1、LOGO热设计一百例热设计一百例例例2 行波管阵的冷却设计与计算行波管阵的冷却设计与计算1、技术参数要求 某行波管阵的功耗为 ，工作环境温度为 ，拟用冷板加液气热交换器进行水冷，冷板温度应低于 。2、设计与计算 冷却系统组成如图2-1所示。采用封闭式循环液体冷却，行波管分三组安装在三块冷板上，行波管产生的热量传导给冷板，再由冷板将热量传给强迫对流的冷却液。280 328.96kw40+50oC95oC例例2 行波管阵的冷却设计与计算行波管阵的冷却设计与计算图2-1 冷却系统图热电偶布置说明：1.水箱温度2.冷板进水管口温度37.冷板上靠近行波管收集极处温度8.冷板出水管口温度9.出口水温10.
2、热交换器进风温度11.热交换器进风温度12.热交换器出风温度13.热交换器出风温度例例2 行波管阵的冷却设计与计算行波管阵的冷却设计与计算 水的定性温度：其物理参数为：导热系数：密度：运动粘度：设体积流量：质量流量:（1）热交换器压力损失（热交换器管内径 )流速 75oftC4193/.opCJkg C0.666/.okw m C3974.7/kgm620.385 10/vms3320/min0.333 10/vqLms0.325/.mqkgs8.8dmm1P3120.333 101.83/3 0.25 3.14vqvm sd例例2 行波管阵的冷却设计与计算行波管阵的冷却设计与计算压力损失其中
3、:(沿程阻力系数)1；L为管道总长。（2）管路压力损失 其中：（冷却管路内径）3161.838.810Re418280.38510v dvP221(/)()0.025(14.67/0.0088)(0.5 974.7 1.83)680192vPf L dPa0.025f 2P222/(0.253.14)1.31/vVqdms218dmm322261.31 1810Re612460.38510v dv例例2 行波管阵的冷却设计与计算行波管阵的冷却设计与计算 压力损失：（3）冷板压力损失 流速：雷诺数：压力损失：总压力损失：根据所选泵（20CQ-12）的特性曲线，可见流量的假设是对的。2222221
4、0(/)()0.027()(0.5 974.7 1.31)5018020.018vPf LdPa63/(29 1.5 16 10)0.48/vVqm s33260.48 2.74 10Re34160.385 10ev dv2233(/)()0.02(1.5/0.00274)(0.5 974.7 0.487)12292evPf L dPa123119428PPPPPa 例例2 行波管阵的冷却设计与计算行波管阵的冷却设计与计算（4）流体温差与温度 a.冷板两端流体温升 b.冷板两端流体取决于热交换器的两端温度 热交换器管内换热系数 空气侧换热系数（生产厂家给出的数据）。189606.584193
5、0.325om mtCC q 0.80.33210.023RePr15211552/.oNukhNuw mCd221252/.,19.27,0.896ohw mC B例例2 行波管阵的冷却设计与计算行波管阵的冷却设计与计算总传热系数 对数平均温差 空气温差温度211 2 21818/.11okw m ChBh3896098188.8 1044omtCKA 32/0.34 1.3 20.8/0.8 10.8/vmvVm sqAVmsqqkg s 2896011.11009 0.8opmtCC q例例2 行波管阵的冷却设计与计算行波管阵的冷却设计与计算(5)冷板温度 a.冷板换热系数 b.肋片效率
6、 c.每只行波管的散热面积 4h0.80.33240.023RePr20.585002/oNukhNuw mCd433322 5002263.60.8 10180(263.6 16 10)0.237263.6 16 10hmkthmlthml62(16 1.5 16)30 58 100.0583Am例例2 行波管阵的冷却设计与计算行波管阵的冷却设计与计算d.冷板与水的温度e.冷板传热温度f.冷板表面温度 满足散热要求442804.055002 0.0583 0.237oItCh A356280 8 103.14180 30 132 10oItCkA 4567.84 4.05 3.147595o
