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动力,因我们而不同*

为冷板应用确定热交换器规格

计算热交换器的热阻

图 1:展示了一个典型的液冷回路,由液冷板 (LCP)、泵和 热交换器 (HEX) 组成,通过软管或硬管连接。由于这些部件共同组成一套系统,必须协同选型,才能保证部件规格适合您的应用。制造商通常会分别提供冷板和热交换器的性能数据,冷板以热阻表示性能,热交换器以热容量表示性能。
Eaton liquid cooling loop
那么如何为整套系统选择最优的热交换器和冷板? 实际比想象的要简单,因为用于确定合适的冷板和热交换器组合的公式可以简化为一个非常简单的形式:
Eaton system cooling formula
要得出该公式,第一步是计算冷板热阻 θCP,等于所需最高表面温度 TS,MAX 减去出液温度 TH,再除以均匀分布在冷板整个表面的热负载 Q:
Eaton system cooling resistance formula
同理,热交换器热容 CHX 等于热负载 Q 除以两股进液流体之间的温差 (TH - TAIR),计算公式如下:
Eaton heat exchanger cooling formula
热容同时等于热阻的倒数:
Eaton thermal capacity heat formula
假设泵不产生额外热量,冷板和热交换器之间的连接软管或硬管也没有热量损耗(因为这类损耗通常很小),公式 (2)、(3)和(4) 可以合并为一个简单公式:
Eaton system thermal resistance formula

高温工艺流体温度被消去,公式不再包含流体温度 TH,因此无需计算液体的流量和热容。我们只需关注冷板所需的表面温度,以及冷却热交换器的环境空气温度,而性能完全由冷板和热交换器的热阻决定。因此,无需再对系统各个部件单独进行分析。相反,只需确定整个系统的热阻。请注意,流量带来的影响并未从结果中排除,因为该值已经包含在热阻数值中。

一位客户希望使用 CP12 12″ (30.48 cm) 冷板(板侧),移除一台 12″x5″ (30.48 cm x 12.70 cm) 的电子器件上的 1200 W 热量。冷却液为 1 gpm (3.785 LPM) 的水,环境温度为 20°C。客户希望使用最小的热交换器,移除该器件产生的 1200 W 热量,同时将表面温度维持在 80°C 以下。

第 1 步:

首先确定系统热阻 θSYSTEM:

Eaton liquid cooling resistance example

第 2 步:

任何热阻小于或等于系统总热阻要求的冷板和热交换器组合都可以采用。即:

Eaton liquid cold plate heat calculation

第 3 步:

表 1 给出 CP12 冷板以及两种不同热交换器/风扇组合的热阻和流量:

流量 (gpm)θCP (CP12) (°C/W)θHX(6110 搭配 Kona 风扇)(°C/W)θHX(6210 搭配 Marin 风扇)(°C/W)
0.50.0130.0490.019
10.0090.0460.017
1.50.0070.0440.016
1.50.0070.0440.016
20.0060.0420.016

表 1 显示,流量为 2 gpm 时,CP12/6110 组合满足 0.050 °C/W 的条件 (0.006 +0.042 = 0.048)。

从系统整体来看,可以看出各部件之间的取舍关系,包括流量对于热交换器选型的影响。低流量条件下,冷板的热阻增加。这时就需要更大规格的热交换器,提供更高热容,从而降低热阻。在更高的流量条件下,可以使用较小的热交换器。

液-气交换器和冷板通常在流体回路中组合使用,掌握这些部件的协同选型方法,对优化系统性能十分重要。只要参数准确,再配合这套简化公式,液冷回路部件选型就会变得直截了当。除此之外,热管理部件尽量选用同一供应商的产品,部件经过统一测试标准验证,整套系统匹配度更好。

机柜散热参数计算

如何计算机柜或机箱所需的热阻

热交换器制造商通常以热负载、进风流量和进水流量作为变量,表示热性能数据。这种方式适合使用空气冷却水的热交换器应用,只需代入热负载、空气温度和冷却液温度,即可判断性能是否达标。
Eaton mass flow rate calculation

机柜冷却应用中的热交换器则采用相反的配置:冷水流经冷却液回路,机柜排出的热风在流经热交换器翅片时被冷却。在机柜冷却应用中,通常需要了解进入机柜的空气温度,以及机柜内空气将达到的最高温度。这两项数据都无法直接从热交换器性能曲线上读取。

计算空气温度变化的常用方法是采用质量流量计算。

这种方法耗时且容易出错。

为避免进行这些计算,伊顿专门开发了曲线图,可快速估算不同热负载下常用传热介质的温升。可提供空气、水、油以及 30/70 乙二醇-水 (EGW) 的曲线图。计算温度变化时,只需选择相应的曲线图,查找流量和热负载,然后读取温度变化值。

结合产品性能曲线,就可以快速简便地计算进入机柜的冷风温度,以及机柜内部的最高空气温度。

机柜冷却计算示例

Eaton heat exchanger graph

您正在评估一款配备 Ostro 风扇的 6310 热交换器是否适合用于冷却电子机柜。热交换器的进水温度为 20°C,流量为 1 gpm。热负载 Q 为 2400W。

进入机柜的冷却空气温度是多少(即离开热交换器的空气温度)?机柜内的最高温度是多少(即进入热交换器的热空气温度)?

先查看产品目录中 6310 的性能曲线。查得,在水流量为 1 gpm 且 Ostro 风扇风量约为 250 cfm 的条件下,性能参数为 80W/°C。

由于已知 Q 为 2400W,Q/ITD 为 80°C/W,可以计算初始温差 (ITD)。

ITD = 2400W ÷ 80°C/W = 30°C

已知进水温度为 20°C,由此计算进风温度:

进风温度 = 20°C + 30°C = 50°C。

我们使用“空气流量”曲线图来确定出风温度,参数为 250 CFM 和 2400 W。

查得温度变化约为 17°C。出风温度为 50°C – 17°C = 33°C。

由此可知,这款配备 Ostro 风扇的热交换器可将空气冷却至 33°C,机柜内空气将达到的最高温度为 50°C。

Eaton air flow rate
我们使用“水流量”曲线图来确定出水温度。
Eaton water flow rate
图表显示,在 1 gpm 和 2400 W 条件下,温度变化约为 9°C。因此,出水温度为 20°C + 9°C = 29°C。