Активные системы охлаждения: принципы, применение и современные разработки.
Active cooling
Активное охлаждение: принципы работы, типы систем и энергопотребление. Эффективный отвод тепла в электронике и зданиях. Охлаждение с использованием энергии.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Активное охлаждение — это механизм снижения тепловыделения, который обычно используется в электронных устройствах и зданиях для обеспечения эффективного отвода и циркуляции тепла. В отличие от пассивного охлаждения, активное охлаждение полностью зависит от потребления энергии для своей работы. Оно использует различные механические системы, потребляющие энергию для рассеивания тепла. Обычно оно применяется в системах, которые не могут поддерживать необходимую температуру только за счет пассивных методов. Активные системы охлаждения обычно питаются от электричества или тепловой энергии, но некоторые могут работать на солнечной или даже гидроэнергии. Для надежной работы и предотвращения повреждений оборудования такие системы требуют регулярного обслуживания и должны быть устойчивыми. К распространенным областям применения коммерческих активных систем охлаждения относятся кондиционеры, компьютерные вентиляторы и тепловые насосы.
Active cooling is a heat reducing mechanism that is typically implemented in electronic devices and indoor buildings to ensure proper heat transfer and circulation from within. Unlike its counterpart passive cooling, active cooling is entirely dependent on energy consumption in order to operate. It uses various mechanical systems that consume energy to dissipate heat. It is commonly implemented in systems that are unable to maintain their temperature through passive means. Active cooling systems are usually powered through the use of electricity or thermal energy but it's possible for some systems to be powered by solar energy or even hydroelectric energy. They need to be well maintained and sustainable in order for them to perform its necessary tasks or the possibility of damages within objects could occur. Various applications of commercial active cooling systems include indoor air conditioners, computer fans, and heat pumps.
Компрессионные тепловые насосы
Будучи более популярным из двух вариантов, компрессионные тепловые насосы работают за счет использования цикла хладагента. Парообразный хладагент в воздухе сжимается, повышая свою температуру и образуя перегретый пар. Затем пар проходит через конденсатор и превращается в жидкость, при этом выделяя дополнительное тепло. Проходя через расширительный клапан, жидкий хладагент образует смесь жидкости и пара. По мере прохождения через испаритель образуется парообразный хладагент, который выбрасывается в воздух, возобновляя цикл хладагента.
Being the more popular variant of the two, compression heat pumps operates through the use of the refrigerant cycle. The vapor refrigerant in the air gets compressed while increasing in temperature, creating a superheated vapor. The vapor then goes through a condenser and converts into a liquid form, dispelling more heat in the process. Traveling through the expansion valve, the liquid refrigerant forms a mixture of liquid and vapor. As it passes through the evaporator, vapor refrigerant forms and expels into the air, repeating the refrigerant cycle.
Прямые
Этот метод испаряет воду, которая затем поступает непосредственно в воздушный поток, создавая незначительное повышение влажности. Как правило, для эффективного понижения температуры окружающей среды требуется значительное потребление воды.
This method evaporates the water which would then travel directly into the air stream, producing a small form of humidity. It usually requires a decent amount of water consumption in order to properly lower the temperature of the surrounding area.
Косвенно
Этот метод испаряет воду во второй воздушный поток, а затем пропускает его через теплообменник, понижая температуру основного воздушного потока без повышения влажности. По сравнению с прямоточными испарительными охладителями, он требует значительно меньшего расхода воды для работы и понижения температуры.
This method evaporates the water into a second air stream and then putting it through a heat exchanger, lowering the temperature of the main air stream without adding any humidity. Compared to direct evaporative coolers, it requires much less water consumption to operate and lowering temperature.
Активное охлаждение вблизи погружения (NIAC)
Активное охлаждение с использованием метода близкого погружения (Near Immersion Active Cooling, NIAC) – это технология управления тепловыделением, которая недавно исследовалась для снижения накопления тепла, образующегося при производстве методом Wire + Arc Additive Manufacturing (WAAM), разновидности 3D-печати металлом. NIAC использует охлаждающую жидкость, окружающую деталь WAAM в рабочем резервуаре, и повышает уровень жидкости по мере нанесения металла. Прямой контакт с жидкостью обеспечивает быстрый отвод тепла от детали WAAM, значительно снижая температуру. В эксперименте 2020 года исследователи стремились оценить возможность применения NIAC и проверить его охлаждающие характеристики. Эксперимент сравнивал эффективность снижения температуры, генерируемой WAAM, при естественном, пассивном и активном охлаждении с использованием метода близкого погружения. Естественное охлаждение осуществлялось воздухом, пассивное – охлаждающей жидкостью, поддерживаемой на постоянном уровне, а NIAC – охлаждающей жидкостью, уровень которой изменялся в зависимости от процесса WAAM. Что касается механических свойств: NIAC способствует выравниванию механических характеристик, особенно пластичности, в отличие от естественного и пассивного охлаждения. Исследователи заключили, что NIAC является работоспособным и сопоставим по эффективности с традиционными методами охлаждения, такими как пассивное и естественное охлаждение.
