一种主振放大链式发射机冷却系统的热力学研究

李超杰

(中国航天科工集团二院 23所,北京 100584)

主振放大链式发射系统是无源相控阵雷达的重要组成部分,发射系统发射功率大,电子器件的发热密度高,采用自然冷却和强迫风冷都无法满足电子器件的散热要求,需要设计液体冷却系统。但由于发射系统电子器件多,冷却系统结构复杂,给计算、设计合适的冷却系统的带来困难,所以发射机冷却系统的热力学分析计算,对于如何设计一个良好的液体冷却系统是十分重要的。

1 液体冷却系统组成及工作原理

本液体冷却系统的一次循环是完全充满冷却液的闭合系统,其二次循环是冷却液与外界大气进行热交换。其液冷系统的组成如图1所示。冷却液由泵打出,经挠曲管、压力传感器、温度传感器进入到分配器,由分配器分为五路,进入被冷却器件,冷却液在被冷却器件中被加热。被冷却器件入口接有流量调节器,对冷却液的流量进行调节。在被冷却器件出口接有流量传感器,对冷却液的流量进行监测。冷却液从被冷却器件流出后,经过集流器,流到热交换器。冷却液通过热交换器和轴流风机与外界空气进行热交换,降温后的冷却液流入储液箱。储液箱带有液位传感器,控制冷却液的液位,防止冷却液过少。储液箱还带有电加热器,在环境温度偏低时给冷却液加热。最后,冷却液由机械净化过滤器流回到泵,这样就完成了一个封闭循环[1]。

图1 液冷系统原理简图

2 热力学分析

液冷系统需要散热的总功率为:

式中,P1是被冷却器件发散出的热功率,52kW;P2是电机加到热交换器的热功率,2 kW;P3是泵散发出的热功率,6 kW;P是总散热功率,60 kW。

液冷系统的主要散热器件是热交换器和轴流风机,热交换器的热力学分析如图2所示。

图2 热交换器的热力学分析

式(2)中,P 是热交换器的散热功率,W;Wmin是冷却液和空气之间最小的热容量,单位W/;T11是热交换器入口端冷却液的温度,单位 ;T21是交换器入口端空气的温度,单位 ; 是热交换器的传热效率。

式(3)中,W1是冷却液的热容量,W/;1是冷却液的密度, kg/m3;V1是冷却液的体积流量,m3/s;C1是冷却液的定压比热,J/kg 。

式(4)中,W2是空气的热容量,单位W/;2是空气的密度,单位 kg/m3;V2是空气的体积流量,单位m3/s;C2是空气的定压比热,单位 J/kg 。

经计算,Wmin=W2,Wmax=W1。热交换器的传热效率 按照Wmin与Wmax比值、传热单元数 NTU和两流体之间的流动型式之间的函数关系曲线求出[2]。

式(6)中,K是热交换器的传热系数,单位W/m2,F是热交换器传热面积,单位m2。热交换器的出口端温度可用以下方程求出

式(8)中,T12是热交换器出口端冷却液的温度,单位 ;T22是热交换器出口端空气的温度,单位 。热交换器空气侧的压降可用以下方程求出

式(9)中, P是热交换器空气侧的压降,单位 Pa;G是空气的质量流量,单位 kg/m2s;f是摩擦系数;At是空气侧总的传热面积,单位m2。

其中,Amin是空气最小流通截面积,单位m2;Afr是空气迎面面积,单位m2。

式(11)中,m是空气的平均密度,单位 kg/m3;i是入口处的空气密度,单位 kg/m3;0是出口处的空气密度,单位 kg/m3。测试及换算结果如表1所示。

表1 测试及换算结果

3 结束语

经过计算,热交换器的实际散热功率为 643 kW。在测试时,被冷却器件实际散发出的热功率比发射机原来设计的要求低一些。分析原因,一方面被冷却器件实际使用时电气性能比设计时的要好,器件的效率高,这就大大降低了被冷却器件耗散的热功率,减轻了冷却系统的热负荷;另一方面被冷却器件加电时未达到满工作比,也减小了被冷却器件的发热功率[3]。经过实际运行,证明对冷却系统的分析计算还是比较准确的,对以后发射机冷却系统的设计还是有十分重要的借鉴作用。

[1] 翁中杰.传热学[M].上海:上海交通大学出版社,1987.

[2] 毛希澜.换热器设计[M].上海:上海科学技术出版社, 1988.

[3] 周谟仁.流体力学泵与风机[M].北京:中国建筑工业出版社, 1985.