鐘根仔， 侯春枝， 魏紀(jì)君， 鄭榮波， 丁東旭

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230088）

0 引言

船用密閉式電子機(jī)柜專用空調(diào)裝置（以下簡稱“專用空調(diào)裝置”）是給雷達(dá)電子機(jī)柜提供一定溫度、相對濕度、流量以及靜壓的循環(huán)空氣，以帶走電子機(jī)柜的發(fā)熱量，給電子機(jī)柜內(nèi)的電子元器件提供一個良好的溫濕度環(huán)境。我國早在2005年就制定了標(biāo)準(zhǔn)號為GJB5401-2005的艦載雷達(dá)密閉式電子機(jī)柜專用空調(diào)機(jī)組規(guī)范。規(guī)范規(guī)定了裝置的送風(fēng)溫度、送風(fēng)相對濕度以及裝置的試驗(yàn)及檢測方法等，為設(shè)計(jì)人員提供了有力的設(shè)計(jì)依據(jù)。由于裝置服務(wù)對象的特殊性，裝置的設(shè)計(jì)有其特點(diǎn)，以下將從裝置的流程組成、性能匹配、風(fēng)量風(fēng)壓匹配、結(jié)構(gòu)以及防凝露等方面對裝置的設(shè)計(jì)特性進(jìn)行分析。

1 流程和組成[1]

專用空調(diào)裝置使用的環(huán)境要求為環(huán)境溫度為-15～40℃、環(huán)境相對濕度高達(dá)90%時(shí)能夠正常運(yùn)行，且熱負(fù)荷是變化的，這要求專用空調(diào)系統(tǒng)不僅在電子機(jī)柜滿熱負(fù)荷的情況下能夠正常運(yùn)行，而且在沒有或有部分電子機(jī)柜熱負(fù)荷的狀態(tài)下也能夠正常運(yùn)行，并具有穩(wěn)定的送風(fēng)狀態(tài)。根據(jù)電子機(jī)柜工作環(huán)境適應(yīng)性以及在不同的工況工作時(shí)的發(fā)熱特性，裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）在電子機(jī)柜開機(jī)前規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)；

（2）電子機(jī)柜發(fā)熱量處于飽和以及非飽和狀態(tài)時(shí)能夠維持送風(fēng)狀態(tài)；

（3）具有低溫預(yù)熱功能。

根據(jù)以上三個功能，專用空調(diào)裝置的典型流程如圖1所示。該流程包括的主要設(shè)備有壓縮機(jī)、海水冷凝器、翅片式蒸發(fā)器、擋水板、冷凝回?zé)崞?、電加熱器以及制冷附件。其控制溫濕度原理為從電子機(jī)柜回來的循環(huán)空氣首先經(jīng)過制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器進(jìn)行降溫除濕，循環(huán)空氣的干濕球溫度降至對應(yīng)的溫度范圍后，經(jīng)過擋水板，將混合在循環(huán)空氣中的部分凝結(jié)水分離出來，然后依次經(jīng)過冷凝回?zé)崞骱碗娂訜崞?，對循環(huán)空氣的溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)循環(huán)空氣溫度和相對濕度至規(guī)定值范圍后再由風(fēng)機(jī)送入電子機(jī)柜。

2 性能匹配分析

2.1 裝置的匹配計(jì)算[3]

圖2展示了裝置各部件匹配計(jì)算的一種方法。該計(jì)算方法基于以下三個假設(shè)：

（1）假設(shè)循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)考慮漏風(fēng)率為σ的漏風(fēng)量；

（2）假設(shè)漏出風(fēng)量發(fā)生在裝置出風(fēng)口至電子機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口段，漏進(jìn)風(fēng)量發(fā)生在電子機(jī)柜出風(fēng)口至裝置的進(jìn)風(fēng)口段；

