（电力电子与电力传动专业论文）户外温控机柜热性能分析与研究.pdf

中山大学硕+ 学位论文 a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho i lt h e r m a lp e r f o r m a n c eo fo u t d o o rc a b i n e t w i t ht e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e n a m e ：h u a n g h a i l u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a n gn i a n d o n g a b s t r a c t a sv i d e oa n dc o m m u n i c a t i o nh a v eb e e nu s e dm o r ea n dm o r eo f t e ni nt r a f f i cm o n i t o r i n g c o m p u t e r h a sb e e nw i d e l yu s e da sm o n i t o r i n ge q u i p m e n t ，e s p e c i a l l yf o r t h e t e s t i n ga n dm o n i t o r i n go f d r i v i n gs p e e do nh i g h w a y s t h eu s eo fc o m p u t e r sc a nh e l pc o n t r o lt h ec a m e r a s ，s t o r et h ed a t a ， s e n dd a t at ot h ec o n t r o lc e n t e r , a n de v e np r o c e s st h ed a t a u s u a l l yt h ee q u i p m e n tf o rt r a f f i cm o n i t o r i n gi ss e to u t d o o r s t h ef a c t t h a tc o m p u t e r sa r en o t r e s i s t a n tt od u s t ，v i b r a t i o n ，a n dh i 【曲t e m p e r a t u r ew e l l ，m a k e si t v u l n e r a b l et ot h eo u t d o o r e n v i r o n m e n t r e s e a r c hh a sp r o v e dt h a th i g ht e m p e r a t u r ew o u l da f f e c tt h ep e r f o r m a n c el i f ea n d s t a b i l i t y i tw i l le n h a n c et h ec o s to fm a i n t a i n i n ga n d l o w e rt h er e l i a b i l i t y a tp r e s e n t ，t h e m o n i t o r i n ge q u i p m e n ti ss t o r e di nn o r m a lc a r b o ns t e e lc a b i n e t ，w h i c hh a sl i m i t e du s ei nr e s i s t i n g w a t e ra n dd u s t h o w e v e r , t h ei n n e r t e m p e r a t u r eo fc a b i n e ti sc o m p a r a t i v e l yh i g h ，s ot h e p e r f o r m a n c eo f t h ee q u i p m e n ti sn o ts t a b l ea n da f f e c t i v ee n o u g h b a s e do nt h ea b o v er e a s o n s ，t h ea u t h o ri n t e n d st oa n a l y s i st h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h ee q u i p m e n t c a b i n e tb yu s i n gm a n u a lc a l c u l a t i o na n df l u e n t s i m u l a t e ，i no r d e rt oc a l c u l a t