工程机械热管理系统设计方法论文

工程机械热管理系统设计方法论文（精选8篇）

工程机械热管理系统设计方法论文 篇1

1热平衡分析

热平衡状态下，各处温度保持恒定不变，各系统的吸、放热量相等。(1)发动机冷却系统Q0=Q1=P1，式中:Q0为冷却液通过发动机时的吸热量;Q1为冷却液通过水箱散热器时的放热量;P1为水箱散热器的换热量。

(2)液力传动散热系统Q21=P2，式中:Q21为液力油通过液力散热器时的放热量;P2为液力散热器的换热量。Q21+Q22=Q2，其中Q22=∑KdiAdiΔtdi。式中:Q22为液力系统油箱、变速箱和输油管路等表面的放热量;Q2为液力变矩器的液力损失;Kdi、Adi和Δtdi分别为液力系统油箱、变速箱和输油管路等表面的散热系数、外表面面积和油与环境的温度差。

(3)液压传动散热系统Q31=P3，式中:Q31为液压油通过液压散热器时的放热量;P3为液压散热器的换热量。Q31+Q32=Q3，式中:Q3为液压系统的能量损失;Q32为液压系统油箱、液压缸和输油管路等表面的放热量。

(4)冷却风散热系统Q4=Q1+Q21+Q31=P1+P2+P3，式中:Q4为空气通过散热器组时的吸热量。虽然传统设计方法存在对细节考虑不足的缺点，但其具有对问题表达方便以及计算过程简单等优点，对某些问题也不失准确性，故仍作为设计和研究热交换系统的基本方法，具有较大的使用价值。

2试验研究

试验研究是利用先进的物理试验技术，对实际热管理系统关键部位的主要工作参数进行测量分析。任何理论计算方法都是建立在某些假定条件上的抽象方法，都有其适用范围，偏离了其适用范围，计算结果就会产生较大偏差。由于流体传热问题的复杂性，人们目前对某些方面的认知还不够深入和准确，试验研究仍是不可缺少的手段。试验测试系统结构如图1所示[5]84，88[7]20。

3流场的`数值模拟分析

工程机械主要利用流体来完成传热，流动特征对传热效果和能量损失有着较大影响，合理设计流道是非常必要的。随着计算流体动力学(CFD)技术在传热方面应用的不断深入，利用数值模拟计算分析流场，可获取大量的流动细节数据，有利于分析产生不良性能的原因。可利用CFD技术对冷却风流场、散热器中流体流动及传热特性、发动机冷却水腔内部流动、液力变矩器以及液压元件内部流动等进行分析。引入CFD技术可弥补传统设计方法的不足，并降低开发成本和缩短开发周期，它已成为国内外自主创新和自主设计的重要技术支持之一[5]8[6]4[7]20，501。例如冷却风流道由机罩、发动机、导风罩、风扇和散热器组构成，其中流动比较复杂，不同部位流态差别也较大。在设计机罩、导风罩和风扇等时，可以借助CFD软件对流场进行数值模拟分析，由此对上述部件的结构形状进行优化改进。利用冷却风流场的数值模拟结果，还可以计算出冷却风的平均集总参数，用于对整机热管理系统的计算机仿真分析[10-11][12]092802-6。

3.1流场数值模拟分析

对流场进行数值模拟分析主要包括建立计算域、计算域网格划分、流场数值模拟计算和计算结果分析。目前常用的CFD软件有Fluent、STAR-CD和CFX等，由此进行数值模拟计算大多可以得到比较满意的结果，其中准确设定流体密度和黏度等物性参数以及边界条件是获得准确计算结果的关键[7]507。计算结果分析包括以下内容。

(1)流场分析观察分析流速及压强等物理量的大小及分布特点，分析流场中涡流、滞流、回流、卡门涡列等流动特征的位置和强度，分析它们对工作性能的影响。

(2)典型断面主要参数的分析利用流场模拟计算结果，可计算出平均流速、平均压强、流量和阻力等参数，进而可计算出流速系数和阻力系数等参数。据此分析流动参数与流道几何结构、尺寸以及工作参数之间的相互影响，为设计高性能产品提供有价值的建议。

3.2装载机冷却风流道的分析

针对XG953型装载机，利用CFD技术计算了原结构和几个改进方案的冷却风流场。重点从流速场、压力场、流量和风阻4个方面进行比较分析，由此提出改善散热效果的措施:

①封堵或尽量减小散热器四周的间隙，避免热风回流;

②机罩后部靠顶部处开出风口，以保证热风排出顺畅;

