λ=0.3164/Re0.25
热设计的基础理论
v流体动力学基础
Ø非园管道沿程阻力的计算
引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园管,只需把园管直径换成当量水力直径。
de=4A/x
Ø局部阻力
hj=ξρV2/2
ξ-局部阻力系数
突然扩大:
按小面积流速计算的局部阻力系数:
ζ1=(1-A1/A2)
按大面积流速计算的局部阻力系数:
ζ2=(1-A2/A1)
突然缩小:
可从相关的资料中查阅经验值。
散热器的设计方法
v散热器冷却方式的判据
Ø对通风条件较好的场合:
散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2,可采用自然风冷。
Ø对通风条件较恶劣的场合:
散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2,可采用自然风冷。
v散热器强迫风冷方式的判据
Ø对通风条件较好的场合,散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2,必须采用强迫风冷。
Ø对通风条件较恶劣的场合:
散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2,必须采用强迫风冷。
散热器的设计方法
v散热器设计的步骤
通常散热器的设计分为三步
1:
根据相关约束条件设计处轮廓图。
2:
根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。
3:
进行校核计算。
散热器的设计方法
v自然冷却散热器的设计方法
Ø考虑到自然冷却时温度边界层较厚,如果齿间距太小,两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流,所以一般情况下,建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm,如果散热器齿高低于10mm,可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。
Ø自然冷却散热器表面的换热能力较弱,在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响,所以建议散热齿表面不加波纹齿。
Ø自然对流的散热器表面一般采用发黑处理,以增大散热表面的辐射系数,强化辐射换热。
Ø由于自然对流达到热平衡的时间较长,所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够,以抗击瞬时热负荷的冲击,建议大于5mm以上。
散热器的设计方法
v强迫冷却散热器的设计方法
Ø在散热器表面加波纹齿,波纹齿的深度一般应小于0.5mm。
Ø增加散热器的齿片数。
目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比,国内目前高宽比最大只能达到8。
对能够提供足够的集中风冷的场合,建议采用低温真空钎焊成型的冷板,其齿间距最小可到2mm。
Ø采用针状齿的设计方式,增加流体的扰动,提高散热齿间的对流换热系数。
Ø当风速大于1m/s(200CFM)时,可完全忽略浮升力对表面换热的影响。
散热器的设计方法
v在一定冷却条件下,所需散热器的体积热阻大小的选取方法
散热器的设计方法
v在一定的冷却体积及流向长度下,确定散热器齿片最佳间距的大小的方法
散热器的设计方法
v不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较
散热器的设计方法
v散热器的相似准则数及其应用方法
v相似准则数的定义
散热器的设计方法
v散热器的相似准则数及其应用方法
v相似准则数的应用
散热器的设计方法
v散热器的基板的优化方法
散热器的设计方法
v不同风速下散热器齿间距选择方法
散热器的设计方法
v不同风速下散热器齿间距选择方法
散热器的设计方法
v优化散热器齿间距的经验公式及评估风速变化对热阻的影响的经验公式
散热器的设计方法
v辐射换热的考虑原则
Ø如果物体表面的温度低于50℃,可忽略颜色对辐射换热的影响。
因为此时辐射波长相当长,处于不可见的红外区。
而在红外区,一个良好的发射体也是一个良好的吸收体,发射率和吸收率与物体表面的颜色无关。
Ø对于强迫风冷,由于散热表面的平均温度较低,一般可忽略辐射换热的贡献。
Ø如果物体表面的温度低于50℃,
可不考虑辐射换热的影响。
Ø辐射换热面积计算时,如表面
积不规则,应采用投影面积。
即沿表面各部分绷紧绳子求得
的就是这一投影面积,如图所示。
辐射传热要求辐射表面必须彼此可见。
热设计的计算方法
v冷却方式的选择方法
Ø确定冷却方法的原则
在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却,只有在自然冷却无法满足散热要求时,才考虑其它冷却。
Ø冷却方式的选择方法1:
根据温升在40℃条件下各种冷却方式的热流密度或体积功率密度值的范围来确定冷却方式,具有一定的局限性,如图1所示。
热设计的计算方法
v冷却方式的选择方法
Ø冷却方式的选择方法2:
根据热流密度与温升要求,按图2所示关系曲线选择,此方法适应于温升要求不同的各类设备的冷却
热设计的计算方法
v冷却方式的选择方法
Ø冷却方式的选择方法案例
某电子设备的功耗为300W,机壳的几何尺寸为248×381×432mm,在正常大气压下,若设备的允许温升为40℃,试问采用那种冷却方法比较合理?
