उच्च-शक्ति आईजीबीटी रेडिएटर के जल-शीतलन थर्मल प्रतिरोध की गणना

उच्च-शक्ति आईजीबीटी रेडिएटर के जल-शीतलन थर्मल प्रतिरोध की गणना

सार: वाटर-कूल्ड रेडिएटर की गर्मी अपव्यय क्षमता को अनुकूलित करने और इसके विश्वसनीय संचालन को सुनिश्चित करने के लिए, गर्मी हस्तांतरण में बुनियादी सिद्धांतों और सूत्रों का हवाला दिया गया है, और रेडिएटर आकार के यांत्रिक आयाम, पानी के मजबूर संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक और पानी की तापीय चालकता को पैरामीटर के रूप में उपयोग किया जाता है और वेरिएबल हीट सिंक के जल-शीतलन थर्मल प्रतिरोध की गणना के लिए सूत्र प्राप्त करते हैं।साथ ही, व्यावहारिक अनुप्रयोग को पूरा करने के लिए, एक विशेष वाटर-कूल्ड रेडिएटर थर्मल प्रतिरोध गणना और वक्र ड्राइंग सॉफ्टवेयर विकसित किया गया है, जो पैरामीटर परिवर्तनों के साथ बदलते थर्मल प्रतिरोध के विभिन्न वक्र प्रदर्शित कर सकता है, और सीधे गणना और प्रदर्शित भी कर सकता है थर्मल प्रतिरोध मान।यह रेडिएटर के डिज़ाइन में मापदंडों के इष्टतम चयन के लिए एक सहज और सुविधाजनक संदर्भ प्रदान करता है।

मुख्य शब्द: जल-ठंडा रेडिएटर;थर्मल प्रतिरोध गणना;सॉफ़्टवेयर;हाई-पावर आईजीबीटी रेडिएटर

हार्मनी इलेक्ट्रिक लोकोमोटिव एक एसी-डीसी-एसी इन्वर्टर इलेक्ट्रिक लोकोमोटिव है जो हाई-पावर सेमीकंडक्टर तकनीक का उपयोग करता है।इसकी तकनीकी विशेषताओं जैसे उन्नत एसी आवृत्ति रूपांतरण गति विनियमन, पुनर्योजी ब्रेकिंग, उच्च-शक्ति एसी मोटर नियंत्रण और उच्च स्तर के स्वचालन के कारण, इसका रेलवे ट्रंक लाइन परिवहन में उच्च गति और उच्च-शक्ति इंजनों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।प्रत्येक लोकोमोटिव का कनवर्टर तीन प्रकार के आईजीबीटी मॉड्यूल का उपयोग करता है, अर्थात्: चार-चतुर्थांश हेलिकॉप्टर (4QC) मॉड्यूल, मोटर साइड इन्वर्टर मॉड्यूल (इन्व) और सहायक इन्वर्टर मॉड्यूल।जुलाई 2009 से 4 मई 2011 तक एक निश्चित लोकोमोटिव डिपो में 305 HXD1B इलेक्ट्रिक लोकोमोटिव कन्वर्टर्स की खराबी की जांच की गई और पाया गया कि 255 खराबी के साथ कुल 4,880 मॉड्यूल उपयोग में थे, और आईजीबीटी मॉड्यूल से पता चलता है कि कम से कम एक आईजीबीटी चिप विफल हो गई है।अब तक, पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों के अलावा अन्य कारणों से कोई मॉड्यूल विफलता नहीं हुई है।मौसमी परिवेश के तापमान में वृद्धि के साथ इस प्रकार की विफलता बढ़ जाती है।यह अनुमान लगाया जा सकता है कि आईजीबीटी की विफलता का इसके ताप अपव्यय से गहरा संबंध है, इसलिए इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की शीतलन और डिजिटल ऊष्मा बाद के शोध के फोकस में से एक बन गई है।डिवाइस की शीतलन और गर्मी अपव्यय समस्याओं का अध्ययन करके, गर्मी अपव्यय स्थितियों को अनुकूलित और परिवर्तित किया जाता है, ताकि यह उपयुक्त तापमान वाले वातावरण में यथासंभव लंबे समय तक काम कर सके और दुर्घटनाओं की घटनाओं को कम कर सके, जो इसमें महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। रेलवे इंजनों के सुरक्षित संचालन को बनाए रखना।