③进风口采用风阻较小的网状结构，其位置尽量靠近风扇进口，以减小进风风阻。采用前两个措施后，可增加冷却风有效流量约15.2%。采用某一改进方案，在高速跑车工况下，装载机机罩出口冷却风速度分布如图2所示。将机罩出口冷却风速度的计算值与试验测量值比较发现，计算值与试验测量值基本接近，表明采用数值分析方法能很好地解决实际问题。

4计算机仿真

工程机械热管理系统由多个子系统组成，实际工作中它们之间相互影响，单纯依靠传统计算分析方法，不易设计出整体性能良好的热管理系统。因此，借助先进的计算机系统仿真技术，对整机热管理系统的工作特性进行模拟计算，无疑是解决这种复杂问题的有效手段。利用计算机仿真技术，可以计算出系统中各个部位的温度、压力和流量等参数的静态和动态特性，可以分析各参数对各子系统的影响以及各参数对系统性能的影响，有助于人们对系统更直观、更全面、更深入的认知，弥补传统计算方法和试验的不足。可用于该方面的仿真软件有EASY5、Flowmaster、MATLAB/Simulink和20-sim等[14]。

4.1XG953型装载机散热系统仿真模型

笔者利用EASY5软件构建了改进后的XG953型装载机散热系统仿真模型，散热系统包括发动机散热、液力传动系统散热、液压系统散热和冷却风4个子系统，如图3所示。

4.2仿真结果分析

在36℃环境温度下，对装载机在高速跑车工况下的热平衡状态进行了仿真计算与试验测试，结果基本吻合(如表1和表2所列)。其中发动机冷却水和液力传动冷却油的热平衡仿真曲线如图4所示。

5结语

工程机械热管理系统设计方法论文 篇2

某高速轮式工程机械是遂行机械化保障的重要装备,同时,其还担负着拖载其它重型装备的任务。经前期使用,在高原环境下该装备发动机冷却系统、液力传动系统、液压工作系统的过热问题时有发生,满载牵引连续爬坡过热问题尤为明显,有时水温最高达到120℃,变矩器油温最高140℃,远远超过了系统规定的要求,影响到装备高原环境下的连续使用。为此,通过冷却模块的合理匹配及分离油水散热、采用电控液力驱动散热风扇技术,对热平衡系统进行了全新的改进设计,解决了机械热平衡系统高原使用过热问题,实现了装备的平原、高原地区兼顾使用,拓展了装备的环境适应性及应用范围。

2 原机械热平衡系统结构

发动机后置,冷却系统采用吹风式,风扇由发动机曲轴直接驱动,风扇转速与发动机转速同步,从发动机处来的冷风经过风扇加速后从散热水箱吹过;系统有三个水冷式散热器,采用串联方式、分别是发动机水散热器、液压油散热器和双变(变速箱、变矩器)油散热器。油散热器安装在水散热器的下水室里,发动机水套水经过水散热器冷却后,再冷却双变油散热器,水流出后继续冷却液压油散热器。如图1所示。

3 过热问题的原因分析

热平衡系统的散热能力除与其面积有关外,与环境温度、冷却空气质量流量等因素也有密切的关系。经分析,导致系统过热的主要原因有几个方面:

(1)冷却模块的水路耦合作用

高原环境下,液力传动型机械不能充分发挥发动机最大功率,导致传力不足和低速传动,相当一部分功率内损转换为热;油冷却器串联在冷却系统水路,由于冷却模块匹配性能的恶化,传递到水中的热量将增大,从而导致水温过高;高原地区散热能力下降,水温较高时,对数温差偏低,油散热器没有足够的冷却能力,油的热量不能完全传递到水中(极端情况下为非稳态传热),致使油温持续升高超过规定要求,形成恶性循环。

(2)风扇转速与控制方式

冷却风量的大小对系统的散热效果有直接影响,当风扇直径、系统风侧阻力、风扇形状选定后,风扇的转速就决定了风量的大小。原机械风扇由发动机曲轴直接驱动,即风扇转速与发动机转速相同。这种驱动方式使系统的换热量受发动机转速变化影响很大,机械所需的散热量不仅随发动机转速变化,受机械作业负荷的影响也非常大。当机械低速大负荷条件作业时,特别是连续爬坡、满载、长距离低速运行时,系统发热量很大,因发动机转速很低,造成冷却风量不足,不能满足系统换热的要求,致使系统过热。

(3)高原环境的影响

对发动机而言,由于气缸内空气量减少,过量空气系数下降,燃烧状况不良,后燃现象严重,使发动机热负荷增加;由于系统的热量主要是依靠冷却空气带走,海拔高度对空气密度影响很大,在海拔4000m条件下,空气密度只有平原的66%左右,由于空气密度降低,使冷却风扇质量流量减少;由于海拔升高,冷却水的沸点降低。这些均导致散热能力下降,热负荷进一步增加。大气主要参数随海拔高度的变化见表1。