et h ea v e r a g e t e m p e r a t u r ea n dt h es p r e a d i n go ft h et e m p e r a t u r ew h e nt h ee q u i p m e n ti sw o r k i n gi nt h ec a b i n e t t h ec a l c u l a t e dr e s u l ta c c o r d sw i t ht h e p r a c t i c a l r e s u l t s o m er e a s o n a b l e h y p o t h e s i sa n d s i m p l i f i c a t i o na r em a d ei nt h em a n u a lc a l c u l a t i o n t h ea u t h o rg e tt h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h e c a b i n e tb yb a l a n c i n gt h eh e a t i n gp o w e ro ft h ee q u i p m e n ta n dt h er a d i a t i n gp o w e ro ft h ec a b i n e t t h ec a l c u l a t i n gm e t h o dn e e d sf e wi t e r a t i v ec a l c u l a t i n gt i m e st og e tt h er e s u l t b e s i d e s ，t h em e t h o d h a sa c c e p t a b l ep r e c i s i o n f l u e n ts i m u l a t i o nu s e ss t a n d a r dk m o d e l t h em o d e lh a sh i g h c a l c u l a t es p e e d ，d o n tn e e dm u c hc a l c u l a t i n gr e s o u r c e 。a n da l s oh a sa c c e p t a b l ep r e c i s i o n t h e s i m u l a t ed i s t r i b u t i o no fc a b i n e tt e m p e r a t u r ei sc o m p a r a t i v e l ya c c o r dw i t ht h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n t h er e s e a r c he m p l o y st h er e s u l to fc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nt od e c i d es e v e r a ld e s i g n s t h e d e s i g ni n c l u d i n gt h eg e o m e t r i cs h a p eo fc a b i n e t ，c o o l i n ge q u i p m e n t ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gm o d e a n dh e a tp r e s e r v a t i o n ar a n g eo fi n d o o ra n d o u t d o o re x p e r i m e n ti s p e r f o r m e dt og e tt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hp r o p o s a lf r o mt h ee x p e r i m e n td a t a a f t e rc o n s i d e r i n gt h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n ga b i l i t y , s y s t e ms t a b i l i t y , a n de n e r g yc o n s u m p t i o n ，ar e c o m m e n d e d p r o p o s a li sg i v e n k e yw o r d s ：c a b i n e tw i t ht e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r ，t h e r m a ld e s i g n ，t h e r m a l a n a l y s i s i x 中山人学硕十学位论文 原创性l 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：哆，硒彰嘉 日期：c j d 年月z 日 中山人。