空間行波管收集極的輻射散熱分析

空間行波管收集極的輻射散熱分析

管收集極是管最嚴(yán)重的熱材料之一。收集極的熱量性能影響著管道的工作穩(wěn)定性。因此，對收集極進(jìn)行熱分析是必要的。通過熱分析可以定量地確定收集極的溫度分布,可以從一個(gè)方面指導(dǎo)收集極的設(shè)計(jì)工作。傳熱有三種方式,傳導(dǎo)、對流和輻射,其中,輻射散熱的效果小于熱傳導(dǎo)和熱對流方式引起的換熱量。一般在地面上工作的行波管收集極大多采用傳導(dǎo)或?qū)α鬟M(jìn)行散熱,但是對于空間行波管,由于重量和制作工藝的考慮以及輻射散熱本身的優(yōu)勢,近幾年出現(xiàn)了采用輻射散熱的趨勢,輻射散熱主要通過散熱翼片將熱量輻射到空間中而達(dá)到降溫的目的。本文主要是針對空間行波管收集極的輻射散熱進(jìn)行的,本文的目的在于通過輻射熱分析,能大致確定散熱翼片的長度和數(shù)目以及外界環(huán)境溫度等因素對收集極溫度的影響,為實(shí)際中采用輻射散熱收集極的設(shè)計(jì)工作提供一些依據(jù)和分析方法。需要指出的是,本文中的收集極結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中采用對流散熱,本文只是以此結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行收集極輻射散熱分析,所以當(dāng)翼片數(shù)目較少的時(shí)候得到的收集極最高溫度和實(shí)際中收集極所能承受的溫度相比可能顯得有些偏高,當(dāng)翼片增多到16個(gè)以上時(shí),收集極的最高溫度才降到了可以使用的范圍。1影響收集極輻射結(jié)果的因素分析本文是在三維的情況下對行波管收集極進(jìn)行輻射熱分析的,主要研究在輻射散熱情況下幾種因素對收集極溫度分布的影響。1.1ttdvfd模型在輻射散熱條件下,外界環(huán)境溫度將會(huì)影響收集極的散熱情況。根據(jù)輻射散熱公式:W=(σT4114-σT4224)·S=σT4114(1-(T2/T1)4)·S(1)式中,T2為外界環(huán)境溫度;T1為散熱翼片表面溫度;σ為翼片材料的輻射率;W為耗散功率;S為散熱面積。由式(1)可知,當(dāng)W和S不變,T2上升時(shí),T1將上升,收集極內(nèi)最高溫度和翼片溫度之差為一恒定值,因此也將上升,但由于T2/T1一般小于1/6,則(T2/T1)4<0.001,因此T2變化時(shí)對T1的影響不會(huì)很大。在假定收集極有四個(gè)散熱翼片,輻射率為1,翼片長度為0.05m,T2分別為10,20,30…60℃時(shí),得到T2與收集極最高溫度之間的關(guān)系。由圖1的模擬結(jié)果可以看出,T2對收集極最高溫度的影響確實(shí)很小,當(dāng)改變50℃的情況下,收集極最高溫度只變化了8℃左右,這證實(shí)了上面的分析。1.2收集極最高溫度的確定收集極材料的輻射率σ也會(huì)影響收集極最高溫度的值,從式(1)可得T14∝1/σ,可以預(yù)期收集極最高溫度和輻射率σ也有極強(qiáng)關(guān)系?？紤]在四個(gè)散熱翼片,翼片長度為0.05m,外界溫度為50℃時(shí),當(dāng)σ為1,0.8,0.6,…0.1時(shí),得到σ與收集極最高溫度的關(guān)系如圖2所示。由此可見,收集極材料的輻射率會(huì)影響收集極的最高溫度。σ越大,收集極的散熱效果越好,因此在采用輻射散熱的收集極中,選用σ較大的收集極材料對于提高收集極的散熱能力是十分重要的。實(shí)際中一般采用將收集極和散熱翼片的表面黑化和粗糙化來提高收集極的輻射散熱能力。