密閉環(huán)境換熱裝置設(shè)計(jì)及性能研究

陳彥

摘要：為解決某高熱耗密閉設(shè)備散熱問題，設(shè)計(jì)一種高效氣液散熱裝置，其內(nèi)循環(huán)提供冷卻風(fēng)為設(shè)備內(nèi)部電子器件散熱，外循環(huán)冷卻液為內(nèi)循環(huán)風(fēng)降溫帶走系統(tǒng)熱量。通過計(jì)算確定換熱器的流程、翅片數(shù)量、間距等參數(shù)，最終確定氣液換熱裝置結(jié)構(gòu)。針對設(shè)計(jì)的氣液換熱裝置設(shè)計(jì)模擬熱源實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證換熱裝置的熱性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相吻合，表明該換熱裝置設(shè)計(jì)可行，符合技術(shù)要求，設(shè)計(jì)方法可為同類換熱裝置的設(shè)計(jì)提供參考和技術(shù)支撐。

Abstract： In order to solve the heat dissipation problem of a closed equipment with high heat consumption， an efficient gas-liquid heat exchange device was designed. The internal circulation provides cooling air for the heat dissipation of the electronic devices inside the equipment， and the external circulation coolant cools the system for the internal circulation air. The structure of the gas-liquid heat exchanger was determined by calculating the flow， the number of fins， the spacing and other parameters of the heat exchanger. The simulated heat source experiment is designed to verify the thermal performance of the designed gas-liquid heat exchanger. The experimental results are in agreement with the calculated results， indicating that the design of heat exchanger is feasible and meets the technical requirements. The design method can provide reference and technical support for the design of similar heat exchanger.

關(guān)鍵詞：高熱耗;密閉設(shè)備;氣液換熱裝置;熱性能

Key words： high heat consumption;airtight device;gas-liquid heat exchanger;thermal performance

中圖分類號：TH136? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0079-03

0? 引言

針對高溫、高濕、高鹽霧等惡劣使用環(huán)境，電子設(shè)備通常為密閉設(shè)計(jì)，且隨著設(shè)備內(nèi)電子器件的熱耗越來越高，需要采用最實(shí)用、最優(yōu)的冷卻方式進(jìn)行散熱[1]。

目前國內(nèi)密閉設(shè)備散熱解決方案主要有自然散熱、風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷、風(fēng)風(fēng)熱交換換熱、風(fēng)冷源換熱、氣液熱交換換熱等幾種。其中，風(fēng)機(jī)循環(huán)，直接在設(shè)備內(nèi)裝載風(fēng)機(jī)擾動內(nèi)部空氣，將熱量傳導(dǎo)到設(shè)備壁面從而傳導(dǎo)到外界環(huán)境，實(shí)現(xiàn)簡單，但熱阻大，效率低，對于較大功率電子器件冷卻難以勝任。風(fēng)冷源，通過風(fēng)冷源直接給設(shè)備供設(shè)定溫度、濕度的空氣對電子設(shè)備進(jìn)行冷卻，但風(fēng)冷源系統(tǒng)部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大，成本高，可靠性欠缺。風(fēng)風(fēng)熱交換換熱，設(shè)計(jì)一款換熱裝置，內(nèi)循環(huán)風(fēng)為設(shè)備內(nèi)部器件冷卻，外循環(huán)為外界環(huán)境風(fēng)，給設(shè)備內(nèi)循環(huán)風(fēng)冷卻。此方法受環(huán)境溫度影響大，換熱量有限，設(shè)備內(nèi)部熱耗較大時(shí)，難以滿足散熱需求。氣液熱交換換熱，設(shè)計(jì)一款換熱裝置，內(nèi)循環(huán)為循環(huán)冷卻風(fēng)，為設(shè)備內(nèi)電子器件散熱，外循環(huán)采用冷卻液對內(nèi)循環(huán)風(fēng)進(jìn)行冷卻。此方法采用液體冷卻，換熱效率高，換熱量大，保證提供一定溫度范圍內(nèi)的冷卻風(fēng)以實(shí)現(xiàn)對電子設(shè)備的散熱[2-4]。

本文設(shè)計(jì)一種氣液換熱裝置，安裝在密閉設(shè)備殼體，為密閉設(shè)備內(nèi)部電子器件進(jìn)行散熱。

1? 物理模型

如圖1所示，某密閉設(shè)備內(nèi)有大量發(fā)熱的電子設(shè)備/器件，需對其進(jìn)行冷卻散熱。結(jié)合密閉設(shè)備的外形，對氣液換熱裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，一方面確保密閉機(jī)柜的密封性，另一方面提供循環(huán)冷卻風(fēng)對電子器件進(jìn)行散熱冷卻。采用風(fēng)機(jī)作為冷卻風(fēng)循環(huán)的動力，外循環(huán)冷卻液作為熱沉，在換熱器芯體內(nèi)對內(nèi)部循環(huán)空氣進(jìn)行冷卻。

氣液換熱裝置安裝在密閉設(shè)備殼體。由外部供液設(shè)備提供額定溫度、流量和壓力的低溫冷卻液通過供液口水接頭進(jìn)入內(nèi)部管路，流經(jīng)散熱器芯體后從內(nèi)部管路及回液口水接頭流出回到供液設(shè)備，完成液體側(cè)的循環(huán)。機(jī)柜內(nèi)部的濕熱空氣在離心風(fēng)機(jī)的抽吸力下從回風(fēng)口處進(jìn)入氣液換熱裝置內(nèi)，在散熱器芯體中與低溫冷卻液進(jìn)行熱交換，經(jīng)降溫冷卻后的空氣通過氣液換熱裝置的出風(fēng)口送入密閉設(shè)備內(nèi)，提供滿足電子設(shè)備散熱所需的循環(huán)風(fēng)對電子設(shè)備進(jìn)行冷卻，完成空氣側(cè)的循環(huán)[5-7]。