学硕十。学位沦文 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利r 的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或= l 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名殉昧导师签名： 日期：山p 年6 月日 日期沙厂霹月多e t i i i 中山大学硕士学位论文 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下 完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家 知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请 专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得 以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：巧滔倦 日期：少卜年乡月z 日 v 中山入学硕： 二学位论文 1 1 研究背景与目的 第一章绪论 自从汽车发明以来，世界各地汽车保有量持续上升，道路罩程迅速增长。我 国改革开放以来，汽车保有量更是急剧增长，道路特别足高速公路的建设发展飞 快。汽车的增多、道路的发展也促使交通管理和监控技术的发展，近年来视频技 术在测速、道路监控、道路信息采集等领域上被广泛应用。 在高速公路上进行的全天候不间断的视频道路检测需配合专用软件、数据量 较大且数据需进行一定的处理，一般使用工控机作为数据处理的仪器。工控机即 工业用个人计算机( i n d u s t r i a lp c ) ，有较强的对抗粉尘、高温、潮湿、振动电磁 干扰等恶劣环境的能力，同时能较长时间无故障连续运行，也有较强的自恢复能 力【lj 。但由于广深高速公路地处亚热带地区，夏季长温度高，工控机常因温度过 高而出现故障，大大降低了监控的可靠性、缩短了机器的寿命，同时也提高了系 统的维护成本。 户外运作的设备机器一般都放在专用机柜内。机柜是以冷轧钢板或合金制作 的，用于存放特定物品或设备仪器并提供相应保护的柜体。户外使用的机柜，必 须适应室外简陋、恶劣的工作条件，能遮雨、雪、沙尘和防盗、防鼠等。目前， 室内机柜应用相当广泛，通信、食品、收藏品等行业都有大量应用，功能上也能 达到恒温、恒湿甚至恒定照度的要求；而室外机柜仍处于较为简单的水平，多只 考虑防尘、防水问题，温度控制的机柜研究和产品都较少。 基于以上问题，本文通过理论计算，配合户外实验设计一套包括控制方法、 物理结构的温度控制机柜系统，既可控制工控机工作环境温度，保证机器的可靠 运行，又能达到户外机箱防尘、防水的要求。以提高监控系统的可靠性，保证系 统仪器的使用寿命，降低系统维护成本。 户外温控机柜热性能分析与研究 1 2 温度控制方法简介 温度控制包括冷却和加温。从温度控制方式看，冷却控制中，有直冷式和风 冷式。直冷式是利用空气自然对流的方式来冷却物体的。蒸发器常常安装在温控 箱上部，蒸发器周围的空气与蒸发器产生热交换。空气吸收冷量后，温度下降， 密度增大，向下运动。到达温控箱内下部的冷空气与被冷却物体产生热交换，空 气得到热量后，温度回升，密度减小，又上升到蒸发器周围，把热量传递给蒸发 器。如此循环达到冷却的目的。风冷式则利用风扇等设备强迫制冷器蒸发器附近 的空气对流，使冷空气在箱体内循环，达到冷却目的。加温控制中，类似的也有 直接加温和热风加温。直接加温原理与直冷式冷却相似，利用空气自然对流方式 进行加温。但发热体多放在空间下部，发热体周围空气被加热，密度减小，向上 运动，当与被加温物体接触后，温度降低，密度增大，向下运动，回到发热体附 近，如此循环达到加温目的。热风加温与风冷式类似，利用风扇强制发热体附近 的高温空气进行对流，以达到加温目的。 从温度控制媒介看，冷却控制中，有空气冷却、液冷、半导体制冷等。空气 冷却利用冷空气与热壁面接触达到冷却目的，多用风扇进行强制对流；液冷则利 用管道与发热壁面接触，低温液体从管道内流过，利用热传导达到冷却目的，水 和液氮是常用的冷却液体；半导体制冷利用半导体较大的热电效应进行制冷，通 电后，半导体上接点附近产生电子空穴对，内能减小，温度降低，向外界吸热， 称为冷端。另一端因电子空穴对复合，内能增加，温度升高，并向环境放热， 称为热端。在加温控制中，有气体加温、液体加温、微波加温等。