CC BY
26
УДК 621.314.632
Вихревая интенсификация теплообмена — нетрадиционный способ повышения энергоэффективности охладителей силовых электронных устройств*
Канд. техн. наук Е.В. ДИЛЕВСКАЯ, С.И. КАСЬКОВ, акад. РАН\Л\. ЛЕОНТЬЕВ МГТУ им. Н.Э. Баумана
The new nontraditional vortex method of heat transfer augmentation was stated. The interesting results of experiment and numerical investigation was obtained and applyed for coolers of powerful electronic devices. This vortex method allowed to increase energy efficient of electronic devices.
Мощные полупроводниковые преобразователи энергии, основанные на таблеточных тиристорах, используются в различных областях техники: на морских судах, аэродромах, атомных электростанциях, железнодорожном транспорте, тяговых подстанциях метрополитена, в металлургии. Силовые (электрические) схемы преобразователей в зависимости от конструкции и назначения включают 12 — 36 приборов, каждый из которых во время функционирования выделяет от 150 до 500 Вт тепла. В связи с этим они снабжаются двумя индивидуальными охладителями, обеспечивающими двухсторонний теплоотвод и занимающими 60 — 70 % объема преобразовательного устройства. Таким образом, эксплуатационные параметры преобразователей в значительной мере определяются энергоэффективностью охладителей.
Для термостатирования тиристоров с выделяемой мощностью 150...500 Вг применяют охладители, использующие принцип тепловых труб. В качестве примера на рис.
I показан один из возможных вариантов охладителей, модернизированных и исследованных авторами [1,2, 3]. Охладитель представляет собой устройство на основе тепловых труб.Их концы запрессовывают в массивное ос-
Рис. I. Охладитель с оребрением, имеющим рельеф из лунок:
I -ребра конденсатора; 2 — тепловые трубы;
3 —основание для установки тиристора
*Статья подготовлена по результатам выполнения гранта РФФИ 06-06-08040.
нование, на котором с помощью специального прижимного устройства устанавливается охлаждаемый тиристор. Трубы снабжены конденсатором, состоящим из плоских ребер, на которые наносится рельеф со сферическими лунками. Ребра конденсатора обдуваются потоком воздуха в режимах свободной или вынужденной конвекции.
Охладитель для тиристоров мощностью 200...400 Вт имеет следующие параметры: габаритные размеры 170 х х 40 х 370 мм; диаметр тепловых труб 16 мм; размеры ребер 170 х 40 мм; число ребер 60 шт.; шаг оребрения 7 мм.
Использовавшиеся до настоящего времени типы охладителей уже не обеспечивали необходимого уровня энергоэффективности преобразователей, а применявшиеся в последнее время способы их модернизации исчерпали себя. Возникла потребность в качественно новых подходах к улучшению тепловых и аэродинамических характеристик охладителей и поиску их оптимальных компоновок в объеме преобразователя энергии. В связи с изложенным была поставлена задача создания таких охладителей, применение которых позволило бы значительно улучшить эксплуатационные параметры преобразователей энергии.
Для увеличения эффективности охладителей применен новый нетрадиционный способ интенсификации теплообмена — вихревой, реализуемый путем нанесения на поверхность плоских ребер охладителей специального рельефа, состоящего из системы сферических лунок, играющих роль генераторов вихрей. Наличие рельефа позволяет значительно увеличить теплоотдачу при одновременном, предположительно отстающем, росте аэродинамического сопротивления [1, 2, 3, 6 —9].
Вихревая интенсификация имеет ряд положительных особенностей, которые выделяют ее из круга известных способов интенсификации процессов теплообмена. Это, в частности, значительное возрастание теплоотдачи (до 2 — 3 раз), относительно простая технология нанесения рельефа, существенное увеличение теплоотводящих поверхностей, уменьшение загрязнения поверхностей. Проявление положительных свойств вихревой интенси-
фикации возможно при обеспечении оптимальных соотношений размеров рельефа из лунок, наносимого на теплоотводяшие поверхности охладителей, в сочетании с режимами течения газа.
