密闭环境换热装置设计及性能研究

陈彦

摘要：为解决某高热耗密闭设备散热问题，设计一种高效气液散热装置，其内循环提供冷却风为设备内部电子器件散热，外循环冷却液为内循环风降温带走系统热量。通过计算确定换热器的流程、翅片数量、间距等参数，最终确定气液换热装置结构。针对设计的气液换热装置设计模拟热源实验，验证换热装置的热性能。实验结果与计算结果相吻合，表明该换热装置设计可行，符合技术要求，设计方法可为同类换热装置的设计提供参考和技术支撑。

Abstract： In order to solve the heat dissipation problem of a closed equipment with high heat consumption， an efficient gas-liquid heat exchange device was designed. The internal circulation provides cooling air for the heat dissipation of the electronic devices inside the equipment， and the external circulation coolant cools the system for the internal circulation air. The structure of the gas-liquid heat exchanger was determined by calculating the flow， the number of fins， the spacing and other parameters of the heat exchanger. The simulated heat source experiment is designed to verify the thermal performance of the designed gas-liquid heat exchanger. The experimental results are in agreement with the calculated results， indicating that the design of heat exchanger is feasible and meets the technical requirements. The design method can provide reference and technical support for the design of similar heat exchanger.

關键词：高热耗;密闭设备;气液换热装置;热性能

Key words： high heat consumption;airtight device;gas-liquid heat exchanger;thermal performance

中图分类号：TH136                                       文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）12-0079-03

0  引言

针对高温、高湿、高盐雾等恶劣使用环境，电子设备通常为密闭设计，且随着设备内电子器件的热耗越来越高，需要采用最实用、最优的冷却方式进行散热[1]。

目前国内密闭设备散热解决方案主要有自然散热、风机强迫风冷、风风热交换换热、风冷源换热、气液热交换换热等几种。其中，风机循环，直接在设备内装载风机扰动内部空气，将热量传导到设备壁面从而传导到外界环境，实现简单，但热阻大，效率低，对于较大功率电子器件冷却难以胜任。风冷源，通过风冷源直接给设备供设定温度、湿度的空气对电子设备进行冷却，但风冷源系统部件多，结构复杂，占用空间大，成本高，可靠性欠缺。风风热交换换热，设计一款换热装置，内循环风为设备内部器件冷却，外循环为外界环境风，给设备内循环风冷却。此方法受环境温度影响大，换热量有限，设备内部热耗较大时，难以满足散热需求。气液热交换换热，设计一款换热装置，内循环为循环冷却风，为设备内电子器件散热，外循环采用冷却液对内循环风进行冷却。此方法采用液体冷却，换热效率高，换热量大，保证提供一定温度范围内的冷却风以实现对电子设备的散热[2-4]。

本文设计一种气液换热装置，安装在密闭设备壳体，为密闭设备内部电子器件进行散热。

1  物理模型

如图1所示，某密闭设备内有大量发热的电子设备/器件，需对其进行冷却散热。结合密闭设备的外形，对气液换热装置进行设计，一方面确保密闭机柜的密封性，另一方面提供循环冷却风对电子器件进行散热冷却。采用风机作为冷却风循环的动力，外循环冷却液作为热沉，在换热器芯体内对内部循环空气进行冷却。

气液换热装置安装在密闭设备壳体。由外部供液设备提供额定温度、流量和压力的低温冷却液通过供液口水接头进入内部管路，流经散热器芯体后从内部管路及回液口水接头流出回到供液设备，完成液体侧的循环。机柜内部的湿热空气在离心风机的抽吸力下从回风口处进入气液换热装置内，在散热器芯体中与低温冷却液进行热交换，经降温冷却后的空气通过气液换热装置的出风口送入密闭设备内，提供满足电子设备散热所需的循环风对电子设备进行冷却，完成空气侧的循环[5-7]。

换热器换热的核心关键部件为换热器芯体，如图2所示，是热交换的场所，冷热流体在换热器芯体中进行热交换。管翅式换热器、管路排布、翅片参数对换热性能与效率影响较大，通过计算对管翅式换热器进行优化设计。

2  换热器计算

2.1 计算方法

换热装置换热芯体是核心部件，为热交换场所，液体侧冷流体在换热器芯体内对内循环冷却风进行冷却。在外形尺寸、接口形式约束下，根据换热量、液体侧温度、流量，风量-风压等边界条件，對换热装置芯体进行设计计算[8]。