气体加温是利 用高温气体对被控制体进行加温，一般令气体通过管道进行加温，也有利用电阻 丝等加热空气，再利用风扇吹出热风对控制体进行加温；液体加温与液冷方式类 似，利用通过高温液体的管道对物体进行加温；微波加温是直接作用于介质分子 转换成热，且透射性能使物料内外介质同时受热，不需要热传导。 从控制算法上分类，种类很多，其中p i d 控制、神经网络控制、模糊控制、 模糊控制与p i d 结合、模糊控制与神经网络结合、遗传算法、广义预测控制等 是研究比较多且较有代表性的控制算澍引。p i d 控制即比例、积分、微分控制， 根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差 的方法实现闭环控制，使控制过程连续。人工神经网络是当前较常用且重要的一 2 中山人学硕士。位论文 种人工智能技术，采用数理模型方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处 理。模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的 经验和直觉知识。遗传算法模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程， 通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作，最终将朝全局最优方向收敛。 预测控制是基于模型的计算机控制算法。 1 3 温度控制技术及温控机柜的研究状况 温度控制技术的应用涉及建筑、制造、仓储、加工、冶炼、食品、医疗等相 当广泛的行业，是- - f - j 包含流体力学、传热学、控制技术等多门学科的交叉学科， 国内外学者都对其有较多的研究。 传热问题大致可以归纳为以下三种类型：强化传热，即在一定条件下增加所 传递的热量；削弱传热，也叫热绝缘，即在一定温差下使热量的传递减到最小； 温度控制，为了生产需要，对热量传递过程中物体关键部位的温度进行控制【2 ，3 1 。 温控机柜就是解决温度控制问题的系统。国内外对于温控机柜的研究相对较少。 1 3 1 国内研究状况 国内对发热设备的温度控制技术的研究较多，从上世纪7 0 年代= j f ：始就有关 于温度控制技术的文献。例如北京交通大学的王少林等人针对轻轨车牵引变流器 进行了通风散热的研究1 4 1 ；自动化所的陈镒垄也提出了一种提高温控系统精度的 方法【5 】；广东技术师范学院的唐德翠也针对漂白温度控制的应用提出了改进的遗 传算法【6 】；此外，安徽安庆皖江发电有限公司的曹光伟、江苏信息职业技术学院 的徐振邦、贵州大学的何志琴等也分别提出变速p i d 算法、模糊p i d 算法、二 次型学习算法等温控方i ：去【7 - 9 1 。研究主要集中在p i d 控制、神经网络控制、模糊 控制、遗传算法之内。 对于温控机柜的研究则相对较少，九江职业技术学院的胡欢平等设计了一款 智能温控机柜，但文中并没有对机柜内发热体的发热状况、制冷效率、内部 结构设计等问题做出说明或解释；西北工业大学的苏卫东等设计了一种温控柜用 的自适应p i d 控制方法【1 1 】，文章内也并没有提出合适的温控柜设计；哈尔滨工 程大学的王罡设计了一种应用于光纤陀螺的温控箱，使用半导体制冷1 1 2 1 ；西安 电子科技大学的刘贤针对机载电子机箱进行了较详细的热分析及建模仿真【1 3 】； 1 户外温控机柜热性能分析与研究 西安交通大学的余小玲等对现有的散热方式进行了对比研究，并给出了对应的散 热能力及适用环境【1 4 】；机电部锦州5 3 所的程子良对1 2 a t r 标准机箱进行分析， 并给出了不同输入功率下适用的散热方式【1 5 1 。上述各位学者的著作中，针对温 控机柜的只有前两位，且并没有根据理论计算和实测结果给出合理的机柜设计， 其余的都是针对特定机器内部情况进行的研究，虽然可将机箱看作一个小型化的 机柜，但其设计无法直接应用在温控机柜上。已经申请专利的机柜种类繁多，但 户外温控机柜相当少，编号c d 2 4 0 4 8 0 0 7 9 0 0 1 7 的工业室外温控机柜是其 中一个。 1 3 2 国外研究状况 国外对发热设备的温度控制方法的研究较多，开始时间也比较早。上世纪4 0 年代道格拉斯航空公司工程部的h e d g e s ，r ，e 就已经提出了用于飞机的自动温度 控制1 6 1 ；1 9 5 6 年，美国威斯丁豪斯实验室( w e s t i n g h o u s er e s e a r c hl a b o r a t o r i e s ) 的m a l m b e r g 等人发布关于电热调节器温度控制的文章f 1 7 】；诺丁汉大学马来西亚 分校的tn a n d h ak u m a r 等人提出了基于f p g a 的温度控制f 1 8 】：印度t h a p a r i n s t i t u t eo fe n g g & t e c h 的m s g a g a n d e e pk a u r 等人也研究了基于模糊控制的温度 控制器( 1 9 j 。