換熱器換熱的核心關(guān)鍵部件為換熱器芯體，如圖2所示，是熱交換的場所，冷熱流體在換熱器芯體中進(jìn)行熱交換。管翅式換熱器、管路排布、翅片參數(shù)對換熱性能與效率影響較大，通過計(jì)算對管翅式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2? 換熱器計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

換熱裝置換熱芯體是核心部件，為熱交換場所，液體側(cè)冷流體在換熱器芯體內(nèi)對內(nèi)循環(huán)冷卻風(fēng)進(jìn)行冷卻。在外形尺寸、接口形式約束下，根據(jù)換熱量、液體側(cè)溫度、流量，風(fēng)量-風(fēng)壓等邊界條件，對換熱裝置芯體進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[8]。

2.1.1 氣體側(cè)參數(shù)計(jì)算

換熱與換熱面積有很大關(guān)系，對氣體側(cè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

管板面積：

式中L總長度，L2垂直芯體管束的長度，L3無流動尺寸，Nt管子總數(shù)，d0管外徑。

主要傳熱面面積：

翅片面積：

式中，σ為自由流動面積與正面面積比，Nf為單位長度的翅片數(shù)。

2.1.2 液體側(cè)參數(shù)計(jì)算

液體側(cè)為銅管，液體在銅管中傳輸，對液體側(cè)相關(guān)傳熱參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

總傳熱面積：

總的最小自由流動面積：

自由流動面積與正面面積比：

式中di為管內(nèi)徑，Nt為管子數(shù)量。

2.1.3 換熱計(jì)算

對流換熱系數(shù)：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m.k）;de為當(dāng)量直徑，m。

傳熱單元數(shù)：

傳熱單元數(shù)NTU定義為總熱導(dǎo)與較小熱容量的

比值。

式中：ε為傳熱效率，Wmin、Wmax分別為最小與最大水當(dāng)量，W/℃，Tci液體側(cè)進(jìn)口溫度、氣體側(cè)進(jìn)口溫度Thi。

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)換熱量、流量、風(fēng)量、溫度、尺寸等約束條件，以2500W換熱量，15L/min供液流量，15℃供液溫度，風(fēng)量650m3/h等參數(shù)為例，應(yīng)用2.1計(jì)算方法得到滿足換熱量要求的管翅式換熱器參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1。

3? 試驗(yàn)研究

針對設(shè)計(jì)的換熱器，設(shè)計(jì)模擬熱源試驗(yàn)驗(yàn)證換熱器性能，驗(yàn)證換熱器換熱設(shè)計(jì)的符合性，試驗(yàn)原理如圖3所示。

3.1 試驗(yàn)方法

如圖3所示搭建測試系統(tǒng)，氣液換熱器與密閉設(shè)備連接，設(shè)備內(nèi)部為待處理的密閉空氣;在設(shè)備內(nèi)部設(shè)置加熱棒（電阻絲）模擬電子設(shè)備發(fā)熱，通過調(diào)節(jié)電阻絲電壓控制加熱功率。熱負(fù)載均勻布置于設(shè)備內(nèi)部，共設(shè)3-4組熱負(fù)載，保證熱耗大于換熱量要求。

在氣液換熱器的回風(fēng)口、出風(fēng)口處設(shè)置溫度傳感器，以監(jiān)測供風(fēng)和回風(fēng)溫度。冷源為供液設(shè)備，用以給氣液換熱器提供一定溫度、壓力、流量的冷卻液。啟動冷源，調(diào)節(jié)供液溫度和流量。啟動氣液換熱器，調(diào)節(jié)設(shè)備內(nèi)的熱負(fù)載（電阻絲）功率，當(dāng)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)穩(wěn)定后，記錄相關(guān)參數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

按3.1試驗(yàn)方法，冷源設(shè)定供液溫度為15℃，按表2所示7個(gè)狀態(tài)調(diào)節(jié)液體側(cè)冷卻液流量。在額定流量狀態(tài)下調(diào)節(jié)模擬熱源的功率，使出風(fēng)溫度穩(wěn)定在23℃，穩(wěn)定狀態(tài)下記錄其它參數(shù)，計(jì)算各個(gè)狀態(tài)下?lián)Q熱量。

3.3 結(jié)果分析

對3.2節(jié)試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各個(gè)狀態(tài)下的換熱量如圖4所示，可以看出換熱量隨著液體側(cè)流量增大而增大，在流量為15L/min時(shí)換熱量為2600W，與設(shè)計(jì)值2500W相當(dāng)，相差4%。在流量>13L/min的情況下，換熱量均大于2.5kW，出風(fēng)溫度<25℃，滿足使用需求。如圖5所示，換熱器流阻隨著流量增加而增加，在流量為15L/min，流阻為0.086MPa，滿足要求。

4? 結(jié)論

本文介紹了一種密閉環(huán)境換熱裝置的設(shè)計(jì)方法，并通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)對散熱裝置的實(shí)際散熱性能進(jìn)行了測試驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表面換熱器換熱量與計(jì)算結(jié)果大體一致，符合技術(shù)要求。通過計(jì)算得到滿足換熱條件的最優(yōu)換熱器結(jié)構(gòu)，校核已知換熱器是否滿足飛行條件的換熱要求，換熱器計(jì)算方法準(zhǔn)確可靠，可為同類換熱器設(shè)計(jì)、開發(fā)提供參考。

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