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电子机箱小环境散热的换热器结构设计

点击:2006 日期:[ 2014-04-26 21:53:44 ]
                     电子机箱小环境散热的换热器结构设计                            景荣荣,袁祖强,倪受东                (南京工业大学机械动力工程学院,江苏南京 210009)     摘要:提出了一种应用于电子机箱小环境散热的换热器结构,通过温度实验对该结构换热器的性能进行了分析。实验结果表明,换热器正常工作时具有一定的换热能力,环境温度的大小对其换热效果影响较小,输入空气的压力大小对换热效果没有影响。     关键词:换热器;电子机箱;小环境;设计     中图分类号:TQ 051·501    文献标志码:A     文章编号:1000-7466(2007)05-0050-03     随着电子技术的迅速发展,电子元器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化,使得单位体积内电子元器件的发热量快速增加[1]。在许多场合下,电子元器件需要集中放置在一个密闭的壳体内,因此,小空间内大功率电子元器件的散热成为当前急待解决的问题。换热器是当2种或多种流体存在温差时内部热量传递的传热设备[2],其中管壳式换热器因具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高及使用范围广等优点而使用最广[3]。研究发现,对于小空间内大功率电子元器件的散热可以利用管壳式换热器原理,设计类似的小型管壳式换热器来实现。文中以某项目中电子机箱小环境散热设计为例介绍此环境下小型管壳式换热器的设计情况。     1 电子机箱结构及热控制指标     1.1 电子机箱结构     某项目的电子机箱内部安装2台计算机,计算机面板符合相应规格(19英寸)的标准安装方式,分别为高221.5 mm的人机接口计算机和262 mm的任务计算机。电子机箱单元壳体外形见图1,其主体尺寸为长580 mm、高645 mm、前后深度390 mm。2台计算机的发热功率(即热流量Φ)为260 W。电子机箱壳体后部将安装一块厚20 mm的后盖板,计算机的后面板和后盖板之间的间隙约为90~100 mm,此空间用于设计安装换热器。电子机箱壳体底部区域有高为80 mm的多余空间,可以利用此空间安装涡流风机,改善电子机箱内部的空气循环,提高散热能力。                     1.2 热控制指标     环境温度50℃,电子机箱内工作温度40℃。在环境温度为50℃时,5 min内温度降低到40℃。     2 换热器设计     管壳式换热器内部有两条路径,即管程(管中为冷流体)和壳程(壳内与管间为热流体)。但对于电子机箱,由于其外部结构是密封的,机箱内部的热空气没有排出口,就不存在真正意义上的壳程。因此,在换热器设计过程中可以借鉴管壳式换热器的换热原理及其结构特点,设计出类似结构的换热器。     2.1 结构     根据小环境的工作状况,提出风冷式换热器设计方案。此方案通过在换热器的散热端外接冷空气以达到换热效果,冷空气由外部独立的设备提供,散热端入口的空气温度不超过30℃。为了方便操作,将空气连接管安装在换热器的上端。换热器安装在电子机箱单元的后部盖板上,由于电子机箱单元内部空间紧张,为了密闭的电子机箱壳体内部形成有效的风通道,换热器采取向外鼓包安装形式。换热器内部铜管结构及分布状况见图2,铜管如图中位置由外向内共4排,通过焊接在换热器壳壁上的定位架固定。图中进气口和出气口下方均为密封空间,此处设计分气孔以连接铜管将气体分入4排铜管内。这样,铜管内部通入冷气体,形成管程;铜管外部与换热器内壳之间为热空气,形成壳程。在铜管上方的壳壁上安装风扇(图中未画出)以加快换热器内部空气流动,提高换热效果。                    铜管参数按2台计算机发热260 W计算,初始设定在输入冷空气与小机箱内部热空气的温差Δt为10℃的情况下换热器能完成换热,以此初始条件并根据传热方程式确定铜管的理论换热总面积。本例铜管内气体为高压气体,管外气体为常压气体,按相关文献查得传热系数K=(170~450)W/(m2·℃),取最小值计算可得理论换热总面积:                     预选4根铜管,每根弯成8段(折弯形状见图2),每段长400 mm(弯头部分误差忽略),铜管内径为10 mm,则实际换热面积为0.4 m2,远大于理论换热面积,能够满足换热要求。     3 实验及分析     考虑到任务计算机长时间工作和换热器间隙性工作的实际工况,机箱内部热量有一定积聚,实际换热功率会大于任务计算机的工作功率。因此为了检测换热器在实际工况下的性能,对其进行模拟实验,实验时任务计算机的工作功率大于260 W。     3.1 实验方案     将电子机箱放入8 m3的正方体小环境中,小环境两侧各装1根1 500 W的加热棒,在外部使用控温装置通过加热棒来控制小环境内部温度。通过改变电脑机箱的发热功率、外部小环境的温度以及输入压力气体的压力对换热器性能进行检测。电脑机箱发热源以灯泡代替,通过增减灯泡数量改变发热量。输入气体的压力由气泵控制。实验内容:①将小环境温度保持在38℃,用气泵向换热器输送压力为0.1 MPa的气体,将电脑机箱内部热源功率依次调为320 W、400 W、520 W和720 W,对小机箱内部以及电脑机箱内各点位置的温度进行数据采集。②将小环境温度变为50℃,重复①的步骤。③将小环境温度保持在38℃,热源功率为320 W,分别用气泵向换热器输送压力为0 MPa和0.3 MPa的气体,记录各点的温度数据,以此作对比实验。     3.2 数据分析     小机箱外部小环境温度为38℃和50℃时所得到的功率-温度曲线分别见图3和图4。可以看出,机箱内温度与热源功率基本上成正比变化,这主要是因为散热器的散热能力未达到饱和,但由于散热器受到热交换面积、热量分布等因素影响,加之散热器的散热能力是有限的,因此,随着热源功率增加,机箱内部气体温度升高,与换热器交换的热量也随之增加,温度-功率曲线可近似为一次函数。比较图3与图4,外界小环境温度50℃下,各功率点下温度值都有所上升,但上升不大。可见,环境温度对换热器散热性能影响较小。                     实验③的温度数据值见图5,从图中可以明显看出,当用气泵向散热器中输送压力0.3 MPa的空气时,小机箱内部各点温度下降8℃左右,说明换热器在机箱散热的过程中发挥了作用。另外,将0.3 MPa压力下的温度值和0.1 MPa压力下所得到的温度值(环境温度38℃,热源功率320 W)进行对比,可以发现机箱内部各处温度值变化很微小。可见,输送气体的压力大小并不影响换热器性能。                     4 结论     ①对于260 W的发热功率,换热器的性能是满足要求的。②当换热器工作时,即通入压力气体后,其换热效果是明显的。③换热器在工作过程中,外界环境温度对其影响较小,其换热能力是一定的。     ④输入压力空气的压力大小对换热器换热性能没有影响。 参考文献: [1] 张亚军,张 红,庄 俊.小热管换热器性能分析与结构优化 [J].石油化工设备,2004,33(4):1-3. [2] 钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002. [3] 秦叔经,叶文邦.换热器[M].北京:化学工业出版社,2003. [4] 潘继红,田茂诚.管壳式换热器的分析与计算[M].北京:科学出版社,1996.(杜编)
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