【正文】 質(zhì)量流量 qm= = △ t= Q/qmCp= = ℃ 定性溫度： tf=(2ts+t1+t2)= (2 80+40+)/4= ℃ 按定性溫度查物性得： ρ １ ＝ ， Cp=℃ μ = 106kg/， Pr= 換熱系數(shù) 質(zhì)量流速 G=qm/Af = = 雷諾數(shù) Re=deG/μ = 103 ( 106)= 層流 J=6/Re =6/= 103 h= JGCpPr2/3= 103 ℃ 肋片效率 m=(2h/λδ)=(2 (180 ))= ml= = η f=th(ml)/ml=th()/= 傳熱單元數(shù) ： NTU＝ hη 0A/qmCp= = 冷板的表面溫度 ： Ts=(eNTUt2t1)/(eNTU1)= ℃ 70℃ 冷板設(shè)計方案滿足散熱要求。 確定是否滿足△ P[△ P]，如果不滿足，需減小冷板的阻力 (如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等 )或重新選擇壓頭較大的風扇 56 熱設(shè)計的計算方法 ?冷板的計算方法 ? 案例： 10KVA UPS 冷板散熱器，器件的損耗為 ，要求冷板散熱器臺面溫升小于 30℃ (在 40℃ 的環(huán)境溫度下 )。 52 熱設(shè)計的計算方法 ?冷板的計算方法 ? 傳熱計算 確定空氣流過冷板后的溫升 ： t=Q/qmCp 確定定性溫度 tf=(2ts+t1+t2)/4， 冷板臺面溫度 ts為假定值 設(shè) 定冷板的寬度為 b， 則通道的橫截面積為 Ac ， Ac=b Ac0 確定定性溫度下的物性參數(shù) (μ 、 Cp、 ρ 、 Pr)。 50 熱設(shè)計的計算方法 ?型材散熱器的計算 ? 【 案例 】 散熱器 DXC616(天津鋁合金廠編號 )，截面圖略，散熱器的截面積為 ，周長為 ，單位長度的重量為 21KG/m。L/de ? 實際所須風量為： ? q`=Q/(△ t)=800/( 15)=? 按照 2倍的裕量選擇風扇的最大風量： ? q=2q`=2 =? 下表風扇為可選型號 兩只 吹 風1 5 0 m3/h6 3 .7 P a15W4 7 1 5 M S 2 3 T B 5 0兩只 吹 風118 C F M0 .3 3 i n .H 2 O8 .4 W4 7 1 5 K L － B 4045 熱設(shè)計的計算方法 ?型材散熱器的計算 ? 散熱器的熱阻 散熱器的熱阻是從大的方面包括三個部分 。 確定風扇的型號經(jīng)驗公式： 按照 ： q=()q` 按最大風量選擇風扇型號。 解 : 密封機箱的最大散熱量 QT =(Ss+4St/3+2Sb/3)Δ +4ζεTm3F輻射 Δ t ＝ ( + 4/3) 10 +4 10 8 ( + ) 3083 10 =+=Q=55W 顯然，密封機箱不能夠滿足散熱要求，需開通風口。 若設(shè)備的溫升有嚴格限制，假設(shè)只允許 10℃ ，由圖 2可以看出，需強迫風冷才能滿足要求。 ? 冷卻方式的選擇方法 1:根據(jù)溫升在 40℃ 條件下各種冷卻方式的熱流密度或體積功率密度值的范圍來確定冷卻方式，具有一定的局限性，如圖 1所示。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見。 ? 輻射換熱面積計算時，如表面 積不規(guī)則，應(yīng)采用投影面積。 ? 對于強迫風冷，由于散熱表面的平均溫度較低，一般可忽略輻射換熱的貢獻。因為此時輻射波長相當長，處于不可見的紅外區(qū)。 25 散熱器的設(shè)計方法 ?在一定冷卻條件下，所需散熱器的體積熱阻大小的選取方法 不同冷卻條件下對應(yīng)的散熱器體積熱阻5 0 8 05 . 0 m / s ( 1 0 0 0 C F M )8 0 1 5 02 . 5 m / s ( 5 0 0 C F M )1 5 0 2 5 01 . 0 m / s ( 2 0 0 C F M )5 0 0 8 0 0自然冷卻散熱器體積熱阻 ℃－ cm 3 /W冷卻條件注意：只能作為初選散熱器的參考，不能用它來計算散熱器的熱阻，散熱器的實際熱阻需按附錄 A 提供的方法計算。 ? 采用針狀齒的設(shè)計方式，增加流體的擾動，提高散熱齒間的對流換熱系數(shù)。目前國際上先進的擠壓設(shè)備及工藝已能夠達到 23的高寬比，國內(nèi)目前高寬比最大只能達到 8。 24 散熱器的設(shè)計方法 ?強迫冷卻散熱器的設(shè)計方法 ? 在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應(yīng)小于 。 ? 自然對流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強化輻射換熱。 23 散熱器的設(shè)計方法 ?自然冷卻散熱器的設(shè)計方法 ? 考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于 12mm，如果散熱器齒高低于 10mm，可按齒間距 ≥ 。 2:根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計準則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進行優(yōu)化。 ? 對通風條件較惡劣的場合： 散熱器表面的熱流密度大于，必須采用強迫風冷。 ? 對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度小于，可采用自然風冷。 de=4A/x ? 局部阻力 hj＝ ξρV2/2 ξ －局部阻力系數(shù) 突然擴大： 按小面積流速計算的局部阻力系數(shù)： ζ 1＝ (1A1/A2) 按大面積流速計算的局部阻力系數(shù) ： ζ 2＝ (1A2/A1) 突然縮?。? 可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗值。 Re=Vde/ν 2300 紊流 19 熱設(shè)計的基礎(chǔ)理論 ?流體動力學基礎(chǔ) ? 管內(nèi)層流沿程阻力計算 (達西公式 ) hf=λ (L/de)(ρ V2/2) λ －沿程阻力系數(shù)， λ ＝ 64/Re ? 管內(nèi)紊流沿程阻力計算 hf=λ (L/de)(ρ V2/2) λ ＝ f(Re， ε /d)，即紊流時沿程阻力系數(shù)不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，還與相對粗糟度 ε 有關(guān)。 Re=Vde/ν 2300 層流 紊流 ：流體質(zhì)點相互混雜，無規(guī)則的紊流運動。 局部阻力 ：在邊界急劇變化的區(qū)域，如斷面突然擴大或突然縮小、彎頭等局部位置，是流體的流體狀態(tài)發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生的流動阻力。 ? 恒定流連續(xù)性方程 對不可壓縮流體： V1A1=V2A2. 對可壓縮流體 ： ρ 1V1A1=ρ 1V2A2 17 熱設(shè)計的基礎(chǔ)理論 ?流體動力學基礎(chǔ) ? 恒定流能量方程 對理想流體 ： Z＋ p/γ+v2/2g=常數(shù) 實際流體 :由于粘性作為會引起流動阻力，流體阻力與流體流動方向相反作負功，使流體的總能量不斷衰減，每個斷面的 Z＋p/y+v2/2g≠ 常數(shù)，假設(shè)流體從斷面 1到斷面 2的能量損失為 hw，則元流的能量方程式為： Z1＋ p1/γ+v12/2g＝ Z2＋ p2/γ+v22/2g＋ hw 18 熱設(shè)計的基礎(chǔ)理論 ?流體動力學基礎(chǔ) ? 流體流動的阻力 :由于流體的粘性和固體邊界的影響，使流體在流動過程中受到阻力，這個阻力稱為流動阻力，可分為沿程阻力和局部阻力兩種。用 x表示，單位m。二者的關(guān)系為： G=γ Q 斷面平均流速 ：由于流體的粘性，過流斷面上各點的流速分布不均勻，根據(jù)流量相等原則所確定的均勻流速稱為斷面平均流速。 管內(nèi)受迫層流換熱準則式： Nu= (Pr/Prw) 管內(nèi)受迫紊流換熱準則式： twtf Nu= . twtf Nu= 16 熱設(shè)計的基礎(chǔ)理論 ?