In de nasleep van de explosie van de Samsung Galaxy Note 7 in 2016 wordt het belang van warmteoverdracht en efficiënte vintechnologie om het probleem van oververhitting van de batterij op te lossen besproken, en wordt het ontwerp en de koeling van mechanische componenten gedetailleerd beschreven.
Lang geleden, in 2016, ontplofte de Samsung Galaxy Note 7 en onlangs werd hem afgeraden deze te gebruiken vanwege de gevaren ervan. Het incident veroorzaakte schokgolven over de hele wereld en leidde tot veel discussie en onderzoek naar de veiligheid van elektronische apparaten, met name de veiligheid van batterijtechnologie, wat ertoe heeft geleid dat veel bedrijven zich inzetten om de veiligheid van hun producten te garanderen. Hoewel de exacte oorzaak van de explosie onbekend is, is de meest waarschijnlijke oorzaak oververhitting van de batterij. Oververhitting van de batterij wordt veroorzaakt door een slechte warmteoverdracht naar buiten. Bij het ontwerpen en bouwen van mechanische componenten is het belangrijk om rekening te houden met deze warmteoverdracht. In dit artikel geven we een basisuitleg van warmteoverdracht en een korte introductie tot vinnen, die efficiënt zijn in het vergroten van de warmteoverdracht.
Wat is warmteoverdracht? Om deze vraag te beantwoorden: warmteoverdracht is de beweging van thermische energie als gevolg van een temperatuurverschil, wat betekent dat warmte wordt overgedragen wanneer er een temperatuurverschil is binnen of tussen twee media. Er zijn drie manieren waarop warmte kan worden overgedragen: geleiding, convectie en straling. Geleiding is de overdracht van warmte door een stationair medium, zoals een vaste stof of vloeistof, wanneer daarin een temperatuurgradiënt bestaat. Wanneer u bijvoorbeeld het ene uiteinde van een metalen staaf verwarmt, wordt warmte via het metaal naar het andere uiteinde overgedragen, wat geleiding is. Convectie is de warmteoverdracht die plaatsvindt tussen oppervlakken met verschillende temperaturen en een bewegende vloeistof. Wanneer u bijvoorbeeld water in een pan kookt, wordt de warmte overgedragen door de circulatie van het water. Straling is warmteoverdracht die plaatsvindt tussen oppervlakken met verschillende temperaturen, zonder tussenkomst van medium. De overdracht van zonne-energie naar de aarde via de ruimte is een goed voorbeeld van straling. Om te voorkomen dat mechanische componenten oververhit raken, moet de warmteoverdracht tussen het component en de externe vloeistof goed zijn. Vervolgens bekijken we hoe warmte wordt overgedragen en hoe deze wordt gekoeld in de context van de productie van mechanische componenten. Bij geleiding, convectie en straling is de warmteoverdracht als gevolg van straling van weinig belang, omdat deze verwaarloosbaar is in vergelijking met de warmteoverdracht als gevolg van geleiding en convectie. Daarom zullen we het niet bespreken.
Geleiding kan worden gezien als de overdracht van energie van actievere deeltjes naar minder actieve deeltjes in een stof door interacties tussen deeltjes. De vergelijking voor de warmteoverdrachtssnelheid als gevolg van warmtegeleiding is de wet van Fourier. Deze wet stelt dat de snelheid van warmteoverdracht als gevolg van warmtegeleiding evenredig is met de thermische geleidbaarheid, het dwarsdoorsnedeoppervlak en het temperatuurverschil, en omgekeerd evenredig met de afstand (richting van de warmteoverdracht).
Convectie is de overdracht van energie door onregelmatige moleculaire beweging of diffusie. In een verwarmingssysteem is de warme lucht die door een kamer circuleert en warmte overdraagt bijvoorbeeld een vorm van convectie. Op dezelfde manier is er een vergelijking voor de warmteoverdrachtssnelheid als gevolg van convectieve warmteoverdracht, de wet van Newton van koeling, die stelt dat de warmteoverdrachtssnelheid evenredig is met de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt, het dwarsdoorsnedeoppervlak en het temperatuurverschil.
Op basis van deze twee wetten zijn er drie belangrijke manieren om de warmteoverdrachtssnelheid te verhogen om een oververhit mechanisch onderdeel efficiënt te koelen. Verhoog eerst de thermische geleidbaarheid en de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt; ten tweede, verhoog het temperatuurverschil tussen het onderdeel en de externe vloeistof; en ten derde: vergroot het dwarsdoorsnedeoppervlak. Omdat thermische geleidbaarheid en convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt eigenschappen zijn van het materiaal zelf, kan het vergroten ervan worden gedaan door het mechanische onderdeel van betere materialen te maken. Hieraan hangt echter een prijskaartje. Het vergroten van het temperatuurverschil tussen het onderdeel en de externe vloeistof vereist het verlagen van de temperatuur van de externe vloeistof, wat ook moeilijk is omdat de kamertemperatuur constant is, behalve in speciale gevallen. Aan de andere kant kunt u de warmteoverdrachtssnelheid eenvoudig verhogen door het dwarsdoorsnedeoppervlak te vergroten. Het uitgezette oppervlak wordt een vin genoemd.
Overal om je heen vind je vinnen. Denk hierbij aan de motorbehuizingen of radiateurs van motorfietsen en grasmaaiers. Er zijn veel verschillende vormen die gemaakt kunnen worden: recht, ringvormig en vinnen (ruggengraatachtig). De keuze voor deze vormen wordt bepaald door volume, gewicht, productieomstandigheden en kosten. Het belangrijkste aspect van een scharnier zijn de prestaties. Er bestaat geen eenvoudige formule voor de prestaties van een scharnier; het wordt berekend met behulp van verschillende omstandigheden aan het einde van het scharnier, en uit de resultaten kunnen trends worden afgeleid. Als algemene vuistregel geldt: hoe dunner en verder uit elkaar geplaatst het scharnier, hoe beter de prestaties, zolang de opening tussen het scharnier en de pin niet zo smal is dat ze elkaar hinderen. Gezien de thermische geleidbaarheid, het gewicht en de prijs van de vinnen worden ook aluminiumlegeringen het meest gebruikt.
Dit is een basisuitleg van warmteoverdracht en een korte introductie tot vinnen. Vinnen worden meestal gebruikt om componenten te maken waarbij oververhitting problemen kan veroorzaken met de werking van het onderdeel. Ze zijn met name essentieel in een verscheidenheid aan industrieën waar warmte efficiënt moet worden beheerd, zoals de luchtvaart, de automobielsector, de elektronica en meer. Als zodanig is warmteoverdracht een belangrijke factor bij het creëren van veilige mechanische onderdelen. Het is essentieel om te overwegen hoeveel een onderdeel kan oververhitten en of het voldoende kan afkoelen om te voorkomen dat het kapot gaat. Hoewel de recente technologische vooruitgang heeft geleid tot de ontwikkeling van een grote verscheidenheid aan machines, is het belangrijk om je niet voor de gek te laten houden door nieuwe functies en technologieën, maar om fundamentele veiligheidsfactoren in overweging te nemen om een herhaling van de explosie van mobiele telefoons te voorkomen. Bovendien zijn deze technologische uitdagingen en veiligheidsmaatregelen belangrijke lessen voor toekomstige technologische vooruitgang.