4 热平衡系统的改进设计

改进后的热平衡系统通过冷却模块的合理匹配、采用电控液力驱动散热风扇技术解决了机械高原适应使用热平衡系统的过热问题。

4.1 系统结构组成

由动力驱动模块、电子控制模块、冷却散热模块三部分组成。动力驱动模块由液压泵、液压马达、比例控制阀、滤油器、油管等组成。电子控制模块由控制器、温度传感器(B1、B2、B3)和转速传感器B4等组成。散热模块由风扇、水散热器、液压油散热器、双变油散热器等部分组成,如图2所示。

4.2 工作原理

动力驱动模块中的液压泵从发动机取力,驱动液压马达带动风扇高速旋转,提供散热系统所需的平衡风量。冷却散热模块中的三种散热器分别将内部液体热量经冷却空气传递至大气之中。电子控制模块依据冷却散热模块的温度与风量变化的逻辑关系自动控制液压马达转速,即风扇转速,使整机的散热系统平衡在最佳工作温度范围内。

4.3 热平衡系统的参数设置

机械动力装置选用的是Cummins M11-225柴油发动机,发动机功率168kW,标准条件下发动机的热负荷参数见表2,根据发动机、变矩器、液压系统的特性及匹配计算,改进后热平衡系统的设计参数见表3。

4.4 风量与最大风扇转速

保持原风扇直径820mm不变,根据换热方程计算在海拔3700m,29℃环境下,最大扭矩工况时风扇转速约1786r/min,系统风量约3.9m3/s,设定风扇转速最高为2000r/min。以此为条件,选择动力驱动模块中的液压原件。

4.5 温度控制模式及参数设定

由于三个散热器温度不同,根据系统性能及控制要求,相对设定了不同散热器需要控制的最低温度、最高温度和报警温度,设计在温度设置区间内,风扇转速与温度成线性关系;在控制风扇转速的过程中,依据系统温度保证的重要程度,设定三种温度的重要度排序依次为变矩器油温、水温、液压油温,当温度不平衡时,接近最高温度的为优先控制的原则。系统温度控制设定模式如表4所示。任何条件下,只要有一个温度过限报警,风扇自动加速到2000r/min,保持强制冷状态。

此外,动力驱动模块中设有安全保护装置,当电控失效时,比例控制阀阀芯在弹簧的作用下移动到液压马达流量最大位置,从而使风扇以最高转速运转,保证系统安全工作。

5 改进后热平衡系统的计算机模型仿真验证

当前,评价散热系统的方法有野外实车、全系统的台架模拟和计算机仿真三种。本文运用Flowmaster软件,针对改进设计的热平衡系统建立了相应的数学模型和物理模型,进行了仿真评估。经计算机模拟仿真,结果非常理想,无论是平原还是高原条件,在额定点和最大扭矩点都能够达到预期效果,即使在最恶劣的条件下,冷却水温度最高为90℃左右,变矩器油温度在100℃左右,基本符合高原工程机械装备在海拔4000~5000m的情况下,将发动机冷却液温度控制在75℃~95℃、变矩器传动油温度控制在80℃~95℃的期望,而且最后的仿真结果都达到了某种程度的热平衡。部分仿真分析结果如图3~图8所示。

6 试验及应用情况

热平衡系统改进后的样机分别在平原及高原环境下进行了野外实车试验。主要进行了定置条件下使车速为零、变矩器最大负荷状态和道路行驶条件下,满载连续爬坡状态油温和水温的变化测试。测试结果显示无论是在定置条件下还是在满载爬坡工况,冷却水温和变矩器油温达到相应温度时,改进后的系统比改进前均出现较大的时间延迟;冷却水温能够始终维持在88℃左右的理想温度,最高为93℃,变矩器油温最高97℃。达到了预期目标。

装有新型热平衡系统的机械在不同环境情况下进行了高速机动、大型装备输送、工程作业及牵引救援等实际作业性能的考核验证和长时间恶劣工况下的强化耐久性试验,热平衡系统各项性能指标稳定,未出现“过热”问题和其他重大故障,其可靠性得到了充分验证,达到了装备高原和平原通用的设计要求,经测算平均降低风扇驱动功率6%,节约燃油2%。目前,新生产的该型工程机械已换装改进后的热平衡系统。

参考文献

[1]高久好,何绍华.工程机械冷却风扇技术研究综述[J].工程机械,2007(1):33-36.

[2]严永华.工程机械用柴油机冷却系统匹配技术研究[J].柴油机设计与制造,2004(3):21-25.

[3]周洪清,杨小强,等.工程机械热管理技术研究与应用[J].煤矿机械,2006(8):55-57.

