CN109740258B - 强迫风冷机柜的分段式热分析方法 - Google Patents

Abstract

一种强迫风冷机柜的分段式热分析方法。能够实时的独立的分析柜内各种设备所处的环境，包括周围热量积累，温度和通风量。能够对机柜内部设备布局的优化程度进行量化评比，从而获得最优的布局方案。能够利用计算机程序求解最优化问题，高效实用。

Description

强迫风冷机柜的分段式热分析方法

技术领域

本发明属于数字化工业控制领域，具体涉及强迫风冷机柜的分段式热分析方法。

背景技术

一直以来，在核电仪控机柜的风扇选型中都存在着实际功率远大于需求功率的问题。这种“大马拉小车”的现象不仅造成了电力的浪费，同时也增加了上游供电母线的负荷，为其他设备的设计和功能的实现造成了困难。而且，大功率风扇通常伴随着高噪声污染。因此，在满足设备安全运行的条件下，合理的降低风扇功率，具有十分重要的意义。

目前，在风扇选型的工程实践中，机柜通风量的计算通常都采用如下公式：

式中Q_f——通风量m3/s；

ρ——空气的密度kg/m3；

C_p——空气的比热J/(kg.℃)；

——总损耗功率(热流量)W；

Δt——冷却空气的出口与进口温差℃。

从上述公式中不难看出，假设冷空气的入口温度保持恒定，在风道特性不变的情况下，出口温度越低，需要的通风量就越大，相应的风扇功率也越高。这个公式可以用于工程中需要快速近似计算的时候，但它具有两大缺陷：

其一，这种方法是将机柜整体看作一个黑箱来建立模型，无法得知机柜内部温度分布情况，因此出口温度通常选择得过于低。如图1所示，设备E-2工作温度上限为60℃，设备E-1为40℃，基于保守的考虑，出口温度只能在所有设备的工作温度中选择一个最低的值，即40℃。

但是，如果将机柜分为上下两段，如图3所示，然后运用热学原理分析，由于E-1设备散热量小于E-2，而且气流会带动热量向上扩散，机柜上部的温度将远高于下部。因此，机柜出口温度即使设为60℃，仍能满足柜内所有设备对温度的要求。

其二，这种方法无法评估机柜内部设备布局的优劣，不能通过调整布局来降低整体通风量需求。由于机柜内部每个设备的散热量不同，对工作温度的要求也不同，因此这些设备的布局会直接影响机柜出口温度，从而影响机柜通风需求。图2所示的是一种工程中经常会遇到的未经过优化的布局方式。

如果将机柜分为上下两段，再将散热量大且耐热性好的设备E-2放在冷却气流的下游(出风口处)，散热量小且耐热性差的设备E-1放在冷却气流的上游(进风口处)，如图3所示，出口温度可以高至60℃。显然，改变后的布局方式能够降低整体通风量需求，更加合理。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种强迫风冷机柜的分段式热分析方法，改进机柜的热设计。

本发明的技术方案如下：一种强迫风冷机柜的分段式热分析方法，包括以下步骤：

S1:取典型仪控机柜中的一条独立的竖直风道作为研究对象，按照风道中发热元件在机柜内部的分布情况，将机柜从上到下共分为d段，d为典型仪控机柜中发热元件的数量；

设t(0),…，t(d)为各段交界面的温度，E-1,…,E-d为各段发热设备，

S2:对S1中分成的任一段，记为第n段，n∈[1，d]，其中t(n)为第n段上界面温度，t(n-1)为第n段下界面温度，

为第n段总耗损功率，E-n为第n段发热设备；

假设机柜内的风道是密闭的且无分支，那么机柜风道内任意截面单位时间通过的风量Q_fn,n∈[1，d]都是相同的，等于整个机柜出风口处单位时间的通风量，根据热平衡方程，得到通风量的计算公式为：

Q_fn＝Q_fn-1 (2)

