محاسبه مقاومت حرارتی خنک کننده آب رادیاتور پرقدرت IGBT

محاسبه مقاومت حرارتی خنک کننده آب رادیاتور پرقدرت IGBT

چکیده: به منظور بهینه سازی ظرفیت اتلاف حرارت رادیاتور آب خنک و اطمینان از عملکرد مطمئن آن، اصول و فرمول های اولیه در انتقال حرارت ذکر شده و ابعاد مکانیکی شکل رادیاتور، ضریب انتقال حرارت جابجایی اجباری آب ذکر شده است. و رسانایی حرارتی آب به عنوان پارامتر استفاده می شود و متغیرها فرمول محاسبه مقاومت حرارتی آب خنک کننده هیت سینک را استخراج می کنند.در عین حال، به منظور برآورده کردن کاربرد عملی، نرم افزار محاسبه مقاومت حرارتی رادیاتور آب خنک و نرم افزار ترسیم منحنی ویژه توسعه یافته است که می تواند منحنی های مختلف تغییر مقاومت حرارتی را با تغییرات پارامتر نمایش دهد و همچنین می تواند به طور مستقیم محاسبه و نمایش دهد. مقادیر مقاومت حرارتیاین یک مرجع بصری و راحت برای انتخاب بهینه پارامترها در طراحی رادیاتور فراهم می کند.

کلمات کلیدی: رادیاتور آب خنک;محاسبه مقاومت حرارتی؛نرم افزار؛رادیاتور IGBT پرقدرت

لوکوموتیو برقی هارمونی یک لوکوموتیو برقی اینورتر AC-DC-AC با استفاده از فناوری نیمه هادی پرقدرت است.به دلیل ویژگی های فنی آن مانند تنظیم سرعت تبدیل فرکانس AC پیشرفته، ترمز احیا کننده، کنترل موتور AC با قدرت بالا و درجه بالای اتوماسیون، به طور گسترده در لوکوموتیوهای پرسرعت و پرقدرت در حمل و نقل خطوط ریلی استفاده می شود.مبدل هر لوکوموتیو از سه نوع ماژول IGBT استفاده می کند که عبارتند از: ماژول چاپر چهار چهارگانه (4QC)، ماژول اینورتر سمت موتور (Inv) و ماژول اینورتر کمکی.ایرادات 305 مبدل لوکوموتیو الکتریکی HXD1B را در یک انبار لکوموتیو خاص از ژوئیه 2009 تا 4 می 2011 بررسی کرد و دریافت که در مجموع 4880 ماژول در حال استفاده بودند، با 255 خطا، و تعداد ایرادات ماژول IGBT نشان می دهد که در حداقل یک تراشه IGBT شکست خورده است.تاکنون هیچ خرابی ماژول به دلایلی غیر از دستگاه های نیمه هادی قدرت وجود نداشته است.این نوع خرابی با افزایش دمای فصلی محیط افزایش می یابد.می توان استنباط کرد که خرابی IGBT ارتباط نزدیکی با اتلاف حرارت آن دارد، بنابراین خنک کننده و گرمای دیجیتال دستگاه های الکترونیکی به یکی از کانون های تحقیقات بعدی تبدیل شده است.با مطالعه مشکلات سرمایش و اتلاف حرارت دستگاه، شرایط اتلاف حرارت بهینه و دگرگون می شود تا بتواند تا حد امکان در محیطی با دمای مناسب کار کند و از بروز حوادث بکاهد که نقش مهمی در حفظ عملکرد ایمن لکوموتیوهای راه آهن.