7、oswittttCC 例例2 行波管阵的冷却设计与计算行波管阵的冷却设计与计算3、实测结果 对图2-1所示各测试点先后共进行了20次测试，测试装置如图2-2所示。各点的平均温度列于表2-1 表2-1 各点测试结果 单位 123456726.2936.6450.8351.5348.7152.4545.53891011121344.5437.0018.8419.1429.1429.25oC例例2 行波管阵的冷却设计与计算行波管阵的冷却设计与计算4、结论：经计算与试验，次设计满足技术要求，可供行波管冷板冷却设计参考。HP3852数据采集器计算机打印机热电偶图2-2 温度测试系统例例3 重力热管散热器
8、设计重力热管散热器设计1、技术要求与设计参数 要求设计一个功率为40-120瓦的重力热管散热器。重力热管散热器是一种内部装有工作液的真空密封墙体，分为蒸发段和冷凝段两部分。图3-1是结构原理图，图3-2是传热原理框图。该散热器的工作原理简述如下，行波管收集极部分的地板与重力热管散热器的蒸发段紧密接触，行波管的耗散热量传导至底板，通过接触面传至蒸发端表面，使蒸发端内部的工作液被加热升温到达真空状态下的沸点温度，而发生沸腾相变吸热。蒸气携带大量汽化潜热流向散热器冷凝端，冷凝端由于空气的冷却作用，使蒸汽在吸液芯凝结为液体，产生相变放出汽化潜热。例例3 重力热管散热器设计重力热管散热器设计图3-1 重
9、力热管散热器结构原理图图3-2 散热器传热原理框图例例3 重力热管散热器设计重力热管散热器设计2、设计与计算 （1）确定热管的工作温度。根据行波管底板最高允许温度计算热管发热端的工作温度。式中：散热器蒸发端表面温度；行波管底板最高允许温度；行波管的热耗散功率；行波管底板与散热器蒸发端表面的接触热阻。（2）选择热管散热器的材料和工作液。壳体材料的选择要综合考虑导热率高，加工工艺性好，与工作液相容等因素。工作液的选择要求汽化潜热大、沸点、冰点温度能满足工作温度范围，饱和蒸汽压力适中等。maxwccTTRwTmaxcTcR例例3 重力热管散热器设计重力热管散热器设计 （3）确定热管蒸发端内腔的传热面
10、积。首先求出沸腾传热时的热流密度 ，可由下式得出.式中：热流密度；蒸发端内壁温度；蒸发端内腔工作液温度；汽化潜热；普朗特数；工作液的液、汽两相密度；动力粘度和表面张力；比热；修正系数；0.331.71()()PIwswlrvCTTCLPLgwTsTLrP1,v,PICwlC例例3 重力热管散热器设计重力热管散热器设计 在根据传热功率 求出所需传热面积 。（4）确定冷凝端内腔的传热面积。冷凝端内腔需要的传热面积由下式计算，式中：面积；传热功率；蒸汽温度；冷凝端内壁温度；冷凝传热系数 。AA()swAh TTAsTwTh231(1.13)()llswgk LhA TT例例3 重力热管散热器设计重力
11、热管散热器设计 （5）选择冷却风机。风机的选择要根据冷却空气的流量，以及风机的流量、压力特性曲线。散热量对空气的质量流量要求为：式中：冷却空气的流量；散热功率；比热；空气的进，出口温度。()mpoutinqCttmqpC,outintt例例3 重力热管散热器设计重力热管散热器设计 （6）确定冷凝端外部散热面积。根据冷却空气在散热片通道内的流动状态，求出对流换热系数，其散热面积为：式中：散热总面积；传热功率；冷凝端壁温；冷却空气进出口平均温度；对流换热系数.()fwfAh TTfAwTfTh2/31/32/30.140.116(Re125)Pr1()()fegfegwkDhDL例例3 重力热管散
12、热器设计重力热管散热器设计 （7）散热器的热分析。采用热阻网络法进行分析，图3-3是该散热器的热阻网络图。各热阻的计算如下：图3-3 热阻网路图 a.是行波管底板与散热器蒸发端表面的安装接触热阻 式中:接触传热系数；接触面积。Rc3113.7 10/oRcC WKcAcKcAc例例3 重力热管散热器设计重力热管散热器设计 b.是蒸发端表面到内壁的导热热阻 式中：蒸发端壁厚；传热方向截面积；材料的导热系数。c.是蒸发端内壁到工作液液面见的导热热阻。式中：传热功率；蒸发端内壁温度；工作液的饱和温度。wR30.4 10/owwRC WkAwAk1R318.4 10/owsttRC Wwtst0.33