[4]廖清德.XGL50高原装载机的高原环境适应性研究[J].中国工程机械学报,2004(2):230-233.

高层建筑工程安全设计与管理方法 篇3

【关键词】高层建筑 安全设计 管理方法

高层建筑的设计是为了城市居民提供便利的居住条件，高层建筑的空间可以节约用地面积。在城市中建造高层可扩大绿化用地，有利于节约城市建设的总投资，高层也可为城市办公环境提供有效的办公空间，高层中办公环境机构集中，方便相互的联系，有利于提高工作效率。但高层建筑仍存在诸多的问题，例如高层建筑的单位造价高、管理费用大、能源消耗大等，而且在安全上的问题，例如防火、安全疏散等，高层建筑在安全设计上要综合考虑这些问题，创造城市活动的公共空间和居住空间。

一、高层建筑安全设计现状

（一）高层住宅建筑缺少必要的“避难层”

高层住宅的造价成本很高，高层住宅在建筑结构设计、住宅容积等方面都要考虑到，但建筑中缺少对“避难层”的设置，这种问题很容易造成高层建筑在突发火灾时，因缺少避难所而威胁到居住人们的人身安全，这主要是因为高层建筑在发生火灾时，救援的消防云梯车不能达到所需高度，以致在发生火灾时，高层建筑在外面进行施救时就会很苦难，在这种情况下，大楼里的居民需要依靠自己实施自救，而在高层建筑中设置“避难层”就是实施自救最有效的方法之一，但我国的一些避难层的防烟系统设计的不合理，主要是我国一些建筑中由于风口位置不当，使得大量烟气从风口进入避难层。

（二）高层建筑的消防通道也存在诸多的问题

很多高层建筑的开发商为了追求利益最大化，在建设商用高层建筑时，高层建筑之间密度高、空地少，而且关键是没有设置消防车通道，不仅是商用建筑有这样的问题，而且高层住宅建筑也有一些问题，例如高层建筑中消防车通道，高层建筑的消防车通道多是以环形车道为主，有些车道也不够平坦，同时也没有设置回车场，一些高层住宅小区内设置了不利于安全疏散和火灾扑灭工作，或者是在消防通道中设置永久的挡车柱，使火灾中消防车辆不能顺利通过，不利于楼层中人员的疏散，严重影响了火灾扑救工作的顺利进行。

（三）高层建筑中的装修及配套设施存在一些问题

高层建筑的建设要求很高，建筑中的集中供应空调和冷热水会增加建筑本身的负担，另外，一些建筑中的消火栓箱为满足建筑要求，追求美观而把消火栓箱直接镶嵌在墙体里，使得墙体的耐火极限不符合要求。

（四）高层建筑的安全疏散存在的问题

高层建筑的安全疏散问题包括几个方面，一是疏散人员的自身素质有些问题，这些疏散人员在面对火场环境时，会做出各种不同的反应，很多疏散人员在这种情况下易出现混乱的情况；二是开发商的方面，开发商为了追求利益最大化，在设计上存在一些问题，例如疏散出口的数量、总宽度等不符合要求；楼梯间的面积不够；建筑的自然通风欠缺考虑。

二、高层建筑的设计原理

（一）高层建筑在设计时，要考虑到五种主要尺度，一是高层建筑的城市尺度，高层建筑的体量巨大，对高度的要求也很高，因而高层建筑成为城市的重要景点，从对城市整体影响的角度来看，高层建筑尺度的确定应与整个城市的尺度相一致，高层建筑尺度不能脱离城市，应与城市相互协调，建筑与城市融为一体，形成良好的天际线，有利于城市景观的布局，高层建筑也直接影响到市内居民的生活与视觉观赏，另外高层建筑的位置、高度的确定，也应充分的考虑该城市尺度，不当的尺度会对城市产生不良的影响；二是高层建筑的整体尺度包括裙房、主体和顶部等主要体块之间的相互关系，整体尺度要给人以舒服的感觉，整体尺度讲求的是均衡理论，强调整体尺度均衡的重要性，各部分尺度比例要相互协调，各部分细部尺度应有层次性；三是街道尺度要保持街道空间及视觉的连续性；四是近人尺度，就是指高层建筑最底部分及建筑物的出入口的尺寸给人的感觉；五是细部尺度，也就是材料的质感，质感给人以视觉和触摸的感觉，在设计过程中，要充分运用不同材料的质感，给人以视觉上优美的感觉。

（二）高层建筑外部尺度的设计原则：一是高层建筑与城市环境的尺度要统一的原则；二是同一高层建筑形象中，尺度要有序。在进行高层建筑设计时，要考虑建筑的五种尺度，在设计中要遵守尺度的统一性；三是高层建筑形象在尺度上要有可识别性。

