朱偉明，丁東旭

（1-海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913；2-合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031）

密閉機(jī)柜用循環(huán)通風(fēng)裝置的研究

朱偉明*1，丁東旭2

（1-海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913；2-合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031）

本文以密閉機(jī)柜冷卻為研究對象，根據(jù)循環(huán)通風(fēng)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行了循環(huán)通風(fēng)裝置降溫除濕設(shè)計(jì)；在控制系統(tǒng)上采用了可編程控制器（PLC），冷凝回?zé)崤c電加熱相結(jié)合的方式進(jìn)行溫度控制，提高了自動(dòng)化水平以及可靠性。通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析證明了循環(huán)通風(fēng)裝置的應(yīng)用價(jià)值和可推廣性。

密閉機(jī)柜；循環(huán)通風(fēng)裝置；回?zé)?/p>

0　引言

隨著武器裝備的快速發(fā)展，武器裝備的科技含量越來越高，尤其是電子、控制領(lǐng)域的發(fā)展更是日新月異。為了提高或保證高科技武器的可靠性，往往對裝備的使用環(huán)境提出更高的要求，艦載用密閉式電子機(jī)柜就是其中的典型代表。劉永曾對艦載電子設(shè)備循環(huán)風(fēng)冷式密閉機(jī)柜進(jìn)行探討［1］，提出艦用密閉機(jī)柜是一種有效抗惡劣環(huán)境的隔離方式，它對提高包括雷達(dá)在內(nèi)的艦用電子裝備的可靠性、降低故障率、延長設(shè)備壽命都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是采用密閉式電子機(jī)柜后，電子設(shè)備的熱量該如何散出。密閉機(jī)柜用循環(huán)通風(fēng)裝置能將電子機(jī)柜的熱量散出，為密閉機(jī)柜提供溫度和濕度相對較低的冷卻空氣，從而為密閉機(jī)柜創(chuàng)造一個(gè)良好的工作環(huán)境，提高密閉機(jī)柜的工作穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命，滿足用戶的要求。

目前，國外的船用電子機(jī)柜均采用專用設(shè)備對其進(jìn)行冷卻，以保證其工作的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命，但是國外的專用設(shè)備相對價(jià)格較高，同時(shí)售后維修價(jià)格高、周期長，不能很好地保證用戶的使用。而我國艦載電子機(jī)柜冷卻的研究起步較晚，多采用強(qiáng)制冷卻措施，效果差，設(shè)備老化較快，性能不穩(wěn)定，有的采用艙室空調(diào)進(jìn)行冷卻，溫度滿足電子機(jī)柜要求，但是濕度較高，無法保證其正常穩(wěn)定的工作。在我國移動(dòng)基站中的密閉機(jī)柜也是通過環(huán)境空氣對中間介質(zhì)的冷卻［2］，達(dá)到對密閉機(jī)柜冷卻的效果，其冷卻效果相對艦載循環(huán)通風(fēng)裝置較差，艦載循環(huán)通風(fēng)裝置能對密閉式電子機(jī)柜送風(fēng)溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，冷卻效果較好。

1　密閉機(jī)柜用循環(huán)通風(fēng)裝置設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)要求

通風(fēng)裝置的主要功能是為密閉機(jī)柜提供溫度、濕度和品質(zhì)符合要求的空氣，以實(shí)現(xiàn)對密閉機(jī)柜循環(huán)通風(fēng)換熱。對此，經(jīng)分析設(shè)計(jì)為直冷式冷卻除濕，具體空氣循環(huán)流程如圖1所示。