इस पेपर में, उच्च-शक्ति आईजीबीटी रेडिएटर की गर्मी अपव्यय प्रक्रिया के विश्लेषण के माध्यम से, गर्मी हस्तांतरण में बुनियादी सिद्धांतों और सूत्रों का पहले हवाला दिया गया है, और थर्मल प्रतिरोध की गणना को ठोस द्वारा उत्पन्न गर्मी संचालन थर्मल प्रतिरोध में विभाजित किया गया है। रेडिएटर और रेडिएटर और शीतलन प्रणाली में गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया।तरल पदार्थों के बीच गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया द्वारा उत्पादित संवहनी गर्मी हस्तांतरण थर्मल प्रतिरोध दो भागों में होता है, और रेडिएटर पानी ठंडा करने वाले थर्मल प्रतिरोध की गणना रेडिएटर आकार के यांत्रिक आकार, पानी के मजबूर संवहनी गर्मी हस्तांतरण गुणांक को लेकर की जाती है और पैरामीटर और चर सूत्र के रूप में पानी की तापीय चालकता गुणांक।विश्लेषण को सरल बनाने के लिए, थर्मल प्रतिरोध गणना के लिए सॉफ्टवेयर संकलित किया गया था।सॉफ़्टवेयर में एक सरल और स्पष्ट ऑपरेशन इंटरफ़ेस है, जो पैरामीटर के साथ बदलते थर्मल प्रतिरोध के विभिन्न वक्र प्रदर्शित कर सकता है, और थर्मल प्रतिरोध मानों की सीधे गणना और प्रदर्शित भी कर सकता है।यह रेडिएटर के डिज़ाइन विश्लेषण के लिए एक सहज और सुविधाजनक संदर्भ प्रदान करता है।

1 ऊष्मा स्थानांतरण के मूल सूत्र और सिद्धांत

1.1 ऊष्मा स्थानांतरण का सिद्धांत और मूल तरीका

ऊष्मा चालन का मूल सूत्र है:

Q=KA△T／△L (1)

सूत्र में, Q ऊष्मा का प्रतिनिधित्व करता है, अर्थात ऊष्मा चालन द्वारा उत्पन्न या संचालित ऊष्मा;K सामग्री का तापीय चालकता गुणांक है।△T दो सिरों के बीच तापमान अंतर का प्रतिनिधित्व करता है;△L दोनों सिरों के बीच की दूरी है।संवहन गर्मी हस्तांतरण को संदर्भित करता है जिसमें एक तरल पदार्थ (गैस या तरल) एक ठोस सतह के संपर्क में आता है, जिससे तरल पदार्थ ठोस सतह से गर्मी को हटा देता है।

ऊष्मा संवहन का सूत्र है:

Q=hA△T (2)

सूत्र में: Q अभी भी ऊष्मा का प्रतिनिधित्व करता है, अर्थात ऊष्मा संवहन द्वारा ली गई ऊष्मा;h ऊष्मा संवहन गुणांक का मान है;ए ताप संवहन का प्रभावी संपर्क क्षेत्र है;△T ठोस सतह और क्षेत्रीय तरल पदार्थ के बीच तापमान अंतर को दर्शाता है।

1.2 थर्मल प्रतिरोध की गणना

थर्मल प्रतिरोध गर्मी संचालन प्रक्रिया में प्रतिरोध का प्रतिनिधित्व करता है, और यह एक व्यापक पैरामीटर है जो गर्मी हस्तांतरण को रोकने की क्षमता को दर्शाता है।विश्लेषण को सरल बनाने के लिए, रेडिएटर मॉडल को सरल बनाने के बाद, यह माना जाता है कि संवहन ताप हस्तांतरण थर्मल प्रतिरोध और थर्मल चालन थर्मल प्रतिरोध के दो रूप हैं।हीट सिंक की समतल प्लेट में ऊष्मा चालन थर्मल प्रतिरोध होता है।गणना सूत्र है:

