HXD3C型機車牽引-輔助變流器冷卻系統(tǒng)傳熱特性數(shù)值研究

李　莎， 韓建寧， 武彩生， 劉志敏

(中車永濟電機有限公司　技術(shù)中心， 陜西西安 710016)

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HXD3C型機車牽引-輔助變流器冷卻系統(tǒng)傳熱特性數(shù)值研究

李莎， 韓建寧， 武彩生， 劉志敏

(中車永濟電機有限公司技術(shù)中心， 陜西西安 710016)

以HXD3C型機車為例，針對其牽引-輔助變流器冷卻系統(tǒng)的傳熱特性進行了數(shù)值分析，數(shù)值結(jié)果表明，其他條件不變時，增加水泵流量或冷卻風機流量時，系統(tǒng)總換熱量增大；在其他條件不變時，提高水冷基板進口溫度，系統(tǒng)總換熱量隨之增加；在其他條件不變時，提高環(huán)境溫度，系統(tǒng)的換熱能力減弱。在系統(tǒng)總換熱量保持不變時，系統(tǒng)阻力隨水泵流量增加而增加；提高水冷基板進口溫度，致使系統(tǒng)水泵流量減小并伴隨水冷基板出口溫度增加。從中獲得冷卻系統(tǒng)各部件傳熱特性的變化規(guī)律，從而對后續(xù)牽引-輔助變流器的冷卻系統(tǒng)設計及部件選型提供依據(jù)和技術(shù)支撐。

工程熱物理； 傳熱特性； 牽引-輔助變流器； 冷卻系統(tǒng)； 數(shù)值研究

牽引-輔助變流器是交流傳動系統(tǒng)的重要組成部分，在牽引-輔助變流器的正常工作中，變流器中的功率模塊(含有IGBT、二極管等電子器件)會產(chǎn)生一定的熱量，如果這些熱量不能及時有效地散發(fā)出去，就會使功率模塊的效率大大降低，甚至導致電子器件損壞，使變流器無法正常工作。為解決牽引-輔助變流器中功率模塊的散熱問題，以及充分利用變流器中功率模塊的輸出功率，必須對功率器件進行冷卻以提高系統(tǒng)效率。

Howes等人[1]以VDF為工質(zhì)對IGBT進行了冷卻研究，結(jié)果顯示散熱效果遠遠高于空氣冷卻。Steiner等人[2]研究發(fā)現(xiàn)水的換熱性能要優(yōu)于電絕緣液體，且單相液體強制換熱相比于沸騰換熱易于控制且換熱性能較好。郭洪衛(wèi)[3]等對裝載機上用水冷散熱器取代風冷散熱器的優(yōu)勢進行了相應的研究，使裝載機日作業(yè)率由86.5%提高到了96%。謝旭良等[4]對正方形截面擾流柱交錯布置的水冷散熱器進行了三維層流流動與換熱的數(shù)值模擬，結(jié)果表明雷諾數(shù)為200～2000的范圍內(nèi)，擾流柱的存在有效提高了散熱效果，但同時也增大了流動阻力系數(shù)。劉衍平等[5]用ANSYS/FLOTRAN對耗散功率為4～6 kW的水冷散熱器進行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示采用水冷強迫對流散熱對解決大功率元件的散熱問題具有普遍意義。Gillot等人[6]用實驗的方法將IGBT夾在兩塊銅板中，并對其液體冷卻換熱效果進行了實驗研究和分析，并取得了較好的散熱效果。本文采用液態(tài)冷卻實驗方法與數(shù)值方法相結(jié)合對HXD3C型機車牽引-輔助變流器冷卻系統(tǒng)的傳熱特性進行研究，并分析其強化傳熱的主要機理，為進一步強化和改進牽引-輔助變流器冷卻系統(tǒng)設計奠定基礎(chǔ)。

1　幾何模型及數(shù)學描述

1.1研究對象

如圖1所示為HXD3C型機車牽引-輔助變流器冷卻系統(tǒng)的物理模型。其主要由水冷基板、熱交換器、冷卻風機、水泵、相關(guān)配套管道及其他輔助設施組成，采用多級串聯(lián)式布置。變流器功率模塊中電力電子器件產(chǎn)生的熱量通過功率模塊中的冷卻基板與循環(huán)流過功率模塊的水冷卻液進行熱量交換，水泵作為水冷卻的循環(huán)動力，將進行熱量交換的冷卻液通過水分配器的進水口抽入到空氣-水熱交換器中，然后從水分配器的出水口將水冷卻液抽回到水泵，依次不斷循環(huán)。為了達到更好的冷卻效果，熱交換器通過其上方的冷卻風機進行強制風冷。