圖1　空氣循環(huán)流程

通風(fēng)裝置提供的溫度、濕度符合要求的空氣輸送至機(jī)組的出風(fēng)口，經(jīng)布置的風(fēng)管到達(dá)機(jī)柜，以實(shí)現(xiàn)對密閉機(jī)柜的換熱，使其正常的工作。經(jīng)換熱溫度升高的空氣由通風(fēng)機(jī)組回風(fēng)口導(dǎo)入，首先經(jīng)過空氣過濾器進(jìn)行過濾，過濾后的空氣流經(jīng)制冷循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器，在流經(jīng)蒸發(fā)器與翅片內(nèi)側(cè)的制冷劑換熱時(shí)，循環(huán)空氣溫度降低到露點(diǎn)以下，使空氣中的水分凝結(jié)析出，經(jīng)降溫除濕后的空氣流經(jīng)擋水板，達(dá)到去除空氣中的水分目的，然后流經(jīng)冷凝回?zé)崞骱碗娂訜崞髡{(diào)節(jié)溫度和濕度，從而滿足送風(fēng)溫度和濕度的要求［3］。

技術(shù)要求具體如下：

工作環(huán)境溫度為-10℃～+50℃，其中高溫高濕環(huán)境溫度為（40±2）℃，相對濕度（93±3）%；

送風(fēng)溫度（21±1）℃，送風(fēng)濕度≤55%；

送風(fēng)空氣中的含塵量不大于10 mg/m3；

密閉式電子機(jī)柜額定通風(fēng)量時(shí)的壓力損失為600 Pa；

密閉式電子機(jī)柜的單機(jī)熱負(fù)荷為 4 kW，數(shù)量為4臺(tái)，額定送風(fēng)量為5，600 m3/h；

漏風(fēng)量為額定送風(fēng)量的（2～3）%。

2　密閉機(jī)柜用循環(huán)通風(fēng)裝置設(shè)計(jì)

為了有效對抗惡劣環(huán)境，將通風(fēng)裝置設(shè)計(jì)為一密閉箱體。通風(fēng)裝置是由制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以及相關(guān)附件組成的。循環(huán)通風(fēng)裝置系統(tǒng)流程圖如圖 2所示。

圖2　循環(huán)通風(fēng)裝置系統(tǒng)流程圖

為了滿足船用條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取防腐設(shè)計(jì)，面板、箱體結(jié)構(gòu)均采用1Cr18Ni9Ti進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

通風(fēng)裝置主要由制冷壓縮機(jī)、冷凝器（包括冷凝回?zé)崞骱退淅淠鳎?、蒸發(fā)器以及膨脹閥、電加熱器、空氣過濾器、送風(fēng)機(jī)組和控制箱以及相關(guān)附件與連接管組成的。該系統(tǒng)與常規(guī)制冷系統(tǒng)不同的是此處增設(shè)了一臺(tái)冷凝回?zé)崞?，該冷凝回?zé)崞髂軐λ惋L(fēng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少電加熱的投入。下面詳細(xì)介紹各個(gè)部件的設(shè)計(jì)。

2.1制冷壓縮機(jī)

制冷壓縮機(jī)是通風(fēng)裝置的心臟，是通風(fēng)裝置的重要部件。由于半封閉式制冷壓縮機(jī)不僅具有工藝成熟、可靠性較高、符合艦船使用要求的特點(diǎn)，而且還具有能量調(diào)節(jié)（分級調(diào)節(jié)）的功能［4］。雖然其重量相對較重，且變頻技術(shù)不宜應(yīng)用，由于它具有能量調(diào)節(jié)的功能，又適宜應(yīng)用于工藝空調(diào)裝置中，因此通過技術(shù)分析與比較，決定選用半封閉式制冷壓縮機(jī)，參數(shù)見表1。該壓縮機(jī)帶卸載及船用油槽，外形如圖3。

表1　壓縮機(jī)參數(shù)

圖3　壓縮機(jī)外形圖

2.2送風(fēng)機(jī)組

送風(fēng)機(jī)是通風(fēng)裝置的重要部件，根據(jù)技術(shù)要求和初步設(shè)計(jì)計(jì)算，本文選用符合艦船環(huán)境要求的國產(chǎn)艦用離心通風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)參數(shù)和外形見表2和圖4。

表2　風(fēng)機(jī)參數(shù)

