液體冷卻系統設計研究

王希兵

（中華人民共和國江蘇漁港監督局港監處，江蘇南通 226006）

0 引言

所謂液體冷卻系統，就是冷卻液體與發熱元器件直接或間接接觸進行熱交換，熱源將熱量傳給冷卻液體，再由冷卻液體將熱量傳遞出去。液體冷卻系統中泵、熱交換器以及冷卻劑的選擇至關重要。由于液體的導熱系數及質量定壓熱容均比空氣大，因此，利用液體冷卻可以很好的降低相關換熱環節的熱阻，提高其冷卻效率。

1 液體冷卻系統的設計流程

1）根據變頻器設備的技術條件，確定冷卻系統的冷卻方式并選擇冷卻液體，然后進行傳熱計算，確定冷卻液體的流量和流速。

冷卻液流量的計算根據熱力學公式

式中：K—不均勻換熱系數，K=1.1～1.5；c—冷卻液的比熱；m—冷卻液質量流量（kg/s）；Δt —循環冷卻液進出口溫差（℃）。

那么所需要的冷卻液質量流量為：

考慮到可靠性、安全因素及長期運行冷卻性能逐漸下降等因素，實際內冷液量可略大于計算值。

單獨設備的冷卻液流量可通過單獨計算的設備熱損耗來確定。流量、流速與管道通徑的關系通過下式表現：

式中：m—冷卻液質量流量，t/h；ρ—冷卻液密度，kg/m3；d—管道通徑，mm；v—冷卻液流速。

冷卻系統中的管道主要采用剛性管道和彈性管道，考慮到抗腐蝕能力和使用壽命，剛性管道材質一般選用不銹鋼或銅。

彈性管道主要包括不銹鋼波紋管、橡膠軟管等，振動設備之間、通徑25以上的管道可采用不銹鋼波紋管連接，通徑25以下采用橡膠軟管。彈性管道具有安裝靈活、方便拆裝、抗振動性強等優點。

2）選擇二次冷卻方式（熱交換器形式）。根據水源、損耗功率大小以及氣象資料（環境溫度等）來確定熱交換器的形式，當換熱容量在20 kW以上，而且水源比較豐富時，可采用水-水熱交換器，當熱交換容量小于20 kW時，水源較缺（如移動設備），可采用水-風熱交換器。

3）分別確定熱流體和冷流體的溫差Δt1和Δt2，選擇Δt時，既要保證能帶走熱量，又要保證系統啟動后盡快達到工作溫度。出口溫度一般不宜超過60～70℃，若溫度過高，則易產生水垢而影響散熱性能。對于液冷系統，一次熱交換的溫差，根據經驗推薦Δt1=7～10℃；二次熱交換的溫差可取為5℃左右；

4）根據二次冷卻液體的溫差Δt2，由熱平衡方程式確定其流量。

5）確定冷流體在換熱器中的走向，根據其走向，分別求出在換熱器中的換熱系數1h和2h。

6）根據1h、2h及mtΔ確定熱交換器的換熱面積，并對熱交換器進行結構設計或選擇符合換熱面積的熱交換器。

換熱面積的確定

式中：Q—換熱量；mtΔ—平均對數溫差；K—換熱系數；ε—水垢附加系數，軟水—ε=0.6～0.65，硬水—ε=0.8～0.85。

對數平均溫度可按下式求得

式中：Δt′—表示內循環水入口溫度與外循環水出口溫度之差或內循環水出口溫度與外循環水進口溫度之差中的大者， Δt′—表示其中的小者。

7）根據整個冷卻系統的結構布置，計算系統的阻力損失，以便結合流量選擇泵及電機功率的大小。

系統壓力損失（也稱壓降）包括兩部分：

a）沿程壓力損失，它是由流體流經管道壁面時與壁面之間的摩擦引起，也稱為靜壓損失，沿程壓力損失可由下式計算。

式中：pΔ—沿程壓力損失；f—沿程阻力系數；l—管道長度；ρ—密度；v—流速；d—管道直徑。

b）局部壓力損失，它是由流體進、出口以及流經彎頭、截面突變、濾網等處引起的，也稱為動壓損失，當流體的速度和方向發生變化時所引起的局部壓力損失由下式計算。

式中：pΔ—局部壓力損失之和；ζΣ—局部阻力損失系數之和；ρ—密度；v—流速。

一般設備供水壓力過低會使內循環水無法克服管道流阻，導致內循環水流量過低，內循環水壓力過高，會導致軟管接頭松脫或爆管事故，一般內循環水出口壓力為0.25～0.4 MPa。

泵是用來輸送冷卻液體并使其在冷卻系統中循環的一個動力裝置。在選擇液體冷卻用泵時，應注意以下方面：

a）冷卻劑的物理、化學特性，如密度、黏度、溫度、懸浮的固體、磨料、熱穩定性能及對泵結構材料的腐蝕和溶解作用。

b）流體在泵的入口狀態，即是否注滿入口、是否充滿氣泡、是否自動注水等。

c）泵的特性，如流量、壓差、進出口壓力、管道損失、換熱器和占空系數等。

d）泵的電氣和機械特性，如電動機電壓、頻率、噪聲和環境條件（灰塵、潮濕、煙霧）等。

考慮到安全問題，一般選擇兩臺水泵并聯為內循環水提供動力，假定內循環水總流量為Q，那么兩臺水泵的額定流量應略大于Q/2，兩臺同樣的水泵并聯工作，如果忽略管路接頭損失，并聯水泵的揚程與單臺水泵的揚程相同，流量小于兩臺水泵流量之和，即：

