换热器原理与设计_课件 第三章 电子设备用冷板设计

第3章 电子设备用冷板设计 3.1 概述 3.2 冷板的结构类型及选用原则 3.3 冷板的换热计算 3.4 冷板的设计步骤 3.1 概述 冷板一种单流体（空气、水或其它冷却剂）的 热交换器。常作为电子设备底座。 2 1.5 W/cm气冷式冷板的功率密度： 液冷式冷板的功率密度：5 W/cm2 冷板传热系数高的原因在于： 具有高导热系数； 冷板通道的当量直径较小； 采用有利于增强对流换热的肋表面几何形状。 2.2 冷板的结构类型及选用原则 冷板的类型一般可分为： 气冷式冷板以空气为冷却介质； 液冷式冷板以液体（水或其它冷却剂）为介质； 储热冷板冷剂在相变过程中吸收熔解热； 热管冷板热管与冷板相结合。 冷板选用可根据设备以及元件的热流密度、热源分布、许用温度、压降及工作环境。 典型冷板结构 肋片的几何参数： 肋片厚度：0.10.25mm； 间距：58片/cm，最大 可达16片/cm; 高度：2.520mm。 肋片几何参数选择要点： 可根据冷板的工作环境条件（湿度、气压、温度和污染度等） 选择肋片的形状、肋间距和肋厚。 冷板的工作压力一般应低于2.0MPa。 表面传热系数大时，选厚的和高度低的肋片；表面传热系数 小时，选高而薄的肋片，以提高换热面积。 当冷板表面与环境之间的温差较大时，宜选用平直形肋片（ 如三角肋，矩形肋）；温差小时，选百叶窗式或锯齿形肋。 盖板、底板、隔板 铝制，钎焊 封条 铝制，多种结构形式 液冷式冷板 常见液冷式冷板的组成如图3-4所示。 液冷式冷板常用冷却剂的特性见表3-3。 三、储热冷板 储热冷板用相变材料一般应保证其发生相变的温度大于 冷板的初始温度，熔解温度应小于冷板的许用温度。表3 -4为电子设备适用的相变材料的物理性能。 四、热管冷板 五、各类冷板的选用原则 冷板的选用可根据热源的分布（集中、均布、非均 布）、 设备或器件的热流密度、许用温度、许用压降、工作环境条 件等进行综合考虑。 高功率密度器件的散热，可选用强制液冷冷板。 热量均布的中、小功率器件，可选用强制空气冷却冷板， 气流速度在14m/s的范围内选择。 按脉冲工况运行的器件或设备的内热源与外部热环境之间 的温度有较大的周期性变化，可选用储热冷板。 3.3 冷板传热表面的几何特性 第45页 3.5无相变工况冷板表面的传热与阻力特性 1. 流动有层流和湍流之分 层流： 过渡区： 旺盛湍流： 为达西阻力系数）f充分发展层流（此表中1 =同一截面形状的通道，均匀热流的Nu比均匀壁温的Nu高 =Nu与Re无关 =不同截面的当量直径相同，则Nu也不相同 二、过渡区 空气在雷诺数1000至10000间 范宁摩擦系数 三. 充分发展湍流 （1）实用上使用最广的是迪贝斯贝尔特公式： 加热流体时 ， 冷却流体时 。 式中: 定性温度采用流体平均温度 ，特征长度为 管内径。 实验验证范围： 此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。 （2）采用齐德泰特公式： 定性温度为流体平均温度 （ 按壁温 确 定），管内径为特征长度。 实验验证范围为： （3）格林尼斯基公式 范宁摩擦系数 定性温度为流体平均温度 （ 按壁温 确定），管内径为特征长度，管子处于均匀壁温 。 实验验证范围为： 实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于入口段的 范围。可采用下列齐德泰特公式。 五、扩展表面的关系式 插表格和图（凯斯和伦敦） 关系式 第50页 不太准 3.3 冷板的换热计算 一、气冷和液冷式冷板的计算 1. 计算所依据的方程：对流换热方程和能量平衡方程 对流换热方程： 肋片表面对流换热系数； A 参与对流换热的总面积； tm 对数平均温差, ； 0 冷板的总效率； qm 冷却剂的质量流量, kg/s； cp 冷却剂的定压比热； t2 冷却剂的出口温度, ； t1 冷却剂的进口温度, 。 平衡方程： 定义对数平均温差： 定义传热单元数： 冷板表面的平均温度为： 冷板中冷却剂的流动总压降： 式中：gm 单位面积的质量流量（质量流速）， kg/(m2s)； 1 冷却剂进口时的密度，kg/m3； 2 冷却剂出口时的密度，kg/m3； m 冷却剂的平均密度， kg/m3； 冷板孔度，即冷板通道截面积与冷板迎风面积之比； Ac 冷板通道的横截面积（最小自由流通面积），m2； Kc 冷却剂进口压力损失系数，Kc(Re, )，查图3-8或图3-9确定； Ke 冷却剂出口压力损失系数，Ke(Re, )，查图3-8或图3-9确定； f 摩擦系数，查图或由公式计算。 2. 冷板的表面传热 系数 对于给定的冷板通 道，f、j 系数可按 实验结果取值（见 图3-10） 3. 冷板的总效率（表面效率） 式中：Ap 盖板面积，m2； Af 肋片面积， m2 ； Ab 底板面积，m2； f 肋片的效率； b 底板的效率； 二、储热冷板的计算 需用的相变材料质量 式中： Q 电子元器件耗散的功率，W； ce 整个储热冷板的比热容； 电子设备要求的温度控制周期, s ； cf 相变材料的比热容； tm 相变材料的熔解温度，； rf 相变材料的熔解热, J/kg。 t1 冷板的初始温度，； 3.4 冷板的设计步骤 一、校核计算步骤 已知冷板的结构、尺寸、冷却剂流量和工作环境。 计算冷却剂通道的当量直径de、通道截面积Ac、总换热面积A和肋片 换热面积Af 。 计算冷却剂的温升 计算定性温度 根据定性温度查取物性参数，计算流 体在通道中的质量流速和雷诺数： 计算表面传热系数： 计算肋片效率及总效率（表面效率）： 肋片效率： 肋片参数，m-1； l 肋片高度，m； f 肋片材料的导热系数； f 肋片厚度，m； 计算传热单元数（NTU）： 总效率（视盖板和底板的效率为1）： 冷板表面温度 计算压降 比较冷板温度和压降。如不满足条件，则需改变冷却剂的流量， 重复步骤，直至满足要求。 二、设计计算步骤 目的：确定一个满足设备温升控制要求的冷板。 根据预设的冷板结构尺寸、选取的肋片参数和其它参数（重量、 体积、强度等）计算当量直径de、单位面积冷板的传热面积S1、单 位宽度冷板通道的横截面面积S2及Af /A比值等。 取定性温度为t1时冷却剂的物性参数。 计算冷却剂的温升 计算冷却剂的出口温度 计算定性温度 并按定性温度查取冷却剂的物性参数。 设定冷板为B1，计算通道截面面积 计算冷却剂的质量流速 计算雷诺数 计算表面传热系