CN111698892B - 一种紧凑抑噪风冷系统及其设计方法 - Google Patents

一种紧凑抑噪风冷系统及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紧凑抑噪风冷系统及其设计方法，所述系统包括：送风端，送风端包括：风机、风机外消音网罩和防风沙罩；风机完全包裹在风机外消音网罩内，风机外消音网罩完全包裹在防风沙罩内；防风沙罩设置有通风口，通风口设置有防风沙滤网；分布式出风口，分布式出风口分别布置于各个待冷却设备处；出风口与设备所需换热表面呈0～90°角度放置，与待冷却设备间距0.5mm～25cm，出风口截面平均风速5cm/s～20m/s；分布式出风口通过风管与送风端的风机相连通；出风口设置有消音部件。在紧凑环境下，本发明可保证待冷却设备所需空气流量，并能够有效控制和降低因风机运行产生的噪音；同时可有效降低风沙对整个系统的影响。

Description

一种紧凑抑噪风冷系统及其设计方法
技术领域
本发明属于能源动力中的传热传质技术领域，特别涉及一种紧凑抑噪风冷系统及其设计方法。
背景技术
随着工业设备和电子器件的快速发展，设备元件的功耗和紧凑性要求不断提升，因此，紧凑环境下高热流密度设备的冷却已成为提升设备性能的重要问题。由于条件或使用环境限制，强制风冷方式是众多设备所使用的冷却型式，在紧凑环境下进行设备冷却时，风冷设备(通常为风机)的总体结构需显著缩小，这会降低其同等条件下的送风量；然而，由于待冷却点的热流密度较高，为达到冷却目标，需供给的冷却风量却不能减小，甚至反而要求进一步提升，由此产生了冷却风量供需矛盾。
为解决上述矛盾，当前技术主要依赖于大幅提升风机转速，在风机工作中，空气在风机中流动时产生的空气动力噪音、电动机及设备机壳震动产生的机械噪音、电动机及变压器产生的电磁噪音是其噪声的主要来源——风机转速的大幅提升将使得其上述三种噪声均明显增强；此外，复杂系统中往往包含多个安装在不同位置的待冷却设备，若在这些子设备布置点各自安装冷却风机，必然会在多个位置同时产生分布式高分贝噪音，而紧凑环境下，局限的空间位置又决定了无法在各个风机处布置完善的噪音控制措施，因此更加难以抑制这种分布式的高噪声，这是当前紧凑式高热流密度风冷中的痛点。
进一步地，随着设备功耗的进一步提升，其高热流密度问题更加突出，而在紧凑环境中，比如设备预留给风机的空间的特征长度降低至50mm以内，现有的风机改造方式，包括提高转速、改进叶型的方法，均无法在满足空间尺寸要求的前提下生产达到冷却性能要求的风机。这是限制紧凑换热设备发展的瓶颈。
更进一步地，如设备及风机长期暴露在高沙尘环境中运行，其轴承较易受到风沙侵入，影响其安全性和可靠性，从而带来较大的安全隐患，严重影响设备的正常运行。
综上所述，针对紧凑环境下高热流密度设备的冷却，发明一种尺寸和功能上具有可实现性、并且具有集中控制噪声功能的紧凑抑噪风冷系统，该系统同时还能极大降低风沙带来的安全隐患，这对于军事和工业应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑抑噪风冷系统及其设计方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。在紧凑环境下，本发明可保证待冷却设备所需空气流量，并能够有效控制和降低因风机运行产生的噪音；同时可有效降低风沙对整个系统的影响。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种紧凑抑噪风冷系统，包括：
送风端，所述送风端包括：风机、风机外消音网罩和防风沙罩；所述风机用于提供冷却风；所述风机完全包裹在所述风机外消音网罩内，所述风机外消音网罩完全包裹在所述防风沙罩内；所述防风沙罩设置有通风口，所述通风口设置有防风沙滤网；
分布式出风口，所述分布式出风口分别布置于各个待冷却设备处，用于通出冷却风；出风口与设备所需换热表面呈0～90°角度放置，与待冷却设备间距0.5mm～25cm，出风口截面平均风速5cm/s～20m/s；所述分布式出风口通过风管与所述送风端的风机相连通；出风口设置有消音部件。
本发明的进一步改进在于，所述通风口设置于背对风机进风口的一侧；所述通风口的数量为2个以上。
本发明的进一步改进在于，所述风机外消音网罩的包围体积小于等于风机总体积的1.1倍。
