某軍事雷達(dá)用風(fēng)冷一體式冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例

鄭秀萍 王偉東 楊 玥 郇 偉

（樂(lè)金空調(diào)（山東）有限公司，山東 青島 266109）

某軍事雷達(dá)用風(fēng)冷一體式冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例

鄭秀萍 王偉東 楊 玥 郇 偉

（樂(lè)金空調(diào)（山東）有限公司，山東 青島 266109）

概述了軍事雷達(dá)用風(fēng)冷式一體機(jī)組的功能要求，對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型，主要包括水系統(tǒng)水箱、水泵和制冷模塊機(jī)組等，為惡劣工況下風(fēng)冷機(jī)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提出了獨(dú)特的解決方案。

冷卻系統(tǒng)LRCS330；水泵；水箱；模塊機(jī)；穩(wěn)定性

0 引言

某國(guó)軍事雷達(dá)用冷卻系統(tǒng)，雷達(dá)為野外安放，采用風(fēng)冷一體式冷水系統(tǒng)為其提供冷量，要求機(jī)組全年候工況運(yùn)行。存放環(huán)境溫度為-35～71 ℃，運(yùn)行環(huán)境溫度為-35～55 ℃。2臺(tái)雷達(dá)配置2臺(tái)冷卻系統(tǒng)。

每臺(tái)系統(tǒng)由3臺(tái)165 kW制冷機(jī)組（兩用一備）、3臺(tái)冷水泵（兩用一備）、1臺(tái)水箱（含加熱器）組成，所有設(shè)備安裝在一個(gè)底部框架上。滿負(fù)荷冷量為330 kW，出水溫度為15 ℃，系統(tǒng)流量為102 m3/h，冷水側(cè)為66%乙二醇溶液。

圖1 冷卻系統(tǒng)LRCS330設(shè)備

表1 主要設(shè)備明細(xì)

1 產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)命名為冷卻系統(tǒng)LRCS330，如圖1所示，其中包含水側(cè)系統(tǒng)和制冷機(jī)組模塊系統(tǒng)，本文主要介紹水側(cè)水泵、水側(cè)水箱和制冷模塊機(jī)組的設(shè)計(jì)。主要設(shè)備明細(xì)如表1所示，系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

1.1 水泵設(shè)計(jì)選型

1.1.1 揚(yáng)程計(jì)算

水泵揚(yáng)程的設(shè)計(jì)包含雷達(dá)壓降、管路壓降、機(jī)組壓降、彎管件及各閥件壓降，考慮最不利條件下最大揚(yáng)程，即-35 ℃環(huán)境下的水側(cè)系統(tǒng)壓降。計(jì)算方法如下：

（1）雷達(dá)壓降：

水流量Q=102 m3/h，相對(duì)粗糙度為R=0.000 5，-35 ℃時(shí)乙二醇溶液密度ρ=1 125 kg/m3，動(dòng)力粘度μ=0.12，管道直徑d=100 mm，摩擦系數(shù)λ=0.042，雷達(dá)系統(tǒng)管長(zhǎng)l=480 m，則液體流速V=Q/（d2/4×π）=3.06 m/s，雷諾數(shù)Re=V×d×ρ/μ=2 827.6。

（2）管路側(cè)壓降：

管路直徑d=150 mm，管路長(zhǎng)l=120 m，液體流速v=Q/（d2/4×π）=1.32 m/s，雷諾數(shù)Re=v×d×ρ/μ=1 857.7，則沿程阻力hf=2.93 m（根據(jù)公式（1））。

