Lämpöpäästöjen hallinnan suunnittelu asennusmuuntajille
Todellisessa toiminnassa jousiristikkoissa olevat muuntimet kohtaavat tyypillisesti lämpötilaan liittyviä ongelmia:
Lämpötilan siirtymisen optimoimiseksi tässä artikkelissa käytetään elementtianalyysiä rakentaakseen kolmiulotteisen muuntimen mallin. Lämpötilakentän jakautumisen kuvaamalla se tunnistaa ylikuumenevat kohdat ja tarkentaa jähdytysjärjestelmän suunnittelua.
1. Lämpötilakentän perusteet
Lämpötilakentta kuvaa tila-ajan lämpötilavaihteluita, joissa lämpögenerointi, siirto ja jakautuminen ovat tiiviisti yhdistetty. Jousiristikossa olevissa muuntimissa lämpö pohjustuu ytimissä, kytkentissä jne. Toimintaolosuhteiden ja -kestosten muuttaminen vaikuttaa lämpökuviomuihin, ja monimedialla (ydin, kytkentä, eristys) luodaan epätasainen lämpötilajakauma.
Lämpö siirtyy johtamalla (dominantti, kuljettaa lämpöä kytkentästä/ytimestä eristävään resiiniin ympäristön ilmaan) ja konvektiolla. Johtamisen intensiteetti korreloi lämpögradien kanssa – lämpö siirtyy kuumenemisesta viileämpiin resiiniin, sitten purkautuu ulkolle. Lämpövirtasuurelaskennat seuraavat:
Kaavassa: q edustaa lämpövirtatiheyttä;λ edustaa lämmönjohtavuutta; ∂t/∂x on lämpögradi, heijastellen lämpötilan muutoksen nopeutta etäisyyden mukaan; n on lämpömuuntokertoima. Kun eri paikoissa on lämpötilaerot, lämpö pääasiassa pyrkii tasapainoon, ja tämä lämpötilatasapaino on lämpökonvektio. Jousiristikossa olevan muuntimen toiminnassa eri osien tuottama lämpö tulee yhteyteen ilmaan ja siirtyy niiden välillä, aiheuttaen ympäröivän kaasun lämpötilan muutoksia. Tässä prosessissa lämpösiirto tapahtuu lämpökonvektion kautta, mikä voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla:
Kaavassa, h on konvektiolämmön siirtokertoima, tf edustaa nesteen lämpötilaa, ja tw edustaa kappaleen pintalämpötilaa. Kun kappaleen lämpötila on korkeampi kuin absoluuttinen nolla, syntyy säteilylämpö, yleensä kutsutaan lämpösäteilyksi. Muuttujien pysyessä samana, kappaleiden välillä syntyvä säteilyn määrä muuttuu lämpötilan nousun mukaan (lämpötilan pysyessä jatkuvasti nousussa). Jousiristikossa olevan muuntimen toiminnassa laite ei tule suoraan yhteyteen lämpösäteilyyn; kun muuntimen lämpötila vakautuu, sen lämpösäteilyfunktio saavuttaa lämpöpurkautumisen lämpösäteilyn kautta, ja tämä prosessi voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla:
Kaavassa, S edustaa säteilypinta-alaa, T on kappaleen termodynamiikan lämpötila, ja σ on säteilyvakio. Jousiristikossa olevien muuntimien jähdytysjärjestelmän suunnittelussa käytetään pääasiassa elementtianalyysimenetelmää (FEA) laittaakseen lämpötilayhtälöt. Laskennoiden avulla voidaan määrittää kunkin solmun lämpötila. Tämä on erityisen hyödyllistä käytännössä vaikeasti saavutettavien lämpötilapisteksioiden mitattamiseksi, optimaalisten kuumentumiskeskusten tunnistamiseksi ja sitten koppeloitu analysi. Lämpötilakentän hajoituksen FEA:n perusperiaatteet ovat seuraavat:
Diskretisoi kolmiulotteinen fysikaalinen alue;
Kuvaile lämpötilavaihteluita funktion avulla missä tahansa solmun sisällä elementissä;
Muodosta elementtiyhtälöt;
Yhdistä elementit ja soveltaa ulkoisia herätyksiä solmuissa;
Ratkaise yhtälöt ottaen huomioon lämpötilakentän rajaoletukset;
Laske lämpötilan nousu kussakin solmussa;
Johda elementin lämpötilan nousu lämpötilakenttayhtälöiden perusteella.
2 Jousiristikossa olevien muuntimien mallintaminen ja lämpötilakentän simulointi
2.1 Elementtimallintaminen
Taulukko 1 listaa tässä artikkelissa valitun jousiristikossa olevan muuntimen relevaanteja parametreja. Elementtimalli rakennetaan näihin parametreihin perustuen. Tämän jälkeen yksinkertaistetut mallit luodaan jousiristikossa olevan muuntimen korkean jännitteen kytkenteelle, matalan jännitteen kytkenteelle ja rautaytimelle.
Mallin rakentamisessa, koska korkean jännitteen kytkentän ulostulojen liitoskohdat ovat suhteellisen vankkoja, ne eivät ole huomioidu alkuperäisessä suunnitteluvaiheessa. Yksinkertaisuuden vuoksi rautaydin mallinnetaan yhdenmuotoisena rakenteena, jättäen interlaminaariset välimatkat huomiotta (nämä välimatkat käsitellään bulk-kuparin ominaisuuksilla huomioidaksensa materiaalin johtavuus). Muuntimen 3D-simulaatiomalli näkyy kuvassa 1.