در این مقاله، از طریق تجزیه و تحلیل فرآیند اتلاف حرارت رادیاتور پرقدرت IGBT، ابتدا اصول و فرمول های اساسی در انتقال حرارت ذکر شده و محاسبه مقاومت حرارتی به مقاومت حرارتی هدایت حرارتی تولید شده توسط جامد تقسیم می شود. فرآیند انتقال حرارت در رادیاتور و رادیاتور و سیستم خنک کننده.مقاومت حرارتی انتقال حرارت همرفتی تولید شده توسط فرآیند انتقال حرارت بین مایعات دو قسمت است و محاسبه مقاومت حرارتی خنک کننده آب رادیاتور با گرفتن اندازه مکانیکی شکل رادیاتور، ضریب انتقال حرارت همرفتی اجباری آب و محاسبه مقاومت حرارتی آب خنک کننده رادیاتور استنباط می شود. فرمول ضریب هدایت حرارتی آب به عنوان پارامترها و متغیرهابرای ساده سازی تحلیل، نرم افزاری برای محاسبات مقاومت حرارتی گردآوری شد.این نرم افزار دارای یک رابط عملیاتی ساده و واضح است که می تواند منحنی های مختلف تغییر مقاومت حرارتی را با پارامترها نمایش دهد و همچنین می تواند به طور مستقیم مقادیر مقاومت حرارتی را محاسبه و نمایش دهد.این یک مرجع بصری و راحت برای تجزیه و تحلیل طراحی رادیاتور فراهم می کند.

1 فرمول های اساسی و اصول انتقال حرارت

1.1 اصل و روش اصلی انتقال حرارت

فرمول اصلی برای هدایت گرما به شرح زیر است:

Q=KA△T／△L (1)

در فرمول، Q نشان دهنده گرما است، یعنی گرمای تولید یا هدایت شده توسط هدایت گرما.K ضریب هدایت حرارتی ماده است.△T نشان دهنده اختلاف دما بین دو انتها است.△L فاصله بین دو انتها است.همرفت به انتقال حرارت اشاره دارد که در آن یک سیال (گاز یا مایع) با یک سطح جامد تماس پیدا می کند و باعث می شود سیال گرما را از سطح جامد خارج کند.

فرمول انتقال حرارت به صورت زیر است:

Q=hA△T (2)

در فرمول: Q همچنان گرما را نشان می دهد، یعنی گرمایی که توسط همرفت گرما گرفته می شود.h مقدار ضریب همرفت حرارتی است.A منطقه تماس موثر انتقال حرارت است.△T نشان دهنده اختلاف دما بین سطح جامد و سیال منطقه ای است.

1.2 محاسبه مقاومت حرارتی

مقاومت حرارتی نشان دهنده مقاومت در فرآیند هدایت گرما است و یک پارامتر جامع است که توانایی جلوگیری از انتقال حرارت را نشان می دهد.به منظور ساده‌سازی تحلیل، پس از ساده‌سازی مدل رادیاتور، دو شکل مقاومت حرارتی انتقال حرارت همرفتی و مقاومت حرارتی هدایت حرارتی وجود دارد.در صفحه مسطح هیت سینک یک مقاومت حرارتی هدایت گرما وجود دارد.فرمول محاسبه به صورت زیر است:

Rnd=L／KA (3)

در فرمول: L نشان دهنده ضخامت صفحه رادیاتور است.K نشان دهنده هدایت حرارتی آلومینیوم صفحه است.A نشان دهنده سطح مقطع عمود بر جهت جریان گرما، یعنی مساحت صفحه است.

مقاومت حرارتی بین آب رادیاتور و هیت سینک، مقاومت حرارتی انتقال حرارت همرفتی است.فرمول محاسبه به صورت زیر است:

Rnv=1/hAs (4)

در فرمول: به عنوان نشان دهنده کل مساحت موثر انتقال حرارت همرفتی است.h نشان دهنده ضریب انتقال حرارت همرفتی است که مربوط به عدد ناسلت است.با توجه به فرمول محاسبه عدد ناسلت، فرمول محاسبه h را می توان به صورت معکوس استنتاج کرد:

در فرمول: Nu نشان دهنده عدد Nusselt است.λf نشان دهنده هدایت حرارتی سیال است.h در اینجا باید هدایت حرارتی همرفت اجباری آب باشد.Dh طول مشخصه هندسی است که سطح انتقال حرارت را نشان می دهد، در اینجا قطر هیدرولیک لوله را نشان می دهد.

