基于Icepak的電阻冷卻方案研究

張曉鴿,陳本乾,賈艷玲,李 飛,焦洋洋

(1.許繼電氣股份有限公司,河南 許昌 461000;2.許繼集團(tuán)有限公司,河南 許昌 461000)

1 引言

隨著柔性直流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展,柔直換流閥在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。該類(lèi)型換流閥由大量的子模塊級(jí)聯(lián)組成,在子模塊調(diào)試過(guò)程中,對(duì)子模塊進(jìn)行額定加壓是子模塊測(cè)試的重要步驟。低壓加壓測(cè)試裝置作為實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)測(cè)試的專(zhuān)用設(shè)備,在運(yùn)行過(guò)程中,通常需要頻繁承受短時(shí)大電流的加壓和泄壓,該過(guò)程產(chǎn)生的熱量通過(guò)自然散熱已無(wú)法滿(mǎn)足其散熱需求[1]。另外,針對(duì)其結(jié)構(gòu)緊湊且散熱效率要求高的設(shè)計(jì)需求,強(qiáng)迫風(fēng)冷成為柔直換流閥低壓加壓測(cè)試裝置散熱方式之首選[2-3]。

目前已有多位學(xué)者在電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]針對(duì)雷達(dá)天線單元散熱模塊,提出了一種通過(guò)增加風(fēng)機(jī)數(shù)量提升散熱效果的熱設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[5-7]從風(fēng)機(jī)的特性曲線出發(fā),分析了在風(fēng)機(jī)串聯(lián)或并聯(lián)后輸送系統(tǒng)氣源的特性變化,也對(duì)不同類(lèi)型風(fēng)機(jī)串、并聯(lián)效果進(jìn)行了研究。但在緊湊型大功率電力設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方面的研究相對(duì)較少。

本文基于柔直換流閥低壓加壓測(cè)試裝置,旨在研究一種結(jié)構(gòu)緊湊、散熱效果良好的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)方案。首先,梳理出低壓加壓裝置的主要發(fā)熱元件,然后根據(jù)主要發(fā)熱元件的熱功率進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型,并設(shè)計(jì)了3種散熱方案,最后應(yīng)用Icepak軟件分別對(duì)3種方案進(jìn)行了仿真計(jì)算與分析,最終確定了最佳方案。

2 熱設(shè)計(jì)過(guò)程

低壓加壓測(cè)試裝置具體熱設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 熱設(shè)計(jì)具體流程

2.1 分析軟件

本文應(yīng)用三維建模軟件進(jìn)行主要發(fā)熱元件散熱系統(tǒng)建模,并將其以stp格式導(dǎo)入到ANSYS前處理軟件Spaceclaim進(jìn)行模型簡(jiǎn)化處理,應(yīng)用Icepak軟件進(jìn)行熱流耦合分析及后期數(shù)據(jù)處理。

2.2 技術(shù)要求

1)冷卻介質(zhì):空氣。

2)散熱方式:強(qiáng)迫風(fēng)冷。

3)主要發(fā)熱元件:放電電阻(4個(gè))。

4)放電電阻外形尺寸:長(zhǎng)×寬×高(350 mm×107 mm×50 mm)(見(jiàn)圖2)。

圖2 放電電阻外形尺寸圖(單位為mm)

5)放電電阻熱功率:PR1=200 W,PR2=200 W,PR3=200 W,PR4=200 W。

2.3 風(fēng)扇選型

首先,計(jì)算散去800 W熱量所需強(qiáng)迫對(duì)流散熱風(fēng)量。

熱平衡方程式:

(1)

式中,P為風(fēng)道中元件總發(fā)熱功率;Cp為空氣比熱,取值為1.005 kJ/(kg·K);ρ為空氣密度,取值為1.29 kg/m3;ΔT為風(fēng)道進(jìn)出口溫度差,此處溫度差設(shè)為30 K。

由上式計(jì)算可得:Q=0.020 4 m3/s。

根據(jù)計(jì)算所需風(fēng)量選擇風(fēng)機(jī)。此處風(fēng)機(jī)選擇SF1225HA2軸流風(fēng)扇。

該風(fēng)扇P-Q曲線如圖3所示。該散熱方案計(jì)算所需風(fēng)機(jī)流量對(duì)應(yīng)該P(yáng)-Q曲線上的點(diǎn)即為該風(fēng)機(jī)的理論計(jì)算風(fēng)機(jī)工作點(diǎn),該工作點(diǎn)處于風(fēng)機(jī)曲線1/3～2/3范圍內(nèi),即該風(fēng)扇選型較為合適。

圖3 P-Q曲線及理論風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

2.4 風(fēng)扇布置方案

本文基于柔直換流閥低壓加壓測(cè)試裝置整體設(shè)計(jì)布局,設(shè)計(jì)了3種不同風(fēng)機(jī)布置方案(見(jiàn)圖4),進(jìn)行風(fēng)冷系統(tǒng)的整體效果對(duì)比,從而選擇最佳布置方案。

圖4 風(fēng)機(jī)布置方案設(shè)計(jì)

