FEST21 tudengivormeli jahutusplaadi projekteerimine ja tootmine

Lähtudes tudengivormeli võistlussarja reeglitest ja FEST21 jahutussüsteemi kontseptsioonist projekteeriti kontrollerile uued jahutusplaadid. Kuna FEST20 ja FEST21 jahutusüsteemi kontseptsioonid on sarnased, siis eesmärk oli disainida uusimale vormelile efektiivsemad jahutusplaadid. Võrdluse aluseks on võetud temperatuuri, rõhulangu ja massi parameetrid. Termodünaamika seaduste ja seda mõjutava geomeetria uurimisel toodi välja põhilised tegurid, mis mõjutavad jahutusplaadi soojusvahetust. Toetudes nendele teadmistele projekteeriti raalprojekteerimis tarkvaras jahutusplaadi mudel. Sobiliku lahenduse leidmiseks disainiti parameetriline mudel, et võimaldada lihtne ja mugav detaili uuendamine läbi parameetriliste arvväärtuste muutmise. Kõige rohkem muudatusi esines sisemise geomeetriaga seoses. Kokkuvõttes mitmete simulatsioonidega selgitati välja kõige optimaalsem sisemise geomeetria kombinatsioon.

Kompaktse jahutusplaadi lahenduseks sobis kõige paremini lainelise V-kujulise geomeetria ja mitme kanali lahenduse kombinatsioon. Olid sooritatud mitmed simulatsioonid sobiliku lahenduse leidmiseks. Analüüside käigus selgus, et V-kujuga laineline geomeetri soodustab head konvektsiooni tekitades vedeliku osakeste turbulentset liikumist. Sisemise geomeetria jagamine mitmeks kanaliks parandas jahutusplaadi rõhulangu ja jaotas paremini kuumuse pindala suhtes. Kokkuvõttes lõpliku lahendusega simulatsiooni tulemused oli paremad kui eelneva aasta tudengivormeli jahutusplaadi omad.

FEST21 vormelile toodeti neli uut jahutusplaati. Tootmisel kasutati 3D-printimis tehnoloogiat. Võistlus perioodil ei ilmunud probleeme jahutusplaatidega. Vormeli jahutussüsteem suutis tagada efektiivset jahutust ja võistlustel näidati edukaid tulemusi kestvussõidul. Üldiselt FEST21 vormel oli 2021 aasta võistlusperioodil edukas ja saavutas mitmeid võite.

Lõputöö käigus disainitud lahendus võib olla kasulikud valdkondades, kus on vaja jahutada suure võimsusega ja soojusvooga süsteeme. Tasub pidada meeles, et jahutussüsteem koosneb paljudest komponentidest, mis mõjutavad üksteist. Antud jahutussüteemi puhul sobilik jahutusplaadi disaini lahendus ei pruugi sobida teissuguse kontseptsiooniga süsteemis.

Based on the rules of the student formula competition series and the concept of the FEST21 cooling system, new cooling plates were designed for the controller. As the concepts of the FEST20 and FEST21 cooling systems are similar, the goal was to design more efficient cooling plates for the current formula. The comparison is based on the parameters of temperature, pressure drop and mass. The study of the laws of thermodynamics and the geometry affecting it revealed the main factors influencing the heat transfer of the cooling plates. Based on this knowledge, a cooling plate model was designed in computer-aided design software. In order to find a suitable solution, a parametric model was designed to allow easy and convenient updating of the part by changing the parametric numerical values. Most changes was related to internal geometry. In summary, the most optimal combination of internal geometry was determined by several simulations. For a compact cooling plate the best suited solution is chevron angle geometry and multiple channel combination solution. Several simulations were performed to find a suitable solution. The analyze simulations revealed that the chevron angle geometry promotes good convection by causing turbulent movement of fluid particles. Dividing the internal geometry into multiple channels improved the cooling plate pressure drop and distributed heat over the surface area. In conclusion, the results of the simulation with the final solution were better than those of the cooling plate of the previous year's student formula. Four new heat sinks were produced for the FEST21 formula. In the production was used the 3D printing technology. There were no problems with the cooling plates during the competition periood. The formula's cooling system was able to ensure efficient cooling and the race showed successful results in endurance racing. In general, the FEST21 formula was a success in the 2021 competition period and achieved many victories. The solution designed during the thesis can be useful in areas where high power and heat flow systems need to be cooled. It is worth remembering that the cooling system consists of many components that affect each other. In this thesis, a suitable heat sink design solution for a cooling system may not be suitable for a system with a different concept.