式中ρ——空气的密度kg/m³；

C_p——空气的比热J/(kg.℃)；

——第n段内元件总损耗功率W；

t_n——第n段上底面温度℃；

t_n-1——第n段下底面温度℃；

Q_fn——第n段出风口单位时间的通风量m³/s；

Q_fn-1——第n-1段进风口单位时间的通风量m³/s；

t₀——柜外空气温度保持恒定为常数℃；

式中n＝1,2,3,......,d；

S3：风道内的散热设备有d个，分别记为E1,E2，……，Ed，需要安装到机柜内从上到下排列且不重叠的d个区域中，因此，安装顺序的种类总数等于全排列P(d,d)＝d！＝d(d-1)(d-2)...2×1种；

对这d！种安装顺序进行排序，对于第k个安装顺序，记为f(k)，对应的机柜出口通风量的最小值记为Q(k)，其中k∈[1，d！]；

S4：对位于第n段中的设备，n＝1,…,d，可以耐受的最高环境温度记为b_n，同时第n段的最高温度等于该段的上表面温度t_n，正常工作时，必须保障设备所在段的最高温度t_n不高于设备工作温度b_n，即t_n≤b_n；

计算第1种安装顺序f(1)对应的机柜出口通风量最小值Q(1)；按照f(1)定义的安装顺序，将d个设备的工作温度上限值赋给b_n，功耗值赋给Φ_n，n＝1,…,d；

S5：按照第2种安装顺序f(2)调换d个发热元件的位置，并依照新的顺序将各元件的工作温度上限值重新赋给b_n，功耗值重新赋给Φ_n，n＝1,…,d，计算出Q(2)；

S6：重复S4至S5，直到计算出所有d！种安装顺序对应的最小通风量集合Q(k)，k＝1，...，d！；

S7：求数组Q(k)，k＝1,…,d！中的最小值，假设当k＝m∈[1，d！]时，该数组有最小值Q(m)，则对应的排列顺序f(m)即为最优的设备布置顺序。

所述S3中，按照字典序法对这d！种安装顺序进行排序。

所述S1中，最下段为第1段，最上段为第d段，分段时应保证各段中的单个发热元件是完整的。

所述S4中，计算步骤如下：

S4.1：对机柜的第1段，即n＝1时，令t₁＝b₁，可得机柜通风量为

并记Q(1)＝Q_f1；

S4.2：对机柜的第n段，n∈[2，d]，令Q_fn＝Q_fmin，计算得

S4.3：若b_n＜t_n，则令t_n＝b_n，可得机柜通风量为

更新Q(1)＝Q_fn；

S4.4：重复S4.2和S4.3，直到n＝d时结束循环。

所述S5中，Q(2)计算方法与计算Q(1)的方法相同。

所述S7中，Q(m)即为机柜的最小通风量。

本发明的显著效果在于：

(1)能够实时的独立的分析柜内各种设备所处的环境，包括周围热量积累，温度和通风量。

(2)能够对机柜内部设备布局的优化程度进行量化评比，从而获得最优的布局方案。

(3)能够利用计算机程序求解最优化问题，高效实用。

附图说明

图1为机柜黑箱模型示意图；

图2为常见柜内布局示意图；

图3为机柜分段优化图

图4为本发明所述强迫风冷机柜的分段式热分析方法机柜风道

图5为本发明所述强迫风冷机柜的分段式热分析方法第n段上下界面温度示意图

具体实施方式

强迫风冷机柜的分段式热分析方法，包括以下步骤：

S1:取典型仪控机柜中的一条独立的竖直风道作为研究对象，按照风道中发热元件在机柜内部的分布情况，将机柜从上到下共分为d段，d为典型仪控机柜中发热元件的数量，其中最下段为第1段，最上段为第d段，分段时应保证各段中的单个发热元件是完整的；机柜风道如图4所示

