一種主振放大鏈?zhǔn)桨l(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱力學(xué)研究

李超杰

(中國(guó)航天科工集團(tuán)二院 23所,北京 100584)

主振放大鏈?zhǔn)桨l(fā)射系統(tǒng)是無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)的重要組成部分,發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射功率大,電子器件的發(fā)熱密度高,采用自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷都無(wú)法滿足電子器件的散熱要求,需要設(shè)計(jì)液體冷卻系統(tǒng)。但由于發(fā)射系統(tǒng)電子器件多,冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,給計(jì)算、設(shè)計(jì)合適的冷卻系統(tǒng)的帶來(lái)困難,所以發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱力學(xué)分析計(jì)算,對(duì)于如何設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液體冷卻系統(tǒng)是十分重要的。

1 液體冷卻系統(tǒng)組成及工作原理

本液體冷卻系統(tǒng)的一次循環(huán)是完全充滿冷卻液的閉合系統(tǒng),其二次循環(huán)是冷卻液與外界大氣進(jìn)行熱交換。其液冷系統(tǒng)的組成如圖1所示。冷卻液由泵打出,經(jīng)撓曲管、壓力傳感器、溫度傳感器進(jìn)入到分配器,由分配器分為五路,進(jìn)入被冷卻器件,冷卻液在被冷卻器件中被加熱。被冷卻器件入口接有流量調(diào)節(jié)器,對(duì)冷卻液的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在被冷卻器件出口接有流量傳感器,對(duì)冷卻液的流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。冷卻液從被冷卻器件流出后,經(jīng)過(guò)集流器,流到熱交換器。冷卻液通過(guò)熱交換器和軸流風(fēng)機(jī)與外界空氣進(jìn)行熱交換,降溫后的冷卻液流入儲(chǔ)液箱。儲(chǔ)液箱帶有液位傳感器,控制冷卻液的液位,防止冷卻液過(guò)少。儲(chǔ)液箱還帶有電加熱器,在環(huán)境溫度偏低時(shí)給冷卻液加熱。最后,冷卻液由機(jī)械凈化過(guò)濾器流回到泵,這樣就完成了一個(gè)封閉循環(huán)[1]。

圖1 液冷系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

2 熱力學(xué)分析

液冷系統(tǒng)需要散熱的總功率為:

式中,P1是被冷卻器件發(fā)散出的熱功率,52kW;P2是電機(jī)加到熱交換器的熱功率,2 kW;P3是泵散發(fā)出的熱功率,6 kW;P是總散熱功率,60 kW。

液冷系統(tǒng)的主要散熱器件是熱交換器和軸流風(fēng)機(jī),熱交換器的熱力學(xué)分析如圖2所示。

圖2 熱交換器的熱力學(xué)分析

式(2)中,P 是熱交換器的散熱功率,W;Wmin是冷卻液和空氣之間最小的熱容量,單位W/;T11是熱交換器入口端冷卻液的溫度,單位 ;T21是交換器入口端空氣的溫度,單位 ; 是熱交換器的傳熱效率。

式(3)中,W1是冷卻液的熱容量,W/;1是冷卻液的密度, kg/m3;V1是冷卻液的體積流量,m3/s;C1是冷卻液的定壓比熱,J/kg 。

式(4)中,W2是空氣的熱容量,單位W/;2是空氣的密度,單位 kg/m3;V2是空氣的體積流量,單位m3/s;C2是空氣的定壓比熱,單位 J/kg 。

經(jīng)計(jì)算,Wmin=W2,Wmax=W1。熱交換器的傳熱效率 按照Wmin與Wmax比值、傳熱單元數(shù) NTU和兩流體之間的流動(dòng)型式之間的函數(shù)關(guān)系曲線求出[2]。

式(6)中,K是熱交換器的傳熱系數(shù),單位W/m2,F是熱交換器傳熱面積,單位m2。熱交換器的出口端溫度可用以下方程求出

式(8)中,T12是熱交換器出口端冷卻液的溫度,單位 ;T22是熱交換器出口端空氣的溫度,單位 。熱交換器空氣側(cè)的壓降可用以下方程求出

式(9)中, P是熱交換器空氣側(cè)的壓降,單位 Pa;G是空氣的質(zhì)量流量,單位 kg/m2s;f是摩擦系數(shù);At是空氣側(cè)總的傳熱面積,單位m2。

其中,Amin是空氣最小流通截面積,單位m2;Afr是空氣迎面面積,單位m2。

式(11)中,m是空氣的平均密度,單位 kg/m3;i是入口處的空氣密度,單位 kg/m3;0是出口處的空氣密度,單位 kg/m3。測(cè)試及換算結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試及換算結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)計(jì)算,熱交換器的實(shí)際散熱功率為 643 kW。在測(cè)試時(shí),被冷卻器件實(shí)際散發(fā)出的熱功率比發(fā)射機(jī)原來(lái)設(shè)計(jì)的要求低一些。分析原因,一方面被冷卻器件實(shí)際使用時(shí)電氣性能比設(shè)計(jì)時(shí)的要好,器件的效率高,這就大大降低了被冷卻器件耗散的熱功率,減輕了冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷;另一方面被冷卻器件加電時(shí)未達(dá)到滿工作比,也減小了被冷卻器件的發(fā)熱功率[3]。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行,證明對(duì)冷卻系統(tǒng)的分析計(jì)算還是比較準(zhǔn)確的,對(duì)以后發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還是有十分重要的借鑒作用。

[1] 翁中杰.傳熱學(xué)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1987.

[2] 毛希瀾.換熱器設(shè)計(jì)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1988.

[3] 周謨?nèi)?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1985.