控制柜用换热器实验台设计.docx

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控制柜用换热器实验台设计

摘要

本文第一对本课题的研究目的及其意义进行简单的介绍，对于这次课程设计研究的主要内容进行初步的学习整理。

对于热管换热器的散热效应因素等内容进行必要的讨论。

热管换热器应用于散热时，必需能实此刻必然的温度下实现对内部机箱的散热。

通过控制柜用换热器实验台进行换热实验实验，对换热器的性能及配套外部空气循环装置进行比较，进行新的换热器实验装置设计。

设计主要内容包括：

控制柜用换热器实验台箱体、保温层、透视窗、加热器、外部空气循环装置。

实验台的主要参数：

箱体的尺寸为1905X1602X1602，换热器的尺寸为480X500X120，加热器的功率为700W左右，风机的功率为，能够将实验台内温度控制在－10℃～50℃，来测量小机箱内温度，从而得出换热器的性能。

关键词：

实验台换热器设计

ABSTRACT

Atfirstthetexttothepurposeofresearchandthemeaningoftheproblemproceedsimpleintroduce，andtotheprimarycoverageofthecurriculumprojectinvestigativeproceedpreliminarystudyandtidy。

Heatpipeheatexchangerforcoolingeffectofthefactorsnecessarytodiscussthecontent.Heatpipeheatexchangersusedinheatmustbeabletoachieveacertaintemperaturewithinthechassistorealizetheheat.Throughthecontrolcabinetwithheatexchangerheattransferexperimenttestbedexperiments,theperformanceofheatexchangersandancillaryequipmenttocomparetheexternalaircirculation,heatexchangertestinganewdevicedesign.

Designprimarycoverageinclude:

controlcabinetboxwithaheatexchangertestrig,theinsulationlayer,perspectivewindow,heater,externalaircirculationdevice.

Testthemainparameters:

Boxofsizeisexchangersizeispowerisaboutpoweristhetemperaturecanbecontrolledat－10℃～50℃，Tomeasurethetemperatureinsidethesmallboxtoarriveattheperformanceofheatexchanger.

Keyword：

TestHeatExchangerDesign

第一章绪论

引言

热管作为高效传热元件,在各工业领域中发挥愈来愈重要的作用［1］。

随着热管技术的不断深切,热管式工业进程设备也得以开发应用,使得热管换热器不单单局限于余热回收,而且成为一些工业进程中必不可少的高效传热传质设备［2］。

热管换热器应用领域主要包括2大类:

余热回收与各类机械、电子电器设备散热［3-4］。

各类机械、电子电器设备的散热应用中,评价热管换热器性能的指标除换热器的总换热系数外,还强调热管换热器的散热效能,即在必然的冷、热风入口温度下热风温度的降低程度［5-8］。

实验台是查验元件工作性能和发觉元件存在问题,并通过实验和分析找出解决问题的办法的一个重要手腕［9］。

进行实验台设计时要明确设计的目的，及要观察测试的数据，肯定设计方案，合理的安排实验台结构，选择适合的测试仪器和测试点。

在选择传感器和显示仪器时,应注意三点:

一是注意量程和响应性,二是按照国家实验标准规定的有关实验精度品级来选择,三是传感器和显示仪配套选择,而且要通过标定,不然必需到地方权威部门进行标定,只有如此才能保证明验台所测数据的精度和准确性［10-14］。

电机需要在一个适合的温度下工作，由于控制柜有必然的规格限制，而且外部的温度不能一直都很理想化，所以咱们需要在控制柜里设计合理的换热设备，维持控制柜有个恒定的适合的温度。

本课题是要设计一个实验台来测设这套换热设备的性能，并调整方案使得换热设备能知足要求。

设计任务

1.2.1换热器散热效能因素

管外换热是制约换热器散热效能的主要因素,管外的对流换热主要受翅片结构、尺寸和翅片管制间流体流速的影响［15-17］。

对于热管换热器而言,由于采用热管作为主要的传热元件,除管外流体流速（流量）,其散热效能还受热管工作温度与倾角、空气相对湿度、冷风流量和热风流量这几个因素的影响［18］。

1.2.2设计条件

电子机箱内部安装两台运算机，运算机面板符合19英寸标准安装方式，别离为221.5毫米高的人机接口运算机和262毫米高的任务运算机，其外形安装尺寸别离如下图1和图2：