13、1.711Pr7.5()owlwsplvC LttCCLg例例3 重力热管散热器设计重力热管散热器设计 d.是工作液蒸发,冷凝相变热阻及蒸汽流动中的传 输热阻,其量值很小,可以忽略。e.是蒸汽到冷凝端内壁的传热热阻 式中：冷凝端内壁换热面积；冷凝端换热系数。456,R R R1R31110.4 10/oRC WhA1Ah231114ln1.13()1/43226300/.gLkLohew mC例例3 重力热管散热器设计重力热管散热器设计 f.是冷凝端内壁到外壁的导热热阻 式中：冷凝端壁厚；传热方向截面积。g.是冷凝端散热片与冷却空气见的散热热阻 式中：散热总面积；对流换热系数。wR30.1 1
14、0/owwRC WkAwAfR3134.6 10/offRC WhAfAh2/31/32/30.1420.116(Re125)Pr1()()66.1/.fegfoegwkDhw mCDL例例3 重力热管散热器设计重力热管散热器设计2.测试结果（1）散热器功率为100瓦时，散热器在各种环境温度下的热特性如表3-1所示。（2）在各种散热功率下，散热器的温度分布。（如图3-4所示）环境温度-40-200+26+44+54蒸发端表面温度 21123556776冷凝端表面温度-23519476170蒸发端到冷凝端间的温差 2564866蒸发端到环境的温差 383123292322oC表3-1 散热器热特
15、性 单位例例3 重力热管散热器设计重力热管散热器设计图3-4 散热器温度分布4、结论：次散热器经过程应用与测试，完全满足要求，可供行波管散热器件设计应用。例例4 行波管冷板设计计算行波管冷板设计计算1、技术参数与设计要求 采用行波管（TWT）的发射机总功耗为 （行波管 600W，电源400W）行波管的底板温度不得超过 。其冷却系统采用逆升压空气涡轮，通过冲压空气膨胀做功，使空气压力和温度降低，变成低温低压冷却空气进入电子设备进行冷却，而电子设备则采用冷板（要求冷板进风口温度低于 ，出风口温度低于 ，空气流量不大于 ）将其热量传至冷风，达到散热目的。发射机两个TWT和电源分别安装在冷板两侧，如图
16、4-1所示，冷板肋排采用平直形，如图4-2所示。在行波管收集极一端，采用较密的平直形肋片，尺寸为 其余部分为较疏的平直形肋片 。1Kw85oC35oC60oC300/kg h1(9.50.22.0)lhm mm mm m 1(9.50.24.2)lhmmmmmm例例4 行波管冷板设计计算行波管冷板设计计算图4-1 发射机元件安装示意图图4-2 冷板结构例例4 行波管冷板设计计算行波管冷板设计计算2、设计与计算 由于热量主要集中在TWT的收集极一端，设计计算主要以这一端肋片为研究对象。冷板的换热计算可用传热方程和热平衡方程式中：对流换热系数 冷板总效率；参与对流换热的面积 对数平均温差 空气流量
17、 空气比热容021()mmphA tq Ctt h2/oWmC0A2mmtoCmq/kg spC/oJ kgC例例4 行波管冷板设计计算行波管冷板设计计算两种肋片参数：查表，得当量直径分别为：收集极段 ；其余部分 单位面积的传热面积为 单位宽度的通道截面积为：空气流量 由技术条件得 校核计算（1）冷板的体积（2）肋片材料导热系数（3）冷板横截面积 13.02edmm25.59edmm22221111.10/;6.33/abAmmAmm322322228.37 10/;8.80 10/abAmm Amm320/mqkg h343(5 9.5 1 9.5 5)100.2 0.15 9 10()Va
18、bcm 1192/.oAkWm C320.03 0.26 10frAm例例4 行波管冷板设计计算行波管冷板设计计算（4）冷板通道横截面积（5）总换热面积（6）空气质量流量 空气流速 （7）定性温度 由平衡方程得，冷板出口风温 ，（取 ）（8）换热系数（）式中：考尔本数，根据肋片的结构形式查得，单位面积质量流量，13222 0.18 8.37 10cAb Am212 0.18 0.15 11.10.6Ab H Am320/0.089/mqkg hkg s25.5/vm s246.2otC85ostC12262.84osfttttC62.8oftC2/3PrphJGCJG33.5 10J2/kg
