高溫濕環境非密閉機柜抗冷凝系統設計

李安陽，劉剛，楊智慧

（中國船舶集團有限公司第七二六研究所，上海，201108）

0 引言

船舶、海上工作平臺等裝備的配電機柜，特別是間歇使用的發熱量較大的非密閉機柜。由于處于高溫濕環境中，當發熱機柜停止工作后。在晝夜溫差大于10℃的海洋環境條件下極易產生冷凝效應[1-6]。

防止冷凝的產生須使電氣設備內部溫場變化值相對地減到最小。通常采用如下方法：一是減少空氣中的水分含量；二是加熱以減小設備內外溫差。其措施有：一、使設備為發熱體，保持設備表面工作溫度大于環境溫度。該方法適用于對發熱量較大的電氣設備、間歇工作的設備,需增加空間加熱器，使其保持連續發熱的狀態，防止冷凝的產生。二、保持設備內部與外部環境之間無溫差變化，隨著環境溫度的變化，在內外空間之間進行有限熱交換。該方法適用于產熱量較小或不產生熱量的設備，對產熱量較大的設備不適用。三、減緩電氣設備內部空間溫度場的變化速率，使設備內外兩個溫場之間的熱傳導最小。該方法適用于產熱量較小，對于產熱量大的設備要充分考慮其散熱[1-6]。

對于海洋工程開發建設中的電氣設備以及間歇使用的船舶電氣設備，在不對設備結構進行較大的改變前提下，而又能使設備適應海洋高溫濕的工作環境。本文提出了一種給非密閉機柜加裝防冷凝裝置的設計。該設計首先要對設備的進行熱量、濕度的動態有限元分析，計算出容易產生冷凝效應的部件、部位。然后在相應的部位加裝PTC陶瓷加熱片。經過PTC陶瓷加熱片與溫控元器件組合控制，在機柜內創造一個微環境，使機柜內的溫度分布均勻，提高露點溫度，從源頭上減少凝露產生的機會，有效的減少了腐蝕，延長了元器件的壽命。

1 非密閉機柜的防冷凝系統設計

發熱體是溫控系統的受控對象，為了確保安全性，選取的加熱體應具有安全穩定的溫度上限。綜合考慮及實測，本文最終選擇PTC發熱陶片，其發熱功率與其表面溫度成反比關系。其具有安全、節能、制熱迅速及低溫啟動的優點[6-8]。在本方案中，將加熱模塊設計成單個小模塊，再根據機柜的不同情況分別在不同位置布置適量的加熱模塊。單個模塊結構如圖1所示。自制小型齒狀散熱片，將發熱陶瓷片通過導熱材料安裝在齒狀散熱器背部開槽處。加熱陶瓷片供電均為220V交流電，最高溫度均選用80℃，溫度穩定后發熱功率降到最小11瓦特。

圖1 單個加熱模塊結構圖

為使防冷凝加熱裝置安全、可靠、穩定地運行。還需要給防冷凝加熱裝置加裝溫控裝置以及超溫保護裝置。溫控及超溫保護裝置主要選用溫度范圍可以在5 至 60攝氏度范圍內設定的機械式溫控開關；由于PTC陶瓷模塊的特性，使得加熱裝置在啟動的瞬間會有一個高功率脈沖，為了減小這個脈沖對設備電源造成的影響，設計中加入了軟啟動模塊。軟啟動模塊可以設置電壓爬升的起始電壓以及爬升時間，初始電壓范圍為供電電壓的0-50%，爬升時間10s-60s。加熱裝置硬件設備聯調過程如圖2所示。

圖2 加熱裝置聯調測試圖

1.1 熱仿真計算及驗證

仿真計算以某船舶裝備的配電柜為例。按設計輸入，機柜使用環境空氣溫度約為35℃，空氣濕度約為80%，查表可得露點溫度為31℃。根據凝露生成原理，如果設備及周圍空氣溫度低于該露點溫度，外界空氣接觸到設備時，容易產生凝露。所以PTC陶瓷加熱裝置需將設備及其周圍空氣溫度提高至露點溫度以上。將環境溫度設置為18℃，與設計輸入環境溫度相似，PTC加熱模塊穩定狀態下功率11W。經過反復仿真計算試驗[9-10]，在機柜不通電僅PTC陶瓷加熱器工作的情況下，計算出PTC陶瓷加熱模塊的最佳數量。確定PTC陶瓷加熱模塊數量之后，再次對設備進行仿真，仿真結果如圖3、圖4所示，可見機柜中重點保護的電源及濾波器接線區域的溫度場溫度高于31℃，在露點溫度以上；相對濕度較高部分集中在機柜底部進氣口處；重點保護元器件區域不會產生冷凝現象。

圖3 機柜內部的溫度場云圖

圖4 機柜內部的相對濕度場云圖

1.2 實際測試

機柜放置于高低溫箱中，以每分鐘不超過3℃的速率將高低溫箱溫度降到比溫箱外部溫度低15℃。待機柜內部的溫度接近高低溫箱設定的溫度，并且機柜內部溫度穩定時，打開溫箱門。打開溫箱門后，將機柜的面板打開，讓外界環境空氣充分接觸到機柜內部。抗冷凝裝置未通電時機柜內部設備表面凝露產生情況如圖5所示；在抗冷凝裝置通電情況下重復以上過程，機柜內部設備表面凝露產生情況如圖6所示。

圖5 抗冷凝裝置未通電機柜內有凝露產生

圖6 抗冷凝裝置通電時機柜內沒有凝露產生

2 結論

通過熱量、濕度的有限元仿真可以計算出不同設備需要的熱量補償范圍。PTC陶瓷加熱模塊尺寸、功率可定制，溫控范圍可以靈活調控。綜上所述，在不對非密閉機柜原有結構進行較大變更的前提下，本設計方案可以達到較好的機柜防冷凝效果。本設計方案對于非密閉的機柜、接線盒等海洋工程裝備都具有較好的適用性、設備改造的成本低。