UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Simulazioni termo-fluidodinamiche

Presentazione sul tema: "UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Simulazioni termo-fluidodinamiche"— Transcript della presentazione:

1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Simulazioni termo-fluidodinamiche
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione WORKSHOP esperimento APOLLO – Milano 18/12/2012 Simulazioni termo-fluidodinamiche per la progettazione del nuovo dissipatore ad acqua per il Main Converter Francesco Giuliani, Nicola Delmonte, Paolo Cova Devices, Electronic Applications and Sensors DEAS

2 Motivazione Progettazione, mediante simulazione numerica di un dissipatore ad acqua basato per il raffreddamento del Main Converter Rispetto dei vincoli di sistema Limiti di risorse  tecnologie convenzionali

3 Sommario Messa a punto del modello numerico
Caratterizzazione termica di un dissipatore noto Tuning e validazione delle simulazioni Progettazione del dissipatore ottimizzato Specifiche di progetto Ipotesi realizzative Confronto delle prestazioni Conclusioni

4 Metodologia di progettazione
Problema fluido-dinamico: Studio del moto del fluido all’interno del coldplate e suo comportamento termico, mediante analisi CFD (Computational Fluid Dynamics) Impiegati tre programmi di simulazione: COMSOL 4.2 (FEM) ANSYS Workbench 14.0 Fluent (FVM) CFX (FVM)

5 Caratterizzazione termica
Allo scopo di validare i modelli sviluppati è stato condotto un esperimento di caratterizzazione termica di un dissipatore dalle caratteristiche note per confrontare i risultati delle simulazioni con dati sperimentali POSEICO AWCH_L228W140T28 Coldplate in alluminio Fluido di refrigerazione: acqua Sviluppato per componenti di potenza (diodi PiN, IGBT, ecc.) Portata: fino a 9 l/min Potenza smaltita: fino a 5 kW

6 Banco di misura La struttura per l’esperimento di caratterizzazione comprende: Flussimetro Coldplate Resistori di potenza Termocoppie (in, out, R) Termocamera IR

7 Isolamento del dissipatore
Configurazione allestita per garantire un flusso di calore sufficiente ad ottenere un gradiente di temperatura di qualche grado centigrado osservabile sul dissipatore superiore Sorgente di calore 3 resistori di potenza in serie alimentati in corrente R = 0,1 Ω (200 W) Pmax = 600 W Isolamento Box in polistirene espanso e teflon Pdisp < 2 W

8 Caratterizzazione termica: misure
Le misure sono state ripetute con diverse configurazioni della portata in ingresso e della potenza termica generata. I dati sono stati rilevati con cadenza temporale costante fino al raggiungimento delle condizioni stazionarie.

9 Impostazione delle simulazioni
Considerazioni preliminari Semplificazioni geometriche simmetria resistori nippli Ipotesi di flusso laminare Re < 4300 SYMMETRY Condizioni al contorno Physical Quantity Value Mean Inlet Velocity 0,436 m/s Inlet Temperature 18,8 °C Total Heat Flux W/m2 External Temperature 31 °C CONVECTIVE COOLING

10 Risultati delle simulazioni
Confronto del gradiente termico superficiale del coldplate Tmax = 28,5 °C Tmax = 31,8 °C Tmax = 32,8 °C Tmax = 45,1 °C

11 Risultati delle simulazioni
Tinlet Toutlet ΔT TERMOCOPPIE 18,8 °C 24,8 6,0 CFX 26,9 8,1 FLUENT 18,6 26,8 8,2 COMSOL 18,7 31,4 12,7

12 Scelta del modello di riferimento
Il modello sviluppato con ANSYS Fluent è quello che replica in maniera più fedele il comportamento reale del dissipatore. Perfezionamento del modello: Discretizzazione del dominio più fitta Correzione dei dati in ingresso Tinlet Toutlet ΔT TERMOCOPPIE 18,8 °C 24,8 6,0 FLUENT 18,6 24,9 6,3

13 Progettazione del dissipatore
Il convertitore primario Specifiche di progetto del dissipatore COLDPLATE MODULO DI POTENZA d = 15 mm Ф = 5 mm TINLET = 18 °C TOUTLET = 25 °C Flow Rate = 1,9 l/min ∆P = 350 mbar TRASFORMATORE ZONA DI SECONDARIO ZONA DI PRIMARIO ALIMENTATORE AUSILIARIO

14 Considerazioni preliminari
Condizioni di caso peggiore Solo due moduli operanti PDC = 1,5 kW ; PDISS = 380 W Distribuzione potenza termica uniforme localizzata Regime di flusso: laminare THERMAL INSULATION THERMAL INSULATION VARIABLE Value 0,106 m/s 18 °C 3187 W/m2 2559 W/m2 28482 W/m2 548 W/m2 31,0 °C

15 Ipotesi realizzative Layout attualmente in uso per i test sul prototipo del convertitore Configurazione a doppia serpentina trasversale Configurazione a serpentina longitudinale

16 Dissipatore a U Tmax = 60 °C Tmax = 73,5 °C Toutlet = 35,0 °C

17 Dissipatore a doppia serpentina
Tmax = 32,6 °C Tmax = 36,8 °C Toutlet = 27,0 °C

18 Dissipatore a singola serpentina
Tmax = 37,4 °C Tmax = 49,8 °C Toutlet = 24,5 °C

19 Progetto del dissipatore prototipo n. 2
Scelta la doppia serpentina per la criticità della temperatura del trasformatore (anche se Toutlet potrebbe eccedere di poco il limite)

20 Conclusioni Obiettivi raggiunti
Messa a punto di un modello numerico (validato) per lo studio del comportamento termico di dissipatori a liquido Individuazione di un layout del dissipatore ottimizzato per l’applicazione in grado di soddisfare le specifiche richieste Rimane da verificare che tutti i componenti si mantengano all’interno del loro intervallo di temperatura accettabile. Sviluppi futuri Simulazione del comportamento termico del modulo di potenza montato sul dissipatore accoppiata in maniera autoconsistente a quella termo-fluidodinamica del coldplate.