（3）其它漏熱負(fù)荷已包括在總熱負(fù)荷Q中。

圖2中各參數(shù)計(jì)算方式如下：

式中 W1—電子機(jī)柜回風(fēng)量，m3/h；

tsg—送風(fēng)干球溫度，℃；

Q—總熱負(fù)荷，kW；

Cp—空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；

ρ—空氣密度，kg/m3；

Δt—電子機(jī)柜送、回風(fēng)溫差，℃；

W2—漏風(fēng)量，m3/h；

σ—漏風(fēng)率；

W—總風(fēng)量，m3/h；

hzh—專用空調(diào)機(jī)總回風(fēng)焓值，kJ/kg；

hl—漏風(fēng)焓值，kJ/kg；

hh—電子機(jī)柜回風(fēng)焓值，kJ/kg；

Q1—最小回?zé)崃?，kW；

hs—送風(fēng)焓值，kJ/kg；

hls—送風(fēng)露點(diǎn)焓值，kJ/kg；

Q0—制冷量，kW；

Q2—最大回?zé)崃?，kW；

ξ1—系數(shù)。

2.2 部件選型

（1）壓縮機(jī)：由于裝置專用空調(diào)機(jī)使用于艦船上，艦船在系泊和行使過程中會發(fā)生大小不同的左右和前后搖擺。所以專用空調(diào)機(jī)使用的壓縮機(jī)應(yīng)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(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前渦旋壓縮機(jī)、船用活塞式制冷壓縮機(jī)目前被許多廠家成功的應(yīng)用于艦船領(lǐng)域。

（2）翅片式蒸發(fā)器和翅片式冷凝回?zé)崞鳎河捎谑褂糜诟邼?、高鹽霧、高腐蝕性的環(huán)境中，換熱器的換熱管和翅片應(yīng)采用銅材或鈦材，換熱器端板不能采用渡鋅板，應(yīng)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(yīng)采用耐海水腐蝕較強(qiáng)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(qiáng)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(fù)合板，端蓋可使用鑄鋁青銅鑄件。

另外，在冷凝器的冷凝負(fù)荷配置上，也與民用專用空調(diào)機(jī)不同。裝置冷凝負(fù)荷分外兩部分：一部分由冷凝回?zé)崞鲙ё?，其余的由冷凝器帶走。因此為了減小設(shè)備的體積和重量，一般按以下方式進(jìn)行冷凝器的熱負(fù)荷匹配：

冷凝負(fù)荷：

式中 Qk—冷凝負(fù)荷，kW；

Wg—壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的功率，kW；

Wh—根據(jù)圖2方法計(jì)算的回?zé)崃浚琸W；

ξ2—系數(shù)，取0.8～0.9。

（4）離心風(fēng)機(jī)：由于離心式風(fēng)機(jī)使用于高鹽霧環(huán)境中，為保證風(fēng)機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)采用艦船用離心式風(fēng)機(jī)。

（5）電加熱器：電加熱器在專用空調(diào)機(jī)中有兩個作用，一是輔助冷凝回?zé)崞髡{(diào)節(jié)專用空調(diào)系統(tǒng)的供風(fēng)溫濕度，二是在低溫工況下對循環(huán)空氣進(jìn)行預(yù)熱到送風(fēng)溫度。電加熱器配置功率取兩者中耗功最大者。

3 風(fēng)量靜壓匹配分析

裝置的設(shè)計(jì)過程中，離心風(fēng)機(jī)選型尤為關(guān)鍵。風(fēng)機(jī)選型主要有風(fēng)量和靜壓兩個參數(shù)決定。依據(jù)電子機(jī)柜的溫度設(shè)計(jì)特性，結(jié)合裝置的可行性，電子機(jī)柜的循環(huán)空氣溫差一般取10～12℃。因此循環(huán)風(fēng)量可按以下方式進(jìn)行確定：

風(fēng)機(jī)靜壓是由整個循環(huán)管系的阻力決定。循環(huán)管系的阻力包括兩個部分：一部分是裝置自身的內(nèi)部阻力；另一部分是裝置進(jìn)出風(fēng)口之間的通風(fēng)管路總阻力。裝置自身阻力包括翅片式蒸發(fā)器、空氣過濾器、冷凝回?zé)崞鞯炔考枇σ约翱諝饬鞯雷枇?。空氣過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(fā)器和冷凝回?zé)崞鞯淖枇捎?jì)算得到，阻力計(jì)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(shù)，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(shù)，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(fēng)速，m/s。

裝置進(jìn)出風(fēng)口之間的通風(fēng)管路總阻力包括風(fēng)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(jì)算式[2]：

式中 Δpm—摩擦阻力，Pa；

λ—摩擦阻力系數(shù)；

Rs—風(fēng)道水力半徑，m；

l—風(fēng)管長度，m；

υ—風(fēng)道內(nèi)空氣平均流速，m/s。

局部阻力計(jì)算式[2]：

式中 Z—局部阻力，Pa；

ξ—局部阻力系數(shù)。

通過理論計(jì)算可以得出所選離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和靜壓，但這并不是風(fēng)機(jī)選型的最終參數(shù)。第一是由于離心風(fēng)機(jī)本身參數(shù)存在測試方式與實(shí)際的安裝使用方式不同；第二是裝置實(shí)際使用方式是風(fēng)管路為閉式循環(huán)，而依據(jù)GJB5401-2005的艦載雷達(dá)密閉式電子機(jī)柜專用空調(diào)機(jī)組規(guī)范，裝置的風(fēng)量和風(fēng)壓是進(jìn)行開放式測試，按規(guī)范進(jìn)行測試時(shí)在裝置的進(jìn)風(fēng)口處存在多余的局部阻力及動能損失。因此，在離心風(fēng)機(jī)選型時(shí)選型參數(shù)應(yīng)適當(dāng)預(yù)留余量。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