圖1　水冷卻系統(tǒng)的原理示意圖

HXD3C型機車牽引-輔助變流器功率模塊為7個，經(jīng)簡化后，冷卻系統(tǒng)循環(huán)如圖2所示。7個水冷基板、泵與熱交換器組成系統(tǒng)的熱循環(huán)，風扇通過與熱交換器耦合帶走循環(huán)系統(tǒng)中的熱量。對本循環(huán)系統(tǒng)進行散熱原理分析時做出了幾點假定。(1) 本循環(huán)系統(tǒng)認為熱量均從散熱器與風扇的耦合過程中被帶走，實際系統(tǒng)中通過管道、元器件等零件的表面帶走的熱量忽略不計；(2) 水泵僅提供冷卻液的壓頭，其提供的溫差忽略不計；(3) 由于管道彎頭在實際安裝中的不確定性，本循環(huán)系統(tǒng)的壓降只計算水冷基板和熱交換器冷卻液側(cè)，忽略其管道帶來的壓損和熱交換器空氣側(cè)壓降。

圖2　冷卻系統(tǒng)循環(huán)計算區(qū)域示意圖

1.2控制方程

為了不使數(shù)值分析過于復雜，特做如下假設[7]：(1)流體和管道及發(fā)熱元器件的物性為常數(shù)；(2)流動為不可壓縮的層流；(3)流動和傳熱是穩(wěn)定狀態(tài)；(4)忽略流動的黏性耗散。在此基礎(chǔ)上，流體流動和傳熱在計算區(qū)域中的基本控制方程可以表示如下：

(1)

(2)

(3)

式中ρ為密度;μ為動力黏度;p為壓力;ui為速度矢量。

1.3參數(shù)定義

努歇爾數(shù)以及雷諾數(shù)定義為：

(4)

壓力損失[8]定義：

(5)

2　系統(tǒng)數(shù)值分析

2.1介質(zhì)流量

冷卻裝置散熱器傳熱基本方程：

(6)

式中Q為計算傳熱量；K為總傳熱系數(shù)；F為散熱面積；Δt為換熱器的平均溫度差。Qw為水側(cè)放熱量；cpw為冷卻水比熱；ρw為冷卻水密度；Vw為冷卻水流量；Δtw為冷卻水進出口溫差。Qa為空氣側(cè)吸熱量；cpa為空氣比熱；ρa為空氣密度；Va為空氣流量；Δta為空氣進出口溫差。

其中：Q=Qw=Qa。

在數(shù)值研究之前，冷卻系統(tǒng)中散熱器的流動與傳熱特性試驗數(shù)據(jù)已經(jīng)被測試過。通過在相同條件下試驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的分析對比，從圖3中可以看出，冷卻液側(cè)進口溫度的最大誤差為2.51%，空氣側(cè)出口溫度最大誤差為4.85%，并且系統(tǒng)總換熱量最大誤差不超過11.38%。從而驗證了本文中該數(shù)值分析方法的合理可行性。

圖3　試驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比

3　數(shù)值結(jié)果分析

本文重點對HXD3C型機車牽引-輔助變流器冷卻系統(tǒng)的流量、溫度、系統(tǒng)阻力和總換熱量系統(tǒng)的散熱規(guī)律研究分析。通過對該循環(huán)系統(tǒng)各部件的性能參數(shù)的分析對比，確定性能參數(shù)對各部件的影響程度。

3.1水泵流量變化

在水冷基板進口溫度為55 ℃，空氣側(cè)進口溫度42 ℃，風機流量6.5 m3/s不變的情況下，調(diào)節(jié)水泵流量從10～14 m3/h，對此進行數(shù)值模擬，分析其對流動及換熱的影響。如圖4所示，在確定水冷基板進口溫度、冷卻風機流量不變時，增加流量Ql，水冷基板的出口溫度下降；熱交換器的空氣側(cè)出口溫度升高，總換熱量Qtotal增大，換熱效果增強。

3.2冷卻風機流量變化

在水泵流量為13.5 m3/h，水冷基板進口溫度為55 ℃，空氣側(cè)進口溫度42 ℃不變的情況下，調(diào)節(jié)冷卻風機流量5.5～9.5 m3/s。如圖5中所示，在確定水冷基板進口溫度、水泵流量不變時，增加冷卻風機流量Qa，冷卻液側(cè)的進口溫度則越大，總換熱量增大，反映了水冷基板的容許發(fā)熱量也越大。

圖4　HXD3C水泵流量的變化對溫度和總換熱量的影響

圖5　HXD3C冷卻風機流量的變化對溫度和總換熱量的影響

3.3水冷基板進口溫度變化

在水泵流量為13.5 m3/h，空氣側(cè)進口溫度42 ℃，冷卻風機流量6.5 m3/s不變的情況下，改變水冷基板進口溫度53.5℃～57.5 ℃。如圖6表示，在確定冷熱兩側(cè)流量均不變時，提高水冷基板的進口溫度Tpin，由于冷卻風機流量一定，該側(cè)換熱能力有限，導致水冷基板出口溫度上升。水冷基板的平均溫度升高，但總換熱量也隨之增加。由于該種狀況在實際中難以實現(xiàn)和控制，系統(tǒng)換熱效果會根據(jù)設定增加或減小。