1.3基于anasis模擬的收集極形貌影響收集極最高溫度的另一個(gè)重要因素就是散熱翼片的長度。散熱翼片長度增加實(shí)際上就是增加輻射面積,從式(1)可以看到T14∝1/S,因此可以想到加長翼片將使收集極最高溫度大大降低。在采用四個(gè)散熱翼片,外界溫度為50℃,收集極材料輻射率σ為1的情況下,考慮散熱翼片長度對收集極最高溫度的影響。圖3給出了用ANSYS模擬得到的收集極翼片長度與收集極最高溫度的關(guān)系。從圖3可見,正如所分析的那樣,翼片越長,散熱效果越好,收集極溫度越低,但是當(dāng)翼片長度增加到一定程度的時(shí)候,收集極溫度降低的幅度就非常小了。這是因?yàn)橐砥荛L時(shí)到翼片末端的溫度已經(jīng)很低了,所以這一段翼片的輻射能力很低,對收集極溫度降低的貢獻(xiàn)就很小了。需要指出的是,當(dāng)材料的導(dǎo)熱率提高的時(shí)候,在同樣的翼片長度下翼片的散熱能力將比低導(dǎo)熱率時(shí)強(qiáng),這是因?yàn)閷?dǎo)熱率越大,翼片末端的溫度越高,輻射能力也就越強(qiáng)。材料的導(dǎo)熱率也影響收集極的輻射散熱能力。由上綜合考慮收集極重量和體積及散熱能力等因素,翼片長度也不是越長越好,它有一個(gè)優(yōu)選值,即收集極溫度隨翼片長度下降速率由很快向緩慢的轉(zhuǎn)折點(diǎn),本例情況下此優(yōu)選值大約為0.05m。1.4收集極的溫度分布由式(1)可知,在散熱功率W一定的情況下,收集極最高溫度的4次方和散熱面積成反比,因此增加翼片的數(shù)目n,即增加散熱面積,應(yīng)當(dāng)能降低收集極的溫度。由前面的分析,當(dāng)翼片長度為0.05m時(shí),是溫度變化比較劇烈的點(diǎn),再增加翼片的長度,收集極最高溫度降低的幅度也很小了,因此,為了取得較優(yōu)的散熱效果,在翼片長度為0.05m,外界溫度為50℃,收集極材料輻射率為1的情況下,進(jìn)行多翼片的模擬。圖4給出了n為4,6,8,16和32時(shí)收集極的溫度分布,圖5給出了n和收集極最高溫度的關(guān)系。由圖4和圖5可知,隨著n的增多,收集極上的最高溫度值隨之降低,但是當(dāng)n增多到一定程度時(shí),收集極最高溫度降低的幅度也是減小的,出現(xiàn)這種現(xiàn)象有兩個(gè)原因,一是從式(1)可以看到翼片的最高溫度T14∝1/S,而S與n是成正比的,所以有T14∝1/n,即T14與n構(gòu)成的是雙曲線關(guān)系,當(dāng)n增加時(shí)其下降會(huì)變慢;二是當(dāng)n增多時(shí)翼片相互間出現(xiàn)了輻射加熱現(xiàn)象,降低了有效輻射面積,所以散熱效果在n增多時(shí)使降低溫度的效果變差了,從正常的設(shè)計(jì)而言,取翼片的數(shù)目應(yīng)在曲線的斜率由大變小的拐點(diǎn)處(在本例中應(yīng)為16左右),可以得到最好的散熱器重量和散熱效果的關(guān)系,但在本例中為了保證收集極有合適的最高溫度,要取到32個(gè)翼片,這是因?yàn)楸纠?jì)算的收集極原來是用于傳導(dǎo)冷卻的。為了達(dá)到和傳導(dǎo)冷卻同樣的散熱效果,必須用較多的翼片,這說明要使用輻射冷卻,收集極內(nèi)部結(jié)構(gòu)也要作相應(yīng)的改變。2最高溫度的影響本文應(yīng)用ANSYS軟件,對某一收集極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輻射熱分析,研究了輻射散熱情況下幾種因素對收集極最高溫度的影響,模擬結(jié)果表明