Rnd=L／KA (3)

सूत्र में: एल रेडिएटर प्लेट की मोटाई का प्रतिनिधित्व करता है;K प्लेट एल्यूमीनियम की तापीय चालकता का प्रतिनिधित्व करता है;ए गर्मी प्रवाह की दिशा के लंबवत क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है, यानी प्लेट का क्षेत्र।

रेडिएटर में पानी और हीट सिंक के बीच थर्मल प्रतिरोध संवहनशील गर्मी हस्तांतरण थर्मल प्रतिरोध है।गणना सूत्र है:

Rnv=1/hAs (4)

सूत्र में: जैसा कि कुल प्रभावी संवहन ताप अंतरण क्षेत्र को दर्शाता है;h संवहन ताप अंतरण गुणांक का प्रतिनिधित्व करता है, जो नुसेल्ट संख्या से संबंधित है।नुसेल्ट संख्या की गणना सूत्र के अनुसार, h की गणना सूत्र को निम्न प्रकार से व्युत्क्रमित किया जा सकता है:

सूत्र में: Nu नुसेल्ट संख्या का प्रतिनिधित्व करता है;λf द्रव की तापीय चालकता का प्रतिनिधित्व करता है;एच यहाँ जल मजबूर संवहन की तापीय चालकता होनी चाहिए;Dh गर्मी हस्तांतरण सतह का प्रतिनिधित्व करने वाली ज्यामितीय विशेषता लंबाई है, यहां पाइप के हाइड्रोलिक व्यास का प्रतिनिधित्व करता है।

हीट सिंक को परिभाषित करने वाले कुल थर्मल प्रतिरोध की गणना निम्नानुसार की जाती है:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

सूत्र में: बी रेडिएटर की चौड़ाई का प्रतिनिधित्व करता है, और अन्य मान पहले पेश किए गए हैं।जब रेडिएटर के बाहरी आयाम तय हो जाते हैं, तो सूत्र (3) से यह देखा जा सकता है कि Rnd एक निश्चित मान है, और K और B दोनों निश्चित मान हैं।यदि λf स्थिर है, तो रेडिएटर का कुल थर्मल प्रतिरोध सीधे Rnv से संबंधित है।आइए रेडिएटर के संवहन ताप हस्तांतरण थर्मल प्रतिरोध को देखें।सूत्र (5) से, सूत्र (6) प्राप्त कर सकते हैं:

सूत्र (7) से यह देखा जा सकता है कि संवहन ताप स्थानांतरण का तापीय प्रतिरोध सीधे Dh के समानुपाती और As के व्युत्क्रमानुपाती होता है।यह देखा जा सकता है कि परिसंचारी पानी की मात्रा बढ़ाने के लिए पाइपलाइन के हाइड्रोलिक व्यास को आँख बंद करके नहीं बढ़ाया जा सकता है, जिससे एक अच्छा शीतलन प्रभाव प्राप्त नहीं किया जा सकता है।आरएनवी को कम करने से रेडिएटर का कुल थर्मल प्रतिरोध कम हो जाएगा और गर्मी अपव्यय प्रभाव में वृद्धि होगी।सूत्र (3) और सूत्र (7) को सूत्र (6) में प्रतिस्थापित करते हुए, कुल तापीय प्रतिरोध गणना सूत्र है:

कहाँ: ले रेडिएटर की लंबाई का प्रतिनिधित्व करता है;λf पानी की तापीय चालकता है, और h पानी का मजबूर संवहन ताप हस्तांतरण गुणांक है।