研究领域较广，神经网络、模糊控制等控制方法都有涉及，但针对 p i d 控制及其改进控制方法的文章较多。 国外研究温控机柜的文章相对较多，虽然集中在通信设备机柜的研究，但其 控制方法及系统框架都可以直接应用在其他机柜上。贝尔通信研究所的j r m c k a y 等人设计并研究了两款户外水冷机柜的性能，并得到较好的效果【2 0 】； j r m c k a y 还独立研究过太阳辐射、风速对室外通信机箱温度的影向以及强制对 流的制冷效果，同时也提出了利用太阳能驱动风扇以降低能耗的方法【2 1 。2 3 】；m j m 工程公司的m a u r i c ej m a r o n g i u 研究了一种被动制冷的室外通信机柜，并测试了 其性能。 1 4 温控机柜应用状况 在科学研究、生产实践甚至日常生活中，温度控制机柜占有着极为重要的地 位，特别是在生物、化工、医学、食品、考古等领域中，具有举足轻重的作用。 中山人学硕十学伉论文 按照使用的环境，可分为室内机柜和室外机柜。 室内温控机柜已经很成熟，产品应用广泛。广义上看，常见室内温控机柜有 冰箱、恒温箱、电暖箱、育婴箱等。室内机柜由于工作环境较好，不必考虑高温、 防尘、防风、防水等问题，可以使用较为敏感或脆弱的器件，因而能做到恒温、 恒湿、极低温等要求，性能较好但不能承受恶劣环境。 户外温控机柜一般是设备机柜，多用于存放各类电子设备、通信设备等。其 内部一般都有电源设备、通信设备、配线设备( m d f 、o d f ) 、温控设备、蓄电 池、监控单元及其它备附件的舱格，室外机柜可用于多种情况：无线基站收发器、 电源后备电源供给、有线接入网的远端没备，也可作小区的中心机房。室外机 柜提供防尘、防水、电磁屏蔽、密封保护及设备环境温度调控。国内比较常见的 包括通信机柜、交通设备机柜等，这些机柜内安装的器材由于不担负复杂任务， 且一般为定制设备，功耗较小，发热较低，而且元件耐高温性能较好，因此这类 机柜一般不包含温度控制设备，或者只安装简单的风扇散热设备。国内户外温控 机柜应用不多，有少量厂家制作，但并未形成统一的机柜结构标准。 1 5 本文研究内容 本文旨在建立一个满足温度控制要求、可靠性要求而能耗相对较低的温度控 制系统，也就是设计一个冷却系统，在热源和热沉之问提供一条低热阻通道，保 证热量顺利传递出型2 4 】，同时阻止或减少外界热量传入。该系统应能控制机箱 内部温度，使工控机在该热环境下能可靠工作。 本文通过实验得到工控机在实际情况下，能稳定、可靠工作的环境温度。利 用数学理论分析得出在机柜内放置一定设备时的发热情况，初步确定制冷设备的 类型及功率；通过计算机模拟，得出机柜在前述配置下的稳态温度分布，并对几 种制冷方案进行模拟，初步确定制冷设备送风口、出风口的位置。 利用实验验证数学理论分析及计算机模拟结果的准确性，并对比数种在理论 计算中性能相近的方案，根据实验数据，从温度控制能力、系统可靠性、系统制 冷能效比等方面进行评价，得出较好的一组方案。综合各方案的优点，最终给出 一个推荐的温控机柜系统。 中山人学硕叶：学位论文 第二章散热理论分析 利用数学手段在设计阶段获得温度分布，可在设计初期就发现系统的热缺 陷，从而改进其设计。因此在进行机箱设计之前对其热性能进行计算是相当必要 的。 2 1 热传递的数学物理模型 任何热量的传递只能通过传导、对流、辐射三种方式进行。固体内部的热传 递只能以传导的方式进行，但流体与换热器壁面之间的传热过程则往往同时含对 流与传导，对高温固体或流体则还有热辐射。 2 1 1 热传导 热传导简称导热，是指相互接触且温度不同的物体之间，或同一物体内部温 度不同的各部分之间，不发生相对位移，仅依靠分子、原子和自由电子等粒子的 热运动产生的热传递【2 5 ，2 6 1 。烧水时，水壶和水之间就是典型的热传导现象。导 热的基本定律也称傅立叶( f o u r i e r ) 定律，其一维表达式如式l 所示 ：一2 a d t ( 2 - 1 ) 出 式中为导热热流量( w ) ，指单位时间内通过指定面积的热量；入是比例系数， 称为导热系数或热导率( w m 木k ) ，是物体的热物性参数；a 为与热流方向垂直 的面积( m 2 ) ；d t d x 表示截面上沿热流方向的温度增量，即温度梯度( k m ) 。 值表征物体导热能力的强弱，式中负号表示热流方向与温度梯度方向相反。 根据上述基本定律考察如图l 情况，t 表示温度，瓦。和瓦：分别是物体两个 壁面的温度，物体厚度为6 。 户外温控机柜热性能分析与研究 可将式2 1 改写为式2 - 2 。 图2 1 物体内部热传导温度变化 r a 图2 2 热传导热阻 = 彳a 丁t w l - t w 2 = 丁t w l t w 2 = 百t w l - t w 2 ( 2 2 ) 万 6 欠 “屹7 名么 令式中兰= r a 。