船用密闭式电子机柜专用空调装置设计特性分析

钟根仔， 侯春枝， 魏纪君， 郑荣波， 丁东旭

（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230088）

0 引言

船用密闭式电子机柜专用空调装置（以下简称“专用空调装置”）是给雷达电子机柜提供一定温度、相对湿度、流量以及静压的循环空气，以带走电子机柜的发热量，给电子机柜内的电子元器件提供一个良好的温湿度环境。我国早在2005年就制定了标准号为GJB5401-2005的舰载雷达密闭式电子机柜专用空调机组规范。规范规定了装置的送风温度、送风相对湿度以及装置的试验及检测方法等，为设计人员提供了有力的设计依据。由于装置服务对象的特殊性，装置的设计有其特点，以下将从装置的流程组成、性能匹配、风量风压匹配、结构以及防凝露等方面对装置的设计特性进行分析。

1 流程和组成[1]

专用空调装置使用的环境要求为环境温度为-15～40℃、环境相对湿度高达90%时能够正常运行，且热负荷是变化的，这要求专用空调系统不仅在电子机柜满热负荷的情况下能够正常运行，而且在没有或有部分电子机柜热负荷的状态下也能够正常运行，并具有稳定的送风状态。根据电子机柜工作环境适应性以及在不同的工况工作时的发热特性，装置应实现以下功能：

（1）在电子机柜开机前规定的时间内达到送风状态；

（2）电子机柜发热量处于饱和以及非饱和状态时能够维持送风状态；

（3）具有低温预热功能。

根据以上三个功能，专用空调装置的典型流程如图1所示。该流程包括的主要设备有压缩机、海水冷凝器、翅片式蒸发器、挡水板、冷凝回热器、电加热器以及制冷附件。其控制温湿度原理为从电子机柜回来的循环空气首先经过制冷系统的蒸发器进行降温除湿，循环空气的干湿球温度降至对应的温度范围后，经过挡水板，将混合在循环空气中的部分凝结水分离出来，然后依次经过冷凝回热器和电加热器，对循环空气的温湿度进行调节，调节循环空气温度和相对湿度至规定值范围后再由风机送入电子机柜。

2 性能匹配分析

2.1 装置的匹配计算[3]

图2展示了装置各部件匹配计算的一种方法。该计算方法基于以下三个假设：

（1）假设循环风系统考虑漏风率为σ的漏风量；

（2）假设漏出风量发生在装置出风口至电子机柜进风口段，漏进风量发生在电子机柜出风口至装置的进风口段；

（3）其它漏热负荷已包括在总热负荷Q中。

图2中各参数计算方式如下：

式中 W1—电子机柜回风量，m3/h；

tsg—送风干球温度，℃；

Q—总热负荷，kW；

Cp—空气比热容，kJ/（kg·℃）；

ρ—空气密度，kg/m3；

Δt—电子机柜送、回风温差，℃；

W2—漏风量，m3/h；

σ—漏风率；

W—总风量，m3/h；

hzh—专用空调机总回风焓值，kJ/kg；

hl—漏风焓值，kJ/kg；

hh—电子机柜回风焓值，kJ/kg；

Q1—最小回热量，kW；

hs—送风焓值，kJ/kg；

hls—送风露点焓值，kJ/kg；

Q0—制冷量，kW；

Q2—最大回热量，kW；

ξ1—系数。

2.2 部件选型

（1）压缩机：由于装置专用空调机使用于舰船上，舰船在系泊和行使过程中会发生大小不同的左右和前后摇摆。所以专用空调机使用的压缩机应能够在舰船横摇±45°、周期3～14s以及纵摇±10°、周期3～14s的范围内正常运转。目前涡旋压缩机、船用活塞式制冷压缩机目前被许多厂家成功的应用于舰船领域。

（2）翅片式蒸发器和翅片式冷凝回热器：由于使用于高湿、高盐雾、高腐蚀性的环境中，换热器的换热管和翅片应采用铜材或钛材，换热器端板不能采用渡锌板，应采用不锈钢板制作。

（3）冷凝器：装置采用海水冷却的形式，因此与海水直接接触的部件应采用耐海水腐蚀较强的材料制作。如冷凝器换热管、外围海水管路采用耐海水腐蚀较强的BFe10-1-1或BFe30-1-1材料；壳管式冷凝器的管板由于一面与制冷剂接触，一面与海水接触，其材料可采用不锈钢和BFe10-1-1或钛材等的复合板，端盖可使用铸铝青铜铸件。

另外，在冷凝器的冷凝负荷配置上，也与民用专用空调机不同。装置冷凝负荷分外两部分：一部分由冷凝回热器带走，其余的由冷凝器带走。因此为了减小设备的体积和重量，一般按以下方式进行冷凝器的热负荷匹配：

冷凝负荷：

式中 Qk—冷凝负荷，kW；

Wg—压缩机设计工况点的功率，kW；

Wh—根据图2方法计算的回热量，kW；

ξ2—系数，取0.8～0.9。

（4）离心风机：由于离心式风机使用于高盐雾环境中，为保证风机长期稳定运行，应采用舰船用离心式风机。

（5）电加热器：电加热器在专用空调机中有两个作用，一是辅助冷凝回热器调节专用空调系统的供风温湿度，二是在低温工况下对循环空气进行预热到送风温度。电加热器配置功率取两者中耗功最大者。