1.3 गणना उदाहरण

आम तौर पर, जब इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का रेडिएटर पानी-ठंडा करने वाली गर्मी अपव्यय विधि को अपनाता है, तो रेडिएटर के अंदर तरल परिसंचरण को दो प्रकारों में विभाजित किया जाता है: श्रृंखला चैनल और समानांतर चैनल।जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, दो मॉडलों के चैनल क्रॉस-सेक्शन क्रमशः दिखाए गए हैं।उनमें से, मॉडल ए एक श्रृंखला जल चैनल वितरण है, और मॉडल प्रत्येक श्रृंखला जल चैनल में कई कूलिंग पंख जोड़ना है।बी मॉडल यह है कि समानांतर जल चैनलों में केवल सीधे चैनल होते हैं, और तरल पानी के इनलेट से पानी के आउटलेट तक समानांतर जल चैनलों के माध्यम से बहता है।

λf पानी की तापीय चालकता 0.5W/mK के रूप में चुनी गई है, और h पानी का मजबूर संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक 1 000 W/m2K है।गणना की सुविधा के लिए, हीट सिंक की मोटाई जैसे छोटे आयामों को नजरअंदाज कर दिया जाता है।लोकोमोटिव के लिए आईजीबीटी चार-चतुर्थांश मॉड्यूल के हीट सिंक के समग्र आयाम एल = 0.005 मीटर, एल = 0.55 मीटर, और बी = 0.45 मीटर हैं।चूंकि बाहरी आयाम समान हैं, श्रृंखला ए मॉडल और समानांतर बी मॉडल के बीच थर्मल प्रतिरोध में अंतर ए में अंतर में निहित है।रेडिएटर की भीतरी दीवार के ऊपरी और निचले पैनल का क्षेत्रफल, आगे और पीछे के पैनल का क्षेत्रफल, बाएँ और दाएँ पैनल का क्षेत्रफल और हीट सिंक का कुल क्षेत्रफल As1, As2, As3 के रूप में सेट करें। और As4, क्रमशः।श्रृंखला ए मॉडल में 19 आंतरिक हीट सिंक हैं।As1=0.495m2, As2=0.0432m2, As3=0.0528m2, As4=0.8208m2।कुल प्रभावी शीतलन क्षेत्र बन जाता है: As=As1+As2+As3+As4=1.4118 m2।प्रत्येक पैरामीटर को सूत्र (9) में प्रतिस्थापित करने पर, श्रृंखला ए मॉडल का थर्मल प्रतिरोध इस प्रकार प्राप्त होता है:

मॉडल बी, जैसा कि वेग वितरण के स्क्रीनशॉट से देखा जा सकता है, पानी इनलेट से प्रवेश करता है, और केवल रेडिएटर के मध्य 1/3 भाग से बहता है, और बाएं और दाएं तरफ अन्य हिस्सों का प्रवाह वेग होता है लगभग 0 है, जो नगण्य है।इस प्रकार, ऊपरी और निचले पैनलों के प्रभावी ताप अपव्यय क्षेत्र को समग्र क्षेत्र के 1/3 के रूप में परिभाषित किया जा सकता है, और सामने और पीछे के पैनलों के प्रभावी ताप अपव्यय क्षेत्र को भी समग्र क्षेत्र के 1/3 के रूप में परिभाषित किया जा सकता है।बाएँ और दाएँ पैनल से पानी का प्रवाह न होना प्रभावी ताप अपव्यय क्षेत्र के रूप में नहीं गिना जाता है।मध्य ताप सिंक के माध्यम से जल प्रवाह की प्रभावी संख्या 6 टुकड़े है।फिर ये हैं:

2 हीट सिंक थर्मल प्रतिरोध को हल करने और थर्मल प्रतिरोध वक्र खींचने के लिए सॉफ्टवेयर

2.1 इंटरफ़ेस फॉर्म

मुख्य इंटरफ़ेस का रूप चित्र 3 में दिखाया गया है। आवश्यकताओं के अनुसार, यह सॉफ़्टवेयर मुख्य रूप से दो कार्यात्मक मॉड्यूल डिज़ाइन करता है।एक विशिष्ट जल-शीतलन थर्मल प्रतिरोध मूल्यों की गणना के लिए एक मॉड्यूल है, और दूसरा जल-शीतलन थर्मल प्रतिरोध वक्र खींचने के लिए एक मॉड्यूल है।

रेडिएटर वॉटर-कूलिंग थर्मल प्रतिरोध गणना मॉड्यूल का इंटरफ़ेस चित्र 4 में दिखाया गया है।