流體動力學基礎(chǔ) ? 流量與斷面平均流速 流量 ：單位時間內(nèi)流過過流斷面的流體數(shù)量。入口段管內(nèi)流動換熱系數(shù)是不穩(wěn)定的，所以計算平均對流換熱系數(shù)應(yīng)對入口段進行修正。 入口段： 流體從進入管口開始需經(jīng)歷一段距離后管兩側(cè)的邊界層才能夠在管中心匯合，這時管斷面流速分布及流動狀態(tài)才達到定型。 ? 風道的設(shè)計原則 風道盡可能短，縮短管道長度可以降低風道阻力； 盡可能采用直的錐形風道，直管加工容易，局部阻力??； 風道的截面尺寸和出口形狀，風道的截面尺寸最好和風扇的出口一致，以避免因變換截面而增加阻力損失，截面形狀可為園形，也可以是正方形或長方形； 9 風路設(shè)計方法 ?強迫冷卻的風路設(shè)計 ? 典型結(jié)構(gòu) 10 風路設(shè)計方法 ?強迫冷卻的風路設(shè)計 ? 電源系統(tǒng)典型的風道結(jié)構(gòu) 吹風方式 交流配電單元直流配電單元 直流配電單元交流配電單元11 風路設(shè)計方法 ?強迫冷卻的風路設(shè)計 ?電源系統(tǒng)典型的風道結(jié)構(gòu) 抽風方式 交流配電單元直流配電單元 直流配電單元交流配電單元12 熱設(shè)計的基礎(chǔ)理論 ?自然對流換熱 ? 大空間的自然對流換熱 Nu=C()n. 定性溫度： tm=(tf+tw)/2 定型尺寸按及指數(shù)按下表選取 表面形狀及位置 C、n值 定型尺寸 適用范圍 流態(tài) C n垂直平壁及垂直圓柱 層流 1月4日 高度h 104109紊流 1月3日 1091013水平圓柱 層流 圓柱外徑D 102102 102104 104107紊流 1月3日 1071012熱面朝上或冷面朝下的水平壁 層流 1月4日 矩形取兩個邊長 21048106紊流 1月3日 的平均值，非規(guī)則 81081011熱面朝下或冷面朝上的水平壁 層流 1月5日 形狀取面積與周長之比， 1051011紊流 13 熱設(shè)計的基礎(chǔ)理論 ?自然對流換熱 ? 有限空間的自然對流換熱 垂直封閉夾層的自然對流換熱問題分為三種情況： (1) 在夾層內(nèi)冷熱壁的兩股流道邊界層能夠相互結(jié)合，形成環(huán)流； (2) 夾層厚度 δ 與高度之比 δ /h，冷熱的自然對流邊界層不會相互干擾，也不會出現(xiàn)環(huán)流，可按大空間自然對流換熱計算方法分別計算冷熱的自然對流換熱； (3) 冷熱壁溫差及厚度均較小，以厚度為定型尺寸的 Gr=(Bg△ t δ 3)/υ 32022時，通過夾層的熱量可按純導熱過程計算。 ? 如果風扇同時冷卻散熱器及模塊內(nèi)部的其它發(fā)熱器件，應(yīng)在模塊內(nèi)部采用阻流方法，使大部分的風量流入散熱器。對散熱器采用斜齒的結(jié)構(gòu) ,除每個模塊機箱前面板應(yīng)開通風口外 ,在機柜的前面板也應(yīng)開通風口。 ? 機柜上部的監(jiān)控及配電不能阻塞風道，應(yīng)保證上下具有大致相等的空間。 ? 底部或側(cè)面不能漏風。 ?熱設(shè)計的發(fā)展趨勢： 了解最新散熱技術(shù)、了解新材料。 ?海拔高度對熱設(shè)計的影響及解決對策： 了解海拔高度對風扇性能的影響、海拔高度對散熱器及元器件的影響，了解在熱設(shè)計如何考慮海拔高度對熱設(shè)計準確度的影響。 ?產(chǎn)品的熱設(shè)計計算方法 ： 通過實例分析，了解散熱器的校核計算方法、風量的計算方法、通風口的大小的計算方法。 ?在本次講座中將學到那些內(nèi)容 風路的布局方法、產(chǎn)品的熱設(shè)計計算方法、風扇的基本定律及噪音的評估方法、海拔高度對熱設(shè)計的影響及解決對策、熱仿真技術(shù)、熱設(shè)計的發(fā)展趨勢。 3 介紹 ?熱設(shè)計的目的 控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