图1人机接口运算机

图2任务运算机

电子机箱单元壳体的外形图见图3：

图3电子机箱单元壳体的外形图

电子机箱单元安装运算机后的示用意见图4：

图4电子机箱安装运算机后示用意

两个运算机的电缆均从其后部引出。

人机接口运算机的进风口在左侧，出风口在后部右边，任务运算机的进风口在前部，出风口在后部中间部位。

两台运算机的发烧量为260瓦。

电子机箱壳体的后部将安装一块20毫米厚的后盖板，换热器安装后盖板上。

后盖板按照散热器的需要设计孔洞和安装螺纹孔。

运算机的后面板后和后盖板之间的间隙约为90～100毫米，但局部将有电缆穿行，必然程度上会影响风的畅通。

电子机箱壳体底部区域有高为80毫米的空间不装设备，能够利用此空间安装蜗流风机，改善电子机箱内部的空气循环，提高散热能力

1.2.3电子机箱小环境指标要求

环境温度为－10℃～50℃的条件下，电子机箱小环境的指标如下：

温度：

5℃～35℃

湿度：

10～95％@40℃,无凝露

加热时刻：

在环境温度为－10℃时，20分钟内温度上升到5℃

冷却时刻：

在环境温度为50℃时，5分钟内温度降低到45℃

1.2.4换热器详细要求

换热器安装在电子机箱单元的后部盖板上，由于电子机箱单元内部空间紧张，为了密闭的电子机箱壳体内部形成有效的风通道，换热器能够采取向外鼓包安装形式，从而除下部的吸热端风扇外不占用内部的空间。

换热器的安装空间宽X高X厚不大于:

480X500X120。

由于显控台安装到位后，人员无法进入其后部，为了便于维修，要求换热器从电子机箱单元壳体内部由前向后安装。

第二章控制柜用换热器实验台设计

实验台整体结构设计

实验台由箱体、保温层、透视窗、加热棒和风机等组成，实验台的结构如图5所示：

图5实验台装配图

箱体的结构设计

2.2.1箱体外壁的设计

换热器的尺寸为：

480X500X120。

运算机机箱的尺寸为：

390X490X645。

为了能将机箱和换热器顺利的放入实验台，并更好的控制温度，将箱体尺寸定为1800X1500X1500。

箱体是由钢板焊接而成。

在箱体上方中间开一个孔用作观察窗，孔的尺寸为：

700X760。

在箱体前方靠下的位置开一个孔，孔的尺寸为：

1100X1250。

另用一块板作为箱体的门，装在箱体前方，尺寸为：

1200X1300。

作为门的钢板中间开一个孔用作观察窗，孔的尺寸为：

700X760。

2.2.2透视孔结构设计

在箱体的孔上安装玻璃作为观察窗。

箱体上方的玻璃尺寸为：

800X860。

由于箱体上方要安装风机，在上方的玻璃中间开孔，孔的尺寸为：

Φ96。

门上的玻璃尺寸为：

800X860。

2.2.3箱体其他零部件设计

门和箱体、透视孔和玻璃、风机和玻璃的连接选用螺纹连接，选用参见设计手册［19］。

门和箱体的连接选用螺钉GB/T67M6X8,材料为钢，性能品级，螺纹公差6g，公差产品品级A，表面不经处置，个数为7。

门上的透视孔与玻璃的连接选用螺钉GB/T67M6X8,材料为钢，性能品级，螺纹公差6g，公差产品品级A，表面不经处置，个数为8。

箱体顶部的透视孔与玻璃的连接选用螺钉GB/T67M6X8,材料为钢，性能品级，螺纹公差6g，公差产品品级A，表面不经处置，个数为8。

风机和玻璃的连接选用螺栓GB/T5782M4X35,螺母GB/T6170M4,垫圈GB/T8484。

螺栓材料为钢，力学性能品级，螺纹公差6g，公差产品品级A，表面镀锌钝化，个数为4。

螺母材料为钢，性能品级8，螺纹公差6H，公差产品品级A，表面镀锌钝化，个数为4。

垫圈材料为钢，不经表面处置，公差产品品级A，个数为4。

固定加热棒利用一个固定卡，固定卡和箱体的连接利用螺纹连接，结构如图6所示：

图6固定卡结构图

固定卡和箱体的连接选用螺钉GB/T67M2X4,材料为钢，性能品级，螺纹公差6g，公差产品品级A，表面不经处置，个数为2。

2.2.4保温层设计

保温层厚度为50，通过胶层贴在箱体上，尺寸为1902X1602X1602。

在保温层上方中间开一个孔用作观察窗，孔的尺寸为：

800X860。

在箱体前方靠下的位置开一个孔，孔的尺寸为：

1200X1300。

另用一块保温层贴在门上，尺寸为：

1200X1300。

在门上的保温层中间开孔用作观察窗，孔的尺寸为：

800X860。

在门上的保温层螺纹连接的部份开孔，用作螺钉的装卸，孔的尺寸为：

Φ12，个数为8。

箱体的材料选择

2.3.1箱体外壁的材料选择

按照机械设计手册［20］，选用型钢。

箱体选用冷轧钢板GB/T708,厚度为3，宽度为1500。

门选用冷轧钢板GB/T708,厚度为3，宽度为1250。

2.3.2玻璃钢化材料的选择

常见钢化玻璃材料及其相关材料性能如下表1所示[21]：

名称

酚醛树脂

呋喃树脂

环氧树脂

聚酯树脂

聚丙烯

化学组分

酚醛玻璃纤维

糠醇玻璃布

环氧（双酚A型）玻璃布

不饱和聚酯

聚丙烯玻璃纤维

密度g/ml（120

）

～

～

～

～

线胀系数

/

（120

）

8～21

60～80

15～30

30～50

抗冲击强度

>50

177

140～350

400～480

弹性模数kgf/

200～700

100～300

250～630

抗拉强度

>10

21

30～42

21～35

4～9

抗压强度kgf/

18

10～42

17～35

4～5

抗弯强度

>11

32

14～63

28～56

～

伸长率

1～6

～2

2～

硬度洛氏

R10

M110

110

使用温度

180～280

<180

<150

表1：

常见五种玻璃钢各项数据

选择材料为聚酯树脂玻璃钢

材料各项数据见表1。

2.3.3箱体其他零部件的材料选择

门和箱体、箱体顶部的箱体和玻璃、门和玻璃的连接所选的螺钉为同一型号，材料选择Q235，品级A。

风机和玻璃的连接选用的螺栓、螺母、垫圈材料选择Q235,品级A。

固定卡选用45钢，厚度为2。

固定卡和箱体的连接选用的螺钉材料选择Q235品级A。

2.3.4保温层材料选择

有色行业用高强度高纯度硅酸钙板是专为特殊工业用途研制开发的硅酸钙板,本产品不含石棉，导热率低，抗热冲击，不沾铝，机械加工性能优良。

有色行业用高强度高纯度硅酸钙板分为38-8型,38-11型系列。

38-8型板材是一种专为有色铸造行业而开发的高纯度硅酸钙板，并掺有石墨纤维用于增增强度,38-11型板材是一种多用途的硅酸钙板，适用于各类机械成型材和普通用途，可用于精密机械加工产品。

产品规格按用户需要尺寸加工。

产品性能如表2：

产品性能项目

单位

体积密度Kg/m3

抗折强度Mpa

线收缩率%

连续工作温度℃

最高使用温度℃

导热系数（200℃）W/

38-8型

810±10%

≥

长厚

850

1000

38-11型

850±10%

≥7

长厚

850

1000

表2产品性能

保温层选用的是有色行业用高强度高纯度硅酸钙板，38-11型板材。

保温层样式如图7：

图7保温层

第三章加热器及空气循环装置设计

加热器型号的选择及相关参数

本装置所需要的加热棒功率为700W左右。

本装置所选的加热棒结构如图8：

图8加热棒结构

单头加热管种类繁多，可分为：

高功率型、低功率型、单线型、普通型、单端法兰头型、套管型、垫片型、内引线型、外引线型、直角型等等。

功率、电压、规格大小和产品形状按需定制。

发烧管利用的氧化镁棒来源于美国沙森堡（SAXONURG）公司，氧化镁粉来自日木（TATEHO）公司，这两种具有耐高温，绝缘性能良好的特点。

镍铬发烧丝、导电线来自日本不晃物产株式会社（TOHKOUBUSSAN）公司，具有散热均匀，散热快、经受高压、而高温导电性好、延伸性能好等特点。

头加热管金属护套管：

（1）304或316不锈钢

（2）管径：

Φ6.5mm、Φ8mm、Φ8.5mm、Φ9mm、Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm……Φ51mm；（3）长度范围：