19、s m例例4 行波管冷板设计计算行波管冷板设计计算 普朗特常数，查表得（9）肋片效率 肋片效率 （10）传热单元数（11）冷板表面温度 PrPr0.6962363/0.089/0.003229.6/Re/3.02 1029.6/(10.424 10)8.6 10mceGqAkg s md G11(1)/0.8ofAA 10.82124.5 0.84 0.60.740.089 1005omphANTUq C0.7210.746355711 85NTUosntuossettetCeettC例例4 行波管冷板设计计算行波管冷板设计计算（12）压力损失式中：空气入口时的密度，查表得 ；空气出口时的密度
20、，查表得 ；空气的平均密度，；通道截面与冷板截面之比，；空气入口时的损失系数，；空气出口时的损失系数，；摩擦系数，查图6得得3、结论：通过计算证明，本设计方案能够满足发射机散热要求。22111122(1)2(1)()()(1)2cecmGAPKfKA 1311.132/kg m2321.029/kg mm31.081/mkg m/0.5cjrAAcK1.1cK eK0.5eK f(Re)ff0.01f 30.715 10PPa例例7 行波管放大器的热设计行波管放大器的热设计1、技术参数与要求 行波管放大器所选行波管型号为A600-200,其发射功率为200W，热耗功率为1600W，要求冷板安装
21、面收集极处的最高温度不大于+85。（1）在环境温度为-55时，行波管放大器要求连续工作30分钟；（2）在常压状态下，环境温度为+60，机器要求连续工作30分钟；（3）在12200m高空低气压状态，环境温度为+30时，机器要求连续工作10分钟；（4）常温时，机器能够持续工作。根据实际使用情况，冷板上安装面收集极处的最高温度选取【】+92。st例例7 行波管放大器的热设计行波管放大器的热设计 1、设计计算 系统要求的工作温度范围为-55+60，根据实际装机要求，该冷却系统决定选用油冷系统。该冷却系统主要由三部分组成：功率放大器（冷板和行波管放大器）、换热器和冷却油泵（油箱和油泵）。其工作原理是：低
22、温液体通过冷却油泵出来，形成一定压力和流量，由冷板入口进入冷板，热量由行波管传导至冷板，然后在传至低温液体，低温液体吸收热量后，变为高温液体，再由冷板出口流出，进入换热器，通过换热器与低温空气进行热交换，变为低温液体，又流回冷却油泵，热量由空气带走。冷却系统工作原理如图71所示。这里主要为收集极处的冷板进行设计计算。例例7 行波管放大器的热设计行波管放大器的热设计图7-1 工作原理示意图例例7 行波管放大器的热设计行波管放大器的热设计（1）冷板的设计计算 假设冷板上温度分布为恒温壁。冷板入口温度 ，冷板出口温度 收集极（124mm90mm）处冷板温度【】+92 根据经验，取 =81 而通常 1
23、0，此处取 =4，则 =77 根据热量平衡方程 则 在此设计计算中，主要对收集极进行设计计算。选定肋片形式为矩形锯齿型翅片，翅片型号：9.50.21.71t2tst2t2t1t2t1t1t21()mpqCtt 2116000.2596/934/()1541(81 77)mpqKg sKg hCtt例例7 行波管放大器的热设计行波管放大器的热设计外形尺寸：LW=226mm120mm换热面积：A=0.3446m2二次传热面占总传热面得比例：通道面积：假设流速一致，则流速单位面积质量流量：普朗特常数：雷诺数：20.861AA429.85 10Cx y WAmp0.282/vm s2263.6/GKg
24、 s m95.4pRCPk72.7eedGR例例7 行波管放大器的热设计行波管放大器的热设计换热系数：翅片定性尺寸：总效率：传热单元数：冷板表面温度：压力损失：设计满足要求。222330.038 1541 263.6 95.4739/prJ CG PWmC39.5 10lm196.21/mm11.86m 201(1)0.58fAA 739 0.58 0.34660.370.2596 1541mphANTUqC 0.37210.3781 77909211NTUsNTUettetCCee22111122222(1)2(1)()()(1)()2263.6935935935(0.98 1 0.864)