Near Immersion Active Cooling, or NIAC, is a thermal management technique that has been recently researched in an effort to reduce the amount of heat accumulation generated by Wire + Arc Additive Manufacturing, or WAAM (a metal 3 D printing technology). NIAC utilizes a cooling liquid that surrounds the WAAM within a work tank and increases the water level when metal is being deposited. The direct contact with the liquid allows for quick withdrawal of heat from the WAAM, decreasing temperature by a significant amount. In a 2020 experiment, researchers wanted to discover the feasibility of using the NIAC and to test its cooling capabilities. The experiment compared the effectiveness of mitigating temperature generated by the WAAM between natural cooling, passive cooling, and near immersion active cooling. Natural cooling used air, passive cooling used a cooling liquid that stays on a fixed level, and NIAC used a cooling liquid that rises based on the actions of the WAAM. Mechanical properties: NIAC tends to equalize the mechanical properties, especially ductility, in contrast to both natural and passive cooling. They concluded NIAC is viable and comparable to conventional cooling methods such as passive and natural cooling.
Сравнение с пассивным охлаждением
Активное охлаждение обычно сравнивают с пассивным охлаждением в различных ситуациях, чтобы выяснить, какой из методов обеспечивает лучшее и более эффективное охлаждение. Оба подхода применимы во многих случаях, но в зависимости от ряда факторов один из них может оказаться предпочтительнее другого.
Active cooling is usually compared alongside passive cooling in various situations to determine which provides a better and more efficient way of cooling. Both of these are viable in many situations but depending on several factors, one could be more advantageous than the other.
Преимущества
Активные системы охлаждения, как правило, более эффективны в снижении температуры, чем пассивные. Пассивное охлаждение не требует значительных энергозатрат, но использует естественные процессы охлаждения, которые занимают больше времени для достижения результата. В жарком или тропическом климате большинство людей предпочитают активные системы охлаждения из-за их способности быстро понижать температуру. В технологиях они помогают поддерживать оптимальный тепловой режим, предотвращая повреждение или перегрев основных компонентов. Активные системы лучше справляются с балансировкой тепловыделения, обеспечивая стабильную работу оборудования. Некоторые активные системы охлаждения могут быть самодостаточными, как, например, в применении термоэлектрических генераторов, в отличие от пассивных, которые полностью зависят от естественных факторов.
Active cooling systems are usually better in terms of decreasing temperature than passive cooling systems. Passive cooling doesn't utilize much energy for its operation but instead takes advantage of natural cooling, which takes longer to cool over a long period of time. Most people prefer the use of active cooling systems in hot or tropical climates than passive cooling because of its effectiveness in lowering temperature in a short time interval. In technologies, it helps maintain proper thermal conditions, preventing the risk of damages or overheating of the core operation systems. It is able to better balance out the heat generation from the technology, maintaining it in a consistent manner. Some active cooling systems also contain the possibility of being self sustainable as shown in the application of the thermoelectric generator compared to passive cooling where it is highly dependent on natural means to operate.
Недостатки
Проблемы активного охлаждения по сравнению с пассивным охлаждением в основном заключаются в финансовых затратах и энергопотреблении. Высокое энергопотребление активного охлаждения делает его значительно менее энергоэффективным и экономически выгодным. В жилых условиях активное охлаждение обычно потребляет большое количество энергии для обеспечения достаточного охлаждения во всем здании, что увеличивает финансовые расходы. Инженеры должны учитывать, что увеличение энергопотребления также негативно скажется на глобальном климате. В отличие от активного охлаждения, пассивное охлаждение чаще применяется в регионах с умеренными или низкими температурами.
The issues with active cooling compared to passive cooling are mainly the financial costs and energy consumption. Because of active cooling's high energy requirement, it makes it much less energy efficient as well as less cost efficient. In a residential setting, active cooling usually consumes a large amount of energy in order to provide enough cooling throughout the entire building which increases the financial costs. Engineers of the building would need to take in account that an increase in energy consumption would also play a factor in negatively affecting the global climate. Compared to active cooling, passive cooling are more seen being used in places with average or low temperatures.