徐國良，巢鑫迪，孫德林

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213025)

傳統(tǒng)的風冷散熱方式難以保證SVG設備的穩(wěn)定運行。水冷方式由于其散熱效率很高，能有效避免風冷散熱時產生的設備氧化腐蝕和凝露等問題。純水冷卻系統(tǒng)是指冷卻水通過換流閥熱交換器進行熱交換升溫后由循環(huán)水泵驅動進入室外冷卻器，周而復始地進行冷卻。

直流PVDF以其優(yōu)異的綜合性能在航空航天與機械工程、能源產業(yè)及電工電子等領域有著廣泛的應用，也是用于電力電子冷卻回路水管的理想材料。PVDF水管作為電力電子產品內部的主要輸水管路，以多種不同結構形式布置在產品內部，各水管間連接形式主要有法蘭、活接等。利用水管結構理論計算PVDF管道熱脹冷縮尺寸，針對水管樣品工作環(huán)境的差異，利用管道局部結構仿真，分析PVDF水管熱參數(shù)，對比結構對PVDF水管的影響及管道膨脹處理方法，為冷卻管路的應用和推廣提供數(shù)據(jù)。

1 PVDF冷卻水管

1.1 PVDF結構及特性

冷卻水管材質采用聚偏氟乙烯(Poly Vinylidene Fluoride，PVDF)，外觀為白粉體或顆粒，擁有卓越的力學特性，常溫下拉伸強度達到56 MPa，兼具良好的耐磨性、耐候性、抗紫外線、較高的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性。PVDF聚偏氟乙烯具有電絕緣性能和特殊的抗老化性能，具體參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學性能Tab.1 Mechanical properties of materials

1.2 PVDF冷卻水管工作環(huán)境

水管用于電力電子換流閥的冷卻回路，為了保證水管管路的穩(wěn)定性，用低含氧量的去離子水作冷卻介質，設計的冷卻水管道橫截面有多種規(guī)格，以提供多組的對比數(shù)據(jù)。水管內徑42.6 mm，外徑50 mm，工作于常規(guī)的室內環(huán)境中，相對濕度約為60%。

1.3 PVDF冷卻水管理論計算

根據(jù)PVDF水管膨脹長度計算公式，長度變化(mm)等于膨脹系數(shù)(mm/m·℃)乘以管道長度(m)乘以溫度差(℃)，可以得出水管試樣樣品收縮長度，例如：生產溫度23℃，安裝溫度13℃，10 m長PVDF水管試樣收縮長度17 mm。

ΔL=α×L×ΔT

(1)

ΔL=長度變化(毫米)

α=膨脹系數(shù)(毫米/米·℃)

ΔT=溫度差(℃)

L=管道長度(米)

2 水管試樣仿真分析

針對現(xiàn)場管路在零下溫度中的使用情況，進行模擬試驗，對比仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)，對比熱脹冷縮應變理論計算結果，給出PVDF管道膨脹處理方法。

對冷卻水管及其局部結構構建了三維有限元仿真模型，運用ANSYS仿真軟件對水管局部結構進行仿真；分析了在高低溫環(huán)境下PVDF水管的應力應變關系；不同管路通過膨脹長度計算公式得出PVDF管路收縮長度。

2.1 冷卻水管局部結構仿真建模

PVDF-D40管(帶螺帽)，生產溫度22℃，0℃與-20℃工況下，管夾距離活接固定距離為1 000 mm時應力和應變情況，PVDF水管結構設計如圖1所示。

圖1 PVDF水管結構示意圖Fig.1 Structure diagram of PVDF water pipe

2.2 有限元建模及結果分析

采用ANSYS Workbench軟件，對試驗管路進行仿真分析，忽略支撐對管路徑向變形的影響。采用軟件中workbench等建模工具創(chuàng)建仿真模型，忽略安裝接頭、倒圓角等特征，采用Mesher-HD網格類型劃分網格，求解計算得到的應變圖和應力云圖如圖2、圖3所示。

圖2 PVDF水管應變云圖Fig.2 PVDF pipe strain nephogram

圖3 PVDF水管應力云圖Fig.3 PVDF water pipe stress nephogram

0℃工況下，管夾距離活接固定距離為1 000 mm時應力和應變情況：應力6.636 0e-12 MPa，變形量為0.785 04 mm。

-20℃工況下，管夾距離活接固定距離為1 000 mm時應力和應變情況：應力1.190 5e-11 MPa，變形量為1.498 7 mm。

3 水管試樣高低溫分析

針對水管試樣管路樣品，把PVDF水管放在溫控箱內，注滿水，通過溫度變化、施加水壓等方法來檢驗密封性。試驗設備為高低溫測試平臺、氣候模擬試驗箱(溫控箱)等。試驗對象的PVDF規(guī)格為D40。根據(jù)試驗標準要求，綜合考慮到PVDF水管允許的工作溫度，選取低溫溫度為-20℃。

恒溫測量。PVDFD40管路，溫度為23.1℃，恒溫1.5 h，選取樣品長度均為524 mm。

圖4 PVDF水管試樣長度Fig.4 Length of PVDF water pipe sample

低溫測量。水管試樣置于-15℃ 2 h后，D40PVDF水管試樣尺寸收縮 1.5 mm，實際長度為 522.5 mm。

保壓測試。對試樣管路施加系統(tǒng)額定運行壓力的1.2倍，試壓過程注意分級加壓，水開始逐漸結冰，保持3 h后各管路無變形或漏水現(xiàn)象，管路無任何異常。

圖5 PVDF水管試樣低溫長度Fig.5 Length of PVDF water pipe sample in low temperature

連續(xù)運行測試。保壓測試完成后，恢復額定運行壓力連續(xù)運行3 d。每隔1 d觀察各水接頭滲漏情況，連續(xù)3 d無異常。

根據(jù)試驗得出，PVDF 管路在-15℃條件下，長度明顯縮短1.5 mm，但是水接頭無明顯滲漏情況。

4 管道膨脹處理方法

經過水管試樣仿真分析和水管試樣高低溫分析可以得出冷卻回路中PVDF管道膨脹處理方法，在管道轉角處設計膨脹壁，膨脹壁計算公式：

(2)

LBS=膨脹臂長度；d=管外徑；ΔL=原管的膨脹量；C=系數(shù)。

圖6 PVDF水管L型膨脹壁Fig.6 Expansion wall of L-type PVDF water pipe

5 結論

經水管試樣仿真分析和水管試樣高低溫分析，管道在低溫環(huán)境下測試使用無異常，但根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和《工業(yè)常用塑料管道設計手冊》，若特殊情況，溫度低于零下，建議在安裝過程中使其在20℃～24℃環(huán)境下放置24 h再進行安裝。

管道設置L型膨脹壁以保證管道有足夠的變形空間，使其膨脹變形發(fā)生在拐角處，減少應力和應變積聚，提升產品運行的可靠性。