25、2(1)0.27 350(1 0.864(0.72)()2 935930932.59303526CCCaGAPKfKAP 例例7 行波管放大器的热设计行波管放大器的热设计3、测试内容与结论（1）常温常压状态下，机器要求能够持续工作；（2）在常压状态下，机器要求能够持续工作30分钟；（3）在常压状态下，机器要求能够持续工作30分钟；（4）在12200m高空低气压状态，机器要求能够持续工作10分钟；（5）在 的温度范围，机器都能够按要求正常工作；（6）在所有的测试过程中，折算出的冷板上最高温度始终不大于 ，与设计计算吻合得很好；（7）冷却系统的散热功率不低于1600W。4、结论：该油冷系统的主要热
26、性能指标完全达到要求。55tC 环60tC 环30tC 环5560CC92 C例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计1、技术参数与要求 2公分YIG磁调振荡器的冷却技术指标：耗散功率：6瓦，体效应管的发热功率密度：311W/cm2,体效应管的允许最高壳温：100，体效应管的内热阻：15/W，工作环境温度：-55+50，冷却方式：风冷，热管工作位置：水平倾斜角约为15。2、设计计算 根据2公分YIG磁调振荡器的具体结构，决定采用一种既是振荡器的心脏腔体头，又是采用毛细结构的水平轴向的热管散热器结构，该热管的综合组成部件称为腔头热管散热器，如图81所示。由图可见，热管 受热端是M2的螺纹孔，
27、它与体效应管的管脚M2的螺纹相配合而受热。腔头上直径为5.5毫米 例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计图8-1 腔头热管散热器简图 的圆柱端面上安放有YIG小球。腔头热管冷端部分的外径为6毫米，内径为4毫米。热管总长为162毫米，内径长120毫米。热管内部的毛细结构为150目的铜网，工作液为乙醇。例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计 （1）热计算3 根据振荡器冷却要求及腔头热管的尺寸来进行热分析 计算。先求出体效应管道热管加热端得导热热阻和接触热 阻所引起的温度降和热管散热面积，从而计算出散热片数 和确定冷却方式。M2螺钉在腔头处的导热热阻 式中：铜的导热系数，为 ；M2螺钉的
28、横截面积；螺钉伸进腔头小端内的长度。1R14.74(/)RC Wk A3.83(/)oW cmCkA例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计 腔头圆端面到距热管加热端面5毫米处的导热热阻 M2螺钉与杆的接触热阻 式中：铜材带螺纹的接触热阻率，取 接触面积，计算为A=0.107cm2。总热阻 温降 计算：即体效应管到热管加热端导热热阻和接触热阻所引起的温度降。3R20.55(/)RC Wk A2R31.7(/)sRRC WA3RA1236.99(/)RRRRC WR20.18(/);ocmC Wt例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计 当传输3瓦功率时：式中：传输功率。当传输6瓦功率时
29、：2、热管散热器散热面积和散热片的计算：计算环境温度为50热管带出3瓦功率时的散热片数n：已知条件和选取的参数：环境温度 2T7管壳额定温度 热管散热器平均温度 ：3 6.9921tP RC 6 6.9942tP RC P50ctC100TC壳st1002179stTtC 壳例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计 取：散热片直径D=30mm，肋间距b4mm，黑度 （喷黑漆时）。根据已知条件，先求肋间空气温度 ，确定流体状态，求对流换热系数h，辐射换热系数 ，然后计算出散热面积F和散热片数n。过程如下：a.求肋间的空气温度 式中：；查表得 由 ，查表得0.96ictrhict1144479