उनमें से, एल रेडिएटर की लंबाई है, इकाई एम है;बी रेडिएटर की चौड़ाई है, इकाई मीटर है;एल रेडिएटर की मोटाई है, इकाई मीटर है;ए रेडिएटर का कुल प्रभावी शीतलन क्षेत्र है, इकाई वर्ग मीटर है;h जल बलपूर्वक संवहन ताप अंतरण गुणांक, इकाई W/m2K है;λ पानी की तापीय चालकता है, इकाई W/mK है।गणना परिणाम वाटर-कूल्ड रेडिएटर का थर्मल प्रतिरोध मान है, और इकाई cm2K/W है।इस मॉड्यूल के कार्य में गणना की प्रकृति होती है, जो रेडिएटर के ज्यामितीय आकार, पानी के मजबूर संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक और थर्मल चालकता की शर्तों के तहत रेडिएटर के संबंधित थर्मल प्रतिरोध मूल्य की गणना का एहसास कर सकती है। पानी।वाटर-कूल्ड रेडिएटर के थर्मल प्रतिरोध वक्र का ड्राइंग मॉड्यूल चित्र 5 और चित्र 6 में दिखाया गया है। इसके मापदंडों का अर्थ चित्र 4 के समान है। वाटर-कूल्ड रेडिएटर वक्र कुल के बीच मात्रात्मक संबंध देता है रेडिएटर का क्षेत्र, पानी का मजबूर संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक और थर्मल प्रतिरोध।दो समस्याएँ हल हो गई हैं;किसी दिए गए प्रभावी गर्मी अपव्यय क्षेत्र वाले रेडिएटर के लिए, एक विशिष्ट थर्मल प्रतिरोध प्राप्त करने के लिए, पानी के मजबूर संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक को कितना प्राप्त करने की आवश्यकता है, अर्थात, कितने पाइप व्यास की आवश्यकता है।पानी के एक विशिष्ट मजबूर संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक के लिए, रेडिएटर के गर्मी अपव्यय क्षेत्र के माध्यम से थर्मल प्रतिरोध को कैसे नियंत्रित किया जाए।

2.2 थर्मल प्रतिरोध गणना निर्देश

चित्र 5 और चित्र 6 में थर्मल प्रतिरोध वक्रों की ड्राइंग प्रक्रिया को उदाहरणों के साथ नीचे दिखाया गया है।"1.3 उदाहरणों" में, श्रृंखला ए मॉडल और बी मॉडल के कुल थर्मल प्रतिरोध की गणना की गई है।सबसे पहले, हम पानी की तापीय चालकता λ=0.5 W/mk, L=0.005 m, ls=0.55 m, B=0.45 m के साथ संबंधित रिक्त स्थान भरते हैं।फिर कर्व प्रकार चुनें.पानी के विभिन्न मजबूर संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक के तहत, रेडिएटर के प्रभावी गर्मी अपव्यय क्षेत्र और थर्मल प्रतिरोध के बीच संबंध चित्र 5 में दिखाया गया है। विभिन्न प्रभावी गर्मी अपव्यय क्षेत्रों के तहत, पानी के मजबूर संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक के बीच संबंध और थर्मल प्रतिरोध चित्र 6 में दिखाया गया है। इंटरफ़ेस के नीचे बाईं ओर "जल शीतलक थर्मल प्रतिरोध की गणना करें" भी है, थर्मल प्रतिरोध गणना इंटरफ़ेस में प्रवेश करने के लिए क्लिक करें, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।आवश्यकतानुसार प्रत्येक पैरामीटर मान भरें: λ=0.5 W/mK, L=0.005 m, ls=0.55 m, B=0.45 m, h=1 000W/m2K जब इनपुट क्षेत्र 1.4118 है, परिकलित थर्मल प्रतिरोध मान 92.502 801 है 066 337 सेमी2के/डब्ल्यू, जो गणना मॉडल के अनुरूप है, उपरोक्त सूत्र का परिणाम 92.503 सेमी2के/डब्ल्यू है।