设t(0),…，t(d)为各段交界面的温度，E-1,…,E-d为各段主要发热设备，t(in)为机柜进风口温度，t(out)为机柜出风口温度。

在分段后的机柜中任取一段进行分析。可知，每一段都可看成一个独立的风道，进风口为该段的下底面，出风口为该段的上表面，在强迫风冷散热系统中，辐射与自然对流散热量约占总散热量的10％，因此强迫风冷的散热量是总散热量的90％；

S2:对S1中分成的任一段，记为第n段，n∈[1，d]，如图5所示，其中t(n)为第n段上界面温度，t(n-1)为第n段下界面温度，

为第n段总耗损功率，E-n为第n段发热设备；

假设机柜内的风道是密闭的且无分支，那么机柜风道内任意截面单位时间通过的风量Q_fn,n∈[1，d]都是相同的，等于整个机柜出风口处单位时间的通风量，根据热平衡方程，得到通风量的计算公式为：

Q_fn＝Q_fn-1 (2)

式中ρ——空气的密度(kg/m³)；

C_p——空气的比热(J/(kg.℃))；

——第n段内元件总损耗功率(热流量)(W)；

t_n——第n段上底面温度(℃)；

t_n-1——第n段下底面温度(℃)；

Q_fn——第n段出风口单位时间的通风量(m³/s)；

Q_fn-1——第n-1段进风口单位时间的通风量(m³/s)；

t₀——柜外空气温度保持恒定为常数(℃)；

式中n＝1,2,3,......,d；

S3：风道内的散热设备有d个，分别记为E1,E2，……，Ed，需要安装到机柜内从上到下排列且不重叠的d个区域中，因此，安装顺序的种类总数等于全排列P(d,d)＝d！＝d(d-1)(d-2)...2×1种；

按照字典序法对这d！种安装顺序进行排序，对于第k个安装顺序，记为f(k)，对应的机柜出口通风量的最小值记为Q(k)，其中k∈[1，d！]；

S4：如果机柜内设备的安装顺序确定，机柜通风量的大小取决于设备对高温的耐受程度，对位于第n段中的设备，n＝1,…,d，可以耐受的最高环境温度记为b_n，同时第n段的最高温度等于该段的上表面温度t_n，正常工作时，必须保障设备所在段的最高温度t_n不高于设备工作温度b_n，即t_n≤b_n；

首先，计算第1种安装顺序f(1)对应的机柜出口通风量最小值Q(1)。按照f(1)定义的安装顺序，将d个设备的工作温度上限值赋给b_n，功耗值赋给Φ_n，n＝1,…,d；计算步骤如下：

S4.1：对机柜的第1段，即n＝1时，令t₁＝b₁，可得机柜通风量为

并记Q(1)＝Q_f1；

S4.2：对机柜的第n段，n∈[2，d]，令Q_fn＝Q_fmin，计算得

S4.3：若b_n＜t_n，则令t_n＝b_n，可得机柜通风量为

更新Q(1)＝Q_fn；

S4.4：重复S4.2和S4.3，直到n＝d时结束循环；

S5：按照第2种安装顺序f(2)调换d个发热元件的位置，并依照新的顺序将各元件的工作温度上限值重新赋给b_n，功耗值重新赋给Φ_n，n＝1,…,d，计算出Q(2)，方法与计算Q(1)的方法相同；

S6：重复S4至S5，直到计算出所有d！种安装顺序对应的最小通风量集合Q(k),k＝1,...,d！；

S7：求数组Q(k)，k＝1,…,d！中的最小值，假设当k＝m∈[1，d！]时，该数组有最小值Q(m)，则对应的排列顺序f(m)即为最优的设备布置顺序，Q(m)即为机柜的最小通风量。

Claims (6)

1.一种强迫风冷机柜的分段式热分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1:取典型仪控机柜中的一条独立的竖直风道作为研究对象，按照风道中发热元件在机柜内部的分布情况，将机柜从上到下共分为d段，d为典型仪控机柜中发热元件的数量；

