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密闭式纯水循环冷却系统热负荷试验方法的探讨 沈 欢

(广州高澜节能技术股份有限公司)

摘要:针对水冷系统设计开发中选用的空气散热器现场应用时可能存在散热能力不满足设计要求的缺点,本文以空气散热器热平衡试验为基准,在水冷系统出厂前,应用高澜公司专利产品——高温热负荷试验装置——模拟阀体冷却过程,并通过多方位的数据采集及处理,来验证密闭式纯水冷却系统的散热性能是否满足设计及使用要求,以达到提前把握产品实际散热功率、预防散热能力不足并及时进行有针对性改善的目的;同时也为设计人员提供了一定设计参考,可以更高效地完成设计工作。

关键词:热负荷,冷却系统,散热能力,数据处理

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前言

在工业生产和科学实验中,经常需要对设备在运行过程中产生的热量进行散发,以保证设

备的安全运行和性能的正常发挥。目前常用的冷却系统包括风冷、油冷和水冷三种方式,其中水冷方式因其对流换热系数为空气自然换热系数的150倍以上,散热效率极高而得到了越来越广泛地关注,而密闭式纯水循环冷却系统因其冷却水不与大气直接接触,通过风—水或水—水换能系统完成与大气的热交换,高效、节水,因此近年来越来越被推崇。

密闭式纯水循环冷却系统主要作用是对工业企业中关键发热设备的间接冷却,广泛应用于智能电网、风力发电、核能发电、太阳能利用、海上石油平台、油田、轨道交通、电气传动和变频、新能源汽车等工业领域。而作为整个冷却系统核心部件的设备——散热器——其散热性能的好坏直接关系到冷却系统的冷却性能,最终关系到终端发热设备的经济性、可靠性及耐久性。

因此,为了避免散热器到现场应用时才发现散热能力不足的问题,我们有必要在水冷系统出厂前进行散热器的热负荷试验,及时发现和改善散热能力匹配不合理的情况。

本文以空气散热器热平衡试验为基准,应用高澜公司专利产品——高温热负荷试验装置——模拟阀体冷却过程,并通过多方位的数据采集及处理,来验证密闭式纯水冷却系统的散热性能是否满足设计及使用要求,以达到提前把握产品实际散热功率、预防散热能力不足并及时进行有针对性改善的目的;同时也为设计人员提供了一定设计参考,可以更高效地完成设计工作。

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热负荷试验原理

散热器的冷却系统分为风冷和水冷。以空气为冷却介质的冷却系统称为风冷系统,以冷却

液为冷却介质的为水冷系统。二者热负荷试验原理相同。下面以风冷系统为例,详细介绍密闭式纯水循环冷却系统的热负荷试验原理:

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图1 试验原理图及测点设置

加热罐模拟需要冷却的发热设备,循环水泵提供循环动力,冷却介质在水泵的作用下循环,经过加热罐后,将其热量带走,然后流经换热器,将热量散出,回到循环泵入口,形成密闭式循环系统。当加热罐发出的热量与换热设备散出的热量相当时,冷却介质的温度将达到一个稳定的状态,即热平衡状态。可通过相应传感器进行监测各运行参数。仪表测点设置如图1所示。 2.1

热平衡状态确认

热平衡:当所测各点的温度基本稳定后,以2min的时间间隔测量一次各点的温度,并算出换热器冷却介质出口温度与环境温度的差值,当在稳定流量的情况下测得无连续升高的趋势时,即认为该流量下系统达到热平衡。 2.2

试验工况 由换热公式

Q = C·m·△T

Q——热量,C——比热,m—— 参与热交换的介质流量,△T——介质热交换前后温差 可知,换热器风量(风速,决定冷风m值)、冷却介质流量(决定冷却介质m值)、环境温度(决定冷风进风温度C值及环境辐射散热)、冷却介质中防冻剂(乙二醇)浓度(决定冷却介质C值)等都与水冷系统散热性能有关,因此试验工况是确保这些参数应为规定值或在规定范围内。试验工况的变化对结果会有很大影响,因此,在整个热负荷试验过程中,我们需要测试的项目除了对温度有针对性的监测外,还要对试验工况进行确认,确保试验结果是在规定试验工况下得到的。

T T

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热负荷试验测试项目 冷、热介质流量

试验冷源为空气,热源为带出发热设备热量的冷却介质。

3.1

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3.1.1 空气流量

空气流量可通过风速测量实现,以柔性小直流项目中昆腾散热器热负荷试验为例说明: 测风速之前,首先明确空气散热器设计风量,以便判定试验风量是否满足工况要求。本次试验的空气散热器设计风量为83000m3/h。

