Aktivní chlazení - Active cooling

Aktivní chlazení je mechanismus snižující teplo, který je obvykle implementován v elektronických zařízeních a vnitřních budovách k zajištění správného přenosu a cirkulace tepla zevnitř.

Na rozdíl od svého protějšku pasivního chlazení je aktivní chlazení při provozu zcela závislé na spotřebě energie. Využívá různé mechanické systémy, které spotřebovávají energii k odvádění tepla. Běžně se implementuje v systémech, které nejsou schopné udržovat svou teplotu pasivními prostředky. Aktivní chladicí systémy jsou obvykle napájeny pomocí elektřiny nebo tepelné energie, ale je možné, že některé systémy jsou napájeny solární energií nebo dokonce hydroelektrickou energií. Musí být dobře udržované a udržitelné, aby mohly plnit nezbytné úkoly, jinak by mohlo dojít k poškození předmětů. Mezi různé aplikace komerčních systémů aktivního chlazení patří vnitřní klimatizace, počítačové ventilátory a tepelná čerpadla.^[1][2][3]

Využití budovy

Mnoho budov vyžaduje vysoké požadavky na chlazení a až 27 z 50 největších metropolitní oblasti po celém světě se nacházejí v oblastech s horkým nebo tropickým počasím. Díky tomu musí inženýři vytvořit tepelnou rovnováhu, aby bylo zajištěno správné větrání v celé konstrukci.

Rovnice tepelné bilance je uvedena jako:

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

kde ${ displaystyle p}$ je hustota vzduchu, ${ displaystyle c_ {p}}$ je specifická tepelná kapacita vzduchu při konstantním tlaku, ${ displaystyle dT / dt}$ je míra přenos tepla, ${ displaystyle E_ {int}}$ jsou vnitřní tepelné zisky, ${ displaystyle E_ {Conv}}$ je přenos tepla obálkou, ${ displaystyle E_ {Vent}}$ je tepelný zisk / ztráta mezi vnitřním a venkovním vzduchem a ${ displaystyle E_ {AC}}$ je mechanický přenos tepla.^[2]

Pomocí toho lze určit, kolik chlazení je v rámci infrastruktury požadováno.

V obytných sektorech se běžně používají tři aktivní chladicí systémy:

Fanoušci

Ventilátor jsou tři až čtyři lopatky otáčené elektromotorem konstantní rychlostí. Po celou dobu rotace je vytvářen proud vzduchu, který má chlazení okolí procesem přenosu tepla s nucenou konvekcí. Vzhledem ke své relativně nízké ceně je nejčastěji používaným ze tří aktivních chladicích systémů v obytném sektoru.

Tepelná čerpadla

Tepelné čerpadlo využívá elektřinu k odběru tepla z chladné oblasti do teplé oblasti, což způsobuje snížení teploty chladné oblasti a zvýšení teploty v teplé oblasti.^[4]

Existují dva typy tepelných čerpadel:^[5]

Kompresní tepelná čerpadla

Jako nejpopulárnější varianta těchto dvou pracuje kompresní tepelná čerpadla s využitím chladicího cyklu. Parní chladivo ve vzduchu se při zvyšování teploty stlačuje a vytváří přehřátou páru. Pára poté prochází kondenzátorem a přeměňuje se na kapalnou formu, přičemž v procesu rozptyluje více tepla. Při průchodu expanzním ventilem tvoří kapalné chladivo směs kapaliny a páry. Při průchodu výparníkem se parní chladivo vytváří a vypuzuje do vzduchu a opakuje cyklus chladiva.

Absorpční tepelná čerpadla

Proces absorpčního tepelného čerpadla funguje podobně jako kompresní varianta, přičemž hlavním kontrastem je použití absorbéru namísto kompresoru. Absorbér přijímá parní chladivo a vytváří kapalnou formu, která pak putuje do kapalinového čerpadla, aby se změnila na přehřátou páru. Absorpční tepelné čerpadlo využívá pro svou funkčnost jak elektrické, tak teplo ve srovnání s kompresními tepelnými čerpadly, která používají pouze elektřinu.^[2]

Odpařovací chladiče

Odpařovací chladič absorbuje venkovní vzduch a prochází ho vodou nasycenými polštářky, čímž snižuje teplotu vzduchu odpařováním vody.^[6]

Lze jej rozdělit:

Přímo

Tato metoda odpařuje vodu, která by pak cestovala přímo do proudu vzduchu a vytvářela malou formu vlhkosti. Obvykle vyžaduje slušné množství spotřeby vody, aby bylo možné správně snížit teplotu okolí.