2.1.1 气体侧参数计算

换热与换热面积有很大关系，对气体侧相关参数进行计算。

管板面积：

式中L总长度，L2垂直芯体管束的长度，L3无流动尺寸，Nt管子总数，d0管外径。

主要传热面面积：

翅片面积：

式中，σ为自由流动面积与正面面积比，Nf为单位长度的翅片数。

2.1.2 液体侧参数计算

液体侧为铜管，液体在铜管中传输，对液体侧相关传热参数进行计算。

总传热面积：

总的最小自由流动面积：

自由流动面积与正面面积比：

式中di为管内径，Nt为管子数量。

2.1.3 换热计算

对流换热系数：

式中：λ为导热系数，W/（m.k）;de为当量直径，m。

传热单元数：

传热单元数NTU定义为总热导与较小热容量的

比值。

式中：ε为传热效率，Wmin、Wmax分别为最小与最大水当量，W/℃，Tci液体侧进口温度、气体侧进口温度Thi。

2.2 计算结果

根据换热量、流量、风量、温度、尺寸等约束条件，以2500W换热量，15L/min供液流量，15℃供液温度，风量650m3/h等参数为例，应用2.1计算方法得到满足换热量要求的管翅式换热器参数计算结果如表1。

3  试验研究

针对设计的换热器，设计模拟热源试验验证换热器性能，验证换热器换热设计的符合性，试验原理如图3所示。

3.1 试验方法

如图3所示搭建测试系统，气液换热器与密闭设备连接，设备内部为待处理的密闭空气;在设备内部设置加热棒（电阻丝）模拟电子设备发热，通过调节电阻丝电压控制加热功率。热负载均匀布置于设备内部，共设3-4组热负载，保证热耗大于换热量要求。

在气液换热器的回风口、出风口处设置温度传感器，以监测供风和回风温度。冷源为供液设备，用以给气液换热器提供一定温度、压力、流量的冷却液。启动冷源，调节供液温度和流量。启动气液换热器，调节设备内的热负载（电阻丝）功率，当实验状态稳定后，记录相关参数。

3.2 试验结果

按3.1试验方法，冷源设定供液温度为15℃，按表2所示7个状态调节液体侧冷却液流量。在额定流量状态下调节模拟热源的功率，使出风温度稳定在23℃，稳定状态下记录其它参数，计算各个状态下换热量。

3.3 结果分析

对3.2节试验测得数据进行分析，各个状态下的换热量如图4所示，可以看出换热量随着液体侧流量增大而增大，在流量为15L/min时换热量为2600W，与设计值2500W相当，相差4%。在流量>13L/min的情况下，换热量均大于2.5kW，出风温度<25℃，满足使用需求。如图5所示，换热器流阻随着流量增加而增加，在流量为15L/min，流阻为0.086MPa，满足要求。

4  结论

本文介绍了一种密闭环境换热装置的设计方法，并通过设计试验对散热装置的实际散热性能进行了测试验证。试验结果表面换热器换热量与计算结果大体一致，符合技术要求。通过计算得到满足换热条件的最优换热器结构，校核已知换热器是否满足飞行条件的换热要求，换热器计算方法准确可靠，可为同类换热器设计、开发提供参考。

参考文献：

[1]沙拉·塞库利克，程林（译）.换热器设计技术[M].机械工业出版社，2010.

[2]AU-Yang，M.K.，Flow-Induced Vibrations of Power Plants Components[J].A Practical Work-Book，ASME Press，New York.2001.

[3]符澄，赵波，徐大川，等.板翅式及管翅式换热器气体湍流特性研究[J].实验流体力学，2019，33（6）：22-27.

[4]刘思宇.换热器强化传热技术[J].煤炭与化工，2019，42（3）：144-146.

[5]Pavel Bogdan I，Mohamad.A bdulmajeed A.An experimental and numerical study on heat transfer enhancement for gas heat exchangers with a pair of block shape vortex generators[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47：4939～4952.

[6]汪艳萍，路智敏，刘晓霞，王红霞.板翅式换热器优化设计[J].内蒙古工业大学学报，2004，23（4）：261-264.

[7]朱岩泉，袁相勇.机载换热器设计 [J].电子机械工程，2015，4.

[8]谭公礼，吴学群，卢建.机载换热器工作包线计算及试验研究[J].南京航空航天大学学报，2019，51（3）：410-416.