可以看出，若不变，r a 越大则两侧壁面温差越大，即由于r z 九以 的存在，阻碍了热传导，如图2 2 ，这跟电学中电阻的作用很类似，因此把r z 称 为热阻。 2 1 2 热对流 热对流是指由于流体的宏观运动，流体各部分之间发生相对位移、冷热流体 相互掺混所引起的热量传递【2 5 1 。从定义可知，热对流仅发生在流体中，而且由 于流体相互接触，因此热对流必然伴随热传导。 在流体与固体壁面有相对运动且两者间有温度差时发生的热量传递，称为对 流换热。由于流体流过与之温度不同的壁面时，靠近壁面的流体与壁面温差小， 中山大学硕士学位论文 远离壁面的温差大，即流体与壁面的温差与两者距离成j 下比例关系。由于流体各 部分温度不同，流体内部冷热掺混发生热对流现象，相邻流体的接触也产生热传 导现象，因此对流换热是热对流与热传导共同作用的热量传递现象【2 5 1 。 对流传热的基本定律是牛顿( n e w t o n ) 提出的半( 凡一乃) ，后来被整理 以x 成如下公式。 = m ( 凡一乃) = m 丁( 2 3 ) 式中为对流换热热流量( w ) ，正值表示流体被加热，负值表示流体被冷却， 绝对值则为流体得到或失去的热流量；凡和乃表示壁面温度和流体温度( 或 k ) ；a 为壁面对流换热表面积( m 2 ) ；h 为对流换热系数( w m 2 k ) ，h 不是物性 参数，表示的是对流换热能力的大小，有很多因素可以影响它，包括流体种类、 流速、气压等。考察如图2 3 的情况，是冷流体流过热壁面的状态，曲线标示的 是距离壁面不同距离的流体温度。 冷流体 图2 3冷流体流经热壁面的温度空间分布 图2 4 对流换热热阻 与热传导的情况类似，将式2 3 改写为 t 户外温控机柜热性能分析与研究 ：t w - - t i ：t , v - t s ( 2 4 ) 上 尼 枷 1 公式中令击= 恐，而如图2 4 所示，与热传导中r a 类似，忍阻碍着温度的 ，坍 变化，虽然二者在热量传递的过程中作用类似，但二者性质是完全不同的。从公 式可见，尺z 取决于物体的厚度、传热面积和导热系数，这些都是物性参数，则尺a 也是物性参数，即不论外界坏境如何变化，只要物体材料、形状、形态不变化， r z 都不会变化。但皿取决于其换热面积和对流换热系数，后者不是物性参数， 其值受对流运动成因、流动状态、流体的物理性质、传热体表面形状、相对位置、 流体相变等因素影响，因而尼也不是物性参数。为了跟热传导的热阻r z 区别，r 。 被称为对流换热热阻。 2 1 3 热辐射 物体因受热而向外发射电磁波传递能量的现象称之为热辐射。物体除了不断 向外发出热辐射，同时也不断吸收其他物体发出的热辐射，发射与吸收热辐射导 致了物体间热量的传递，这种传递称之为辐射换热。 辐射换热跟热传导和对流换热相比有三个重要的特点。首先在传递方式上， 只有辐射换热无需物体接触，不需媒介，可以在真空中传递，而且真空度越高传 热效果越好；其次是在传递过程中伴随能量的转换，发射时将热能转化成辐射能， 吸收时则将辐射能转化成热能；最后，只要物体温度在绝对零度，即热力学温度 零度以上时，都会不停地向外发出热辐射【2 5 , 2 6 】。 物体表面发出的热辐射能量取决于其温度和表面性质，研究中，人们设定能 吸收全部投射到其表面的热辐射能的物体为黑体。黑体是一个理想物体，其吸收 和发出辐射的能力是同温度物体中最大的。而一切实际物体辐射能力都小于黑 体，于是为物体设定一个性质，称之为辐射率，也称黑度。在实际计算中，可采 用修正的斯特藩玻尔兹曼( s t e f a n b o l t z m a n n ) 定律。 西= e , t r a t 4 ( 2 5 ) 式中s 为辐射率，仃为斯特藩玻尔兹曼常数，也称黑体辐射常数，其值为 5 6 7 1 0 。8 w ( m 2 k 4 ) 。上式表达的是一个物体向外发出热辐射能的情况，若两物体 进行辐射换热，还需考虑辐射吸收情况，常用下式进行计算。 中山人学硕十学位论文 = f o a ( t 1 4 巧) ( 2 6 ) 其中f 是一个不大于l 的值，主要取决于辐射表面相对几何关系、表面辐射特性、 黑度等。与热传导和对流换热一样，将阻碍辐射换热的因素归纳成辐射热阻，参 考对流换热热阻尼的计算可得下式。 = f 盯么( t ，4 - 巧) = 彳矗，( 丁一一丁：) = 竿= ! 三二主! 生2 - 7 a h ， 于是 协= 1 f a ( 函t , 4 - 矿t 2 4 ) ( 2 8 ) f 丁l 一丁2 ) 式中h ，称为辐射换热系数，而= r ，称为辐射换热热阻。显然，r ，受物体本 a t l r 身特性和温度的影响，则在达到热平衡前，该值都是不稳定的。而且，尼与温 度四次方有关，对温度异常敏感，因此高温时往往成为传热的主要方式。 2 2 热分析的数学物理方程及温控机柜热分析 对一个封闭空问的热分析，若需精确计算其温度空间分布，需使用较复杂的 迭代方程，该部分的分析将在下一节中利用软件模拟得出。理论计算只分析其稳 态情况，可以得到温控机柜系统在无制冷条件下的散热能力，同时也能得到其内 部发热功率，以确定散热手段。 