圖4　風(fēng)機(jī)外形圖

2.3水冷冷凝器

水冷冷凝器是通風(fēng)裝置中的重要部件之一。經(jīng)技術(shù)分析與比較，由于殼管式水冷冷凝器的工藝成熟，本文采用殼管式水冷冷凝器。由于水冷冷凝器與海水長期接觸，為了增強(qiáng)其防腐性能，故設(shè)計(jì)冷凝器換熱管采用耐海水腐蝕的高效 BFe30-1-1銅管。冷凝器的參數(shù)和外形見表3和圖5。

表3　水冷冷凝器的參數(shù)

圖5　冷凝器外形圖

2.4蒸發(fā)器

該通風(fēng)裝置屬于特種用途的空氣調(diào)節(jié)機(jī)，其蒸發(fā)器采用翅片式換熱器結(jié)構(gòu)。由于受通風(fēng)裝置外形尺寸的限制，為確保該蒸發(fā)器換熱能力，經(jīng)計(jì)算蒸發(fā)器設(shè)計(jì)為8排管；為使蒸發(fā)器適應(yīng)船用環(huán)境條件的要求，并增強(qiáng)其防腐性能、延長其使用壽命，擬設(shè)計(jì)為銅管/銅翅片，端板材料擬設(shè)計(jì)采用1Cr18Ni9Ti板材。蒸發(fā)器的參數(shù)和外形見表 4和圖6。

表4　蒸發(fā)器參數(shù)

圖6　蒸發(fā)器外形圖

2.5冷凝回?zé)崞?/p>

空氣流經(jīng)通風(fēng)機(jī)組中的蒸發(fā)器后，即達(dá)到了降溫/除濕的目的。但經(jīng)降溫/除濕后的空氣必須經(jīng)過再熱升溫后才能達(dá)到所要求的送風(fēng)溫度和濕度要求。由于受通風(fēng)機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸的限制，為充分降低運(yùn)行耗電量，達(dá)到節(jié)能的目的，其空氣的再熱升溫由冷凝回?zé)崞骱碗娂訜崞鲀蓚€(gè)部分來實(shí)現(xiàn)。冷凝回?zé)崞靼惭b在擋水板之后，經(jīng)計(jì)算，冷凝回?zé)崞髟O(shè)計(jì)為3排管；為使其適應(yīng)船用環(huán)境條件的要求，增強(qiáng)其防腐性能、延長使用壽命，采用銅管/銅翅片，端板材料采用1Cr18Ni9Ti板材。冷凝回?zé)崞鞯膮?shù)和外形見表5和圖7。

表5　冷凝回?zé)崞鲄?shù)

圖7　冷凝回?zé)崞魍庑螆D

2.6電加熱器

電加熱器對空氣進(jìn)行加熱是最直接的一種方式，既節(jié)省空間，又便于控制。為使通風(fēng)裝置在低溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)，快速達(dá)到送風(fēng)溫度的要求，在該通風(fēng)機(jī)組中，設(shè)計(jì)采用電加熱器對循環(huán)空氣進(jìn)行加熱。

通風(fēng)裝置在較低環(huán)境條件下初始運(yùn)行時(shí)，僅電加熱器和送風(fēng)機(jī)組投入運(yùn)行（對低溫空氣進(jìn)行預(yù)熱）。

電加熱電源為220 V/50 Hz，功率為2，000 W，所有材料為不銹鋼材料加工。電加熱外形圖見圖8。

圖8　電加熱外形圖

2.7膨脹閥

膨脹閥屬節(jié)流裝置。其設(shè)計(jì)選型時(shí)需考慮制冷系統(tǒng)的制冷能力及其運(yùn)行條件等兩個(gè)方面的因素。設(shè)計(jì)選用外平衡式熱力膨脹閥，接口尺寸為進(jìn)口7/8英寸、出口9/8英寸。

