船用密閉式電子機柜專用空調裝置設計特性分析

鐘根仔， 侯春枝， 魏紀君， 鄭榮波， 丁東旭

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230088）

0 引言

船用密閉式電子機柜專用空調裝置（以下簡稱“專用空調裝置”）是給雷達電子機柜提供一定溫度、相對濕度、流量以及靜壓的循環空氣，以帶走電子機柜的發熱量，給電子機柜內的電子元器件提供一個良好的溫濕度環境。我國早在2005年就制定了標準號為GJB5401-2005的艦載雷達密閉式電子機柜專用空調機組規范。規范規定了裝置的送風溫度、送風相對濕度以及裝置的試驗及檢測方法等，為設計人員提供了有力的設計依據。由于裝置服務對象的特殊性，裝置的設計有其特點，以下將從裝置的流程組成、性能匹配、風量風壓匹配、結構以及防凝露等方面對裝置的設計特性進行分析。

1 流程和組成[1]

專用空調裝置使用的環境要求為環境溫度為-15～40℃、環境相對濕度高達90%時能夠正常運行，且熱負荷是變化的，這要求專用空調系統不僅在電子機柜滿熱負荷的情況下能夠正常運行，而且在沒有或有部分電子機柜熱負荷的狀態下也能夠正常運行，并具有穩定的送風狀態。根據電子機柜工作環境適應性以及在不同的工況工作時的發熱特性，裝置應實現以下功能：

（1）在電子機柜開機前規定的時間內達到送風狀態；

（2）電子機柜發熱量處于飽和以及非飽和狀態時能夠維持送風狀態；

（3）具有低溫預熱功能。

根據以上三個功能，專用空調裝置的典型流程如圖1所示。該流程包括的主要設備有壓縮機、海水冷凝器、翅片式蒸發器、擋水板、冷凝回熱器、電加熱器以及制冷附件。其控制溫濕度原理為從電子機柜回來的循環空氣首先經過制冷系統的蒸發器進行降溫除濕，循環空氣的干濕球溫度降至對應的溫度范圍后，經過擋水板，將混合在循環空氣中的部分凝結水分離出來，然后依次經過冷凝回熱器和電加熱器，對循環空氣的溫濕度進行調節，調節循環空氣溫度和相對濕度至規定值范圍后再由風機送入電子機柜。

2 性能匹配分析

2.1 裝置的匹配計算[3]

圖2展示了裝置各部件匹配計算的一種方法。該計算方法基于以下三個假設：

（1）假設循環風系統考慮漏風率為σ的漏風量；

（2）假設漏出風量發生在裝置出風口至電子機柜進風口段，漏進風量發生在電子機柜出風口至裝置的進風口段；

（3）其它漏熱負荷已包括在總熱負荷Q中。

圖2中各參數計算方式如下：

式中 W1—電子機柜回風量，m3/h；

tsg—送風干球溫度，℃；

Q—總熱負荷，kW；

Cp—空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；

ρ—空氣密度，kg/m3；

Δt—電子機柜送、回風溫差，℃；

W2—漏風量，m3/h；

σ—漏風率；

W—總風量，m3/h；

hzh—專用空調機總回風焓值，kJ/kg；

hl—漏風焓值，kJ/kg；

hh—電子機柜回風焓值，kJ/kg；

Q1—最小回熱量，kW；

hs—送風焓值，kJ/kg；

hls—送風露點焓值，kJ/kg；

Q0—制冷量，kW；

Q2—最大回熱量，kW；

ξ1—系數。

2.2 部件選型

（1）壓縮機：由于裝置專用空調機使用于艦船上，艦船在系泊和行使過程中會發生大小不同的左右和前后搖擺。所以專用空調機使用的壓縮機應能夠在艦船橫搖±45°、周期3～14s以及縱搖±10°、周期3～14s的范圍內正常運轉。目前渦旋壓縮機、船用活塞式制冷壓縮機目前被許多廠家成功的應用于艦船領域。

（2）翅片式蒸發器和翅片式冷凝回熱器：由于使用于高濕、高鹽霧、高腐蝕性的環境中，換熱器的換熱管和翅片應采用銅材或鈦材，換熱器端板不能采用渡鋅板，應采用不銹鋼板制作。

（3）冷凝器：裝置采用海水冷卻的形式，因此與海水直接接觸的部件應采用耐海水腐蝕較強的材料制作。如冷凝器換熱管、外圍海水管路采用耐海水腐蝕較強的BFe10-1-1或BFe30-1-1材料；殼管式冷凝器的管板由于一面與制冷劑接觸，一面與海水接觸，其材料可采用不銹鋼和BFe10-1-1或鈦材等的復合板，端蓋可使用鑄鋁青銅鑄件。

另外，在冷凝器的冷凝負荷配置上，也與民用專用空調機不同。裝置冷凝負荷分外兩部分：一部分由冷凝回熱器帶走，其余的由冷凝器帶走。因此為了減小設備的體積和重量，一般按以下方式進行冷凝器的熱負荷匹配：

冷凝負荷：

式中 Qk—冷凝負荷，kW；

Wg—壓縮機設計工況點的功率，kW；

Wh—根據圖2方法計算的回熱量，kW；

ξ2—系數，取0.8～0.9。

（4）離心風機：由于離心式風機使用于高鹽霧環境中，為保證風機長期穩定運行，應采用艦船用離心式風機。

（5）電加熱器：電加熱器在專用空調機中有兩個作用，一是輔助冷凝回熱器調節專用空調系統的供風溫濕度，二是在低溫工況下對循環空氣進行預熱到送風溫度。電加熱器配置功率取兩者中耗功最大者。