裝置的結(jié)構(gòu)一般分為臥式和立式兩種結(jié)構(gòu)形式，兩種結(jié)構(gòu)的部件布置形式如圖3所示。兩種結(jié)構(gòu)形式的送回風(fēng)方式一般為頂送頂回或頂送側(cè)回的方式。裝置的結(jié)構(gòu)具體采用什么形式，主要從性能能否達(dá)到要求、結(jié)構(gòu)尺寸是否合理以及外形尺寸是否協(xié)調(diào)等方面進(jìn)行考慮。依據(jù)設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)，臥式結(jié)構(gòu)主要適用于熱負(fù)荷Q或和風(fēng)量W要求較大的場合，臥式結(jié)構(gòu)主要適用于熱負(fù)荷Q和風(fēng)量W要求較小的場合。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)確定方式

5 防凝露及凝結(jié)水排放

如圖1所示，裝置的回風(fēng)口和送風(fēng)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(huán)境條件下裝置表面出現(xiàn)凝露現(xiàn)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(yīng)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(yīng)的密封工藝進(jìn)行密封。

裝置具有降溫除濕的功能，雖然整個通風(fēng)管路是一個閉式循環(huán)，但是管路在實(shí)際使用過程中還會存在熱濕交換，循環(huán)空氣經(jīng)過蒸發(fā)器后會不停地出現(xiàn)凝結(jié)水。因此裝置必須進(jìn)行凝結(jié)水排放過程設(shè)計(jì)。一般情況下，凝結(jié)水首先積聚在低溫腔的底部，然后通過導(dǎo)流管將凝結(jié)水導(dǎo)流至裝置底部，再通過底部凝結(jié)水排放管排入外部排水管路系統(tǒng)中。其中凝結(jié)水導(dǎo)流過程的設(shè)計(jì)比較關(guān)鍵。因?yàn)榈蜏厍皇且粋€具有幾百至幾千帕的負(fù)壓腔，既要保溫密封，又要留有導(dǎo)流管以排除低溫腔的凝結(jié)水。導(dǎo)流管的流通口徑設(shè)計(jì)過大，外部空氣大量進(jìn)入循環(huán)空氣中，可能導(dǎo)致熱負(fù)荷增加和將外部鹽霧以及灰塵等進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，影響設(shè)備使用。若導(dǎo)流管設(shè)計(jì)口徑過小，由于低溫腔內(nèi)部是負(fù)壓，會出現(xiàn)凝結(jié)水封堵導(dǎo)流管現(xiàn)象，凝結(jié)水很難排出。在負(fù)壓較大的情況下，導(dǎo)流管必須進(jìn)行合理的管內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證凝結(jié)水順利排出。

6 結(jié)語

我國目前大部分特種電子機(jī)柜還是采用開放式的空氣冷卻方式，使用專用空調(diào)風(fēng)裝置對特種電子機(jī)柜進(jìn)行冷卻才剛開始，專用空調(diào)裝置與上級系統(tǒng)聯(lián)機(jī)使用以及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)等方面積累較少，因此專用空調(diào)裝置設(shè)計(jì)、試驗(yàn)方法等方面值得深入的研究和探討。本文綜合了作者的設(shè)計(jì)、使用以及維護(hù)等方面的經(jīng)驗(yàn)，提出了以下四條專用空調(diào)裝置設(shè)計(jì)思路：

（1）分析了一種特種電子機(jī)柜專用空調(diào)裝置的系統(tǒng)流程以及具有的特點(diǎn)；

（2）提出了一種特種電子機(jī)柜專用空調(diào)裝置的系統(tǒng)匹配的計(jì)算方法；

（3）分析了裝置個部件的選型思路和裝置風(fēng)量靜壓的匹配方法；

（4）總結(jié)了裝置的一般結(jié)構(gòu)形式以及放凝露和凝結(jié)水排放措施。

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[1]鄭賢德.制冷原理與裝置[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]薛殿華.空氣調(diào)節(jié)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[3]鐘根仔.艦船用密閉機(jī)柜電子機(jī)柜專用空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].制冷與空調(diào)，2008，8（4）：77～80.