200-3000mm；（4）电压：

110v、180v、220v、230v、280v、380v；（5）表面功率设计：

3-45W/C㎡

加热管普遍应用于各类硝石槽、水槽、油槽、酸碱槽、易熔金属熔化炉、空气加热炉、干燥炉、干燥箱、热压模等装置的加热。

在本装置当选用的是固定式单头电加热棒，304不锈钢，管径Φ16mm，长度230mm，电压220V，在左右各放一个。

3.2温控设备的选型

实验台要求实现智能温控，在实验台箱体周围的钢板上贴上传感片，在上中下各贴10片，并连接到智能温度调节系统，从而实现智能温控。

本装置选用JCJ900C智能温度调节系统。

JCJ900C智能温度调节系统,是北京九纯健科技应鞍钢集团的要求,开发的具有自主知识产权的高性能的智能多段程序调节功能；JCJ900C智能温度调节系统采用先进的微电脑芯片和软硬件技术,可与各类温度传感器、变送器配合利用,实现对温度等工业进程参数进行测量、显示、精准控制、变送输出、数据收集及通信，同时系统配有数字电压表和电流表，实时监测负载处电流和电压转变，为了避免系统出现故障时，对设备造成损坏系统中，设有多重电路保护功能。

JCJ900C智能温度调节系统的特点：

1．自动校准和人工校准功能手动/自动切换功能；

2．可选择适应加热或制冷的正/反作用；

3．控制输出信号限幅；

4．采用模糊控制理论和传统PID控制相结合的方式,具有高精度的自整定功能,使控制；

5．进程具有响应快、超调小、稳态精度高的长处，对常规PID难以控制的滞后现象有明显的控制效果；

6．通过可控硅过零触发或移相触发实现对加热棒、硅炭棒、硅钼棒等加热体进行精准的控制；

7．JCJ900C智能温度调节系统支持RS23二、RS485通信,实现各类数据的实时显示、曲线显示、记录、存储等功能。

JCJ900C智能温度调节系统如图9：

图9智能温度调节系统面板

主要技术参数如表3：

JCJ900C

智能温度调节系统

工作电源

开关电源85～265VAC

系统功耗

功耗4W以下

输入信号

标准电流

0～10mA、4～20mA

标准电压

0～5V，1～5V

热电偶

K、S、B、T、E、J、WRE、N

热电阻

Pt100、Cu50、Cu100

报警输出

二限报警,报警方式为测量值上限、下限及偏差报警,继电器输出触点容量AC220V/3A

控制输出

⑴继电器触点输出

⑵固态继电器脉冲电压输出（DC12V/30mA）

⑶单相/三相可控硅过零触发

⑷单相/三相可控硅移相触发

⑸模拟量4～20mA口、0～10mA口、1～5V

0～5V0～10V、0～20mA

通讯输出

接口方式——隔离串行双向通讯接口RS485/RS422/RS232/Modem

波特率

300～9600bps内部自由设定

馈电输出

DC24V/30mA     DC12V/30mA

分辨力

1/20000、14位A/D转换器

显示方式

双排四位LED数码管显示

采样周期

表3产品主要参数

风机型号的选择及相关参数

本装置所需的风机功率为3KW左右。

风机结构如图10：

图10风机结构

所选的风机为台湾BI-SONIC，型号为P9225，气流方向是轴流，是低压低噪音的风机，材质是塑料，功率为。

适用于个人电脑，工作站，家用电器，POS系统，通信设备，电源互换器等等。

外形尺寸：

92*92*25

描述：

1.塑胶UL94V-0PBT外框。

2.塑胶UL94V-0扇叶。

3.适用温度：

滚珠轴承-30度to+75度

含油轴承-10度to+70度

4.绝缘阻抗：

10MΩ（螺线与外框间测量），500VDC/min

5.绝缘耐压：

5mAmax（导线与外框间测量），500VAC/min

6.持有CE,RU,CSA等国际安规认证。

第四章控制柜用换热器实验

本课题所设计的控制柜用换热器实验装置是用于进行换热器性能检测实验的。

实验目的

观察小机箱内温度和实验台内温度转变，得出换热器的性能，按照要求设计适合的换热器及配套的空气循环装置。

实验原理

在实验台内放入机箱和换热器，机箱内放入灯泡模拟运算机散热，在机箱小环境的上、中、下布置传感片，在两个小机箱的上下别离布置传感片。

通过控制灯泡、加热棒和风机的运作，观察机箱内外温度的转变，测试换热器是不是能达到要求。

本实验台所配的数据自动收集处置系统由HP34970A数据自动收集单元通过接口板及接电缆和运算机相连而组成。

各类传感器的信号线接到HP34970A数据收集单元的功能插板上由运算机运行预先编制的程序来控制数据收集单元进行各类参数的测量、数据处置及制表绘等。