8）水冷散熱板及水冷設備的的設計要求

a）一般采用鋁材或銅材作為水冷散熱板的材料；

b）水冷散熱板與功率器件的安裝表面應光潔、平整?？杉訉岣?、導熱脂或導熱橡膠片等；

c）水冷散熱板與安裝表面之間不應出現跳火、擊穿等跡象，其電絕緣性、耐熱性和耐濕性應按有關標準進行檢測；

d）水冷散熱板應按有關標準進行測試，其熱阻值不應超過需用偏差范圍。

水冷散熱板的設計要求應至少包括以下參數：散熱功率；冷卻液流量及溫度；元器件安裝面熱阻；散熱板內部管道流阻；表面粗糙度及平面度；散熱板耐壓；材質。

其他水冷設備均應提供冷卻液流量，流阻曲線等參數。在額定流量下，單個部件流阻不得大于0.3 bar，變頻器系統流阻不得大于0.7 bar。

9）管路和閥的選用。為了輸送和控制冷卻劑的循環，在液體冷卻系統中應設置必要的管路和閥門。應盡可能減少管路中閥的數量，并考慮使用操作及維修的方便。

機載設備的液冷系統應采用高強度的薄壁管道與接頭，以減少其尺寸和質量；對于船用及地面的液冷系統，因對質量的要求不高，則可考慮選擇大型、價廉的輸送管道。

10）液冷系統的監控與防護。在液冷系統中，對冷卻劑運行過程的幾個主要參數，如溫度、流量和壓力，必須實行監視與控制，當系統處于正常工作時，這些運行參數應能及時、準確的顯示在集中控制室里。一旦某個參數出現異常，應能迅速的發出警告信號，排除故障，同時對冷卻系統進行防腐蝕處理。

當熱負載或工作環境條件改變時，應對冷卻系統中的冷卻劑的流量進行控制，從而實現對溫度的調節，減少熱循環對可靠性不利的影響。

根據元器件或組件對溫度敏感的程度進行冷卻劑流量的調節。對于敞開的系統或對熱非常敏感的組件，其工作溫度應控制在固定的范圍內，有時需要配備冷卻劑的加熱裝置。

控制方式可分為：間斷式、旁通式和連續式。通過溫度傳感器產生的信號，控制冷卻系統中的閥門或類似裝置，實現流量（溫度）的控制。通過溫度傳感器提供的信號，使繼電器通斷來控制泵或電磁閥，達到控制的目的。

2 冷卻系統設計中的關鍵技術

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1）冷卻液的選擇

衡量某種液體是否適宜做冷卻液的兩個主要因素是腐蝕性和熱特性。電子設備用冷卻劑特性主要有以下五個方面：

a）冷卻液的熱特性。包括導熱系數、質量定壓熱容、密度、黏度、膨脹系數和表面張力等。

b）物理特性。使用冷卻液的方便性和安全性、包括適當的沸點和冰點。

c）電氣特性。包括介電強度、體積電阻率、介電常數和損耗因素等。

d）相容性。與元器件的相容性要好，不產生化學反應，熱穩定性要好，不易揮發。

e）經濟性。成本要低。

一般情況下，水是最好的冷卻劑，具有良好的物理特性和經濟性，在特殊要求的環境下，可使用某些有機物的水溶液作為冷卻劑。

2）流速的選擇

冷卻液流速的選擇是衡量一個液體冷卻系統是否滿足要求的重要因素，流速過低，冷卻效果可能達不到系統要求；流速過快，需要配置功率更大的泵，造成浪費，并帶來新的損耗，影響其經濟性。

圖1為水冷散熱板模型，水冷板表面安裝四個功率模塊，每個功率模塊發熱量為1.04 kW，冷卻水進口溫度為38℃，冷卻水進口流速1.7 m/s條件下水冷板溫度場仿真結果如圖所示。

改變冷卻水流速，得到仿真結果如表1所示。從仿真結果看，流速為1.7 m/s時，冷卻效果較好，繼續增加冷卻水流速，冷卻效果提升不明顯。因此冷卻系統設計過程中，從整體性能角度考慮，冷卻液流速取1.7 m/s最合適。

3）氣水分離技術

冷卻水中可能溶解部分氣體，在設備運行過程中遇熱形成氣泡。使器件冷卻不均，可能出現故障。為除去系統運行過程中出現的氣泡，需要在管路中安裝氣水分離器，氣水分離器結構示意圖如圖2所示，氣水分離器串接在水泵吸入端的管路中，氣水分離器進水口與出水口成 90°角，且出水口豎直向下。當水流由進水口（A處），進入氣水分離器，由于氣水分離器的腔體比管路大，冷卻水進入氣水分離器后，壓力產生突變，使水中的氣泡與水分離，氣泡穿過傾斜的孔板上浮，聚積在氣水分離器的上部(C處)，待氣體聚積至設定壓力后排氣閥自動開啟排空，而經過除氣后的冷卻水聚積在氣水分離器的下部（B處），由出水口（D處）流出。

使用氣水分離器前冷卻水中存在大量的氣泡，如圖3（a）所示。設置氣水分離器冷卻系統運行一段時間后，從透明管道中可以看到，冷卻水中無大量可見氣泡。如圖3（b）所示。

3 結論

液體冷卻系統的設計應遵循一定的流程和方法，對冷卻系統中各個環節進行整體的壓力、流量、流速進行分析，選擇合適的冷卻液、管路、水泵和其他部件。綜合考慮各方面的因素，使其既能滿足熱設計的要求，又能達到電氣性能指標，所用的代價最小、結構緊湊、工作可靠。

[1]趙惇殳. 電子設備熱設計. 電子工業出版社， 2009.

[2]馬義偉，劉紀福，錢輝廣. 空氣冷卻器[M]. 哈爾濱工業大學出版社，1982.

[3]錢頌文. 換熱器設計手冊[M]. 化學工業出版社,2002.