В настоящее время этому нетрадиционному способу интенсификации теплообмена уделяется большое внимание, о Чем свидетельствуют многочисленные публикации [1, 2, 3, 6 - 9]. Но в большинстве случаев они относятся к «облуненным» поверхностям цилиндрической формы (трубам), применяемым в различных теплообменниках. Исследования для плоских поверхностей, используемых в условиях работы охладителей, авторам не известны.
Поэтому в программу исследований были включены следующие работы:
V экспериментальное исследование аэродинамических характеристик экспериментальных пластин, имеющих рельеф из лунок, отличающихся геометрическими размерами и характером их нанесения;
Vкомпьютерное моделирование процессов течения вдоль «облуненных» поверхностей;
Vразработка и изготовление охладителей на основе проведенных работ;
У исследование тепловых характеристик охладителей;
'/испытание охладителей в составе преобразовательного агрегата.
Целью первого этапа — экспериментального исследования пластин - было выявление возможной тенденции уменьшения коэффициента трения на пластинах с рельефом из лунок по сравнению с гладкими. До сих пор этот вопрос являлся спорным и на него нет пока однозначного ответа. Работа выполнялась впервые и носила поисковый характер [1,2, 3].
Для выполнения экспериментов было изготовлено 13 образцов (12 со сферическими углублениями и один гладкий — исходный образец). Образцы с углублениями отличались глубиной сфер, шагом их нанесения на поверхность и характером размещения: шахматное и коридорное (рис. 2). Луночный рельеф наносился на поверхность пластины специальными фрезами на станке с числовым программным управлением, который выполнял операции по программе, обеспечивающей заданные параметры рельефа. Контуры фрез выполня-
Рис. 2. Пластины с рельефом из лунок с разным характером их размещения
Рис. 3. Картина течения на участке с лунками
лись по специальным лекалам на станке с оптической приставкой. Контроль формы и размеров лунок проводили на электронном микроскопе. Такая технология обеспечила необходимые точность и воспроизводимость.
Параметры пластин определяли путем аэродинамического взвешивания в аэродинамической трубе незамкнутого типа с открытой рабочей частью при скорости воздуха 9,4 и 22 м/с.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что действительно имеется тенденция снижения коэффициента трения при определенном сочетании геометрических параметров лунок и режимов течения воздуха. Однако они требуют дальнейшего уточнения.
В то же время эксперимент дал возможность предварительно выяснить оптимальные основные параметры плоской «облуненной» поверхности (размер сферических углублений, шаг их нанесения и характер размещения), при которых максимально реализуются возможности вихревой интенсификации теплообмена.
'/Диаметр сферы /) и ее глубина И должны находиться в соотношении О/И = 2.
V Шаг нанесения сфер на поверхность должен обеспечивать такую их плотность, чтобы площадь отверстий составляла 40 - 60 % гладкой поверхности.
VПредпочтительным является шахматное расположение сфер на поверхности.
Несколько лет спустя были выполнены эксперименты с использованием бесконтактного способа измерения температур тепловизором. Они также подтвердили полученные ранее данные.
Численное исследование течений вдоль плоских поверхностей с лунками выполнялось методом компьютерного моделирования. Это позволило получить визуали-зационные картины обтекания (рис. 3), которые помогли приблизиться к пониманию физической сути этого неординарного явления. Исследования выполнялись по методике, разработанной авторами работ [4, 5].
Рис. 4. Зависимость теплового сопротивления охладителей от тепловой нагрузки при разной плотности «облучения»:
1 — 25 %; 2 - 75 %; 3—50%
Для исследования тепловых характеристик охладителей было изготовлено 5 образцов, имеющих различную плотность нанесения лунок на ребра (25,50 и 75 % от гладкой поверхности [1 — 3]). Исследования проводили на разработанном авторами специальном стенде, позволяющем измерять мощность тепловыделений прибора, расход охлаждающего воздуха и его скорость, температуру ребер и воздуха в необходимых точках. Получен большой объем данных, которые могут быть использованы для практического применения.