计算热流密度:
q=300/2(2.48×2.2.48+2.48×4.32+2.2.81×4.32)=0.04W/cm2
根据图2查得,当△t=40℃,q=0.04W/cm2时,其交点正好落在自然冷却范围内,所有采用自然冷却方法就可以满足要求。
若设备的温升有严格限制,假设只允许10℃,由图2可以看出,需强迫风冷才能满足要求。
热设计的计算方法
v机箱的热设计计算
Ø密封机箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4σεTm3ΔT
Ø对通风机箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4σεTm3ΔT+1000uAΔT
Ø对强迫通风机箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4σεTm3ΔT+1000QfΔT
热设计的计算方法
热设计的计算方法
v自然冷却时进风口面积的计算
在机柜的前面板上开各种形式的通风孔或百叶窗,以增加空气对流,进风口的面积大小按下式计算:
Sin=Q/(7.4×10-5H×Δt1.5)
s-通风口面积的大小,cm2
Q-机柜内总的散热量,W
H-机柜的高度,cm,约模块高度的1.5-1.8倍,
Δt=t2-t1-内部空气t2与外部空气温度t1之差,℃
出风口面积为进风口面积的1.5-2倍
热设计的计算方法
v强迫风冷出风口面积的计算
Ø模块
有风扇端的通风面积:
Sfan=0.785(φin2-φhub2)
无风扇端的通风面积S=(1.1-1.5)Sfan
Ø系统
在后面板(后门)上与模块层对应的位置开通风口,通风口的面积大小应为:
S=(1.5-2.0)(N×S模块)
N---每层模块的总数
S模块---每一个模块的进风面积
热设计的计算方法
v通风面积计算的案例
[案例]铁道信号电源机柜模块及系统均为自然冷却,每层模块的散热量为360W,模块的高度为7U,进出口温差按20℃计算,机柜实际宽度为680mm,试计算每层进出风口的面积?
H按2倍模块的高度计算,即H=2×7U=14U
进风口的面积按下式计算:
Sin=Q/(7.4×10-5×H×△t1.5)
=360/(7.4×10-5×14×4.44×201.5)=875cm2
进风口高度h
机柜的宽度按B=680mm计,则进风口的高度为:
H=Sin/B=875/68=128.7mm
b出风口面积Sout
Sout=(1.5-2.0)Sin=2×875=1750cm2
热设计的计算方法
v实际冷却风量的计算方法
q`=Q/(0.335△T)
q`---实际所需的风量,M3/h
Q----散热量,W
△T--空气的温升,℃,一般为10-15℃。
确定风扇的型号经验公式:
按照1.5-2倍的裕量选择风扇的最大风量:
q=(1.5-2)q`按最大风量选择风扇型号。
热设计的计算方法
v实际冷却风量的计算方法
Ø案例:
10KUPS主功率管部分的实际总损耗为800W,空气温升按15℃考虑,请选择合适的风扇。
Ø实际所须风量为:
Øq`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h
Ø按照2倍的裕量选择风扇的最大风量:
Øq=2q`=2×159.2=318.4m3/h
Ø下表风扇为可选型号
热设计的计算方法
v型材散热器的计算
Ø散热器的热阻
散热器的热阻是从大的方面包括三个部分。
RSA=R对+R导+R辐
R对=1/(hcF1)
F1--对流换热面积(m),hc–对流换热系数(w/m2.k)
R辐--辐射换热热阻,对强迫风冷可忽略不计
对自然冷却R辐=1/(4бεTm3)
R导=R基板+R肋导
=δ/(λF2)+((1/η)-1)R对流
λ--导热系数,w/m.h.℃
δ--散热器基板厚度(m)
η--肋效率系数
F2--基板的导热面积(m)
F2=0.785*(d+δ)2
d-发热器件的当量直径(m)
热设计的计算方法
v型材散热器的计算
Ø对流换热系数的计算
自然对流
垂直表面
hcs=1.414(△t/L)0.25,w/m.k
式中:
△t--散热表面与环境温度的平均温升,℃
L--散热表面的特征尺寸,取散热表面的高,m
水平表面,热表面朝上
hct=1.322(△t/L)0.25,w/m.k
式中:
△t--散热表面与环境温度的平均温升,℃
L--散热表面的特征尺寸,取L=2(长×宽)/(长+宽),m
水平表面,热表面朝下
hcb=0.661(△t/L)0.25,w/m.k
式中:
△t--散热表面与环境温度的平均温升,℃
L--散热表面的特征尺寸,取L=2(长×宽)/(长+宽),m
