 루프에 사용될 부품을 선택하는 것이 상대적으로 쉬워집니다. 그 뿐 아니라 같은 회사의 부품을 선택하면 유사한 방식으로 테스트된 부품을 사용하게 되고 이러한 부품이 하나의 시스템으로 잘 작동할 가능성이 높아집니다.
캐비닛 냉각 열 계산
캐비닛 또는 인클로저에 필요한 열 저항 계산 방법
열 교환기 제조 업체는 일반적으로 열 부하, 유입 공기, 물 유량 함수를 사용하여 열 성능 데이터를 제공합니다. 열 교환기는 공기로 물을 냉각하는 데 사용되는 응용 분야에 적합한데, 이는 열 부하, 공기 온도 및 액체 온도를 간단히 연결하여 충분한 열 성능을 제공하는지 확인할 수 있기 때문입니다.
반면, 캐비닛 냉각 응용 분야에서는 반대 구성인 열 교환기를 사용합니다. 액체 회로에서는 차가운 물이 흐르고, 캐비닛의 따뜻한 공기가 열 교환기 핀을 통과할 때 냉각됩니다. 캐비닛 냉각 응용 분야에서는 일반적으로 캐비닛에 들어갈 때의 공기 온도와 캐비닛의 공기가 도달하는 최대 온도를 알아야 합니다. 어느 것도 열 교환 기 성능 곡선에서 직접 확인할 수는 없습니다.
공기의 온도 변화를 계산하는 일반적인 방법은 질량 유량 계산을 사용하는 것입니다.
하지만 시간이 많이 걸리고 오류가 발생하기도 쉽습니다.
To avoid these calculations, Boyd developed charts to quickly estimate temperature rise in common heat transfer media at various heat loads. Graphs are available for air, water, oil, and 30/70 ethylene glycol-water (EGW). To calculate temperature change, simply select the appropriate graph, look up your flow rate and heat load, and read off the temperature change. In our technical library under thermal reference you can view a pdf or our temperature change graphs.
제품 성능 곡선과 함께 사용하면 캐비닛으로 들어오는 차가운 공기의 온도와 캐비닛의 최대 공기 온도를 빠르고 간단하게 계산할 수 있습니다.
캐비닛 냉각 계산 예시
전자 캐비닛 냉각을 위해 Ostro 팬이 있는 6310 열 교환기를 평가하고 있습니다. 열 교환기에 유입되는 물은 20°C이고 유속은 1gpm입니다. 열 부하 Q는 2400W입니다.
캐비닛에 유입되는 냉각된 공기 온도(즉, 열 교환기에서 유출되는 공기 온도)와 캐비닛의 최대 온도(즉, 열 교환기에 유입되는 따뜻한 공기 온도)는 무엇입니까?
먼저 카탈로그에서 6310의 성능 곡선을 확인하세요. 여기에서 1gpm의 물 흐름과 약 250cfm을 공급하는 Ostro 팬 성능이 80W/°C임을 알 수 있습니다.
이미 우리는 Q가 2400W이고, Q/ITD가 80°C/W임을 알기 때문에 초기 온도 차이(ITD)를 계산할 수 있습니다.
ITD = 2400W ÷ 80°C/W = 30°C
또한, 유입된 물의 온도는 20°C입니다. 따라서 유입되는 공기 온도를 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
유입 공기 온도 = 20°C + 30°C = 50°C
유출되는 공기 온도를 결정하기 위해 우리는 매개 변수 250CFM 및 2400W를 사용하는 '공기 흐름' 차트를 사용합니다.
여기에서 온도 변화는 약 17°C임을 알 수 있습니다. 유출되는 공기 온도는 50°C - 17°C = 33°C입니다.
Ostro 팬이 장착된 이 열 교환기는 공기를 33°C까지 냉각하고, 캐비닛의 가장 뜨거운 온도 공기는 50°C에 도달합니다.
유출되는 온도를 결정하기 위해서는 '물 흐름' 차트를 사용합니다.
1gpm 및 2400W에서 온도 변화는 약 9°C임을 알 수 있습니다. 따라서 유출되는 물의 온도는 20°C + 9°C = 29°C입니다.
공기, 물, 기름 및 EGW에 대한 그래프는 다운로드할 수 있는 PDF 형식으로 제공됩니다. 이는 열 교환기 및 냉각 판의 크기 조정에 도움이 되며, 다양한 다른 온도 변화 계산에도 유용합니다.