На рис. 4 представлены результаты исследования, из которых видно, что охладители с «облуненными» ребрами имеют меньшее значение теплового сопротивления Л, — общепринятого в силовой электронике параметра оценки эффективности охладителей:
Л, = Д//0,
где ДI — разница температур корпуса тиристора и окружающей среды, К;
£) — мощность тепловыделений, Вт.
Затем были проведены тепловые испытания охладителей в составе преобразовательного агрегата В-ТПКТ- 1,6К, предназначенного для тяговых подстанций метрополитена. Модули «прибор-охладитель» размещались в силовом (тиристорном) шкафу в вице трех вертикальных секций по 10 модулей в каждой.
Испытания охладителей в составе силовой секции проводились в условиях, соответствующих реальным (с необходимой циркуляцией охлаждающего воздуха и тепловыми нагрузками), что обеспечило адекватность результатов испытаний. Они свидетельствуют о том, что тепловое сопротивление «облуненных» охладителей на 10 — 15 % меньше, а температура корпусов тиристоров ниже на 5... 7 К, чем у стандартных. Эго является существенным аргументом в пользу применения вихревой интенсификации теплообмена для повышения эффективности охладителей силовых электронных устройств.
В заключение следует отметить, что результаты исследований, выполненных авторами, свидетельствуют о следующем:
• аэродинамическое взвешивание пластин с лунками показало, что при определенных геометрических параметрах имеется тенденция к уменьшению коэффициента трения;
• численные исследования дали возможность получить визуализационные картины течения воздуха;
• исследования тепловых характеристик опытных образцов охладителей с разной плотностью лунок на поверхности ребер свидетельствуют о снижении на 15 % теплового сопротивления охладителей с плотностью лунок 50 % при скорости обдува 6... 12 м/с.
• при тепловых испытаниях охладителей в составе преобразователя энергии отмечалось снижение на 5.. .7 Ктем-пературы корпусов тиристоров, снабженных охладителями с «облуненными» ребрами конденсаторов;
• сформулированы задачи дальнейших исследований.
Список литературы
1. Дилевская Е.В., Леонтьев А.И., Канев С.Н. Вихревая интенсификация теплообмена как форма энергосберегающей технологии (англ.) // Труды Межд. конф. по энергосбережению. - Хабаровск, 1994.
2. Дилевская Е. В., Чудновский Я.П., Михайлов С.Н. Новый метод интенсификации теплообмена на поверхностях охладителей мощных электронных приборов (англ.) // Труды 10-й Межд. конф. - Брайтон, 1995.
3. Дилевская Е.В., Касъков С.И. Применение вихревой интенсификации теплообмена для повышения эффективности охладителей силовых электронных устройств //Труды IVРоссийской национальной конференции по теплообмену. — М.: МЭИ, 2006.
4. Исаев С.А., Судаков А. Г., Баранов П.А., Усачев А.Е. Конструирование многоблочных вычислительных технологий для численного моделирования вихревого тепломассообмена //Тез. докл. 2-й Российской конф. «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках». — М.: МЭИ, 2005.
5. Исаев С.А. Моделирование циклических и периодических вихревых течений и температурных полей с помощью многоблочных вычислительных технологий // Труды IV Российской национальной конференции по теплообмену. — М.: МЭИ, 2006.
6. Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И. П., Алексеев В. В. Самоорганизация смерчеобразных струй в потоках вязких сплошных сред и интенсификация тепломассообмена, сопровождающая это явление. - М: МЭИ, 2005.
7. Кикнадзе Г. И. Явление самоорганизации смерчеобразных струй в потоках сплошной среды и технологии на его основе//Труды IV Российской национальной конф. по теплообмену. - М.: МЭИ, 2006.
8. ЛеонтьевА.И., ОлимпиевВ.В., ДилевскаяЕ.В., Исаев С.А. Существо механизма интенсификации теплообмена на поверхности со сферическими выемками // Известия Академии наук. Сер. Энергетика. 2002. № 2.
9. Щукин А. В., Козлов А.II., Агачев Р. С., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов. — Казань: Казанский гос. техн. университет, 2003.
