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户外双层智能柜内部温度场研究

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 209次


                     2、郑州轻工业学院机电工程学院  河南郑州 450002)

    摘要:针对户外双层智能柜工作时易发生高温故障甚至爆炸的问题,控制其内部温度至关重要。首先对户外双层柜进行建模,根据其工作条件设置边界条件,虑改变风机排风量与柜内智能组件的布置位置,对其进行数值计算,得到户外双层智能柜工作时柜内温度场的分布情况。探究了不同的风机排风量和不同的智能组件安装位置对户外双层智能柜内温度的影响。通过温度分布图可以看出,随着风机排风量的增大,柜内温度有明显的降低;智能组件的对称布置改善了叠加放置热量循环散热过程中会出现死角问题。本文为控制户外双层智能柜内的温度提供了很高的参考价值。

关键词:智能柜;温度场;有限元分析

中图分类号:TH122

Research of Internal Temperature of Outdoor Double Intelligent Cabinet

 Zhang Qi-long1, ZhouMei-juan2

1Coal Mmining Machinery Compay of Pingdingshan, Henan Pingdingshan 467000  2Institute of Zhengzhou  

Light Industry Institute of Electrical and Mechanical Engineering, Zhengzhou 450002 )

AbstractFor outdoor double smart cabinet work prone to high temperature failure even explosion problem, control the internal temperature is very important. First outdoor double tank for modeling, according to its working conditions setting boundary condition, about changing the fan exhaust air and smart components contained in the layout position, carry on the numerical calculation, get the outdoor double intelligence work the distribution of temperature field in the cabinet. Explores the different fan air volume and intelligent component installation position of the influence of the temperature of outdoor double intelligent enclosure. By temperature distribution can be seen that, with the increase of the fan exhaust air temperature inside ark have significantly lower; Intelligent components of symmetrical arrangement improved the superposition place will appear in the process of heat circulation cooling blind Angle. In this paper, to control the temperature of the outdoor double intelligent enclosure provides a high reference value.

    Key words:Intelligent tank;Temperature field; Finite element ansys

0 引言

随着智能化控制设备应用越来越普及,户外双层智能柜的使用也越来越多,户外无遮挡的情况下,由于夏季温度较高,阳光辐射以及设备本身耗散热量作用使得密封机柜内部温度超出设备允许的范围,装置在长时间超负荷高温下运行,会引起电器元件的性能降低,影响系统的正常运行,进而导致装置故障,户外智能柜标准要求柜内温度为-10℃-55℃,因此在密封的户外机柜中如何控制内部的温度,成为户外机柜的关键[1]。朱维金[2]以热力学为基础,使用Solidworks 软件自带的有限元仿真模块,通过加载流量的边界条件和初始条件,得到了机械手控制柜内部稳定的温度值及流场。任万荣[3]分析研究了常规变电站汇控柜与智能变电站智能控制柜内设置布置及对温控系统的不同要求,对比分析适用于智能控制柜的温控方式,提出了智能控制柜温控系统设计及选型方法。潘荣昌[4]分析了纺织设备电子元件因过热而损坏的原因,对电气控制柜的散热方式作为重点考虑的问题进行了探讨,介绍了散热系统改造的实例。目前研究者运用商业数值模拟软件Fluent对户外双层智能柜内的温度分析的研究较少。

1 模型建立与边界条件设置

1.1物理模型的建立

户外双层智能柜(SCG-FL)的结构如图1所示,机柜前门、后门、侧板、顶盖均为双层结构(尺寸见表1)。户外双层智能柜内分为传统室和智能室,柜体顶部装有两个大功率的风机。传统室内里面放置端子与排线槽,发热元件很少。右室为智能室,安装4台智能组件。主要的发热量集中在智能侧,即主要是智能组件的发热,图2显示其流通示意图。


         图1 户外双层智能柜的结构图        2 户外双层智能柜的空气流通示意图

表1户外双层智能柜的主要尺寸

名称

尺寸

名称

尺寸

柜体 ××

1800×964×1930

百叶窗 ××

434×20×20

风机直径

220

进风口百叶窗排数

9

侧板间距

25

出风口百叶窗排数

2

顶盖高度

90

智能组件的间距

89

智能组件 ××

450×300×179

智能组件距离前门的距离

62

智能组件距离侧板的距离

154

智能组件距离后门的距离

62

由于双层智能柜的结构复杂,前处理软件Gambit建模,为了保证准确反映智能柜气流组织状况,数值计算对智能柜的部分位置(进风口、排风风机、出风口等)进行局部加密,因此采用非结构网格进行网格划分(图3所示)。由于智能柜的结构相对复杂,在保证相关物理量准确的前提下,建立模型时做如下简化与假设。

