确定用于冷板应用的换热器的尺寸

计算换热器的热阻

在许多液体冷却回路中,由冷板吸收的热量通过换热器散发到周围空气中。图1显示了典型的液体冷却回路,此回路由通过软管或管道连接的冷板(CP)、泵和换热器(HX)组成。由于这些组件是系统的一部分,因此务必要同时选择它们,以确保组件尺寸适合您的应用。制造商通常分别提供冷板和换热器的性能数据,其中冷板性能的参数为热阻,换热器性能的参数为热容量。那么,您如何为整个系统选择最佳的换热器和冷板呢?这比您想像的要容易,因为确定正确的冷板和换热器组合所需的公式可简化为极为简单的格式:

系统热阻液冷公式

为了得到此公式,第一步是计算冷板热阻θCP,其定义为最大所需表面温度TS, MAX和流体出口温度TH之差除以均匀分布在整个冷板表面上的热负荷Q:

液冷板热阻公式
图1:液体冷却回路组件

与之类似,换热器热容量CHX定义为热负荷Q除以两种进液之间的温差TH -TAIR,具体公式如下:

换热器冷却能力公式

热容量还等于热阻的倒数:

换热器热阻热容量公式

假设泵的运行不会增加热量,或者冷板和换热器之间的连接软管或管道不会造成热损耗(由于这些值通常很小),那么将公式(2)、(3)和(4)合并,可以得到下面的简化公式:

系统热阻液冷公式

由于液体温度已从公式中去除,因此热过程流体温度TH也消失不见,这样就不必计算液体的流速和热容量。只剩下必要的冷板表面温度以及冷却换热器的环境空气温度,其性能完全由冷板和换热器的热阻来表征。因此,我们不再需要分析系统的各个组件,而只需确定整个系统的热阻即可。注意,流量的影响并未从结果中排除,因为它已经包含在热阻值中。

客户希望使用12"(30.48 cm)冷板(板侧)CP12从12"x5"(30.48 cm x 12.70 cm)的电子设备中排出1200 W的热量。冷却剂为1 gpm(3.785 LPM)的水,室温为20°C。客户希望使用最小的换热器来排出这台设备产生的1200 W热量,同时使最高表面温度保持在80°C。

第1步:首先,我们确定系统热阻θSYSTEM:

第2步:提供的热阻小于或等于总系统要求的冷板和换热器的任何组合都可以使用。换言之:

第3步:表1给出了CP12冷板和两种不同的换热器/风扇组合的热阻和流速:

液体冷却系统热阻计算示例
液冷板式换热器热阻计算示例

表 1:

流速(gpm)

θCP(CP12)(°C/W)

θHX(6110 w/Kona风扇)(°C/W)

θHX(6210 w/Marin风扇)(°C/W)

0.5

0.013

0.049

0.019

1.0

0.009

0.046

0.017

1.5

0.007

0.044

0.016

1.5

0.007

0.044

0.016

2.0

0.006

0.042

0.016

表1显示CP12/6110组合在2 gpm(0.006 + 0.042 = 0.048)下满足0.050 °C/W条件

将系统看作一个整体的情况下,我们开始考虑各个组件之间的取舍,包括流速如何影响换热器的选择。在低流速下,冷板热阻增大。这需要更大热容量的较大换热器,因此需要更低的热阻。在较高的流速下,可以使用较小的换热器。

液体-空气换热器和冷板通常在流体回路中结合使用,因此务必要了解如何同时选择组件来优化系统性能。有了准确的规格和简化的公式,就可以相对简单地选择液体冷却回路中的组件。此外,通过选择同一热供应商供应的组件,您可以充分利用以类似方式测试的组件,这些组件更可能作为一个系统高效工作。

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