本发明的进一步改进在于，所述防风沙罩的包围体积大于等于风机总体积的1.2倍。
本发明的进一步改进在于，所述风管的外壁包裹有用于保温、防腐蚀、减震的保护层。
本发明的进一步改进在于，所述风管的总长和横截面是以降低空气在所述风管内流动时所受沿程阻力和局部阻力为目标，进行优化设计的。
本发明的进一步改进在于，所述隔音罩设置有进口和出口；所述进口与所述出风口相连接，所述出口设置有出风口外消音网罩；其中，所述出口处于所述出风口的下方。
本发明的进一步改进在于，所述隔音罩的内壁布设有消音棉或消音孔隙。
本发明的进一步改进在于，若所需最大出风口风压Pmax与所需最小出风口风压Pmin的差值大于等于所需最小出风口风压Pmin的15％，则在出风口处布置增压设备；所述增压设备根据出风口风压、空气流量以及出风口尺寸选型。
本发明的一种紧凑抑噪风冷系统的设计方法，所述送风端的设计方法步骤包括：
步骤1，将送风端所供给的各个出风口要求的空气流量求和，得到风机的设计工作风量；将各个出风口最低风压Pmin与各风管中最大风管压降相加得到风机的设计工作风压；基于设计工作风量与设计工作风压确定风机的设计功率；由风机的设计功率为辅助设备电动机选型；
步骤2，根据风机的设计工作风量和设计工作风压，选择风机叶片数目，设计初始叶片型线；
步骤3，基于初始叶片型线，依据流体动力学数值分析，得到叶片旋转一周期内其周围流场变化情况；结合流动参数优化叶片形状，减小噪音；其中，流动参数包括：攻角、雷诺数、马赫数、湍流强度；
步骤4，利用声学数值模拟，计算风机所产生的噪音强度，包括：以风机为中心，向外拓展1.1个风机体积的区域内的噪音强度分布；其中，区域边界完全落在风机之外；
步骤5，设计风机外消音网罩的结构，风机外消音网罩的边界在步骤4所涉及的区域边界以内；增加风机外消音网罩后再次进行声学模拟，观察1.1个风机体积的区域边界处的噪音强度分布，结合降噪需求调整风机外消音网罩结构；
步骤6，通过流体力学数值模拟，保证防风沙罩与风机两者之间的中间面上各点处的气压大于等于大气压强值，基于此确定防风沙罩的尺寸大小、通风口的数量与大小。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提出的紧凑抑噪风冷系统，将各个待冷却设备所需风量累加，由此得到的总风量由一送风端集中产生，再输送至出风口，保证了在紧凑环境中供给各待冷却设备的风量；送风端的布置地点不受待冷却设备处空间位置的局限，因而能够解决因待冷却设备处空间位置过小导致难以设计出满足冷却性能要求的风机的问题。
(2)本发明提出的紧凑抑噪风冷系统，在空间位置局限处的出风口以风管末端送风代替传统方法中直接安装风机的做法，对送风端出风口空间位置大小的敏感度极大降低。
(3)本发明提出的紧凑抑噪风冷系统，在各个待冷却设备所在地点免除了高速旋转的动设备，直接消除了这些待冷却设备所在地点出风口处因风机运行产生的三种噪声；将原本分散的高分贝噪声集中到系统中公共的送风端处，便于统一妥善处理，降低了设备成本、设备复杂度以及后期维护难度；同时还避免了各出风口处囿于空间无法布置噪音控制措施的困扰。
(4)本发明提出的紧凑抑噪风冷系统，利用风管集中送风，有效集风，提高了系统的工作效率。
(5)本发明提出的紧凑抑噪风冷系统，通过对风机加装防风沙罩，有效地降低工业灰尘和风沙对风机的影响；此外，风管末端送风时处于正压状态，使得待冷却设备所在地点的灰尘杂质无法进入风冷系统，可再次降低风沙粉尘对风机和风管的影响。
本发明在工业生产、电子器件冷却、军用领域等方面具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种紧凑抑噪风冷系统的示意图；
图2是本发明实施例中，送风端的结构示意图；
图3是本发明实施例中，出风口的结构示意图；
图4是本发明实施例中，送风端防风沙罩上防风沙通风口示意图；
图1至图4中，
11、风机；12、风机外消音网罩；13、防风沙罩；14、通风口；
21、风管；22、隔音罩；23、出风口外消音网罩。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图4，本发明实施例的一种紧凑抑噪风冷系统，主要包括：送风端、风管以及出风口。本发明实施例的紧凑抑噪风冷系统，空气在其中的流动路径可概述为：空气从送风端出发，流经风管，最后到达出风口，给待冷却设备降温。