2.8空氣過濾器

空氣過濾器設(shè)置于通風(fēng)機(jī)組進(jìn)風(fēng)口內(nèi)側(cè)，其拆卸較為方便。經(jīng)分析要使送風(fēng)空氣的含塵量達(dá)到≤10 mg/m3的要求，僅需采用平板式中效過濾器即可。過濾器的初阻力為 70 Pa，推薦的終阻力為160 Pa ～200 Pa。終阻力的設(shè)計(jì)限值確定為180 Pa，當(dāng)其前后壓差（阻力）大于180 Pa時(shí)，即予以報(bào)警。當(dāng)有該項(xiàng)報(bào)警時(shí)，即應(yīng)清洗或更換空氣過濾器。圖9為空氣過濾器外形圖。

圖9　空氣過濾器外形圖

2.9電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通風(fēng)裝置的電氣控制系統(tǒng)由一臺(tái)內(nèi)嵌式控制箱、一臺(tái)遙控箱、通風(fēng)裝置執(zhí)行器件（如壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、電加熱器等執(zhí)行器）及現(xiàn)場檢測儀表組成。循環(huán)通風(fēng)裝置的電氣控制系統(tǒng)采用SIEMENS公司的S7-300系列可編程序控制器（簡稱PLC）作為控制系統(tǒng)核心部件；配用SIEMENS公司的操作顯示器作為“人機(jī)界面”；配用施耐德公司船用系列低壓電器產(chǎn)品。

PLC控制系統(tǒng)采用西門子S-300系列單元和模塊，來實(shí)現(xiàn)循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)各參數(shù)的檢測，控制、顯示和報(bào)警，擴(kuò)展模塊可通過主單元的擴(kuò)展接槽直接與其連接［5-6］?？刂葡到y(tǒng)組成框圖如圖10所示。

圖10　控制系統(tǒng)組成框圖

循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)主要步驟如下。

1）程序初始化：利用 0B100模塊復(fù)位所有中間繼電器，寄存器清零，回?zé)嵴{(diào)節(jié)閥和三通調(diào)節(jié)閥君定位在50%閥位。

2）傳感器信號讀入：送風(fēng)溫度、送風(fēng)濕度。

3）顯示器輸出：各種顯示模式，包括啟動(dòng)、運(yùn)行、切換、故障、內(nèi)部參數(shù)和設(shè)定值更改與顯示［7-10］。

4）開機(jī)順序：首先啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，再根據(jù)送風(fēng)溫度和濕度的參數(shù)值與設(shè)定值的比較依次開啟 1#電加熱、2#電加熱、壓縮機(jī)，若同時(shí)達(dá)到啟動(dòng)條件，依照順序分別延時(shí)3 s。

5）運(yùn)行調(diào)節(jié)：溫度調(diào)節(jié)，根據(jù)設(shè)定溫度值和當(dāng)前送風(fēng)溫度，使用PID算法調(diào)節(jié)回?zé)嵴{(diào)節(jié)閥開度；冷凝壓力調(diào)節(jié)，在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，使用PID算法調(diào)節(jié)海水三通閥開度，使冷凝壓力穩(wěn)定在設(shè)定值［7］。

6）故障監(jiān)測與處理：發(fā)生故障時(shí)，故障標(biāo)識位置進(jìn)入“故障顯示”狀態(tài)。

7）關(guān)機(jī)順序：停機(jī)信號，壓縮機(jī)、電加熱依次復(fù)位，回?zé)嵴{(diào)節(jié)閥，三通調(diào)節(jié)閥回位至50%閥位，風(fēng)機(jī)延時(shí)60 s復(fù)位。

控制流程圖如圖11所示。

圖11　控制流程圖

3　通風(fēng)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4臺(tái)機(jī)柜的總散熱負(fù)荷為16 kW，為驗(yàn)證通風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)情況，本文采用負(fù)荷為18 kW的電加熱模擬電子機(jī)柜的散熱負(fù)荷。圖12和圖13為18 kW負(fù)荷時(shí)的送風(fēng)溫度和濕度曲線圖。