2 2 1 理论热分析基本假设 由于工控机机箱内空间不大，发热集中，而且机箱外壳导热系数较大、厚度 较小，在分析中，将其外壳看作一个集总热容系统。集总热容系统是指，物体内 部的导热热阻与表面对流换热热阻相比可以忽略不计，任何瞬时内部温度梯度都 可忽略的导热体。集总热容系统的确定一般以毕渥数( b i o t ) b i 的值来确定，当 b i 、 0 1 时就可以认为该物体是集总热容系统了。b i 值用以下公式计算 历：覃：丝 ( 2 9 ) 1 九 m 式中l 为物体的特征长度，其确定原则将在后面章节给出；力为物体内部导热系 户外温控机柜热性能分析与研究 数；a 为物体散热面积；h 为物体对流换热系数。根据前述热阻定义可得，在公 式中去为物体内部导热热阻，土h a 为物体表面对流换热热阻。 由于只计算稳态结果，因此不考虑时间因素，计算都与时间无关，并且计算 时将机柜内空间视为温度均匀的。为了方便计算，环境温度也将视为恒定不变。 2 2 2 工控机发热计算 x , j - - r 控机发热进行计算时，先算出其机箱壳表面温度瓦：，再利用该值算出 机壳的散热功率。 ( 1 ) 工控机机箱外壳温度计算 由于工控机机箱设计原因，机内发热大部分通过机壳散发。在没有加装风扇 或其他鼓风设备的情况下，物体散热主要为自然散热，散热形式包括自然对流和 辐射散热。自然对流按照如下公式估算【2 7 】： q = 6 1 0 7 c a ( t w 2 一t 2 ) 1 2 5 r 2 5 ( 2 1 0 ) 式中q 为流体的热流( w ) ；c 是一个取决于物体表面形状和取向的系数；a 是散热体的表面积( m 2 ) ；瓦：为发热物体温度；t ：为流体温度；l 是特征长度， 其值取决于物体表面形状和取向。下表是各表面c 值与特征长度l 的取值。 表2 - 1机箱参数取值表 、 参数 表面 cl 上表面 o 7 1 ( 长木宽) ( k + 宽) 下表面 0 3 5 ( 长 宽) ( 长+ 宽) 左侧面 0 5 5 高度 右侧面 0 5 5 高度 前面 o 5 5 高度 后面 0 5 5 高度 辐射散热则以物体间辐射换热的斯特藩一玻尔兹曼( s t e f a n b o l t z m a n n ) 公式计算。 q = 5 6 4 a f , f o t ：4 - 磋】幸l o 。8 ( 2 1 1 ) 式中q 是两表面问的辐射热流量( w ) ；b 为辐射系数，描述传热表面的辐射性 能；凡为形状系数，描述吸热表面面对辐射表面的部分；b 与凡的乘积代表了 上一章辐射换热公式中的f ；瓦：为发热体温度( k ) ；t 2 为流体温度( k ) 。设 1 2 中山大学硕= ：学何论文 物体的热功率为q ，则有q = q + g ，。 以上述公式计算实验中使用的一大一小两台工控机表面温度。计算中，流体 温度巧：即为温控机柜内部温度，取3 5 。c ，即3 0 8 k 计算。经过功率表测试，大 工控机功耗1 1 8 3 w ，小工控机5 8 + 2 w 。总功率因数o 9 4 - 0 0 2 。由于用电器件 中有感性及容性负载，使得电压电流有一个相位差0 。功率因数值就等于c o s 8 。 该相位差的出现是因为输入的电能中，有部分转化为机械能、热能等能量，这 部分功率称之为有功功率p ；而另一部分则用于电路内电场与磁场的交换，并用 来在电气设备中建立和维持磁场，这部分能量不对外做功，称之为无功功率q 。 输入用电器的有效电流与电压的乘积为视在功率s ，并且有( p 2 + q 2 ) j = s ，而功 率冈数c o s 护：善：与。两台工控机功率因数为o 9 ，即输入功率中有9 0 o ( 尸2 + q 2 ) i 为有功功率，可以算得两台工控机的有功功率分别是1 1 1 5 w 与5 0 4 w ，共有 1 5 1 9 w 转化成机械能和热能等设备利用到的能量形式。因为有 q ：q + q ：6 1 0 7 c a 面( t ：f 2 - 一t y 2 ) z 5 + 5 6 4 a f r f a 4 2 磁】木1 0 一8 ( 2 1 2 ) 式中参数c 、l 可查表2 1 得到；a 为机箱外壳面积，为已知；b 、凡为机壳物 理特性，查表后分别取0 8 5 和1 ；0 ：即机柜内部温度，为已知量；两工控机的 q 值也已知。则按照式2 - 1 2 计算，可得工控机外壳温度瓦：。但由于式2 1 2 是 关于乇：的四次方程，其中还包括碳2 5 的项，其解的形式比较复杂。因此使用试 算的方法计算，在除t ：外的参数都确定后，假设一个瓦：值并代入式中计算，可 得q 值，然后再以o 5 的步长改变乇：值重新计算q ，直到计算的q 值最接近已 知q 值为止。在巧：为3 5 。c 时大工控机表面温升2 6 。c ，d , i 控机表面温升1 6 5 。 在多次实验中，用温度测试仪测试，大工控机机壳温升2 3 2 8 c ，小工控机机壳 温度1 4 2 0 。