艦用電子機柜風冷冷卻盤管的設計探討

1 引 言

相對于舒適性空調來說，為艦船上電子機柜提供冷卻的中小型空調器，在性能上要求會比較特殊，不僅要保證電子機柜內溫度在一定的范圍內，使電子機柜在最合適的溫度和濕度下工作，還要保證電子機柜外板沒有凝露。目前艦船上主要采用空氣冷卻閉式循環方式來冷卻電子機柜[1]，使空氣在進入電子機柜前被空調器處理到溫度24～28℃和相對濕度≤65%。在空調器設計過程中，冷卻盤管作為其重要的組成部件，承擔著為循環空氣降溫、除濕的主要任務，因此冷卻盤管工作性能的好壞，將直接影響到整個系統冷卻的效果。本文將對冷卻盤管設計、校核的基本方法和工況點選擇進行探討。

2 冷卻盤管的基本設計方法

目前國內在進行冷卻盤管的設計方法主要有3種[2，3]：基于干球溫度效率的計算方法；基于濕球溫度效率的計算方法；基于等價干工況的計算方法。這三種方法有其各自優缺點，可以根據工況要求和冷卻盤管的經驗公式，選取相應的計算方法進行設計和校核。由于艦上電子機柜的冷卻采用閉式循環，無需考慮濕負荷，故選用基于干球溫度效率的計算方法，設計流程見圖1。

圖1 冷卻盤管設計流程

經過以上計算步驟后，可以得到需要傳熱面積F和實際傳熱面積F′，如F>F′，則盤管設計面積不能滿足冷卻負荷需要，須增加盤管排數、列數、肋片數或調節冷媒水流量等相關參數，使之滿足需要；如F≤F′，則表示盤管設計可以滿足冷卻負荷需要。在實際計算過程中，考慮到盤管使用一段時間后管內結垢、管外翅片附著灰塵等不利因素，會為盤管預留部分冷卻能力，使F′略大于F。

3 冷卻盤管的校核方法

(1)

式中，t1為盤管進口空氣設計溫度；t2為修正后的盤管出口空氣設計溫度；tw1為冷媒水供水溫度。

根據熱傳導理論可以推導Eg的另外表達方式：

(2)

式中，

(3)

(4)

式中，c為水的比熱；X為析濕系數；W為冷媒水質量流量；V為空氣的質量流量。

(5)

(6)

式中，f為錯流修正系數；K為傳熱系數。

4 設計工況的選擇

在空調器冷卻盤管的設計過程中，通常外部參數如冷水機組提供冷媒水的供水溫度tw1為7～8℃，回水溫度tw2為10～12℃的額定工況冷媒水，空氣冷卻負荷為已知的確定值。在空調器出口空氣的設計要求較高的情況下，盤管出口設計溫度的取值不同，會帶來不同的設計結果。

1) 盤管出口空氣設計溫度較低，與冷媒水進水溫度接近，即t2與tw1接近時，盤管的接觸系數越接近1，空氣和冷媒水的換熱效果越好。但采用電加熱器對盤管出口空氣溫度升溫降濕，會增加盤管冷負荷，同時造成能源的浪費。

2) 盤管出口空氣設計溫度較高，盤管出口空氣設計溫度與冷媒水進水溫度相差較大，即t2>tw1時，冷負荷要求相同的條件下，為使盤管出口空氣溫度滿足要求，需減小盤管接觸系數，空氣和冷媒水換熱效果差。同時電加熱器使用量少，盤管負荷小。

在采用空氣冷卻閉式循環冷卻艦船上的電子機柜的空調冷卻系統中，要求空氣在進入電子機柜前被空調器處理到較高溫度(如20～30℃)和較低濕度(如≤65%)。為了滿足要求，綜合上述兩種設計思路，在提高盤管效率、保證盤管接觸系數的基礎上少量投入電加熱，保證出口空氣溫濕度，校核盤管計算參數，調整初選的設計值，使盤管設計優化、合理。下面舉例加以說明。