（3）管路中大小頭的壓降：

大小頭數(shù)量10個(gè)，d=150×100 mm，局部阻力系數(shù)ξ=0.30。

V2=Q/（3 600×d2/4×π）=3.06

單個(gè)大小頭壓降為hf=0.14 m，則總壓降為hf=10×0.14=1.4 m。

（4）管路中截止閥的壓降：

截止閥數(shù)量20個(gè)，d=100 mm，局部阻力系數(shù)ξ=2.10。

V2=Q/（3 600×d2/4×π）=3.06

單個(gè)截止閥壓降為hf=1.0 m（根據(jù)公式（2）），則總壓降為hf=20×1.0=20.0 m。

（5）管路中過(guò)濾器的壓降：

過(guò)濾器數(shù)量2個(gè)，d=100 mm，局部阻力系數(shù)ξ=2.00。

v2=Q/（3 600×d2/4×π）=3.06

圖2 系統(tǒng)流程圖

單個(gè)過(guò)濾器壓降為hf=0.96 m（根據(jù)公式（2）），則總壓降為hf=2×0.96=1.92 m。

（6）管路中彎頭的壓降：

彎頭數(shù)量20個(gè)，d=150 mm，局部阻力系數(shù) ξ=0.35。

v2=Q/（3 600×d2/4×π）=1.32

單個(gè)壓降為hf=0.03（根據(jù)公式（2）），則總壓降hf=20×0.03=0.62 m。

（7）蒸發(fā)器壓降：hf=8.9。

（8）系統(tǒng)總壓降：7.7+2.93+1.4+20.0+1.92+0.62+8.9=133.5，取修正系數(shù)1.1，則總壓降為133.5×1.1≈146 m。

1.1.2 水泵流量計(jì)算

因系統(tǒng)總流量為102 m3/h，故單臺(tái)水泵流量需滿足51 m3/h，考慮2臺(tái)并聯(lián)，取修正系數(shù)1.2，水泵流量為61 m3/h。

根據(jù)揚(yáng)程與流量選擇格蘭富離心式立式水泵，型號(hào)CRNCM64-4，如圖3所示。

圖3 離心式立式水泵

1.2 水箱設(shè)計(jì)

水箱容積為4 000 L，可容納系統(tǒng)中所有液體介質(zhì)，因介質(zhì)為乙二醇，故設(shè)計(jì)為封閉式水箱。

1.2.1 水箱加熱器

因雷達(dá)為全年運(yùn)行，在低環(huán)境-35 ℃下，雷達(dá)入口側(cè)即冷卻系統(tǒng)側(cè)仍需提供10 ℃的乙二醇溶液。故系統(tǒng)中需配置加熱器，考慮最不利工況，將乙二醇溶液-35 ℃加熱到10 ℃。

加熱器加熱量有雷達(dá)熱惰性熱量、水箱液體、水箱本體、水泵、管路和閥件、蒸發(fā)器幾方面。

在-12.5 ℃（ 取-35～10 ℃的平均溫度 ）環(huán)境下66%乙二醇溶液密度1 097 kg/m3，溫差△t=10-（-35）=45 ℃。

（1）雷達(dá)加熱量：

雷達(dá)熱導(dǎo)性k=13 000 kJ/℃，則加熱量Qr=k×△t= 585 000 kJ。

（2）水箱液體：

容積V=3 612 L，質(zhì)量m=ρ×v =3 962 kg，比熱Cp=2.84 kJ/kg·℃，則加熱量Qe =Cp×m×△t=506 390 kJ。

（3）水箱本體：

水箱重量m=280 kg，比熱Cp=0.46 kJ/kg·℃，則加熱量Qt=Cp×m×△t=5 796 kJ。

（4）水泵：

比熱Cp=0.46 kJ/kg·℃，水泵重量m=850 kg（2臺(tái)水泵），則加熱量Qb=Cp×m×△t=17 595 kJ。

（5）管路與閥件：

比熱Cp=0.46 kJ/kg·℃，重量m=3 000 kg，則加熱量Qp=Cp×m×△t= 62 100 kJ。

（6）蒸發(fā)器：

比熱Cp=0.46 kJ/kg·℃，重量m=560 kg，則加熱量

Qc=Cp×m×△t=12 096 kJ。

（7）總加熱量：Q=Qe+Qt+Qb+Qp+Qc=1 188 977 kJ。

總功率P=Q/（90×60）=220 kW（用戶限定加熱時(shí)間為90 min）。

取修正系數(shù)1.05，則總功率為220×1.05=230 kW。

加熱器工作原理：考慮加熱器加熱滯后性，設(shè)置為5段式46 kW×5。當(dāng)供水溫度＜0 ℃時(shí)，開(kāi)啟加熱器5段加熱；當(dāng)供水溫度＜5 ℃時(shí)，開(kāi)啟加熱器4段加熱；當(dāng)供水溫度＜10 ℃時(shí)，開(kāi)啟加熱器3段加熱；當(dāng)供水溫度＜12 ℃時(shí)，開(kāi)啟加熱器2段加熱； 當(dāng)供水溫度＜14 ℃時(shí)，開(kāi)啟加熱器1段加熱；當(dāng)供水溫度≥15 ℃，逐臺(tái)啟動(dòng)制冷機(jī)組運(yùn)行。