三、高层建筑应注意的问题

（一）高层建筑应注意防火的问题

防火安全通道要保证畅通安全，安全楼道的设计要保证人员的流动畅通，以便在发生紧急情况时，利于疏散建筑中的人员，同时安全通道要设有照明系统，使得楼道内的人员在疏散过程中快速的撤离，避免发生踩踏等其他伤害；高层建筑的楼道内也要设置消防器械，便于人员能够及时的采用灭火措施；建筑物的材料具有足够的耐火极限，以保证火灾时结构的耐火支持能力和分区的隔火能力。

（二）高层建筑的安全照明问题

消防电源与配电对高层建筑来说，要具有很高的要求，确保建筑的正常运行进行合理配电；高层建筑的应急照明要合理人性化，应急照明要安装建筑中的主要部分，以便发生火灾或者其他紧急情况能够清晰的看到，使得人员能够安全迅速的撤离。

（三）高层建筑的排烟问题

在建筑中，防烟楼梯应具备自然排风条件，防烟楼梯间应设置独立的机械加压送风的防烟设施，以保证在发生火灾时能排除烟，降低人员的伤亡。

四、结语

综上所述，近些年来，我国的高层建筑工程迅速发展起来，高层建筑的安全设计也成为建筑工程关注的重点，安全设计是高层建筑工程中最至关重要的组成方面，高层建筑工程的安全设计关系到人们的生命安全，因此，高层建筑的安全设计受到越来越多人的关注，而且高层建筑的设计也开始朝着生态化、人性化的方向发展。

參考文献：

[1]陈云强.高层建筑设计中的若干问题探讨[J].科学之友，2011，（14）.

工程机械热管理系统设计方法论文 篇4

航天器热控系统的可靠性设计与分析

针对国内外航天器热控制、热管理技术的发展现状,在详细调研各种航天器热控系统组成原理与功能实现方式的基础上,从可靠性的.角度出发,归纳、总结了航天器热控系统中串联、并联、表决、储备四种常见的可靠性设计模式及其相应的可靠性分析计算模型,介绍了其在空间站、月球探测系统、火星探测系统等典型航天器上的应用范例,为进一步的航天器热控系统可靠性设计方法与理论分析奠定了基础.

作 者：李运泽 宁献文 王晓明 石晓波 Li Yunze Ning Xianwen Wang Xiaoming Shi Xiaobo  作者单位：北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京,100083 刊 名：中国工程科学  ISTIC英文刊名：ENGINEERING SCIENCE 年，卷(期)： 9(7) 分类号：V416 关键词：航天器   热控制   热管理   可靠性  

工程机械热管理系统设计方法论文 篇5

脆性材料热-力耦合模型及热破裂数值分析方法

针对混凝土、岩石等脆性材料,利用热传导和热-力耦合的相关理论,并结合材料在细观尺度上的损伤演化规律,提出了一种考虑损伤的热-力耦合模型,并在原有材料破坏过程分析系统RFPA(Realistic Failure Process Analysis)模型的基础上建立了脆性材料热破裂过程分析的数值模拟方法.该方法考虑了脆性材料在细观层次上力学性质的.非均匀性(包括强度、弹模、传导系数等),并通过统计分布函数建立了宏、细观力学性能之间的联系.对不同均匀程度材料的数值模拟结果表明:材料的非均匀性对热传导规律、热应力分布以及热破坏模式有较大的影响.材料热力学性质的非均匀性加剧了材料内部热应力分布的非均匀性,这是致使非均匀材料热破裂的一个重要因素.对稳态和瞬态热传导两种条件下的脆性介质破裂过程模拟分析表明,考虑瞬态热传导计算所得到的破裂区小于相同条件下稳态热传导所得到的结果,表明在热破裂过程分析中,应注重考虑瞬态热传导对破裂过程的影响.

作 者：唐世斌 唐春安 李连崇 梁正召 TANG Shi-bin TANG Chun-an LI Lian-chong LIANG Zheng-zhao 作者单位：大连理工大学,土木水利学院,大连,116024刊 名：计算力学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL MECHANICS年，卷(期)：26(2)分类号：V211.3关键词：瞬态热传导 热-力耦合 非均匀性 破裂过程

工程机械热管理系统设计方法论文 篇6

(1)对模块进行划分。在对电梯产品进行模块划分的时候，参照模块划分的原始层次，即参照其需求、结构和功能对电梯产品的模块进行划分。对产品的需求即是按照客户的需求划分。在客户需求的基础上对产品功能进行划分，又在产品功能的基础上对产品结构划分，就如同将需求、结构、功能这三个集合中共同包涵的集合提取出来就是模块的最终划分。