30、50()()0.294 4()1.16630scmttA tbD 40.294A 1()64.52nsctttC1.166()0.5464L()()79(7950)0.546463.1544icsscttttLC例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计 b.流体状态的确定 因为：所以：我们设计的热管式按1/4次方律换热的。c.对流换热系数的计算：式中：根据 查表得:d.辐射换热系数的计算：3840()scttD38407950()21952D1242()6.189(/)sicctthAWmCD0.5()0.5(9050)64.5omcttCst64.5omtC21.291A 2(;)2.2
31、19(/)orchftWmCst 例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计式中：；由 ，查表可得 e.求允许的散热面积A(;)b Ddd4300.67;566bDdd(0.67;5)0.252(;)(79;50)8.871(/)scf t tfWmC2()()36.189(7963.1544)2.129(7950)0.01877()csicrscAh tth ttm例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计 f.求所需的散热片数n 式中：考虑到热管管芯所占的面积及安全系数，n取18片。同理可计算环境温度为20、50时，热管带出6瓦时的散热 面积和散热片数分别为0.0228m2，16片和0
32、.196m2,138片。10.0187713.28(0.0014137AnA片）22210.033.140.0014137(43DAm）例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计3、强迫风冷计算 选定条件：振荡器的散热肋片参数：D=0.03m，肋间距b=4mm，总面积A=0.01877236m2，允许的热管散热器的温度 ，环境温度 。求：耗散6瓦功率所需的风速。求换热系数 ：求努谢尔特数式中：k50时空气的导热系数，取 50ctC58stC2639.95235549(/)0.1877236(5850)()schWmCAtthuN0.6239.95235549 0.030.313Re42.35
33、22.83 10ufh DNk22.83 10(/)kWmC例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计 求风速 式中 在50时空气的运动粘度 上式取 用苏州生产的DYJ12-4型风机在距风机30厘米处的风 速为2.5米/秒。4、测试结果 在各种条件下对腔头热管散热器和原结构散热器进行了对比试验，2T7管子的加电参数为U=8V，I=750mA，测试结果列于表8-1至表8-4。6Re3566.6 17.95 102.13385(/)0.03ffm sD6217.95 10(/)fmsf例例8 腔头热管散热器设计腔头热管散热器设计表8-1 环境温度为10，自然散热表8-2 环境温度为42，自然散热
34、 结果数据散热器种类2T7管最大壳温 壳温与环境温度的温差 原结构散热器 10494热管散热器 5545max()TC()t C 结果数据散热器种类2T7管最大壳温 壳温与环境温度的温差 原结构散热器 145.5103.5热管散热器10564max()TC()t C 结果数据散热器种类2T7管最大壳温 壳温与环境温度的温差 原结构散热器 115.572.5热管散热器8239 结果数据散热器种类环境温度2T7管最大壳温壳温与环境温度的温差 原结构散热器 4010767热管散热器407838热管散热器5082.532.5表8-3 环境温度为43，强迫风冷表8-4 高温，强迫风冷max()TC()t Cmax()TC()t C()cTC5、结论：热管散热器的散热效果比普通散热器要高出一倍以 上，此设计师成功的，其方法可供类似散热器设计计算使用