3 风量静压匹配分析

装置的设计过程中，离心风机选型尤为关键。风机选型主要有风量和静压两个参数决定。依据电子机柜的温度设计特性，结合装置的可行性，电子机柜的循环空气温差一般取10～12℃。因此循环风量可按以下方式进行确定：

风机静压是由整个循环管系的阻力决定。循环管系的阻力包括两个部分：一部分是装置自身的内部阻力；另一部分是装置进出风口之间的通风管路总阻力。装置自身阻力包括翅片式蒸发器、空气过滤器、冷凝回热器等部件阻力以及空气流道阻力。空气过滤器滤芯一般采用折叠式玻璃纤维等材料，阻力范围一般在20～45Pa之间。翅片式蒸发器和冷凝回热器的阻力可计算得到，阻力计算式如下[1]：

式中 Δp—翅片式换热器阻力，Pa；

ξ1—湿工况阻力系数，湿工况下ξ1取1.2，干工况下ξ1取0；

g—重力加速度，m/s2；

A—系数，光管肋片A取0.007，光管肋片A取0.0133；

L/deq—换热器的长径比；

ωmax—换热器的最窄截面风速，m/s。

装置进出风口之间的通风管路总阻力包括风管的直管段摩擦阻力以及三通、弯头等局部阻力。摩擦阻力计算式[2]：

式中 Δpm—摩擦阻力，Pa；

λ—摩擦阻力系数；

Rs—风道水力半径，m；

l—风管长度，m；

υ—风道内空气平均流速，m/s。

局部阻力计算式[2]：

式中 Z—局部阻力，Pa；

ξ—局部阻力系数。

通过理论计算可以得出所选离心风机的风量和静压，但这并不是风机选型的最终参数。第一是由于离心风机本身参数存在测试方式与实际的安装使用方式不同；第二是装置实际使用方式是风管路为闭式循环，而依据GJB5401-2005的舰载雷达密闭式电子机柜专用空调机组规范，装置的风量和风压是进行开放式测试，按规范进行测试时在装置的进风口处存在多余的局部阻力及动能损失。因此，在离心风机选型时选型参数应适当预留余量。

4 结构设计分析

装置的结构一般分为卧式和立式两种结构形式，两种结构的部件布置形式如图3所示。两种结构形式的送回风方式一般为顶送顶回或顶送侧回的方式。装置的结构具体采用什么形式，主要从性能能否达到要求、结构尺寸是否合理以及外形尺寸是否协调等方面进行考虑。依据设计使用经验，卧式结构主要适用于热负荷Q或和风量W要求较大的场合，卧式结构主要适用于热负荷Q和风量W要求较小的场合。

图3 装置结构确定方式

5 防凝露及凝结水排放

如图1所示，装置的回风口和送风口之间是一个封闭的腔体，且基本都是低温腔。为了防止在高温高湿环境条件下装置表面出现凝露现象，可采取以下措施：1）对包含此低温腔的表面采取保温措施，并应采用阻燃性保温材料；2）对包含此低温腔的表面面板、检修门等接口处采取相应的密封工艺进行密封。

装置具有降温除湿的功能，虽然整个通风管路是一个闭式循环，但是管路在实际使用过程中还会存在热湿交换，循环空气经过蒸发器后会不停地出现凝结水。因此装置必须进行凝结水排放过程设计。一般情况下，凝结水首先积聚在低温腔的底部，然后通过导流管将凝结水导流至装置底部，再通过底部凝结水排放管排入外部排水管路系统中。其中凝结水导流过程的设计比较关键。因为低温腔是一个具有几百至几千帕的负压腔，既要保温密封，又要留有导流管以排除低温腔的凝结水。导流管的流通口径设计过大，外部空气大量进入循环空气中，可能导致热负荷增加和将外部盐雾以及灰尘等进入设备内部，影响设备使用。若导流管设计口径过小，由于低温腔内部是负压，会出现凝结水封堵导流管现象，凝结水很难排出。在负压较大的情况下，导流管必须进行合理的管内结构设计，保证凝结水顺利排出。

6 结语

我国目前大部分特种电子机柜还是采用开放式的空气冷却方式，使用专用空调风装置对特种电子机柜进行冷却才刚开始，专用空调装置与上级系统联机使用以及维护经验等方面积累较少，因此专用空调装置设计、试验方法等方面值得深入的研究和探讨。本文综合了作者的设计、使用以及维护等方面的经验，提出了以下四条专用空调装置设计思路：

（1）分析了一种特种电子机柜专用空调装置的系统流程以及具有的特点；

（2）提出了一种特种电子机柜专用空调装置的系统匹配的计算方法；

（3）分析了装置个部件的选型思路和装置风量静压的匹配方法；

（4）总结了装置的一般结构形式以及放凝露和凝结水排放措施。

：

[1]郑贤德.制冷原理与装置[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]薛殿华.空气调节[M].北京：清华大学出版社，1999.

[3]钟根仔.舰船用密闭机柜电子机柜专用空调系统设计探讨[J].制冷与空调，2008，8（4）：77～80.