(2)对模块进行编码。模块编码的意义在于对整个模块的规格、属性、参数和模块之间的相互关系进行有组织的整合管理，并且标注名称。对电梯产品的模块进行编码，便于产品分类管理，从而建立统一的标准规范，利于产品生产研发。对模块进行编码时应注意其独特性、完整性、合理性、易操作性以及通用性和开放性。

(3)模块数字化。模块数字化指的是将模块进行数字编码表达。数字编码符合了模块编码的唯一性原则，并且不会引起误解，便于计算机化操作。可以节省电梯产品中人力财力成本，并且迎合了现代社会科技化的需求。

5 结语

工程机械热管理系统设计方法论文 篇7

关键词：热管,热流密度,热仿真

引言

随着电子元器件的高频以及集成电路的高密度集成, 体积趋于微小化, 使得单位体积的发热功率 (热流密度) 急剧增加。传统的散热方式在传热量、体积、质量和冷却方式等方面已慢慢不能满足要求。由于热管具有极高的导热性、热流密度可变性以及优良的等温性和环境适应性等特点, 已成为电子电器设备高效散热的重要技术之一。目前已知的用于大功率电子元件散热的热管式散热器最高散热功率已达到200W/cm2[1]。可见, 热管技术是解决高热流密度散热问题的途径之一。

热管1964年发明于美国洛斯-阿洛莫斯国家实验室, 是一种具有极高导热性能的传热元件, 具有良好传热性制作, 具有结构紧凑、传热量大、安装方便和维护量小等特点, 上世纪70年代开始在工业领域大量[2]。它通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量, 具有极高的导热性, 高达纯铜导热能力的上百倍, 有“热超导体”之美称, 热管两端温差很小, 具有很好的均温性。本文中的电子设备因重量、空间等因素限制, 无法将模块热量直接利用热管传递至热沉散热, 但可以利用其均温特性对设备内热源集中的区域进行热扩散, 以提高散热效率。

1 问题描述

某航电设备内含标准的6U数据处理模块、图像处理模块等模块, 总功率约110W, 最高使用环境温度70℃。设备结构尺寸:260mm×120mm×195mm (长×宽×高) , 面积热流密度为0.052W/cm2。大大超出自然散热面积热流密度极限, 采用强迫风冷散热设计。

其中数据处理模块主CPU热功率12W, 热流密度达6.4W/cm2, 该模块总功率30W, 模块总热流密度0.089W/cm2。存在热源分布不均, 局部温度过高的问题。

2 建模分析

我们使用热仿真软件ICEPAK实现的该航电设备的热设计实例, 通过计算使用热管进行“均温”前后的温度计算对比, 可以看到热管在电子设备中作为“均温器”的具体运用效果。

2.1 原方案计算

按照设备的实际散热结构形式, 建立其热学模型。机箱框架结构材料为防锈铝3A21-H112, 25℃导热率163W/ (m-k) , 100℃比热1089J/ (kg-k) , 密度2.73g/cm3;内模块散热冷板材料为铝合金6061-T6, 20℃导热率167W/ (m-k) , 20℃比热896J/ (kg-k) , 密度2.7g/cm3。电子组件结构采用强迫风冷, 即模块热量传递冷板, 风机提供的冷却气流与冷板进行热交换散热。电子组件内有4个插槽总功率110W, 各模块名称及热耗分布如表1:

对70℃环境下组件稳态工作点进行计算, 数据处理模块主CPU器件节温115℃, 接近其极限耐受节温125℃, 温度余量不足10%, 在此温度下长期工作将大大缩短其寿命。数据处理模块冷板温度分布如图1。

冷板表面最高温度99.5℃, 最低温度83.8℃。因热源不均, 存在高温区, 低温区, 因为装载子卡还存在覆盖区。高温区与低温区温差10℃以上, 表面冷板热量传递路径存在较大的热阻。可利用其热管的均温特性, 将高温区热量传递至低温区, 加强冷板散热能力。

2.2 热管建模

目前较通用的方法是计算热管的当量热阻。即把内部复杂的现象等价成导热现象, 由于热管工质释放大量潜热而接近等温传热, 相当于发生相变换热的工质具有很大的导热系数, 一般认为, 热管的当量导热系数是铜的上百倍[3], 而铜的导热系数约为398W/ (m·K) , 因此在数值模拟中, 设发生相变换热的蒸汽当量导热系数为50000W/ (m·K) , 大量实验表明, 蒸汽空间的导热系数在50000~200000W/ (m·K) , 热管就相当一个高导热的基板, 以很小的梯度传热。