1)忽略侧板的空气对流,因为侧板的之间的间距很小,属于自由对流。

2)忽略周围空气温度对流,控制柜壁面的温度恒定。

3)忽略柜内支撑杆对流场的影响。

export1      

图3 户外双层智能柜有限元模型

1.2控制方程与边界条件

计算选用simple算法,采用三维不可压缩流动,且满足Boussinesq假设,湍流、稳态模型,忽略粘性耗散。残差、连续方程、湍流参数和动量方程的收敛的标准为10-3,能量方程的收敛标准为10-6。其控制方程为:

连续方程:

动量方程:

能量方程:

式中:为空气密度;为空气导热系数;为空气比热; 方向的速度;方向的坐标;为动力粘度;为平均压力[5]

边界条件:设定环境温度40℃。Fluent中进口选用速度入口(velocity-inlet),进口速度大小根据选用的风机排风量来确定。出口选用outflow。柜内440W的智能组件为内置热源source terms,设置其热流密度qw/m3),计算结果处理见文献[6]

2 仿真结果与分析

2.1 柜内智能组件叠加布置时,柜内温度的分布情况

户外温度是定值为T=40℃(即T=313.5K),四块智能组件叠加布置,风机排风量分别为:10m3/min,12m3/min,送风方向为45度。

夏季温度较高,柜内温度根据国家电网的要求,智能柜正常工作时柜内的最高温度不能超过55℃。改变风机的排风量(Q),已知风机的直径以及百叶窗的进风口面积等。根据公式计算出进风口的速率为:=1.368m/s、1.642m/s。

 

 风机为10-1风机为10-2   风机为12-111风机为12-222

          图2风机排风量为10m3/min           图3风机排风量为12m3/min

2.2柜内智能组件对称布置时,柜内温度的分布情况

户外温度是定值为T=40℃(即T=313.5K),四块智能组件对称布置,风机排风量分别为:8m3/min、10m3/min,12m3/min,送风方向为45度。

23    export3export4

图2风机排风量为10m3/min           图3风机排风量为12m3/min

2.3.不同工况下关键点温度的分析比较

         

  4智能组件叠加布置                  5 智能组件对称布置

由图4和图5可知,智能组件对称布置优于叠加布置,风机排风量的增大,对柜内温度的影响显著。

3 总结

本文对户外双层智能柜进行数值模拟,探究了在不同的风机排风量和智能组件安装位置时,户外双层智能柜内温度的分布情况以及柜内关键点的温度变化趋势,从智能柜以及智能组件的中间剖面图可以看出不同工况下柜内温度不同以及改变其影响因素后柜内温度的变化情况。随着风机排风量的增大,柜内温度有明显的降低。改变智能组件叠加放置的情况,可以解决叠加状态下,热量循环散热过程中出现的死角的问题。从温度的方面考虑,明显看出智能组件的对称布置优于叠加布置。

参考文献

[1] 张洋,严华,张永峰.智能变电站户外控制柜风机散热研究与仿真分析[J].CAD/CAE与制造

   业信息化, 2012,10:49-51.

[2] 朱维金,刘长斌等.基于Solidworks Flow Simulation的控制柜的热分析[J].科技创新导报,

   2013.5:86-87

[3] 任万荣,李艳丽等.智能变电站智能控制柜温控系统选型研究[J].电工技术. 2013.8:8-9

[4] 潘荣昌,郝乃亮等.纺织设备电气控制柜散热方式的改进[J].上海纺织科技. 2011.39 

   (6):13-15

[5] 候献军,云祥,刘志恩.基于Fluent的汽车空调冷凝器翅片宽度仿真分析[J]. 武汉理工大

   学学报.2013.35(6):838-841

[6] 苟秋平,吴学红,吕彦力,等.复合翅片传热与流动特性的数值模拟[J] . 热科学与技术(自

   然科学版),2011,10(4)317

 

作者简介:张启龙(1988—),男,河南平顶山人,本科,助理工程师,平顶山平煤机煤矿机械装备有限公司新产品公司技术员,主要从事机械产品加工、制造、分析与设计。

          周美娟(1990.6— ),女,河南周口人,郑州轻工业学院在读研究生,主要从事机械产品CAE分析与设计。

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