本发明实施例中，出风口设置为分布式出风口；所述出风口布置于各个待冷却设备处，用于通出冷却风，位于风管末端，出风口与设备待冷却表面呈0～90°放置，与待冷却设备间距0.5mm～25cm，出风口截面平均风速5cm/s～20m/s。
根据实际需求，风管21在出风口处，布置增压结构或设备提高送风压头。增压结构以微型气泵为主，其尺寸大小必须满足出风口处的尺寸要求。考虑各个待冷却设备换热表面的热流密度及各出风口处环境压强，以达到换热表面上温度控制要求为目的，结合出风口尺寸大小，计算出风口截面平均风速(5cm/s～20m/s)、空气流量以及出风口风压。各出风口处风压必然因各个待冷却设备工作状态(包括换热表面的热流密度及各出风口处环境压强)的不同而有所差异，若所需最大出风口风压Pmax与所需最小出风口风压Pmin的差值大于所需最小出风口风压Pmin的15％，则在相应的出风口处布置如微型气泵的增压设备，微型气泵根据上面计算得到的出风口风压、空气流量以及相应出风口尺寸来选型。
本发明实施例中，出风口处消音部件包括：隔音罩22和出风口外消音网罩23。出风口处除下围外均包裹隔音罩22，隔音罩内壁粘附消音棉，或在内壁上布设消音孔隙，进一步削弱空气流动和出风口处增压设备工作时带来的噪声影响；出风口下围以消音网罩23覆盖；隔音罩的体积由出风口尺寸确定，各面边长最长不超过出风口最大边长的1.5倍，最短不低于出风口最短边长的1.2倍，实际盈余量根据强度计算以及紧固件尺寸确定；再由隔音罩尺寸得到消音网罩面积大小。
本发明实施例中，风管21根据系统内设备布局进行设计，为控制流动中沿程阻力和局部阻力，风管21沿流向由平直等截面管和局部变截面管组成；风管21横截面为圆形、椭圆形、方形。
本发明实施例中，根据场地规划和实用要求确定送风端位置，原则上安排在较空旷或易布置的区域，送风端安置点即为风管的首端；再以各个待冷却设备所在地点作为风管的末端，然后根据风管首尾端之间的距离，综合考虑实用场地和架线难度，以各条风管内流量为限制条件，以风管总长、风管横截面尺寸为优化参数，以减少气流沿程阻力和局部阻力为优化目标，循环迭代，优化风管结构参数与布局；同时，根据实用场景，判断是否需要在空气流动过程中保持空气温度、风管是否易受外界震动和风沙侵蚀破坏，确定是否在风管外包裹保温、减震、防腐蚀的保护层。
本发明实施例中，送风端包括：风机11、风机外包裹的风机外消音网罩12和最外层的防风沙罩13。
本发明的送风端，针对风机叶片进行优化，采用的方法包括但不限于改变叶片数量、优化设计叶片型线、在原光滑叶片上布设微小流动控制结构，用以调控叶片附近、尤其是叶尾端部流场，进而降低空气动力噪音。
本发明实施例中，风机外加装的风机外消音网罩12，完全包裹风机11，但包围体积不超过风机总体积的1.1倍。
本发明实施例中，风机外部加装的防风沙罩13，其包围体积应当不小于风机11原体积的1.2倍。
本发明实施例中，为引入外部空气，保证空气不间断地顺畅流入风机11，在风机11外部加装的防风沙罩13上预留部分通风口14。优选的，通风口14开在背对风机进风口的位置；通风口14上加装防风沙滤网；通风口14数量大于等于2。
本发明实施例中，紧凑抑噪风冷系统送风端的设计步骤如下：
步骤1，将送风端所供给的各个出风口要求的空气流量求和得到风机的设计工作风量，将各个出风口最低风压Pmin与各风管中最大风管压降相加得到风机的设计工作风压，结合设计工作风量与设计工作风压确定风机的设计功率，并由风机的设计功率为辅助设备电动机选型。
步骤2，根据风机的设计工作风量和设计工作风压，选择风机叶片数目，设计初始叶片型线。
步骤3，基于初始叶片型线，依据流体动力学数值分析，得到叶片旋转一周期内其周围流场变化情况——风机工作时产生的空气动力噪音与流动参数如攻角、雷诺数、马赫数、湍流强度密切相关，结合以上参数反复优化叶片形状，以减小噪音。
步骤4，利用声学数值模拟，计算风机所产生的噪音强度——即以风机为中心，向外拓展约1.1个风机体积的区域内的噪音强度分布，该区域边界必须完全落在风机之外。
步骤5，设计消音网罩的结构，消音网罩边界不超过上步所涉及的区域边界，并在增加消音网罩后再次进行声学模拟，观察1.1个风机体积的区域边界处的噪音强度分布，结合降噪需求调整消音网罩结构。
