基于ICEPAK的某型方艙散熱分析

王曉峰 劉琦 張秋冬

摘 要 本文針對方艙的散熱問題展開分析，以某型方艙為例，對其內(nèi)部的熱量分布情況進(jìn)行了計算，并根據(jù)計算結(jié)果對方艙進(jìn)行了熱設(shè)計和熱仿真，仿真結(jié)果表明方艙內(nèi)空調(diào)選型正確，可滿足使用要求。

【關(guān)鍵詞】方艙 icepak 熱分析

方艙以其具有較強(qiáng)機(jī)動性和環(huán)境適應(yīng)性而受到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，方艙正在向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。方艙可以根據(jù)不同的工作要求裝載適宜運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備和相關(guān)操作人員，形成一套可以移動的系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，方艙內(nèi)部需為設(shè)備和人員提供良好的工作環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計55%的電子設(shè)備失效是由溫度過高引起的。隨著溫度的升高，元器件失效率呈指數(shù)增長。因此，對方艙內(nèi)部進(jìn)行熱分析具有重要意義。

1 方艙布局

本次分析的方艙由中間隔斷分割為兩部分，前部為設(shè)備艙，后部為工作艙。

如圖1所示，設(shè)備艙主要放置三臺機(jī)柜、一扇門和空調(diào)出入風(fēng)口。工作艙主要放置一張會議桌、三把會議椅、兩把車壁折疊椅和四扇窗戶。整個艙頂部設(shè)置風(fēng)道。隔斷高度低于空調(diào)風(fēng)道高度，方便空調(diào)回風(fēng)。

2 方艙熱功率

本次分析的方艙內(nèi)的主要發(fā)熱元件集中在3臺機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜1、機(jī)柜2、機(jī)柜3的功率如表1、表2、表3所示，設(shè)備的功耗約有30%能量轉(zhuǎn)化為熱能。

3 散熱設(shè)計

3.1 環(huán)境參數(shù)

本次分析的方艙需保證在環(huán)境溫度為40℃的情況下，30min內(nèi)應(yīng)將車內(nèi)溫度降低到不高于30℃。

3.2 熱源分析

本次分析的方艙熱源主要集中在設(shè)備艙中，安裝在機(jī)柜上的系統(tǒng)電子設(shè)備耗散出很大的熱量，特別是高頻設(shè)備，散熱量集中。另外，當(dāng)方艙野外露天使用時，在太陽輻射下，方艙表面溫度升高，雖然艙壁內(nèi)有斷熱橋和隔熱材料，但是長時間照射后還是會使艙內(nèi)溫度升高，惡化工作環(huán)境。

3.3 空調(diào)降溫能力

采用空調(diào)制冷降溫是目前降溫的唯一選擇，因此空調(diào)的降溫能力是整車能否達(dá)到高溫環(huán)境要求的關(guān)鍵，按照要求在環(huán)境溫度為40℃的情況下，30min內(nèi)應(yīng)將車內(nèi)溫度降低到不高于30℃，下面根據(jù)這一要求就本車測試艙降溫能力進(jìn)行估算。

方艙熱傳導(dǎo)所需的耗冷量：

P1=K·S（T1-T2）=2×76.98×（40-30）=1539.6（W）

式中：

方艙熱傳導(dǎo)系數(shù)：K=2W/m2·℃；

方艙表面積：S=76.98m2；

環(huán)境溫度：T1=40℃；

車內(nèi)需降到的溫度：T2=30℃。

方艙內(nèi)電子設(shè)備的散熱量：

方艙內(nèi)電子設(shè)備包括各種電子設(shè)備、計算機(jī)等，其散出的熱量可按下式計算：

P2=n1×n2×n3×n4×N

式中：

N——各電子設(shè)備最大輸入功率總和，取N=3430W；

n1——安裝系數(shù)（設(shè)計功率與安裝功率之比），設(shè)為0.8；

n2——負(fù)荷系數(shù)（平均功率與設(shè)計功率之比），設(shè)為0.7；

n3——同時使用系數(shù)，一般取0.7；

n4——蓄熱系數(shù)，一般取0.8。

則P2=0.8×0.7×0.7×0.8×3430≈1075（W）。

方艙內(nèi)工作人員人體散熱量P3=n.q=5×145=725（W）；

式中：

n為工作廂內(nèi)工作人員的數(shù)量；

q為單個人的散熱量（夏季），取為145W/人；

預(yù)冷設(shè)備及材料消耗的熱功率P4=300（W）：

方艙內(nèi)空氣耗冷量P5=CP·ρ·V·△T/Zt=（1000×1.29×25.53×10）/1800≈183W：

式中：

CP—定壓比熱取1kJ/kg·m3；

ρ—空氣比重取1.29kg/m3；

V—方艙內(nèi)部容積，取44.2m3；

Zt—調(diào)節(jié)時間，取Zt=30min=1800s。

太陽輻射進(jìn)入方艙的熱功率：

P6=K·FP·（Tm-T）=2×30.25×20=1210W

式中：

K—廂壁的平均傳熱系數(shù)，取2W/（m2·3℃）；

FP—向陽面的最大面積，取30.25m2；

Tm—太陽照射下向陽面的平均溫度，計算時取為Tm=T+20；

T—方艙外環(huán)境溫度。

總耗冷量：

P=P1+P2+P3+P4+P5+P6

=1539.6+1075+725+300+183+1210=5177.6W

根據(jù)以上計算可知：當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時，將方艙內(nèi)的溫度降至30℃時所消耗的制冷量為5177.6 W，本車選用1臺軍用空調(diào)，其額定制冷能力為6000W，按GJB1913A《軍用方艙空調(diào)設(shè)備通用規(guī)范》規(guī)定的額定值95%效能計算，本空調(diào)制冷能力為5700W，能夠滿足要求。

3.4 仿真分析

使用Icepak對方艙內(nèi)部進(jìn)行熱仿真。建立熱力學(xué)模型并且劃分網(wǎng)格，外部環(huán)境空氣溫度設(shè)為40℃，壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，經(jīng)Icepak計算求解，得出具體結(jié)果如圖1～5所示，根據(jù)分析結(jié)果可知艙內(nèi)設(shè)備最高溫度為29.5℃滿足本次使用要求。

4 結(jié)論

本文以某一方艙為例對方艙內(nèi)部的熱量分布情況和進(jìn)行了理論計算并根據(jù)計算結(jié)果對空調(diào)進(jìn)行了選型，在此基礎(chǔ)上采用Icepak對方艙的溫度分布情況進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明本次空調(diào)選型正確，艙內(nèi)溫度分布可滿足使用要求。

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作者簡介

王曉峰（1984-），男，山西省偏關(guān)縣人。工程師。研究方向為載車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和熱分析技術(shù)。

作者單位

中國電子科技集團(tuán)公司第十五研究所 北京市 100083