圖12　18 kW負(fù)荷時(shí)，送風(fēng)溫度曲線圖

圖13　18 kW負(fù)荷時(shí)，送風(fēng)濕度曲線圖

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，送風(fēng)溫度和濕度均滿足設(shè)計(jì)要求，循環(huán)通風(fēng)裝置運(yùn)行正常，循環(huán)通風(fēng)裝置設(shè)計(jì)使用情況完全滿足使用要求。

4　結(jié)論

電子機(jī)柜循環(huán)通風(fēng)裝置系統(tǒng)不僅在結(jié)構(gòu)上采用了密閉箱體設(shè)計(jì)，有效地提高了防腐能力，降低了噪音，而且在熱設(shè)計(jì)上采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了冷凝回?zé)岷碗娂訜嵯嘟Y(jié)合設(shè)計(jì)，綜合了回?zé)崮芎慕档偷奶攸c(diǎn)和電加熱的快捷加熱以及空間優(yōu)勢；采用了冷凝回?zé)崤c電加熱相結(jié)合的方式進(jìn)行溫度控制，提高了循環(huán)通風(fēng)裝置的自動(dòng)化水平，同時(shí)能將機(jī)組的故障信號報(bào)警提示，減少了設(shè)備的損壞。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，證明了密閉機(jī)柜循環(huán)通風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)是可行的。此循環(huán)通風(fēng)裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，在國內(nèi)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中處于領(lǐng)先地位，可推廣到其它密閉機(jī)柜的冷卻，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。

［1］ 劉永. 艦載電子設(shè)備循環(huán)風(fēng)冷式機(jī)柜［J］. 雷達(dá)與對抗，2008，4: 53-55.

［2］ 魏巍. 電信基站用新風(fēng)冷卻換熱裝置的開發(fā)應(yīng)用研究［J］. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化， 2009， 5: 14-17.

［3］ 薛殿華. 空氣調(diào)節(jié)［M］. 北京: 清華大學(xué)出版社， 2004.

［4］ 吳業(yè)正. 制冷設(shè)備及原理［M］. 3版. 西安: 西安交通大學(xué)出版社， 2010.

［5］ 廖常初. S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)［M］. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.

［6］ 黃明琪. 可編程序控制器［M］. 重慶: 重慶大學(xué)出版社，2003.

［7］ 蔣慰孫， 俞金濤. 過程控制工程［M］. 北京: 中國石化出版社， 2004.

［8］ 陳恩. 1500 kW 電子設(shè)備液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 制冷技術(shù)，2015， 35（1）: 54-58.

［9］ 侯春枝. 特種電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［J］. 制冷技術(shù)， 2013， 33（1）: 30-33.

［10］ 王麗欣. 高密度數(shù)據(jù)中心制冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 制冷技術(shù)， 2015， 35（1）: 48-53.

Study on Circulating Ventilation Device for Airtight Cabinet

ZHU Wei-ming*1， DING Dong-xu2
（1-Representative Office of Navy In Shanghai Jiangnan Shipyard（Group）Co. Ltd.， Shanghai 201913， China；2-Hefei General Machinery Research Institute， Hefei， Anhui 230031）

In the present study， an airtight cabinet cooling is studied as the research object. According to the main technical indexs， the cooling and dehumidification designs of the circulating ventilation device are carried out. The programmable controller（PLC）is adopted in the control system， and the condensing heat recovery and electric heating combination are adopted for the temperature control， which improve the automation level and reliability of the system. Through the anaysis on the practical operation data， the application value and popularization of the proposed circulation ventilation device are proved.

Airtight cabinet； Circulation ventilation device； Heat recovery

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.106

*朱偉明（1972-），男，工程師，雙學(xué)士，研究方向：船舶機(jī)電設(shè)備質(zhì)量控制及船舶輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。聯(lián)系地址：上海市長興島長興江南大道988號海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，郵編：201913。