圖6　HXD3C水冷基板進口溫度變化對溫度和總換熱量的影響

3.4換熱器空氣側(cè)進口溫度變化

在水泵流量為13.5 m3/h，水冷基板進口溫度55℃，冷卻風機流量6.5 m3/s不變的情況下，改變空氣側(cè)進口溫度35℃～45 ℃。由圖7可知，在確定冷熱兩側(cè)流量和水冷基板進口溫度均不變時，提高換熱器空氣側(cè)進口溫度Tain，即環(huán)境溫度升高。為了保持水冷基板的進口溫度不變，其要求換熱器冷卻液側(cè)出口溫度在降低，其總換熱量減小。因此，環(huán)境溫度的升高將導致系統(tǒng)換熱效果變差。

圖7　HXD3C換熱器空氣側(cè)進口溫度變化對換熱特性的影響

3.5系統(tǒng)總換熱量不變的情況下，水泵流量變化

在冷卻風機流量6.5 m3/s，空氣側(cè)進口溫度42℃時，總換熱量不變的前提下水泵流量10～14 m3/h變化與換熱特性的關(guān)系，如圖8所示。由此換熱特性關(guān)系可以得知，冷卻系統(tǒng)的液側(cè)流量Qpl增加，可以達到水冷基板的進出口溫度同時下降的效果。另一方面，系統(tǒng)阻力也隨著流量的增加而增大，其也要求水泵的壓頭增大。

3.6系統(tǒng)總換熱量不變的情況下，水冷基板進口溫度變化

在冷卻風機流量6.5 m3/s，空氣側(cè)進口溫度42℃時，總換熱量不變的前提下水冷基板進口溫度55℃～60℃變化與換熱特性的關(guān)系，如圖9所示。由此可以得知，總換熱量不變的前提下，水冷基板進口溫度Tpin增加時，需帶走等量的熱量，該種工況下所需冷卻液流量減小，同時伴隨水冷基板出口溫度的增加。

圖8　HXD3C系統(tǒng)總熱量不變時，水泵流量變化對換熱特性的影響

圖9　HXD3C系統(tǒng)總熱量不變時，水冷基板進口溫度的變化對傳熱特性的影響

4　結(jié)　論

通過對HXD3C型機車牽引-輔助變流器的冷卻系統(tǒng)合理簡化的分析，其數(shù)值結(jié)果表明，其他條件不變時，增加水泵流量或冷卻風機流量時，系統(tǒng)總換熱量增大；在其他條件不變時，提高水冷基板進口溫度，系統(tǒng)總換熱量隨之增加；在其他條件不變時，提高環(huán)境溫度，系統(tǒng)的換熱能力減弱。在系統(tǒng)總換熱量保持不變時，系統(tǒng)阻力隨水泵流量增加而增加；提高水冷基板進口溫度，系統(tǒng)水泵流量減小并伴隨水冷基板出口溫度增加。通過改變系統(tǒng)各參數(shù)研究其換熱規(guī)律并得出參數(shù)的影響規(guī)律，從而對今后牽引-輔助變流器的冷卻系統(tǒng)中各部件

選型提供依據(jù)。

[1]Howes J C, Levett D B, Wilson S T, et al. Cooling of an IGBT drive system with vaporizable dielectric fluid (VDF) [C]. 24nd IEEE. SEMI-THERM Symposium. San Jose, CA, 2008: 9-15.

[2]Steiner T, Sittig R. IGBT module setup with integrated micro-heat sinks [C]. IEEE ISPSD, Toulouse, France, 2000:209-212.

[3]郭洪衛(wèi),劉憲坤,趙錦玲.水冷散熱器取代風冷散熱器的探討[J].山東冶金,2002,24(4):8-9.

[4]謝旭良,陶文銓,何雅玲.水冷散熱器傳熱與阻力特性的數(shù)值模擬[C].中國工程熱物理學會第11屆學術(shù)會議論文集，2005:1175-1178.

[5]劉衍平,高新霞.大功率電子器件散熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬[J]. 電子器件,2007,30(2): 608-611.

[6]Gillot C, Schaeffer C, Massit C, et al. Double-sided cooling for high power IGBT modules using flip chip technology [J]. IEEE Trans. Compon. Packag. Manuf. Technol. 2001, 24(4): 698-704.

[7]楊世銘,陶文銓.編著.傳熱學(第四版)[M]. 北京.高等教育出版社,2006.

[8]中國石化集團上海工程有限公司.換熱器[M].化學工業(yè)出版社,2008.

Numerical Study of Heat Transfer Characteristics of Converter’s Cooling System with HXD3C Electric Locomotive

LISha,HANJianning,WUCaisheng,LIUZhimin

(Technical Center, CRRC Yongji Electric Co., Ltd., Xi’an 710016 Shaanxi,China)

Take HXD3C electric locomotive as an example, the numerical studied the heat transfer characteristics of converter's cooling system. The investigation involved the parameters effect of the cooling system on heat transfer characteristics and obtained the influence results of the parameters, the numerical results can be used to provide the basis for the design of cooling system of the converter.

engineering thermal physics；heat transfer characteristics；converter；cooling system；numerical study

1008-7842 (2016) 03-0125-05

女，助理工程師(

2015-12-18)

U266.1.3

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.28