1.2.2 水位傳感器及水位開(kāi)關(guān)

水位傳感器，方便操作者及時(shí)監(jiān)測(cè)水位情況。

水箱水位開(kāi)關(guān)。水位開(kāi)關(guān)設(shè)置為3個(gè)：1級(jí)1 680 L，2級(jí)1 260 L，3級(jí) 840 L。當(dāng)水位低于840 L，信號(hào)傳輸?shù)街骺刂破鳎l(fā)出缺水警告。

1.2.3 其他

水箱另外配置補(bǔ)水泵1臺(tái)，為水箱補(bǔ)給溶液。

1.3 模制冷塊機(jī)組設(shè)計(jì)

模制冷塊機(jī)組流程圖如圖4所示。

1.3.1 機(jī)組主要配件

壓縮機(jī)：采用風(fēng)冷螺桿式壓縮機(jī)，單臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)為2套獨(dú)立系統(tǒng)，2臺(tái)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)為滑閥無(wú)極調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)油槽配有300 W機(jī)油加熱器。

蒸發(fā)器：采用1個(gè)蒸發(fā)器，氟側(cè)為獨(dú)立系統(tǒng)，水側(cè)為1套水系統(tǒng)。

風(fēng)機(jī)：采用變頻風(fēng)機(jī)，使壓力調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定。

節(jié)流：電子膨脹閥。

1.3.2 高溫環(huán)境下工況設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶要求環(huán)境溫度最高可達(dá)到55 ℃，此時(shí)冷凝溫度可高達(dá)70 ℃，排氣溫度極有可能達(dá)到100 ℃，故增加兩級(jí)液噴系統(tǒng)。一級(jí)為壓縮機(jī)電機(jī)冷卻，冷卻液由儲(chǔ)液罐引出連接到壓縮機(jī)電機(jī)室，當(dāng)排氣溫度達(dá)到90 ℃開(kāi)啟。二級(jí)為壓縮機(jī)壓縮腔冷卻，冷卻液由儲(chǔ)液罐引出連接至壓縮機(jī)壓縮腔，當(dāng)排氣溫度高于95 ℃開(kāi)啟。

1.3.3 低溫環(huán)境工況設(shè)計(jì)

在壓縮機(jī)排氣側(cè)增加排氣壓力維持閥，在低溫下啟動(dòng)時(shí)，使機(jī)組短時(shí)間內(nèi)建立壓差，使壓縮機(jī)加載順暢。另外安裝冷凝壓力調(diào)節(jié)器KVR+NRD，KVR連接在表冷器出口與儲(chǔ)液罐入口之間，NRD從油分離器出口連接至KVR出口側(cè)。當(dāng)冷媒側(cè)壓力低時(shí)，KVR未到開(kāi)啟壓力時(shí)，開(kāi)啟旁通NRD，因KVR未開(kāi)啟，高壓側(cè)壓力逐漸升高，升高至KVR開(kāi)啟設(shè)定值時(shí)，KVR打開(kāi)，溶液進(jìn)入到儲(chǔ)液器，使進(jìn)入儲(chǔ)液器側(cè)壓力保持恒定。

1.3.4 回油管路

對(duì)于滿液式螺桿機(jī)組系統(tǒng)，當(dāng)工況不穩(wěn)定時(shí)，壓縮機(jī)潤(rùn)滑油易隨冷媒遷移至換熱器，造成壓縮機(jī)回油不良。

因此項(xiàng)目用戶要求環(huán)境溫度為-35～55 ℃，變化波動(dòng)大。應(yīng)對(duì)回油問(wèn)題，增加引射回油和二次油分回油。

1.3.5 蒸發(fā)器引射回油

蒸發(fā)器底部安裝集油管，引射器連接壓縮機(jī)高壓側(cè)、低壓側(cè)及蒸發(fā)器底部集油管，通過(guò)高壓引設(shè)將蒸發(fā)器底部的油送至壓縮機(jī)吸氣段，從而回到壓縮機(jī)。

