大功率短波发射机冷凝器的自主化设计

田曙光

（作者单位：国家新闻出版广电总局594台）



大功率短波发射机冷凝器的自主化设计

田曙光

（作者单位：国家新闻出版广电总局594台）

摘 要：本文对TSW2500型短波发射机冷却系统进行介绍，并对该型发射机冷凝器自主化设计过程中的一些技术要点，以及风机温度控制改进部分予以分析和阐述，并据其技术参数和实测数据的对比，对自主化冷凝器实际上机的冷却效果进行验证。

关键词：发射机；冷却系统；冷凝器；自主化设计

1 TSW2500型短波发射机水冷系统

TSW2500型短波发射机水冷系统用于冷却机上所有大功率元器件，所含射频末级、射频驱动级电子管V1、调谐线和真空电容等。因为水要流入电路元件的带电部位，所以，只能使用含矿物杂质很低的水（即水导值非常低），该型发射机冷却实际使用的是蒸馏水。

设计的水冷回路是一个封闭回路（如图1所示），热量通过冷凝器（风水热交换器）散发出去。水冷回路中装有离子交换器，用来降低水导值（水导值是通过一个专用装置来监测的）。TH576末级电子管采用超蒸发冷却方式。水高速流过冷凝器，发热的屏极蒸发部分水，高速水流带走和冷凝刚刚产生的蒸汽泡；理论上出水温度可达到90℃，但在实际播音中约为70℃上下，实际值取决于发射机的调幅度，冷却系统具有非常高的散热能力，从而确保大功率电子管的运行安全。

冷却单元是一次冷却回路的核心部分，包括水泵、水箱、阀门、流量表、水压表和温度传感器、一个细铜网过滤器和一个离子交换器，整个系统的功能都被监测，所有重要的监测装置（流量计、水位监测、水导测量）都带有指示，可透过门上的玻璃看到。

冷却单元通过安装在射频机箱顶的水管连接到发射机的射频部分，接到其他需冷却的元器件（如TSM放大器、平衡转换器和VHF滤波器）的各个分支水管也安装在射频机箱顶。水从RF部分的各个入口处流入，各个支路的回水通过单独的水管返回水箱。

水泵将水箱中的蒸馏水送入射频末级电子管蒸发锅、调谐线、真空电容和末级电子管座，在水泵的出水管上装有一个水压表和一个细铜网过滤器。

发射机中功耗最大的部分是末级电子管，其他线路中的功耗只占很小的比例，以500kW发射机举例说明，其高末电子管额定工作电压14kV，高末电子管额定工作电流40 A，那么其屏极损耗为：

APD=14kV×40A×10%=56kW

所以，射频末级电子管的出水要经冷凝器进行特超蒸冷后流回水箱（二次冷却系统），冷凝器在对电子管的冷却方面具有重大作用，同时，冷凝器的性能也决定了电子管的使用安全和寿命。

图1 发射机水冷系统框图

其他冷却回路的回水经一个流量计直接流回水箱。末级电子管的进、出水水温用温度接点K111、K112监控；离子交换器用来提高净化水水质，水导测量单元用来监测水质。除水压表外，其他监测设备都装有辅助接点，接入发射机控制系统，如果水流量不足或温度过高，会关掉发射机。

发射机的二次冷却采用冷凝器直接冷却蒸馏水的方式。冷凝器安装在发射机房旁边的冷凝器室，发射机的高末电子管出水口和冷凝器进水口相连，发射机的水箱和冷凝器出水口相连。高末电子管的出水经进入冷凝器冷却后，再由冷凝器的出水口流回发射机水箱。

图2 国产冷凝器设计图

2 大功率发射机冷凝器国产化设计

TSW2500型短波发射机装配了高效能的冷凝器设备，但随着时间的推移，部分进口冷凝器在运行播出中出现散热水管腐蚀老化、多处发现砂眼漏水等问题。由于进口冷凝器的散热排管布置过于密集、空间位置狭小，致使值班人员例行巡视时很难第一时间发现漏水等危急情况，这给设备正常播出带来了很大安全隐患。加之进口冷凝器造价昂贵、供货周期长等不利因素，短期内无法彻底解决其保障安全播出的供需矛盾，随决定对其进行国产化设计、生产专项技改。