c 。可见使用该公式计算工控机外壳温度，数值在合理范围。 ( 2 ) 工控机发热功率计算 在计算工控机外壳散热功率之前，先用公式召江华计算各表面毕渥数，对 户外温控机柜热性能分析与研究 于薄平板，特征长度l 为其厚度的一半，工控机外壳导热系数通过查表得到， 计算得到工控机机箱外壳各表面都有b i 0 1 ，即可将其视作集总热容系统，机 壳热阻可以忽略。 设机箱外壳内部热阻为砭，如前述，机箱外壳内部热阻可忽略，即砭= o ； 机箱外壳与机柜内环境之间的自然对流热阻为砖，辐射热阻为毯：。机箱各个面 的对流换热系数用公式2 1 3 计算【2 8 1 。 h ：( 竺) 6 ( 2 1 3 ) l 式中，n 和b 是取决于几何形状和流动条件的常数；l 是特征长度。然而，在计 算中，对于竖直表面和水平平板，上式各个系数有不同的取值。因而必须分别计 算机箱六个面的散热水平。机箱各面n 、b 、l 的取值如下表所示。其中，长方 形的边长取长和宽的平均值。 表2 - 2 散热计算参数表 - 叁黼 表面- z l nbl 左侧面1 4 2 1 4 高度 右侧面 1 4 21 4 高度 前面 1 4 21 4 高度 后面1 4 21 4高度 上表面 1 3 21 4 边长 下表面 0 5 9l 4 边长 根据前面章节提到的对流换热热阻计算公式去= r 。可计算机箱表面的对流 h a 换热热阻砖。导热热阻尺：= 。由于辐射换热系数胁= 鬻，又辐射换 热热阻去地，因此可用公灿= 瓦1 = 瑞计算站机箱散热情 况可类比电学中电能的传输，等效电路图如图2 - 5 。 图2 - 5 工控机外壳温度及热阻等效图 f 2 中山人学硕士学位论文 因为砭= o ，因此机箱发热热阻等效为砭，和砖：并联的热阻，并联热阻的计算方 法与电阻相同，则根据公式2 1 4 可计算得到机箱的总散热功率。 m 划。埘，= t 2 - - t j 2 + 譬= 镣 协 恐l + 恐2 空气的辐射吸收率很低，可近似认为空气不吸收热辐射，热辐射由发出辐射 物体的周围环境吸收。则在计算机柜内部空气温度时，仅计算工控机通过对流换 热散发的热能，即工控机对机柜空气的有效发热功率为：，即t ：一瓦2 w t f 2 。 坞1 由于每个面的情况各不相同，因此需分别计算六个面的散热功率，其和即为机箱 外壳的散热功率。工控机发热功率计算算例将在2 2 4 中给出。 2 2 3 温控机柜散热计算 当机柜外壳温度比环境温度高时，其内部热量将通过机柜外壳散失。与计算 工控机外壳散热功率时类似，先用公式b f = 竿计算毕渥数，通过查表得到机柜 外壳导热系数，计算得到无保温层机柜外壳各表面都有b i 工控机壳 = r f i 温控机柜外壳 图2 - 8 机柜温度示意图 联蛔2 疆t f l - 乃2 铡2 警谢驴轳t 瑚叭 于机柜和工控机各表面热阻都有所不同，需分别计算发热功率，n 是一个大于1 小于6 的整数，。、：分别代表机柜和工控机六个面的发热功率；乃z 为环境 温度，设定恒定不变；乇：为工控机箱外壳温度，由式2 1 2 决定，受t 影响；从 热阻公式可见r i 、r 3 1 、砭，都受t 影响。方程组中，未知数为t ，r l 、r 3 1 、恐：、 砖。和瓦：仅靠t 值确定，其余参数均为己知。由于受t 值影响的参数中，乙：、 飚都由其高次方程确定，其解的显式表达式复杂且难以求得，因此需对方程进 行试算求数值解，即先取定一个指定的t 值代入方程，以一定的步长改变t 值， 算例中步长采用0 5 ，当t 值使得。= ：时，该t 值即为最终结果。在计 户外温控机柜热性能分析与研究 6 6 算中，约定中。= ，：= 。 月= l门= 1 以下分别计算无保温层及有保温层情况下的散热功率。无保温层机柜计算 中，考虑一大- - , h 两台工控机的影响。如前述，由于机柜外壳为5 m m 厚的钢板， 厚度较小，且机柜外壳导热热阻相对表面对流换热热阻来说非常小，计算中可忽 略不算，即取r 2 = 0 ；由于机柜外壳导热热阻忽略，则机柜外壳两表面温度相等， 即瓦。= 瓦：= 瓦。 根据公式，有蜀2 硒1 2 砰1 2 面12 磊1 尺3 1 。面1 2 磊1 石其中a 、l 、b 耙2 聪 b z = 面1 = 面而t w 2 - l 2 ，其中盯是斯特藩- 玻尔兹曼常数， 其值为 5 6 7 1 0 。8 w ( m 2 k 4 ) 。由于乙：的值由以下公式确定。 q = q + q ，= 业掣+ 5 6 4 a 矾略m o _ 8( 2 - 1 6 ) 式中q 为输入功率，q 、q r 分别是对流发热功率和辐射发热功率。该公式 又受t 值影响，因此，每次改变y 值时，都以公式2 1 6 重新调整瓦：值。又 r 3 l 。百1 2 ：巧1 ，因此改变t 值并调整乇2 后，也需对尺3 l 进行调整。 计算时，取环境温度t 1 2 为2 5 c ，即2 9 8 k ；由于机柜受工控机热辐射影响，机 柜表面温度瓦比机柜内部温度高，经实验证明可取t + 2