步骤6，通过流体力学数值模拟，确保防风沙罩与风机两者之间的中间面上各点处的气压不低于大气压强值，以此为基础确定外部防风沙罩的大小、通风口14的数量与大小，通风口均开在背对风机进风口的一侧。
在完成初步设计之后，得到各个组件的工作参数、尺寸、结构，再以此为基础，通过数值模拟，并结合成本分析，调整风机叶片、消音网罩及防风沙罩的结构，在满足降噪和防风沙需要的前提下，尽量降低制造成本。在优化组件结构过程中，需要反复进行前述设计步骤，引入参数化建模来减少工作量。
针对现有的问题，本发明提出的紧凑抑噪风冷系统给出的解决方案具有如下优势：
(1)本发明提出的一种紧凑抑噪风冷系统，通过一公共送风端为各个待冷却设备供给冷却风，送风端的布置地点不受待冷却设备处空间位置的局限，因而能够在满足送风量的同时解决传统方案中因待冷却设备处空间位置过小导致难以找到满足冷却性能要求的风机的问题。
(2)本发明提出的一种紧凑抑噪风冷系统，在空间位置局限处的出风口以风管末端送风代替传统方法中直接安装风机的做法，对送风端出风口空间位置大小的适应度极大提升。
(3)本发明提出的一种紧凑抑噪风冷系统，在各个待冷却设备所在地点免除了高速旋转的动设备，直接消除了这些待冷却设备所在地点出风口处因风机运行产生的三种噪声；将原本分散的高分贝噪声集中到系统中公共的送风端处，便于统一处理，降低了设备成本、设备复杂度以及后期维护难度；同时还避免了各出风口处囿于空间无法布置噪音控制措施的困扰。
(4)本发明提出的一种紧凑抑噪风冷系统，通过对风机加装防风沙罩，有效地降低工业灰尘和风沙对风机的影响；此外，风管末端以正压送风，使得待冷却设备所在地点的灰尘杂质无法进入风冷系统，可再次降低风沙粉尘对风机和风管的影响。
本发明在工业生产、电子器件冷却、军用领域等方面具有良好的应用前景。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种紧凑抑噪风冷系统，其特征在于，包括：
送风端，所述送风端包括：风机(11)、风机外消音网罩(12)和防风沙罩(13)；所述风机(11)用于提供冷却风；所述风机(11)完全包裹在所述风机外消音网罩(12)内，所述风机外消音网罩(12)完全包裹在所述防风沙罩(13)内；所述防风沙罩(13)设置有通风口(14)，所述通风口(14)设置有防风沙滤网；
分布式出风口，所述分布式出风口分别布置于各个待冷却设备处，用于通出冷却风；出风口与设备所需换热表面呈0～90°角度放置，与待冷却设备间距0.5mm～25cm，出风口截面平均风速5cm/s～20m/s；所述分布式出风口通过风管(21)与所述送风端的风机(11)相连通；出风口设置有消音部件；
所述通风口(14)设置于背对风机进风口的一侧；所述通风口(14)的数量为2个以上；
所述风管(21)的总长和横截面是以降低空气在所述风管(21)内流动时所受沿程阻力和局部阻力为目标，进行优化设计的；
若所需最大出风口风压Pmax与所需最小出风口风压Pmin的差值大于等于所需最小出风口风压Pmin的15％，则在出风口处布置增压设备；所述增压设备根据出风口风压、空气流量以及出风口尺寸选型；
所述消音部件包括：隔音罩(22)和出风口外消音网罩(23)；所述隔音罩(22)设置有进口和出口；所述进口与所述出风口相连接，所述出口设置有出风口外消音网罩(23)；其中，所述出口处于所述出风口的下方；隔音罩(22)内壁粘附消音棉或在内壁上布设消音孔隙；出风口外消音网罩(23)的尺寸由所述出口尺寸确定，各面边长最长小于等于所述出口最大边长的1.5倍，最短大于等于所述出口最短边长的1.2倍。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑抑噪风冷系统，其特征在于，所述风机外消音网罩(12)的包围体积小于等于风机总体积的1.1倍。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑抑噪风冷系统，其特征在于，所述防风沙罩(13)的包围体积大于等于风机总体积的1.2倍。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑抑噪风冷系统，其特征在于，所述风管(21)的外壁包裹有用于保温、防腐蚀、减震的保护层。
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