34970A数据自动收集单元简介HP34970A是一个轻巧便携式的数据自动收集单元，测量精度高，内置数字电压表为2精度。

它可直接测量热电偶、电阻温度计、热敏电阻等所检测的温度和直流电压、交/直电流、电阻、频率和周期等物理量，还有数字输入/输出和控制功能。

收集单元共有三条插槽，可用来插入不同类型的功能插板，可供选购的功能插板共有八（本实验室只订购HP34901A和HP34907A两种）：

（a）HP34901A——20通道带热电偶补偿的多路转接板可测量温度、电压、电阻、频率。

还有二个通道可测量电流。

通道扫描速度为60通道/（b）HP34902A——16通道带热电偶补偿的舌簧多路转接板可测量温度、电压、电阻、频率。

通道扫描速度为250通道/秒。

（c）HP34903A——20通道促动器/开关插板可用来控制外电路的闭合或断开。

（d）HP34904A——4×8矩阵开关插板（e）HP34905/6A——两组4通道射频多路转接板用来测量音频信号（50Ω/75Ω）。

（f）HP34907A——多功能插板两个8-bit数字输入/输出通道；100kHz累计输入；两个±12V直流电压输出。

（g）HP34908A——40通道带热电偶补偿的单端多路转接板可测量温度、电压和电阻。

34970A数据收集单元面板及显示屏1）前面板菜单键如图11：

图11前面板

前面板的显示屏幕会按照仪表的状态显示各类标记灯，各类标记灯亮的含义为：

SCAN表示仪器正在进行通道扫描，再按下SCAN键则停止扫描MON表示正在监视某通道，再按MON键则停止监视VIEW表示正在观看被扫描的读数、报警CONFIG表示正在对所显示通道进行功能设置*表示正在进行测量ADRS表示仪器正在通过远接口被指定为听（Listen）或说（Talk）RMT表示仪器处在远控状态ERROR表示正检测到硬件犯错或远接口犯错，按VIEW键可观看犯错的内容提示EXT表示仪器被设置到响应外部扫描距离状态ONCE表示启用一次扫描状态，按一下scan键可开始扫描，而按住scan键不动，则可撤消此状态MEN表示在读贮存器溢出，新读数将覆盖最老的读数LAST表示所观察的数据是最近一次扫描期间所存储的最后一个读数MIN表示所观察的数据是最近一次扫描期间所存储的最小读数MAX表示所观察的数据是最近一次扫描期间所存储的最大读数SHIFT表示已按过shift键，再按shift键可予以回答4W表示在所显示通道中正在利用4线制OC表示在所显示通道中正在启用编置补偿

表示在所显示通道中正在启用报警功能

　　表示在所显示通道中正在启用MX+B的比例尺

　　表示对所指定的报警中已出现上限或下限报警3）后面板简介如图12：

图12后面板

　　34970A数据自动收集单元的面板手动操作1）开/关电源接好电源线后，按下前面板左下方园形按钮，即可接通电源，再次按下该钮，则关闭电源2）选择通道转动前面板右下方的选择旋钮可手动选择通道，顺时针转动此旋钮，则屏幕右端显示的通道号增大，反之减小。

利用旋钮上面的和按键可跳到前一槽道或后一槽道的第一通道。

3）做自检当开电源时同时按住shift键不放直到听见长鸣声再放开此键，即开始自检4）设按时刻和日期①设按时刻按shift+Advanced键，可出现时刻显示屏，用和键来选择要设定的“时”，“分”及“PM”或“AM”部份，再用右下角的选择旋钮来改变要设定的数值。

　　②设定日期

　　按Advanced键，出现日期显示屏，用和键来选择“月”，“日”，“年”部份，再用选择旋钮来改变其数值。

　　5）设置一个通道进行扫描

　　①选择一个通道

　　转动选择旋钮使前面板显示屏右端显示出所要求的通道号，通道号由三位数组成。

如103，210等，其中第一名数表示槽道号，后两位数表示通道号，即103表示是第一槽道中的第三通道，210表示第二槽道中的第10通道。

　　②为所选通道设置测量功能

　　为此，按一下Measure键，屏幕显示将自动引导你通过有关选项让你为所要求的测量功能设置好参数，例如，为使103通道设置为进行铜-康铜热电偶测温，其步骤为：

　　a、转动选择旋钮使通道显示器显示“103”；

　　b、按Measure键，这时屏幕上会显示出某种参数名，例如DCVOLTAGE，旋转选择旋钮，屏幕依次显示出其它可测参数名，当显示Temperature时，再按Measure键，即确认作温度测量；

　　c、再旋转选择旋钮，屏幕依次显示各类温度传感器名，如TC，RTD等，当出现Thermocouple时，按Measure键，确认传感器为热电偶；

　　d、再旋转选择旋钮，屏幕出现各类热电偶类名，当出现T-Type时按Measure键确以为铜-康铜热电偶。

　　以