Nepřímý

Tato metoda odpařuje vodu do druhého proudu vzduchu a poté ji prochází tepelným výměníkem, čímž se sníží teplota hlavního proudu vzduchu bez přidání vlhkosti. Ve srovnání s přímými odpařovacími chladiči vyžaduje pro provoz a snížení teploty mnohem menší spotřebu vody.^[2]

Další aplikace

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

Termoelektrický generátor (TEG)

The termoelektrický generátor, nebo TEG, je zdroj energie, který byl nedávno experimentován za účelem testování jeho životaschopnosti při udržování aktivního chlazení. Jedná se o zařízení, které využívá Seebeckův efekt přeměnit tepelnou energii na elektrickou energii. Aplikace zdroje energie se běžněji 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 a Malina PI3, malý jednodeskový počítač vybavený ventilátorem napájeným TEG a byl srovnáván s dalším napájeným komerčním pasivním chladičem. V průběhu výzkumu bylo sledováno a zaznamenáváno napětí, výkon a teplota v obou Raspberry PI. Data ukázala, že v průběhu srovnávacího testu se Raspberry PI3 napájený TEG stabilizoval na teplotu o několik stupňů Celsia nižší než pasivní chlazení Raspberry PI3. Síla vyrobená TEG byla také analyzována, aby se změřila možnost, že ventilátor má soběstačné schopnosti. V současné době použití pouze TEG k napájení ventilátoru nestačí k tomu, aby byl zcela soběstačný, protože mu chybí dostatek energie pro počáteční spuštění ventilátoru. Ale s implementací akumulátoru energie by to bylo možné.

Výroba energie TEG se udává jako:

${ displaystyle P_ {TEG} rightarrow {fanairflow over fanpower} rightarrow sum R_ {Thermal} rightarrow bigtriangleup T_ {TEG} rightarrow P_ {TEG}}$

kde ${ displaystyle P_ {TEG}}$ je síla generovaná TEG, ${ displaystyle R_ {termální}}$ je tepelný odpor a ${ displaystyle T_ {TEG}}$ je teplota od TEG.

Na základě výsledku se ukázalo, že aktivní chlazení termoelektrického generátoru účinně snižuje a udržuje teploty srovnatelné s komerčním využitím pasivních chladičů.^[7][8][9]

Aktivní chlazení s téměř ponorem (NIAC)

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

V experimentu do roku 2020 chtěli vědci objevit proveditelnost použití NIAC a otestovat jeho chladicí schopnosti. NIAC využila chladicí kapalinu, která obklopuje WAAM v pracovní nádrži, a zvýšila hladinu vody při ukládání kovu. Přímý kontakt s kapalinou umožňuje rychlý odběr tepla z WAAM a snížení teploty o značné množství. Experiment porovnával účinnost zmírňující teploty generované WAAM mezi přirozeným chlazením, pasivním chlazením a aktivním chlazením téměř při ponoření. Přirozené chlazení používá vzduch, pasivní chlazení používá chladicí kapalinu, která zůstává na pevné úrovni, a NIAC používá chladicí kapalinu, která stoupá na základě působení WAAM.

K měření proveditelnosti použití NIAC byly použity následující testy: termická analýza, geometrická kvalita, hodnocení pórovitosti a mechanické vlastnosti. V termické analýze došlo k výraznému rozdílu mezi teplem mezi NIAC a ostatními typy chlazení, přičemž NIAC chlazení bylo technologií mnohem rychlejší. Pro geometrickou kvalitu stěn měl NIAC nejtenčí a nejvyšší stěnu, která vykazuje vysokou životnost WAAM při použití aktivního chlazení. Posouzení pórovitosti ukázalo, že aktivní chlazení obsahovalo nejnižší úroveň pórovitosti. Vysoká úroveň pórovitosti indukuje 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 zjištěno, že použití NIAC je platnou možností a je srovnatelné s konvenčními způsoby chlazení, jako je pasivní a přirozené chlazení.^[10][11][12]

Srovnání s pasivním chlazením

Aktivní chlazení se obvykle porovnává s pasivním chlazením v různých situacích, aby se zjistilo, který poskytuje lepší a efektivnější způsob chlazení. Oba jsou životaschopné v mnoha situacích, 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 pro svůj provoz mnoho energie, ale místo toho využívá přirozeného chlazení, jehož chlazení po delší dobu trvá déle. 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 produkci tepla z technologie a důsledně ji udržovat. Některé systémy aktivního chlazení také obsahují možnost být soběstačné, jak ukazuje aplikace termoelektrického generátoru ve srovnání s pasivním chlazením, kde je vysoce závislé na přirozených provozních prostředcích.^[8][11]

Nevýhody

Problémy s aktivním chlazením ve srovnání s pasivním chlazením jsou hlavně finanční náklady a spotřeba energie. Díky vysokému energetickému požadavku aktivního chlazení je mnohem méně energeticky efektivní a méně nákladově efektivní. V rezidenčním prostředí aktivní chlazení obvykle spotřebovává 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, který negativně ovlivňuje globální klima.^[2] Ve srovnání s aktivním chlazením se pasivní chlazení více používá v místech s průměrnými nebo nízkými teplotami.

Viz také

• Chlazení

Reference