采用速度场法测量风量,风量由截面平均风速与面积相乘得到,即

q?V?A

q——风量,V——平均风速,A——迎风面积

昆腾空气散热器的风机采用引风式安装,选择在出风口测量。(若空散的风机采用鼓风式安装,则选择在进风口测量)

确定测量点:

在轴流风机进风口或出风口处选择一环形截面,为保证气流基本上是轴向的,对称的,该截面应在通风管直管内(为保证安全的情况下,应远离叶片)。在该截面上等间距找出6条半径,每条半径上设置4个测量点(见图1),其位置根据直径比Da/D确定(见表1),对于中值,测量点的位置根据该表数据的线性内插确定。

Da/D

注:D为环面外径,Da为电机外径(鼓风式时)或为叶轮外径(引风式时),y为测点至环面外圆的距离,e为环厚度。

已知:散热器Da=200mm,D=800mm,则可根据根据表1确定测试点。即: Da/D 0.25 y/mm y1 17.76 y2 72.64 y3 149.2 y4 247.76 0.050.10.150.20.250.30.350.410.02370.02350.02320.02280.02220.02160.02080.019920.09730.09650.09510.09320.09080.08790.08440.0804y/D30.20240.20040.1970.19240.18650.17940.17140.162240.34980.34520.33620.3240.30970.29360.27610.2575图2 风速测点设置 表1 测量点位置

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确定了测试点后,使用风速仪测量各个测量点上的风速,并记录在《风机风量试验记录》上,然后通过计算各测试点速度的平均值来确定截面平均风速V

124V?Vi?241注:为保证测量精度,风速仪轴线应与风管轴线尽可能平行;且应保证风速仪尾流不受

阻挡。试验空散有4个风筒,每个风筒都应测量,得到平均风速,风机风量试验记录在此就不赘述了,计算各风筒平均风速如下:

V1=13.37m/s,V2=12.83m/s,V3=12.78m/s,V4=12.93m/s 截面积计算

截面积A由环厚度e和内径Da得出。为减少偏心误差,环厚度应看作是在至少4个等夹角间距的的半径上测量的平均值;内径由测量相应的周长得出。环形截面积由下式计算:

A=π(D2-Da2)/4=3.14×(0.82-0.22)/4=0.471m2

风量q由截面平均风速V与截面积A相乘得出,即q?V?A

q= (V1+V2+V3+V4)·A·3600

=(13.37+12.83+12.78+12.93)×0.471×3600=88063m3/h > 83000m3/h(设计要求) 试验空气散热器风量满足设计要求。

3.1.2 冷却介质流量

冷却介质流量测量相对比较简单,主要通过冷却系统流量传感器对流量进行监测。冷却介质流量对散热结果有明显影响,以金风项目用47kw空气散热器为例试验验证如下关系图:

图3 流量-温差关系

试验证明:加热罐投入电加热器功率一定时,冷却介质流量越小,散热器出水温度越低,因此从实验的严格性考虑,试验流量不能小于冷却系统额定流量。若流量偏小,则通过调节管道球阀来增大流量直至达到额定流量。

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3.2

冷、热介质温度

温度监测是热负荷试验的重要内容。需要监测温度包括:空气散热器进、出风温度(进风温度可视为环境温度)、冷却介质在空气散热器中的进、出水温度。其中环境温度是需要根据项目要求设置的试验工况条件,冷却介质在空气散热器中的进、出水温度是试验结果,可以用来验证试验空气散热器是否满足散热要求。 (1)冷却性能基本计算式

Qa = Cpa·Ga·(ta0-ta1) 空气吸热量 Qw = Cpw·Gw·(tw1-tw0) 水的散热量

空气吸热量=水的散热量

其中,tw1——空气散热器进口水温,℃;

ta1——空气散热器进风温度,℃; tw0——空气散热器出口水温,℃; ta0——空气散热器出风温度,℃;

K——空气散热器散热系数(热通过率),W/m2·℃;

A——空气散热器散热面积,m2;

Cpa——冷却空气比热,W·h/kg℃,一般取0.24kcal/kg℃;

Cpw——冷却介质比热,W·h/kg℃,一般纯水取4.18kJ/kg℃,即1 kcal/kg℃,若冷却介质中有乙二醇,则要考虑乙二醇系数;

Ga——冷却空气流量,kg/h; Gw——冷却介质流量,kg/h 空气散热器计算公式:

其中,H——空气散热器散热率,W/℃;

△T——空气与冷却介质的温度差(tw0- ta1),℃;