综述文献发现目前采用的热管模拟方法都非常复杂, 还没有建立起对热管设计的工作参数, 热管用于电子元件冷却的相关理论研究尚不够成熟。基于此, 本文根据热管型散热器的特点, 设计了散热器性能测试系统, 并对其进行了实验研究, 考察了散热功率、倾角、芯体结构等不同时对发热电子元件表面温度所产生的影响, 采用简化模拟方法验证设计结果。故在建立几何模型过程中做出如下假设[4]: (1) 将吸液芯采用由Ferrell等人提出的导热模型[5], 用当量导热系数代替吸液芯中复杂的沸腾现象, 即将其看成是一种当量导热系数为50W/ (m·K) 的金属层。 (2) 由于热管内部蒸汽温差很小, 当量导热系数很大, 故在模拟过程中设蒸汽腔当量导热系数为50000W/ (m·K) 。 (3) 假设壁面导热不计。热管则可简化为三层不同材料的导热:铜为398W/ (m·K) ;毛细芯为50W/ (m·K) ;蒸汽空间为50000W/ (m·K) 。热管简化计算模型如图2所示。

上图式中, Ks为铜为398W/ (m·K) , Keffe为导热系数为50W/ (m·K) 的金属层, Kv为50000W/ (m·K) 。

2.3 热管散热效果计算对比

因空间限制, 采用扁平热管焊接在冷板表面的形式进行冷板均温处理。热管尺寸宽11mm, 高3.5mm, 长100mm。热管安装位置示意图:

从图1和图4的对比可以看出, 热管可以降低高热流密度区域温度, 高温区温度由99℃降为91℃, 降幅约8℃, 低温区由87℃升为90度, 升幅约3℃。高温区与低温区温差约1℃。温度分布结果表面, 通过热管的均温特性, 冷板表面温差大大降低, 提高了冷板散热效率。数据处理模块主CPU节温由115℃降为107℃, 降幅8℃。与最高允许节温125℃相差18℃, 具有10%的温度余量量, 能够提高器件寿命, 提高高温工作稳定性。

3 结语与展望

根据该航电设备的结构特点和工作要求, 利用热管均温特性, 解决因为热源分布不均, 造成冷板散热效率下降的问题。通过热分析软件建模分析, 利用热管均温特性提高冷板散热效率的方法能够将主CPU节温降低约8%。因为该设备的空间和重量限制了热管只是作为“均温器”而存在, 没有将其作为设备主要热量散热主路径, 大大限制了热管散热效果。下一步应用将进一步加强研究, 拓展热管在重量和空间受限的航电设备中使用, 更加充分的发挥热管的散热特性。

参考文献

[1]王雪峰, 孙志坚, 吴存真, 等.电子器件冷却用重力型热管散热器的实验研究[J].电子器件, 2004, 27 (3) :393-396.

[2]李永赞, 胡明辅, 李勇.热管技术的研究进展及其工程应用[J].应用能源技术, 2008, 126 (6) .

[3]Cao Y, Gao M.Experiments and analyses of flatminia-ture heat pipes[J].1996, 1402-1409.

[4]张亚平, 冯全科, 余小玲.用于电子冷却的热管性能分析[J].流体机械, 2008年第36卷第08.

工程机械热管理系统设计方法论文 篇8

集中供暖的方式在我国的中部和北方地区比较常见，集中供暖的热负荷种类主要以采暖、通风、热水供应和生产工艺等热负荷为主，由于供暖的各种热负荷存在各自不同的性质，因此热负荷的性质存在一定的差异，如有季节性的热负荷和常年性的热负荷等，造成对热负荷的变化随机性很强，是非线性，使对热负荷的预测所使用的方法和模式繁多，首先对热负荷的种类进行分析。

一、对热负荷预测方法的分类

根据供暖系统运行的各个阶段，对热负荷预测可分为两部分，设计阶段热负荷的预测和运行阶段的热负荷预测。设计阶段的热负荷预测主要是根据供暖地区的历史热负荷数据和气候条件，科学的选择供暖的方式，供暖的方式决定供暖所使用的能源种类。设计阶段的热负荷预测十分重要，直接关系到集中供暖投资、运行费用和运行的经济性。运行阶段的热负荷预测主要是在供暖系统运行后，通过对热负荷的预测实时对热源的供应量进行调整，最终实现热源的动态供需平衡管理和资源的优化配置，同时制定每年的生产计划和设备检修和保养计划，使供暖设备满负荷运行，实现供暖系统的经济、高效运行。在我国大力推行节能、减排大的背景下，对热负荷的预测对提高供热效率，降低燃料消耗有着重大深远的意义。