2.5 模型構(gòu)建

2.5.1 物理模型建立

從提高散熱系統(tǒng)的散熱效率以及放熱電阻的均布性考慮,將4塊電阻兩兩對(duì)稱(chēng)布置于散熱器上下散熱表面。放熱電阻工作時(shí)將熱量傳遞至散熱器表面,風(fēng)機(jī)鼓風(fēng),進(jìn)風(fēng)口冷風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道,通過(guò)與散熱器鰭片強(qiáng)迫對(duì)流換熱帶走電阻散發(fā)的熱,從而達(dá)到冷卻目的。散熱器與電阻裝配模型如圖5所示。

圖5 散熱器與電阻裝配模型

2.5.2 熱力模型構(gòu)建

將上述物理模型保存為stp格式,并導(dǎo)入到Spaceclaim中。對(duì)物理模型進(jìn)行處理,去除多余或干涉的邊,并將模型進(jìn)行有限元CAD模型簡(jiǎn)化,以便后續(xù)導(dǎo)入Icepak軟件中可正常識(shí)別。

在Icepak軟件中進(jìn)行如下整體框架構(gòu)建。

1)建立Cabinet計(jì)算域,設(shè)定計(jì)算域大小為500 mm×500 mm×700 mm。

2)設(shè)定放電電阻屬性,表面設(shè)定為Al-rough plate-surface,固體材料設(shè)定為Aluminum 6061-T6,熱源分別設(shè)定為200 W,即總放熱功率為800 W。

3)設(shè)定散熱器屬性,表面設(shè)定為Al-rough plate-surface,固體材料設(shè)定為Aluminum 6061-T6。

4)為了確保3種方案流道的一致性,并參照結(jié)構(gòu)參數(shù)要求,設(shè)計(jì)前后風(fēng)道長(zhǎng)度為75 mm,即系統(tǒng)風(fēng)道總長(zhǎng)為600 mm,設(shè)定Plate模型,將散熱器進(jìn)出口四周?chē)?模擬風(fēng)道情況。

5)設(shè)定環(huán)境屬性為30 ℃空氣,打開(kāi)湍流模型,設(shè)定湍流模型為Zero Equation Turbulence Model。打開(kāi)自然對(duì)流模型,設(shè)定重力加速度。

6)上述整體框架設(shè)定完成后,分別對(duì)3種方案的進(jìn)、出風(fēng)口和風(fēng)機(jī)P-Q曲線進(jìn)行設(shè)定,并對(duì)3種方案模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,具體網(wǎng)格質(zhì)量見(jiàn)表1。

表1 3種方案模型網(wǎng)格質(zhì)量

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 溫升結(jié)果與分析

根據(jù)3種方案散熱模型整體溫升仿真結(jié)果匯總最大溫升于表2,其中散熱系統(tǒng)整體溫度云圖如圖6所示?？v向?qū)Ρ?種方案最大溫升可知,布置雙風(fēng)機(jī)串并聯(lián)方案均可大幅度增強(qiáng)系統(tǒng)冷卻效果。

表2 3種方案最大溫升表

a) 單個(gè)風(fēng)機(jī)

3.2 風(fēng)機(jī)綜合性能分析

3種方案下各風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 3種方案散熱器壓強(qiáng)表

由風(fēng)機(jī)串并聯(lián)特性可知,風(fēng)機(jī)串聯(lián)后,風(fēng)量為兩風(fēng)機(jī)風(fēng)量均值,流道壓損為兩風(fēng)機(jī)壓損之和;風(fēng)機(jī)并聯(lián)后,流道壓損為兩風(fēng)機(jī)壓損均值,風(fēng)量為兩風(fēng)機(jī)風(fēng)量之和。由表3可知,風(fēng)機(jī)串并聯(lián)后風(fēng)量相對(duì)于單個(gè)風(fēng)機(jī)而言均有一定的提升。對(duì)于雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)而言,風(fēng)量相對(duì)提高了3.54E-03 m3/s,上升了14.5%;對(duì)于雙風(fēng)機(jī)串聯(lián)而言,風(fēng)量相對(duì)提高了5.82E-03 m3/s,上升了23.9%,散熱效率增加較為顯著,可見(jiàn)串聯(lián)風(fēng)機(jī)布置方案相對(duì)于并聯(lián)風(fēng)機(jī)以及單個(gè)風(fēng)機(jī)方案其冷卻性能更為良好。

假設(shè)風(fēng)機(jī)串聯(lián)以及并聯(lián)情況下均無(wú)其他損失,根據(jù)單風(fēng)機(jī)P-Q曲線繪制風(fēng)機(jī)串并聯(lián)P-Q理想曲線(見(jiàn)圖7)。

圖7 3種方案下風(fēng)機(jī)系統(tǒng)P-Q曲線

現(xiàn)分別對(duì)雙風(fēng)機(jī)串、并聯(lián)時(shí)單風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)行分析。對(duì)風(fēng)道進(jìn)行流阻模擬,得到風(fēng)道的系統(tǒng)流阻曲線,對(duì)比分析單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)情況(見(jiàn)圖8)。