Luonnollisen konvektion vaikutusten analysoimiseksi simulaatioympäristöön lisätään ulkoinen ilma-alue (mittoja 5000mm×5000mm×3000mm), mahdollistaen realistisen ilmavirtamallinnuksen muuntimen ympärillä.
2.2 Jousiristikossa olevan muuntimen kuoret
Kytkentä ja rautaydin mallinnetaan lämpölähdeina, ja niiden lämpötuotanto lasketaan muuntimen suunnitteluparametreihin perustuen. Ilma-alue määritetään paineen ulosmenoilla huipulla ja pohjalla ja sivuilla levitettyinä aloitteilla, ylläpitäen ympäristölämpötilan 300K:ssa. Simulaatioissa luonnolliset konvektioparametrit johdetaan sopivan turbulenssimallin valitsemisen perusteella Rayleighin luvun mukaan.
Kuoren geometria (kuva 2) yksinkertaistetaan sen monimutkaisen kompositirakenteen vuoksi. Kattoon olevat reikkaiset paneelit jätetään huomiotta, koko katon käsittelyssä yhtenä jatkuvana ilma-alueena. Poroiset mediat asetetaan ilmavirtausaukoihin kuution alla simuloidakseen virtausvastusta. Kuoren pohjan tukirakenteiden ympärillä oleva ilma-alue pidetään yhteydessä. Lisätään 155mm korkea ilmakuilu kuoren alle huomioidaksensa perustuksen vaikutusta lämpöpurkautumiseen.
Perustetuissa malleissa esiasetetut pohja-aukot, huippu-aukot ja ylä-ala-aukot kuuluvat poroisiin mediaihin, paksuudella 10 mm (kuten kelta-vihreä lohko kuvassa 3), joten ne simuloivat ruostetta. Pohja-aukon koko on 1450 × 1200 mm², ja ylä-ala-aukon koko on 550 × 500 mm². Malliin on myös asetettu kolme aukkoa ja epoxy-taulu, ja aukot määräytyvät auki tai suljettuina todellisen tilanteen mukaan. Yleisesti, jos lattiapohjainen työntapa käytetään, huippu-aukko, epoxy-taulu ja Aukko 1 ovat auki; jos pohja-aukoinen työntapa käytetään, huippu-aukko, pohja-aukko ja Aukot 1/2/3 ovat kaikki auki.
2.3 Lämpötilakentän jakautumisen analyysi
Seuraavaksi elementtimalli rakennetaan geometrisen mallin verkkoinnin avulla. Varmista luonnollisen konvektion ja sisäisen verkon mallien yhtenäisyys, ja tarkenna verkkoja kuoren aukoissa ja ilmaliittymissä parantaaksesi laskennan tarkkuutta. Geometrisen mallin perusteella elementtimalli koostuu 401 856 solmusta ja 518 647 verkkosta. Jousiristikossa olevan muuntimen mallin keskeiset asetukset:
Elementtiohjelmiston avulla lämpötilamalli osoittaa: Kytkentä on muuntimen kuumimpaa pistettä, seuraavana rautaydin; lähellä olevan ilman lämpötila on myös korkea, laskeutuen ilman nousun aikana kunnes se vastaa ympäristölämpötilaa paineen ulosmenossa. Toiminnassa kuuman ilman laajeneminen aiheuttaa ilman kertymisen ja törmäyksiä ympäristön ja putken ilman välillä (jatkuvan lämmityksen ja tilavuuden kasvun vuoksi). Ilman viskositeetti vaikuttaa putken virrattuuteen ja virratilaan. Kuuma ilma kiihtyy lähellä maata ja hidastuu kauempaa; ilmavirtaus-pinta-yhteyksien muodostuminen muodostaa lämpörajapinnan, jonka paksuuden takia lämpösiirtokertoimet kasvavat, lisäävät lämpötilaa ja ilman viskositeettia samalla kun vähentävät virratunta. Kuuma ilma muuttaa muuntimen yläpuolella olevaa lämpötilaa, jossa lämpötila on verrannollinen lämpösäteilyyn.
3 Jousiristikossa olevien muuntimien lämpöpurkautumisen suunnittelu
3.1 Mallianalyysi
Jousiristikossa olevat muuntimet sijoitetaan kuoriin, jolla on korkea turvallisuustaso. Varmistaa kuoren sisällä sijaitsevan ilman sujuvan virtauksen ja antaa muuntimen lämpöpurkautumiskyvylle täyttää roolinsa, aksiaalisia tuulijoita tarvitaan varmistaakseen kuuman ilman purkautumisen laitteen sisältä. Samalla kuoren ulkopuolelle asennetaan jähdytysputket saavuttaakseen lämpövaihdoksen. Lämpövaihdoksen avulla voidaan edistää muuntimen sisällä olevan ilman jatkuvaa virtausta.
Jousiristikossa olevien muuntimien toiminnassa lämpö tuotetaan pääasiassa kytkenteissä ja rautaytimeissä. Siksi suunnitteluun tulisi keskittyä näiden kahden komponentin ilmavirtausolotiloihin ja yhdistää asiaankuuluvat tekijät lämpöpurkautumismallin rakentamiseksi.
3.2 Malliparametrien määrittäminen