کل مقاومت حرارتی تعیین کننده هیت سینک به صورت زیر محاسبه می شود:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

در فرمول: B نشان دهنده عرض رادیاتور است و مقادیر دیگر قبلاً معرفی شده اند.هنگامی که ابعاد بیرونی رادیاتور ثابت است، از فرمول (3) می توان دریافت که Rnd یک مقدار مشخص است و K و B هر دو مقادیر ثابت هستند.اگر λf ثابت باشد، مقاومت حرارتی کل رادیاتور مستقیماً با Rnv مرتبط است.بیایید به مقاومت حرارتی انتقال حرارت همرفتی رادیاتور نگاه کنیم.از فرمول (5)، فرمول (6) می تواند به دست آید:

از فرمول (7) می توان دریافت که مقاومت حرارتی انتقال حرارت همرفتی با Dh نسبت مستقیم و با As نسبت معکوس دارد.مشاهده می شود که قطر هیدرولیک خط لوله را نمی توان کورکورانه به منظور افزایش مقدار آب در گردش افزایش داد تا اثر خنک کننده خوبی حاصل نشود.کاهش Rnv به ترتیب مقاومت حرارتی کل رادیاتور را کاهش می دهد و اثر اتلاف گرما را افزایش می دهد.با جایگزینی فرمول (3) و فرمول (7) به فرمول (6)، فرمول محاسبه مقاومت حرارتی کل به صورت زیر است:

جایی که: le نشان دهنده طول رادیاتور است.λf هدایت حرارتی آب و h ضریب انتقال حرارت جابجایی اجباری آب است.

1.3 مثال محاسبه

به طور کلی، هنگامی که رادیاتور تجهیزات الکترونیکی روش اتلاف گرمای خنک کننده با آب را اتخاذ می کند، گردش مایع در داخل رادیاتور به دو نوع کانال سری و کانال موازی تقسیم می شود.همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، سطح مقطع کانال دو مدل به ترتیب نشان داده شده است.در میان آنها مدل A یک توزیع کانال آب سری است و مدل اضافه کردن چندین پره خنک کننده به هر کانال آب سری است.مدل B این است که کانال های موازی آب فقط کانال های مستقیم دارند و مایع از طریق کانال های موازی آب از ورودی آب به خروجی آب جریان می یابد.

هدایت حرارتی آب λf به صورت 0.5W/mK انتخاب شده است و ضریب انتقال حرارت جابجایی اجباری آب ساعت 1000 W/m2K است.برای راحتی در محاسبه، ابعاد کوچک مانند ضخامت هیت سینک نادیده گرفته می شود.ابعاد کلی هیت سینک ماژول چهار چهارگانه IGBT برای لوکوموتیوها L=0.005 متر، L=0.55 متر و B=0.45 متر است.از آنجایی که ابعاد خارجی یکسان است، تفاوت مقاومت حرارتی بین مدل سری A و مدل موازی B در تفاوت As نهفته است.مساحت پنل های بالایی و پایینی دیواره داخلی رادیاتور، مساحت پانل های جلو و عقب، مساحت پانل های چپ و راست و مساحت کل هیت سینک را As1، As2، As3 تنظیم کنید. و به ترتیب As4.سری A مدل 19 هیت سینک داخلی دارد.As1=0.495m2، As2=0.0432m2، As3=0.0528m2، As4=0.8208m2.مجموع مساحت خنک کننده موثر عبارت است از: As=As1+As2+As3+As4=1.4118 m2.با جایگزینی هر پارامتر با فرمول (9)، مقاومت حرارتی مدل سری A به صورت زیر بدست می آید:

مدل B همانطور که از اسکرین شات توزیع سرعت مشخص است، آب از ورودی آب وارد می شود و فقط از 1/3 وسط رادیاتور و سرعت جریان سایر قسمت ها در سمت چپ و راست جریان می یابد. تقریبا 0 است که ناچیز است.به این ترتیب، مساحت اتلاف گرمای موثر پانل های بالایی و پایینی را می توان 1/3 مساحت کلی تعریف کرد و مساحت اتلاف گرمای موثر پانل های جلو و عقب نیز 1/3 مساحت کل است.عدم جریان آب از طریق پانل های چپ و راست به عنوان منطقه اتلاف گرما موثر محسوب نمی شود.تعداد موثر جریان آب از طریق هیت سینک میانی 6 قطعه است.سپس وجود دارد:

2 نرم افزار حل مقاومت حرارتی هیت سینک و رسم منحنی مقاومت حرارتی

2.1 فرم رابط

شکل رابط اصلی در شکل 3 نشان داده شده است. با توجه به نیاز، این نرم افزار عمدتاً دو ماژول کاربردی را طراحی می کند.یکی ماژولی برای محاسبه مقادیر خاص مقاومت حرارتی آب خنک کننده است و دیگری ماژولی برای رسم منحنی های مقاومت حرارتی خنک کننده آب است.

