中國報告大廳網(wǎng)訊，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)電力保障體系以及各類工業(yè)、商業(yè)場景中，配電柜行業(yè)作為核心設(shè)備，承擔(dān)著電力分配和控制的關(guān)鍵任務(wù)。然而，配電柜內(nèi)部的電氣元件在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量熱量，如果這些熱量無法得到有效散發(fā)，將會引發(fā)一系列嚴(yán)重問題。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，因配電設(shè)備過熱引發(fā)的火災(zāi)事故頻繁發(fā)生，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大的隱患。因此，如何優(yōu)化配電柜的散熱設(shè)計，成為了行業(yè)內(nèi)亟待解決的重要課題。

  一、配電柜建模：奠定散熱分析基礎(chǔ)

  1.1 傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)

  《2025-2030年中國配電柜行業(yè)市場分析及發(fā)展前景預(yù)測報告》指出，配電柜的散熱問題本質(zhì)上可歸結(jié)為流體動力學(xué)方程組的求解。其核心涉及流體力學(xué)的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。連續(xù)性方程描述了流體質(zhì)量守恒，動量方程體現(xiàn)了流體受力與運(yùn)動的關(guān)系，能量方程則反映了能量的傳遞與轉(zhuǎn)化。在實(shí)際建模過程中，需綜合考慮多種因素。例如，確定合適的湍流模型，本研究采用 k-E 湍流模型;選擇恰當(dāng)?shù)倪吔缣幚矸椒?，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分并結(jié)合壁面函數(shù)模型;確定氣體壓縮模型，選用完全氣體模型并采用克拉伯龍方程;同時，在控制方程中納入重力和浮力的影響項，并考慮壁面間的輻射換熱。

  1.2 配電柜參數(shù)設(shè)置

  參考樓宇常用配電柜的實(shí)際尺寸，構(gòu)建簡化后的配電柜模型，其尺寸為 1 m×0.5 m×1.2 m(長 × 寬 × 高)。該模型主要涵蓋配電柜本體、簡化的發(fā)熱源(以三塊矩形硅晶體板表示)、導(dǎo)熱板、散熱鰭片以及風(fēng)扇等關(guān)鍵部件，省略了顯示屏、螺栓螺母、內(nèi)部支架、導(dǎo)線等對散熱分析影響較小的元件。

  1.3 散熱片設(shè)計

  散熱片選用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的鋁合金材質(zhì)，并帶有散熱鰭片以增強(qiáng)散熱效果。經(jīng)計算，單片散熱鰭片表面積為 17600 mm2，總散熱鰭片表面積達(dá) 880000 mm2。通過熱傳導(dǎo)公式計算，其熱傳導(dǎo)量可達(dá)1.804×105W;對流散熱方面，對流散熱量為 352W。理論計算結(jié)果表明，散熱鰭片在熱傳導(dǎo)和對流散熱方面均表現(xiàn)出色，具備良好的散熱潛力。

  1.4 風(fēng)扇設(shè)計

  設(shè)計的風(fēng)扇擁有 4 片扇葉，直徑為 100 mm，轉(zhuǎn)速為 10000 r/min，螺距角為 30°。經(jīng)計算，風(fēng)扇導(dǎo)程為 181.38 mm，理論風(fēng)量達(dá)2.902m3/s。從理論風(fēng)量數(shù)據(jù)可知，該風(fēng)扇能夠為配電柜內(nèi)部提供較好的空氣流通能力，有助于提升散熱效果。

  二、仿真分析：驗證散熱方案有效性

  為了深入驗證配電柜加裝散熱鰭片和風(fēng)扇后的散熱效果，采用有限元仿真分析方法。首先對配電柜整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鑒于配電柜外形結(jié)構(gòu)相對簡單，采用四面體單位既能滿足精度要求，又可有效減少計算周期。劃分網(wǎng)格后，對各部件材料、初始溫度、熱源、求解器等進(jìn)行精細(xì)配置。發(fā)熱源設(shè)定為硅晶體，箱體以及均熱板采用鋁(1100)材質(zhì)，空氣域為箱體內(nèi)部區(qū)域。在相關(guān)模塊中，分別設(shè)置好流體、固體、初始環(huán)境溫度、熱源發(fā)熱量、流體壁面、入口流速、出口壓力等參數(shù)，并選擇合適的耦合及耦合域，最后完成求解器的配置。

  通過仿真分析，對比不同散熱條件下的溫度分布情況。在無風(fēng)扇且無散熱鰭片的情況下，假設(shè)環(huán)境溫度為 15℃，發(fā)現(xiàn)散熱口溫度最低，接近 40℃，而熱源處溫度較高，接近 90℃。當(dāng)設(shè)置為有風(fēng)扇無散熱鰭片時，最高溫度降至約 60℃，最低溫度降至約 21℃。無風(fēng)但有散熱鰭片的仿真結(jié)果顯示，溫度云圖與只安裝風(fēng)扇的效果相似，但最低溫度相對較高，達(dá)到了 30℃。當(dāng)同時考慮風(fēng)扇和散熱鰭片時，配電柜內(nèi)部核心溫度(最高溫度)降至約 40℃。

  三、總結(jié)

  配電柜在日常運(yùn)行中會產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致局部溫度過高。通過構(gòu)建帶發(fā)熱源的箱體模型，模擬配電柜內(nèi)部溫度變化情況，發(fā)現(xiàn)僅依靠散熱孔時，箱體內(nèi)部溫度較高，局部最高溫度約 90℃;分別采用風(fēng)扇或散熱鰭片時，最高溫度可降低至約 60℃;而同時運(yùn)用風(fēng)扇和散熱鰭片，核心溫度能夠成功降低至約 40℃。這一系列仿真實(shí)驗充分驗證了所設(shè)計的配電柜散熱方案具有顯著的有效性與實(shí)用性，能夠為中小型配電柜的散熱設(shè)計提供重要的參考依據(jù)，有助于提升配電柜行業(yè)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低潛在的火災(zāi)風(fēng)險，為各領(lǐng)域的電力供應(yīng)提供更可靠的保障。

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