圖8 單風(fēng)機(jī)與并聯(lián)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

由圖8可知,系統(tǒng)流阻曲線與單風(fēng)機(jī)、雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)P-Q曲線的交點(diǎn)即為單個(gè)風(fēng)機(jī)P-Q曲線對(duì)應(yīng)工作點(diǎn),也即C單、C并兩點(diǎn)。由于雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)P-Q曲線為擬合繪制曲線,實(shí)際雙風(fēng)機(jī)各單風(fēng)機(jī)均按單風(fēng)機(jī)P-Q點(diǎn)運(yùn)作。而雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí),雙風(fēng)機(jī)P-Q曲線壓強(qiáng)與單風(fēng)機(jī)曲線壓強(qiáng)相等,因此沿著C并點(diǎn)橫向做一條直線,該直線與單風(fēng)機(jī)P-Q曲線交點(diǎn)即為雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)單個(gè)風(fēng)機(jī)實(shí)際工作點(diǎn),記為C并_單。C并_單點(diǎn)橫縱坐標(biāo)與表3所示雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)Fan.1、Fan.2風(fēng)量及壓強(qiáng)吻合,證明其模型可靠。

為了進(jìn)一步分析并聯(lián)風(fēng)機(jī)具體適用情況,虛擬出了一種比原系統(tǒng)流阻更高的散熱系統(tǒng)(見(jiàn)圖9)。假設(shè)單風(fēng)機(jī)以及雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)均在該系統(tǒng)中運(yùn)行,則并聯(lián)風(fēng)機(jī)較之于單風(fēng)機(jī)有效風(fēng)量增加了Q2。而在原系統(tǒng)中,并聯(lián)風(fēng)機(jī)對(duì)比于單個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量增長(zhǎng)量為Q1,此時(shí)Q2>Q1,若進(jìn)一步增加系統(tǒng)流阻,Q2會(huì)逐漸減小,而減小系統(tǒng)流阻時(shí),Q2將逐漸增大,此時(shí)雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)風(fēng)量將會(huì)顯著增大,冷卻效果大幅提高。

圖9 單風(fēng)機(jī)與串聯(lián)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)串聯(lián)情況如圖9所示。雙風(fēng)機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí),雙風(fēng)機(jī)曲線流量與單風(fēng)機(jī)曲線流量相等,沿著C串點(diǎn)縱向做一條直線,該直線與單風(fēng)機(jī)P-Q曲線交點(diǎn)即為雙風(fēng)機(jī)串聯(lián)時(shí)單個(gè)風(fēng)機(jī)P-Q曲線對(duì)應(yīng)工作點(diǎn),記為C串_單。C串_單點(diǎn)橫縱坐標(biāo)與表3中雙風(fēng)機(jī)串聯(lián)時(shí)Fan.1、Fan.2風(fēng)量及壓強(qiáng)較為吻合。

同理,為了進(jìn)一步分析串聯(lián)風(fēng)機(jī)具體適用情況,虛擬出一種比原系統(tǒng)流阻更高的系統(tǒng)(見(jiàn)圖9)。假設(shè)單風(fēng)機(jī)以及雙風(fēng)機(jī)串聯(lián)均在該高流阻系統(tǒng)中運(yùn)行,則串聯(lián)風(fēng)機(jī)風(fēng)量比單風(fēng)機(jī)增加了Q4。而在原系統(tǒng)中,串聯(lián)風(fēng)機(jī)風(fēng)量比單個(gè)風(fēng)機(jī)增加了Q3,此時(shí)Q4>Q3,且該變化趨勢(shì)由風(fēng)機(jī)曲線趨勢(shì)決定。就本風(fēng)機(jī)曲線趨勢(shì)而言,若進(jìn)一步增加系統(tǒng)風(fēng)阻,風(fēng)量會(huì)進(jìn)一步增加,而增加到單風(fēng)機(jī)P-Q曲線隘口處時(shí),Q4將逐漸降低甚至低于Q3,此時(shí)雙風(fēng)機(jī)串聯(lián)較之于單風(fēng)機(jī)收效甚微。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,最終采用串聯(lián)風(fēng)機(jī)作為柔直換流閥低壓加壓測(cè)試裝置的散熱布置方案。該測(cè)試裝置已完成樣機(jī)試制、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和工程推廣,散熱效果完全滿(mǎn)足工程實(shí)際需求。

最后歸納總結(jié)了如下幾點(diǎn)結(jié)論和建議:1)雙風(fēng)機(jī)串聯(lián)及并聯(lián)較之于單風(fēng)機(jī)散熱而言,均會(huì)大幅度提升散熱效率;2)雙風(fēng)機(jī)串聯(lián)較之于并聯(lián)對(duì)系統(tǒng)冷卻效果更佳,但其優(yōu)化效果較為有限;3)為進(jìn)一步提升設(shè)備冷卻效率,建議根據(jù)風(fēng)機(jī)P-Q曲線設(shè)計(jì)合適流道。