رابط ماژول محاسبه مقاومت حرارتی خنک کننده آب رادیاتور در شکل 4 نشان داده شده است.

در میان آنها، l طول رادیاتور است، واحد m است.B عرض رادیاتور است، واحد متر است.L ضخامت رادیاتور است، واحد متر است.A کل منطقه خنک کننده موثر رادیاتور است، واحد متر مربع است.h ضریب انتقال حرارت جابجایی اجباری آب، واحد W/m2K است.λ هدایت حرارتی آب است، واحد W/mK است.نتیجه محاسبه مقدار مقاومت حرارتی رادیاتور آب خنک است و واحد cm2K/W است.عملکرد این ماژول دارای ماهیت محاسبه است که می تواند محاسبه مقدار مقاومت حرارتی مربوطه رادیاتور را تحت شرایط اندازه هندسی رادیاتور، ضریب انتقال حرارت جابجایی اجباری آب و هدایت حرارتی رادیاتور دریافت کند. اب.ماژول رسم منحنی مقاومت حرارتی رادیاتور آب خنک در شکل 5 و شکل 6 نشان داده شده است. معنی پارامترهای آن مانند شکل 4 است. منحنی رادیاتور آب خنک رابطه کمی بین کل را نشان می دهد. مساحت رادیاتور، ضریب انتقال حرارت جابجایی اجباری آب و مقاومت حرارتی.دو مشکل حل شد؛برای یک رادیاتور با یک منطقه اتلاف گرمای موثر معین، برای دستیابی به یک مقاومت حرارتی خاص، چه مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی اجباری آب باید به دست آید، یعنی چه اندازه قطر لوله مورد نیاز است.برای یک ضریب انتقال حرارت همرفت اجباری خاص آب، نحوه کنترل مقاومت حرارتی از طریق ناحیه اتلاف حرارت رادیاتور.

2.2 دستورالعمل محاسبه مقاومت حرارتی

روند رسم منحنی های مقاومت حرارتی در شکل 5 و 6 در زیر با مثال هایی نشان داده شده است.در «1.3 مثال»، مقاومت حرارتی کل مدل سری A و مدل B محاسبه شده است.ابتدا جاهای خالی مربوطه را با هدایت حرارتی آب λ=0.5 W/mk، L=0.005 m، ls=0.55 m، B=0.45 m پر می کنیم.سپس نوع منحنی را انتخاب کنید.تحت ضرایب مختلف انتقال حرارت جابجایی اجباری آب، رابطه بین ناحیه اتلاف گرمای موثر رادیاتور و مقاومت حرارتی در شکل 5 نشان داده شده است. در مناطق مختلف اتلاف حرارت موثر، رابطه بین ضریب انتقال حرارت جابجایی اجباری آب و مقاومت حرارتی در شکل 6 نشان داده شده است. همچنین "محاسبه مقاومت حرارتی خنک کننده آب" در پایین سمت چپ رابط وجود دارد، برای ورود به رابط محاسبه مقاومت حرارتی، همانطور که در شکل نشان داده شده است، کلیک کنید.هر مقدار پارامتر را در صورت نیاز پر کنید: λ=0.5 W/mK، L=0.005 m، ls=0.55 m، B=0.45 m، h=1 000W/m2K وقتی مساحت ورودی 1.4118 است، مقدار مقاومت حرارتی محاسبه شده 92.502 801 است. 066 337 cm2K/W، که با مدل محاسباتی مطابقت دارد نتیجه فرمول فوق 92.503 cm2K/W است.