设t(0),…，t(d)为各段交界面的温度，E-1,…,E-d为各段发热设备，

S2:对S1中分成的任一段，记为第n段，n∈[1，d]，其中t_n为第n段上界面温度，t_(n-1)为第n段下界面温度，

为第n段总耗损功率，E-n为第n段发热设备；

假设机柜内的风道是密闭的且无分支，那么机柜风道内任意截面单位时间通过的风量Q_fn,n∈[1，d]都是相同的，等于整个机柜出风口处单位时间的通风量，根据热平衡方程，得到通风量的计算公式为：

Q_fn＝Q_fn-1 (2)

式中ρ——空气的密度kg/m³；

C_p——空气的比热J/(kg.℃)；

Φ_n——第n段内元件总损耗功率W；

t_n——第n段上底面温度℃；

t_(n-1)——第n段下底面温度℃；

Q_fn——第n段出风口单位时间的通风量m³/s；

Q_fn-1——第n-1段进风口单位时间的通风量m³/s；

t₀——柜外空气温度保持恒定为常数℃；

式中n＝1,2,3,......,d；

S3：风道内的发热元件有d个，分别记为E1,E2，……，Ed，需要安装到机柜内从上到下排列且不重叠的d个区域中，因此，安装顺序的种类总数等于全排列P(d，d)＝d！＝d(d-1)(d-2)...2×1种；

对这d！种安装顺序进行排序，对于第k个安装顺序，记为f(k)，对应的机柜出口通风量的最小值记为Q(k)，其中k∈[1，d！]；

S4：对位于第n段中的设备，n＝1,…,d，可以耐受的最高环境温度记为b_n，同时第n段的最高温度等于该段的上表面温度t_n，正常工作时，必须保障设备所在段的最高温度t_n不高于设备工作温度b_n，即t_n≤b_n；

计算第1种安装顺序f(1)对应的机柜出口通风量最小值Q(1)；按照f(1)定义的安装顺序，将d个设备的工作温度上限值赋给b_n，功耗值赋给Φ_n，n＝1,…,d；

S5：按照第2种安装顺序f(2)调换d个发热元件的位置，并依照新的顺序将各元件的工作温度上限值重新赋给b_n，功耗值重新赋给Φ_n，n＝1,…,d，计算出Q(2)；

S6：重复S4至S5，直到计算出所有d！种安装顺序对应的最小通风量集合Q(k)，k＝1，...d！；

S7：求数组Q(k)，k＝1,…,d！中的最小值，假设当k＝m∈[1，d！]时，该数组有最小值Q(m)，则对应的排列顺序f(m)即为最优的设备布置顺序。

2.根据权利要求1所述的一种强迫风冷机柜的分段式热分析方法，其特征在于：所述S3中，按照字典序法对这d！种安装顺序进行排序。

3.根据权利要求1所述的一种强迫风冷机柜的分段式热分析方法，其特征在于：所述S1中，最下段为第1段，最上段为第d段，分段时应保证各段中的单个发热元件是完整的。

4.根据权利要求1所述的一种强迫风冷机柜的分段式热分析方法，其特征在于：所述S4中，计算步骤如下：

S4.1：对机柜的第1段，即n＝1时，令t₁＝b₁，可得机柜通风量为

并记Q(1)＝Q_f1；

S4.2：对机柜的第n段，n∈[2，d]，令Q_fn＝Q_fmin，计算得

S4.3：若b_n＜t_n，则令t_n＝b_n，可得机柜通风量为

更新Q(1)＝Q_fn；

S4.4：重复S4.2和S4.3，直到n＝d时结束循环。

5.根据权利要求1所述的一种强迫风冷机柜的分段式热分析方法，其特征在于：所述S5中，Q(2)计算方法与计算Q(1)的方法相同。

6.根据权利要求1所述的一种强迫风冷机柜的分段式热分析方法，其特征在于：所述S7中，Q(m)即为机柜的最小通风量。

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