热设计的计算方法
v型材散热器的计算
Ø对流换热系数的计算
强迫对流
层流Ref<105
hc=(1.1-1.4)λ空气0.66Ref0.5/L
湍流Ref>105
hc=(1.1-1.4)λ空气0.032Ref0.8/L
Ø肋片效率
对直齿肋:
η=th(mb)/(mb))
m=(2hc/λδ0)
δ0:
肋片根部厚度(m)
b.肋高(m)
热设计的计算方法
v型材散热器的计算
Ø散热器的流阻计算
散热器的流阻包括沿程阻力损失及局部阻力损失
△P=hf+hj
=λf·L/de·ρV22/2+ζρV22/2
λf--沿程阻力系数
L--流向长度(m)
de--当量水利直径(m),de=4A流通/湿周长
V--断面流速(m/s)
沿程阻力系数计算λf
层流区:
Re=Vd/υ≤2300λf=64/Re
紊统光滑区4000υ--运动粘度系数(m2/s),从文献中查找
热设计的计算方法
v型材散热器的计算
Ø散热器的流阻计算
局面阻力系数ζ
突然扩大
按小面积流速计算的局部阻力系数:
ζ1=(1-A1A2)
按大面积流速计算的局部阻力系数:
ζ2=(1-A2/A1)
突然缩小
可从相关的资料中查阅经验值。
热设计的计算方法
v型材散热器的计算
Ø【案例】散热器DXC-616(天津铝合金厂编号),截面图略,散热器的截面积为77.78cm2,周长为2.302m,单位长度的重量为21KG/m。
风扇采用PAPST4656Z,风扇功率19W,最大风量为160m3/h,压头为70Pa.
风道阻力曲线的计算
入口面积:
Fin=0.785×D2=0.785×0.1192=0.01116m2
流通面积:
Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.338×10-3m2
水力直径:
de=4Ff/x=4×3.338×10-3/2.302=5.8×10-3m
由于风速较低,一般最大不会超过6m/s,雷诺数<2300,沿程阻力系数按下式计算:
λ=64/Re=64ν/Vde
沿程阻力按下式计算:
hf=λ(L/de)(ρV2/2)=(64ν/Vde)(L/de)(ρV2/2)
=(64×16.96×10-6×0.24/(V×0.00582))(ρV2/2)
=(8.07/V)(ρV2/2)
局部阻力按下式计算:
hj=ξρV2/2
对于突然缩小,A2/A1=0.003338/0.01116=0.3,查表得ξ=0.38
总阻力损失H=hf+hj=(0.38+8.07/V)(ρV2/2)
热设计的计算方法
v型材散热器的计算
Ø【案例】续
确定风扇的工作点
10KVAUPS的选择风扇为PAPST4656Z,我们把风道曲线与风扇的曲线进行叠加,其交点即为风扇的工作点,给工作点对应的风速为5m/s,压力为35Pa.
散热器的校核计算
雷诺数Ref=V×L/ν=5×0.24/16.96×10-6=5.6604×104
努谢尔特数:
Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6604×104)0.5=157
对流换热系数:
hc=1.4λNuf/L=21.7w/m.k
m=(2hc/λδ)0.5=9.82
ml=9.82×0.03=0.295,查得:
η=0.96
该散热器的最大散热量为(散热器台面温升按最大40℃考虑):
Q=hcF△tη=460.4W
计算结果表面,散热器及风扇选型是合理的。
热设计的计算方法
v冷板的计算方法
Ø传热计算
确定空气流过冷板后的温升:
t=Q/qmCp
确定定性温度tf=(2ts+t1+t2)/4,冷板台面温度ts为假定值
设定冷板的宽度为b,则通道的横截面积为Ac,Ac=b×Ac0
确定定性温度下的物性参数(μ、Cp、ρ、Pr)。
流体的质量流速和雷诺数G=qm/AfRe=deG/μ
根据雷诺数确定流体的状态(层流或紊流),Re<1800,层流,Re>105,湍流
根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数J
Re<1800,层流J=6/Re0.98Re>105,湍流J=0.023/Re0.2
也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z27-92图12-18查得
热设计的计算方法
v冷板的计算方法
Ø传热计算
计算冷板的换热系数:
h=JGCpPr2/3
计算肋片的效率m=(2h/λδ)0.5,ηf=th(ml)/ml(也可以根据ml值查相应的图表得到肋片效率)
计算冷板的总效率:
忽略盖板及底版的效率,总效率为:
A=At+Ar+Ab,η0=1-Ar