2.1 进口冷凝器的技术参数

（1）使用水质：蒸馏水；排水量：12.9吨／小时；

（2）进水口水温：77 ℃；出水口水温：48 ℃；

（3）散热片间距：2.4 mm；换热面积：442.8 m2；

（4）进、出水口水流速度和压力：检测压力8 bar；系统工作压力3 bar；

（5）设备使用的环境温度：≤40℃；设备使用的环境粉尘含量：普通空间；

（6）每台风机的配置为：

①风叶直径Φ800 mm，叶片数为7片，风叶间距2.4 mm；

②电机功率：1.3kW，4极，3相，380 V；转速1440 rpm，电流：6.8 A；

③静压：300Pa；=单风机风量10 500 m2/h；设备总风量42 000 m2/h。

2.2 冷凝器国产化

根据进口冷凝器的进、出水参数，国产冷凝器的设计如图2所示。

根据发射机冷却换热面积要求，我们对冷凝器各项参数进行了优化设计。换热面积计算公式：

F=[2(a·b) -π（d/2）2·e]·c

其中，a为翅片板的宽度；b为翅片板的高度；c为翅片板的数量；d为换热器的直径；e为换热器的根数。

该冷凝器铜管外径为Φ12.7 mm，铜管数量为336根，换热片的宽度198 mm，长度为2 128mm，数量为584片，其换热面积计算如下：

根据F={2(a·b)- π·(d/2）2·e]·c

F = [ 2×( 1 9 8×2 1 2 8 ) -3.14×(12.7/2)2×336]×584

F=[0.8427m<上标> 2上标-0.0426m<上标> 2上标]×584

F=0.8001m<上标> 2上标×584

F=467.4m<上标> 2上标

为达到与进口产品同等性能的技术参数，我们同时对风机进行了改进。

进口产品：单电机1.3kW、4台×10500 m2/h、设备总风量42000 m2/h；

国产设备：单电机1.5kW、4台×12000 m2/h、设备总风量480000 m2/h。

根据冷凝器国产化设计图纸和实际上机测试结果，国产设备技术参数如下：

（1）使用水质：蒸馏水；排水量：25吨／小时；

（2）进水口水温：100℃； 出水口水温：48℃；

图3 冷凝器风机闭锁图

（3）散热片间距：3.0mm；换热面积467.4m2；

（4）进、出水口水流速度和压力：检测压力11 bar；系统工作压力3.5 bar；

（5）设备使用的环境温度：≤40℃；设备使用的环境粉尘含量：普通空间；

（6）进、出水口管径：Φ54；

对比上述计算和两台冷凝器各项参数，可知该台国产冷凝器的各项技术指标完全达到进口冷凝器的参数要求，甚至还超越了进口产品的性能。

2.3 冷凝器风机温度控制

原先冷凝器的四个风机为串联控制，当发射机冷凝器有一个风机有异态时，会造成闭锁打开，发射机告警二次冷却系统故障引起停播。为避免停播，我们将控制线路改为两两并联后再串联。这样也为冷凝器的温度控制打下基础，如图3所示。

冬天的冷凝器室温度较低，尤其是晚上，发射机在不播音的间隙是热备运行，这时，四台风机还在正常工作，易造成冷凝器自身水温过低而导致换热排管冻裂，所以，我们在闭锁改造的基础上又对冷凝器风机进行了温度控制改造，如图4所示。

这里，将温度控制器安装在发射机水箱的进水主管道上，并在控制器上设置门限温度。正常情况下，当进水温度高于门限温度时，常闭接点闭合，四个风机同时工作；当进水温度低于门限温度时，常闭接点打开，此时只有两个风机正常工作，这样，就避免了冷凝器发生水温过低现象。此项技改有效的解决了冬季冷凝器水温过低等极端情况的发生，目前，可保证冷凝器室夜间温度在10 ℃以上，水温在15 ℃以上。

2.4 实际应用冷却数据对比

实际应用中，我们在夏季、冬季分别对进口与国产冷凝器的冷却效果进行了测试对比。测量记录数据如表1和表2所示。

图4 冷凝器风机温度控制图

从实际测试的数据对比来看，进口冷凝器的进水口、出口水温差大概在4～5℃间，而国产冷凝器的进、出口水温差维持在5～7℃间。实测数据说明，国产冷凝器的冷却效果完全达到了进口设备的指标要求，可以满足发射机正常工作的冷却需求。

表1 冷凝器进、出水水温对比（夏季）

表2 冷凝器进、出水水温对比（冬季）

3 结语

目前，国产冷凝器已上机投入正常使用，各项性能参数均达到进口冷凝器的标准，尤其在进风量、热交换及冷却效果等方面的指标还优于进口冷凝器。通过对冷凝器风机温度控制的改造，使冷凝器运行更加安全可靠，避免了环境温度过低导致冷凝器排管冻裂情况的发生。国产冷凝器安全运行实测效果良好，且完全满足大批量生产的需求，社会经济效益显著，同时，也为大功率短波发射机其他附属设备的国产化积累了有益的设计改造经验。

参考文献：

[1]李美玲,陈剑波.风冷冷凝器的优化设计[J].流体机械,1990(6).

[2]郜义军,韩宗伟,李先庭,等.提高风冷冷凝器换热能力的措施[J].广州大学学报(自然科学版),2011(8).

[3]黄浩亮,陈华,欧阳惕.7管风冷冷凝器翅片密度对整机性能影响的实验研究[J].制冷,2013(12).