5 應用舉例

某電子機柜發熱量負荷為8 kW，要求冷卻該電子機柜的空氣溫度為24～28℃，相對濕度為≤60%，采用電子機柜和空調器閉式循環的方式提供冷卻用空氣。冷媒水供水溫度7.5℃，回水溫度11.5℃。為該電子機柜設計空調器，在冷卻盤管的設計過程中，盤管結構基本參數已確定，系統冷負荷為電子機柜發熱量、風機發熱量和電加熱器發熱量之和。采用基于干球溫度效率的計算方法，分盤管出口溫度低溫和高溫兩種工況來進行參數設計。

1) 盤管設計出口溫度14℃，出口相對濕度97%。

設計過程中，當設定盤管迎面的風速為2.1 m/s不變的條件下，盤管的實際供冷量隨盤管的傳熱面積的增加而增加。但為保證電子機柜對空氣溫濕度的要求，電加熱器的負荷始終很大，而且隨盤管傳熱面積的增大而增大，從而導致系統總冷負荷上升見圖2。盤管接觸系數變化見圖3。當盤管面積為23.7 m2時，盤管實際出口溫度為14.8℃，盤管接觸系數為0.88，盤管的實際供冷量15.4 kW與系統冷負荷相同，此時的電加熱量為4.8 kW，加熱后空氣溫度26.8℃、相對濕度43.8%，冷媒水流量為3.3 m3/h。

圖2 盤管負荷變化

圖3 盤管接觸系數變化

2) 盤管設計出口溫度22℃，出口相對濕度97%。

在上述設計結果參數的基礎上，調整盤管的尺寸參數，使迎面風速降至1.4 m/s，降低盤管的接觸系數。盤管出口空氣溫度、盤管供冷量和系統負荷隨盤管面積變化情況見圖4，盤管接觸系數變化見圖5。當盤管面積為21.3 m2時，盤管實際出口溫度為19.2℃，盤管接觸系數為0.76，盤管的實際供冷量12.5 kW與系統冷負荷相同，此時的電加熱量為2 kW，加熱后空氣溫度26℃，相對濕度60%，冷媒水流量為2.7 m3/h。

圖4 盤管負荷變化

圖5 盤管接觸系數變化

比較盤管出口溫度低溫和高溫兩種工況的設計結果可以看出，通過調整盤管的尺寸參數，適當降低盤管的接觸系數、提高盤管出口的設計溫度，減少盤管面積，從而減少了盤管負荷，減少了冷媒水流量的需求。在調整盤管的尺寸參數的過程中，由于與盤管尺寸參數相關的排數、列數、肋片數和肋片距等參數均可以調節，這些參數的調整會改變盤管傳熱面積、接觸系數等，從而最終影響到盤管的出口空氣參數。因此在實際設計過程中，既要滿足設計工況點的需要，也要考慮到冷卻盤管在空調器設備中的安裝空間對盤管尺寸的限制，同時對盤管實際生產制造過程中常用的肋片、肋片管的尺寸和組合形式也要有所了解，使設計出的冷卻盤管能在冷卻系統中發揮出最佳的工作性能，滿足使用要求。

6 結 語

采用空氣冷卻閉式循環來冷卻艦船上電子機柜的空調系統中，在采用傳統的設計公式進行設計的基礎上，合理地選取冷卻盤管的設計工況點，進行冷卻盤管的尺寸參數設計，不僅能提高空調設備的技術性能，還能減少整個冷卻系統對電力和冷媒水的需求，提高了設備運行經濟性，對于盤管的設計和整個冷卻系統的設計，特別是較大的冷卻系統的設計來說至關重要。

[1] 王憶秦.艦船電子設備冷卻系統研究[J]. 艦船科學技術,2007(5):85-87.

[2] 路延魁.空氣調節設計手冊[M].第二版.北京:中國建筑工業出版社,1995.

[3] 船舶設計實用手冊冷藏通風，船舶設計實用手冊第六分冊，冷藏通風[M].第一版.北京：國防工業出版社,1975.

[4] 趙榮義.空氣調節[M].第三版.北京:中國建筑工業出版社,1994.