1.3.6 二次油分回油

在壓縮機(jī)和表冷器間設(shè)置二次油分離器，因低溫下潤(rùn)滑油粘度較高，很難移動(dòng)，故在油分離器上增加外置油加熱器，功率為300 W，纏繞于臥式油分筒體上。在壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間關(guān)機(jī)后再次啟動(dòng)前，為保證油溫粘度，需將加熱器開(kāi)啟8 h以上。

圖4 模制冷塊機(jī)組流程圖

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖5所示。主要包括：（1）冷卻系統(tǒng)LRCS330，1臺(tái)；（2）電加熱器（虛擬雷達(dá)負(fù)荷330 kW，共4段）1臺(tái)；（3）試驗(yàn)用水箱1臺(tái)；（4）水側(cè)過(guò)濾器1個(gè)；（5）截止閥若干。

圖5 測(cè)試裝置流程圖

2.2 試驗(yàn)方法

將以上裝置冷卻系統(tǒng)LRCS330與電加熱器、水箱等連接為一個(gè)循環(huán)回路。將裝置放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，分別測(cè)試在環(huán)境溫度-35 ℃、42 ℃、55 ℃工況下，調(diào)節(jié)不同負(fù)荷0、82.5 kW、165 kW、247.5 kW、330 kW時(shí)，確認(rèn)機(jī)組能否正常穩(wěn)定運(yùn)行，要求時(shí)間為24 h。

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不得觸碰機(jī)組，機(jī)組全自動(dòng)運(yùn)行，有停機(jī)故障則重新試驗(yàn)。

2.3 測(cè)試結(jié)果

2.3.1 -35℃工況測(cè)試

在低溫工況持續(xù)3 h后，發(fā)現(xiàn)1號(hào)模塊蒸發(fā)器進(jìn)口前的閥門有輕微泄露，緊固螺栓后不漏。1臺(tái)水泵出口閥門有輕微泄露，緊固螺栓后不漏。

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后機(jī)組各部件正常運(yùn)行，無(wú)異常情況，負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)，機(jī)組自動(dòng)加減載運(yùn)行，無(wú)故障出現(xiàn)，測(cè)試通過(guò)。

2.3.2 42℃工況測(cè)試

系統(tǒng)正常運(yùn)行24 h，無(wú)故障，負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)，機(jī)組自動(dòng)加減載運(yùn)行，無(wú)故障出現(xiàn)，測(cè)試通過(guò)。

2.3.3 55℃工況測(cè)試

高溫工況運(yùn)行時(shí)，開(kāi)機(jī)后3個(gè)模塊中有1個(gè)模塊出現(xiàn)高壓報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)修改程序，修訂壓力保護(hù)，改為當(dāng)壓力超過(guò)高壓限定值的95%時(shí)，壓縮機(jī)停止加載，當(dāng)繼續(xù)升高，壓縮機(jī)卸載，有效避免了高壓故障。之后系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行24 h，測(cè)試通過(guò)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了一體機(jī)機(jī)組水系統(tǒng)和模塊機(jī)組的要求和設(shè)計(jì)方案，為預(yù)防惡劣工況下機(jī)組運(yùn)行故障提出了獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念。

該項(xiàng)目已經(jīng)竣工并在2012年初投入使用，如此大規(guī)模的風(fēng)冷式一體機(jī)項(xiàng)目尚屬首次，沒(méi)有相同的工程案例。但是，通過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)是比較合理的，設(shè)備的選擇與配置也較為合理。

[1] 龍?zhí)煊澹淘龌?流體力學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004

[2]彥啟森，石文星，田長(zhǎng)青.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

Air Cooled Cooling System of A Military Radar System Project

Zheng Xiuping Wang Weidong Yang Yue Huan wei
（LG Electronics Air-Conditioning（Shandong）Co.,Ltd.，Shandong Qingdao 266109）

The paper presents the requirements of air cooled cooling system for military radar system ,the design of the system selection,mainly including water tank ,water pump and cooling units ,etc.,points out the unique solution of the stability for air cooled system under limiting operational condition .

cooling system LRCS330;pump;water tank;unit;stability

2014-08-11

鄭秀萍（1987—），女，山東濟(jì)寧人，助理工程師，研究方向：制冷機(jī)組設(shè)計(jì)。