Modellierung und Analyse der thermo-fluiddynamischen Vorgänge in Schaltschränken unter Berücksichtigung von Wärmestrahlung und Entropieproduktion

Abstract

Durch die fortschreitende Miniaturisierung der Elektronikkomponenten sind thermische Probleme eine Hauptursache für den Ausfall von Schaltschränken in der Fertigungstechnik. Um dieser Problematik zu begegnen, befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Modellierung und Simulation von thermo-fluiddynamischen Vorgängen in Schaltschränken. Zu diesem Zweck wird die Open Source CFD-Bibliothek OpenFOAM angewendet und weiterentwickelt. Die turbulente Luftströmung im Schaltschrank wird mit dem SST-Modell modelliert, wobei zwei unterschiedliche Produktionsterme für Auftrieb untersucht werden. Neben Randbedingungen für die Klimatechnik werden Wandfunktionen für erzwungene Konvektionsströmungen implementiert. Zur Berechnung der Wärmestrahlung wird ein Sichtfaktormodell verwendet. Die hierfür erforderlichen Sichtfaktoren werden mit Hilfe eines neu-entwickelten Monte-Carlo-Verfahrens ermittelt. Um die Genauigkeit und die numerischen Eigenschaften der Sichtfaktormatrix zu verbessern, wird ein Glättungsverfahren implementiert. Zur Validierung der Teilmodelle werden Testfälle aus der Literatur verwendet, wobei eine gute Übereinstimmung erzielt wird. Durch einen Vergleich mit Temperaturmessdaten, die an verschiedenen Positionen in einem Laborprüfstand erfasst werden, wird das Gesamtmodell verifiziert. Es wird dabei sowohl der Betrieb bei freier Kühlung als auch der Betrieb mit Klimatechnik untersucht. Die maximale Abweichung zwischen Messungen und Simulationen liegt im Bereich von 3.6 K. Es zeigt sich, dass beim untersuchten Schaltschrank bei freier Kühlung ca. 50 % des Wärmestroms von den elektronischen Bauteilen durch Strahlung übertragen wird. Um den Schaltschrank-Betrieb energetisch zu optimieren, wird neben den Strömungsgrößen die lokale Entropieproduktion im Schaltschrank untersucht. Die Gleichungen für die lokale Entropieproduktion durch irreversible Wärmeleitung und Dissipation mechanischer Energie werden der Literatur entnommen und in OpenFOAM implementiert. Die Gleichungen für die Entropieproduktion durch Wärmestrahlung werden für das Sichtfaktormodell hergeleitet und ebenfalls implementiert. Anhand von Betriebssituationen mit und ohne Klimatechnik werden Optimierungspotentiale aufgezeigt und dadurch der praktische Nutzen der Methodik demonstriert. Es zeigt sich, dass die lokale Entropieproduktion einen tiefen Einblick in die Strömungs- und Wärmeübertragungsprozesse ermöglicht und dadurch wertvolle Informationen liefern kann.