Calculul sistemului de racire cu aer al unui microprocesor electronic

CALCULUL SISTEMULUI DE RACIRE CU AER AL UNUI MICROPROCESOR ELECTRONIC

1 Generalitati

Sistemul de racire cu aer al unui microprocesor este alcatuit dintr-un radiator atasat capsulei procesorului si un ventilator care asigura racirea fortata a radiatorului. In figura 1 se prezinta ansamblul descris. In cazul de fata procesorul considerat este un procesor de tipul Intel Pentium 4 cu frecventa de 2 GHz.

a) b)

Fig. 1 Vedere a sistemului de racire a procesorului

Ventilatoarele folosite pentru racirea sistemelor electrice sunt de doua tipuri: ventilatoare axiale si centrifugale.

Curba ventilatorului

Caracteristicile ventilatorului axial la turatie constanta sunt date in figura 4, in comparatie cu cele ale ventilatorului centrifug. Comparatia curbelor caracteristice pune in evidenta faptul ca la ventilatorul axial are loc un consum mare de putere la debit nul si drept urmare nu se recomanda functionarea in zona debitelor mici.

a) b)

Fig. 4 Caracteristicile ventilatorului centrifugal (a) si axial (b)

2 Modelarea si calculul ventilatorului

In figura 5a) si 5b) se prezinta geometria ventilatorului si a caracasei lui, iar in figura 5c) se prezinta dimensiunile principale ale ventilatorului. Pentru calculul curgerii aerului prin ventilator se considera un domeniu cilindric ce cuprinde geometria ventialatorului si a carcasei lui (fig 6) [152].

a) b)

Fig. 5 Geometria ventilatorului

Domeniul de calcul (ocupat de aer) s-a obtinut prin scaderea din cilindru a geometriei ventilatorului si a carcasei (figura 6). Originea sistemului de coordonate se afla la jumatatea inaltimii cilindrului iar axa Oz se suprapune cu axa cilindrului. Impartirea s-a realizat cu celule tetraedrale. Marimea medie a laturii tetraedrului pentru suprafetele care apartin ventilatorului si carcasei lui a fost de 2 mm iar pentru suprafetele exterioare ale domeniului de 8 mm.

Fig. 6 Domeniul de calcul

3 Distributia de viteze si presiuni in ventilator

Suprafetele care apartin ventilatorului se considera pereti care se rotesc cu viteza unghiulara de 293.22 rad/s. Suprafetele care apartin carcasei se considera pereti stationari.

Ultima rafinare a grilei se face dupa gradientul presiunii. Astfel se obtine o retea cu 678470 celule. Debitul masic calulat care strabate sectiunea precizata este de 0.003600502 kg/s.

In figurile 9 si 10 sunt prezentate pentru sectiunea specificata distributia vectorilor viteza. In figurile 11, 12 si 13 sunt prezentate distributiile vitezelor v_z pentru sectiuni normale pe axa ventilatorului aflate la 2, 10 si 20 mm de butuc.

Fig. 9 Distributia vectorilor viteza la 2mm de butuc in sensul de curgere - vedere din lateral

Fig. 10 Distributia vectorilor viteza la 2mm de butuc in sensul de curgere - vedere de sus

In sectiunea aflata la 2 mm de butuc in sensul curgerii, considerandu-se o distributie de viteze constanta pe intreaga sectiune (cu aria considerata egala cu a unui cerc de raza egala cu raza interioara a carcasei ventilatorului) se obtine o valoare a vitezei de 0,663 m/s. Tinand cont ca vitezele axiale in zona din spatele butucului au valori apropiate de zero, si considerand o distributie constanta de viteze pe aria inelara cuprinsa intre carcasa si butuc, rezulta o valoare medie de 0,822 m/s.

4 Calculul termic al ansamblului procesor - radiator-ventilator

4.1 Calcul in regim stationar

Pentru determinarea regimului termic al ansamblului procesor-radiator-ventilator s-a considerat domeniul cilindric prezentat in figura 18. Dimensiunile cilindrului care cuprinde ansamblul procesor-radiator-ventilator sunt: raza bazei 100 mm, inaltimea 67 mm.

Constructia radiatorului prezinta doua plane de simetrie. Suprafata de contact dintre procesor si radiator este de forma patrata cu dimensiunile de 35 35 mm². Ansamblul procesor-radiator-ventilator este alcatuit astfel incat axa ventilatorului corespunde axei (intersectia planelor de simetrie) radiatorului si a procesorului. Axa domeniului cilindric de calcul s-a ales suprapusa cu axa ansamblului. Carcasa ventilatorului este montata la o distanta de 2 mm fata de radiator.

Fig. 18 Domeniul de analiza

Prin suprafata de contact dintre radiator si procesor, s-a considerat un flux de caldura de 28000 N mm/(mm²s).

Suprafata laterala a domeniului si suprafata superioara din care lipseste suprafata de intrare a ventilatorului (fig. 19) se considera o suprafata libera cu presiune egala cu cea atmosferica. In figura 20 se prezinta sectiunea de intrare a ventilatorului. In figura 21 se prezinta curba de ventilator adoptata.

 

Fig. 19Fig. 20

Fig. 21 Curba ventilatorului

In urma analizei s-a determinat campul de temperaturi in zona de fluid si de solid. Astfel, in figura 22, 23 se prezinta campul de temperaturi in sectiune prin planele de simetrie ale radiatorului iar in figura 24, campul de temperaturi intr-o sectiune paralela cu baza radiatorului la cota de 20 mm.

Fig. 22 Distributia de temperaturi in sectiune prin yOz

Fig. 23 Distributia de temperaturi in sectiune paralela cu xOy la cota 40 mm

In figurile 25, 26 si 27 sunt prezentate distributiile vitezei, iar in figurile 28, 29 si 30 distributia presiunii statice pentru sectiunile specificate anterior.

Fig. 27 Distributia de viteze in sectiune paralel cu zOx la cota 20 mm

4.2 Calcul in regim nestationar

Pentru a determina variatiile in timp ale marimilor caracteristice ansamblului sutdiat, se considera un interval de timp de 0-180 de secunde. La momentul initial parametrii sunt:

temperatura in componentele ansamblului este de 26 C;

viteza in domeniu de calcul este egala cu 0 m/s.

In urma calculelor au rezultat distributiile de temperatura la diferite momente de timp in sectiunile caracteristice (fig. 31 - 43).

Fig. 31 Distributia de temperaturi in sectiune paralela cu xOy la cota 40 mm - 20s

Fig. 33 Distributia de temperaturi in sectiune paralela cu xOy la cota 40 mm - 60s

Fig. 35 Distributia de temperaturi in sectiune paralela cu xOy la cota 40 mm - 100s

Fig. 37 Distributia de temperaturi in sectiune paralela cu xOy la cota 40 mm - 140s

Fig. 38 Distributia de temperaturi in sectiune paralela cu xOy la cota 40 mm - 180s