3 風量靜壓匹配分析

裝置的設計過程中，離心風機選型尤為關鍵。風機選型主要有風量和靜壓兩個參數決定。依據電子機柜的溫度設計特性，結合裝置的可行性，電子機柜的循環空氣溫差一般取10～12℃。因此循環風量可按以下方式進行確定：

風機靜壓是由整個循環管系的阻力決定。循環管系的阻力包括兩個部分：一部分是裝置自身的內部阻力；另一部分是裝置進出風口之間的通風管路總阻力。裝置自身阻力包括翅片式蒸發器、空氣過濾器、冷凝回熱器等部件阻力以及空氣流道阻力?？諝膺^濾器濾芯一般采用折疊式玻璃纖維等材料，阻力范圍一般在20～45Pa之間。翅片式蒸發器和冷凝回熱器的阻力可計算得到，阻力計算式如下[1]：

式中 Δp—翅片式換熱器阻力，Pa；

ξ1—濕工況阻力系數，濕工況下ξ1取1.2，干工況下ξ1取0；

g—重力加速度，m/s2；

A—系數，光管肋片A取0.007，光管肋片A取0.0133；

L/deq—換熱器的長徑比；

ωmax—換熱器的最窄截面風速，m/s。

裝置進出風口之間的通風管路總阻力包括風管的直管段摩擦阻力以及三通、彎頭等局部阻力。摩擦阻力計算式[2]：

式中 Δpm—摩擦阻力，Pa；

λ—摩擦阻力系數；

Rs—風道水力半徑，m；

l—風管長度，m；

υ—風道內空氣平均流速，m/s。

局部阻力計算式[2]：

式中 Z—局部阻力，Pa；

ξ—局部阻力系數。

通過理論計算可以得出所選離心風機的風量和靜壓，但這并不是風機選型的最終參數。第一是由于離心風機本身參數存在測試方式與實際的安裝使用方式不同；第二是裝置實際使用方式是風管路為閉式循環，而依據GJB5401-2005的艦載雷達密閉式電子機柜專用空調機組規范，裝置的風量和風壓是進行開放式測試，按規范進行測試時在裝置的進風口處存在多余的局部阻力及動能損失。因此，在離心風機選型時選型參數應適當預留余量。

4 結構設計分析

裝置的結構一般分為臥式和立式兩種結構形式，兩種結構的部件布置形式如圖3所示。兩種結構形式的送回風方式一般為頂送頂回或頂送側回的方式。裝置的結構具體采用什么形式，主要從性能能否達到要求、結構尺寸是否合理以及外形尺寸是否協調等方面進行考慮。依據設計使用經驗，臥式結構主要適用于熱負荷Q或和風量W要求較大的場合，臥式結構主要適用于熱負荷Q和風量W要求較小的場合。

圖3 裝置結構確定方式

5 防凝露及凝結水排放

如圖1所示，裝置的回風口和送風口之間是一個封閉的腔體，且基本都是低溫腔。為了防止在高溫高濕環境條件下裝置表面出現凝露現象，可采取以下措施：1）對包含此低溫腔的表面采取保溫措施，并應采用阻燃性保溫材料；2）對包含此低溫腔的表面面板、檢修門等接口處采取相應的密封工藝進行密封。

裝置具有降溫除濕的功能，雖然整個通風管路是一個閉式循環，但是管路在實際使用過程中還會存在熱濕交換，循環空氣經過蒸發器后會不停地出現凝結水。因此裝置必須進行凝結水排放過程設計。一般情況下，凝結水首先積聚在低溫腔的底部，然后通過導流管將凝結水導流至裝置底部，再通過底部凝結水排放管排入外部排水管路系統中。其中凝結水導流過程的設計比較關鍵。因為低溫腔是一個具有幾百至幾千帕的負壓腔，既要保溫密封，又要留有導流管以排除低溫腔的凝結水。導流管的流通口徑設計過大，外部空氣大量進入循環空氣中，可能導致熱負荷增加和將外部鹽霧以及灰塵等進入設備內部，影響設備使用。若導流管設計口徑過小，由于低溫腔內部是負壓，會出現凝結水封堵導流管現象，凝結水很難排出。在負壓較大的情況下，導流管必須進行合理的管內結構設計，保證凝結水順利排出。

6 結語

我國目前大部分特種電子機柜還是采用開放式的空氣冷卻方式，使用專用空調風裝置對特種電子機柜進行冷卻才剛開始，專用空調裝置與上級系統聯機使用以及維護經驗等方面積累較少，因此專用空調裝置設計、試驗方法等方面值得深入的研究和探討。本文綜合了作者的設計、使用以及維護等方面的經驗，提出了以下四條專用空調裝置設計思路：

（1）分析了一種特種電子機柜專用空調裝置的系統流程以及具有的特點；

（2）提出了一種特種電子機柜專用空調裝置的系統匹配的計算方法；

（3）分析了裝置個部件的選型思路和裝置風量靜壓的匹配方法；

（4）總結了裝置的一般結構形式以及放凝露和凝結水排放措施。

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[1]鄭賢德.制冷原理與裝置[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]薛殿華.空氣調節[M].北京：清華大學出版社，1999.

[3]鐘根仔.艦船用密閉機柜電子機柜專用空調系統設計探討[J].制冷與空調，2008，8（4）：77～80.