根据供热系统的运行周期，将热负荷的预测分成三个阶段，即：短期热负荷预测、中期热负荷预测和长期热负荷预测。短期热负荷预测是指对未来一天供暖热负荷的变化情况进行预测，其目的是通过对未来一天热负荷的预测，对热源及时的进行调整，使系统运行更加经济、高效；中期热负荷预测是只对未来一周内的热负荷变化进行预测，其目的为供热企业的今后采购计划、生产计划、设备维修、人员配备及财务计划提供科学的依据；长期热负荷的预测是指未来一年内的热负荷变化情况，其目的是为今后的优化运行和今后设计规划提供依据。根据以上对热负荷各个阶段的预测可对热负荷的方法进行如下分类：概算统计法、时间序列预测法、情景预测法和回归分析法等。下面介绍几种城镇集中供热负荷的预测方法。

二、城镇集中供暖热负荷预测方法

1.热负荷预测的概算统计法。一般在对城镇供暖的设计初期，设计人员很难精确的得到某个区域热负荷历史统计资料，因此采用概算统计法十分可行，具体过程为对供暖区域的各类热用户的热负荷进行统计概算，根据统计概算的结果确定供暖系统的供暖方式，完成设备选型，采暖系统的概算统计法分成：面积概算统计法和体积概算统计法。面积概算统计法主要是按照我国《城镇供热管网设计规范》中所规定的面积计算方法，计算公式为：

Q=qfF

Q-设计热负荷。

qf-单位建筑面积热指标（W/（m2）；

F-建筑面积（m2）

例如：楼房体积是已知的，可采用每立方米建筑体积在室内外温差为1°C时的热指标qv【W/（m3·℃）】

Q=qvV（t2-t1）

V--建筑体积（m3）；

t2--室内计算温度（°C）；

t1--采暖室外计算温度（°C）。

采暖热指标qv和qf的大小与楼房外墙结构的传热系数、外墙体积、外墙的密闭性或通风条件、楼房的类型和外形以及墙窗面积比等很多因素有着直接的关系，在通常的情况下就是采用概算統计分析得到，因此概算统计法主要应用于设计阶段对热负荷的预测，同时也适合长期对热负荷的预测。

2.热负荷的时间序列预测法。热负荷的时间序列预测法是一种热负荷历史数据的延伸预测，也称历史数据引伸预测法。具体的操作方法为对之前的热负荷的历史数据进行分析，建立时间序列模型，通过时间序列模型来描述热负荷的运行规律，最终确定热负荷的预测的数学公式，通过数学公式计算出未来的热负荷的需求，历史数据的建立是通过不断的按照规定的时间进行采样所得，目前建立的模型有自回归（AR）模型、滑动平均（MA）模型等。时间序列预测法是通过对大量的历史热负荷的数据进行统计分析的基础上，因此对供暖系统热负荷的预测速度快，能够很真实的反应出热负荷的变化规律（除了特殊气候的变化），对历史数据的分析结果和准确度要求比较高，因此建立模型的过程比较复杂，同时没有考虑到特殊天气的变化因素，因此只适合城镇集中供暖短期热负荷的预测。

3.热负荷的情景分析预测法。情景预测法也称为情景评估法和前景分析预测法。它以推测为基础描述未来热负荷的变化，并作出一系列的连续假设，对假设进行全面的和连续的描述，对建筑物内的热负荷进行高度主观性的描述，也可以对复杂热负荷进行动态模拟，最后以数据的形式做情景再现，达到对供暖的热负荷进行预测的目的。在预测中将多个建筑物进行组合，确定区域内建筑物的热负荷的情景。首先选择一个情景，在此时此刻建筑物内的热负荷情况是怎样的，所有个体建筑物的热负荷的情景组成区域内的此时此刻的建筑物情景，不同时刻区域内建筑物热负荷的情景是不同的，在全日24小时内的就可以得到无数个情景。预测试可以选择某些关键点，利用模拟软件计算出建筑物内各点的热负荷，最后得到一系列的热负荷的数据，连接这些点就可以得到一天中建筑物内热负荷的变化规律，时刻选取的越多，得到的热负荷曲线越真实。

情景分析法提供了最可能出现的热负荷预测结果，因此属于高概率性预测，精度较高，但结果依赖于各个热负荷的变化规律，一旦出现突发情况，预测偏差将无法估量。

结束语

在实际工作中，城镇集中供热对热负荷的预测意义重大，它不仅关系到供暖方式的合理性和经济性，同时也关系到在今后运行过程中的运行成本，因此在今后对热负荷预测研究中，通过对热负荷历史数据的大量积累，要向着快速、高精度方向发展，以便提高预测的有效性。

参考文件

[1]梁艳，陈文楷，焦洪峰，祁鸿科；供暖系统的混杂自动机建模与模糊控制[J]；电工技术杂志；2004年04期.