某軍事雷達用風冷一體式冷卻系統的設計案例

鄭秀萍 王偉東 楊 玥 郇 偉

（樂金空調（山東）有限公司，山東 青島 266109）

某軍事雷達用風冷一體式冷卻系統的設計案例

鄭秀萍 王偉東 楊 玥 郇 偉

（樂金空調（山東）有限公司，山東 青島 266109）

概述了軍事雷達用風冷式一體機組的功能要求，對其系統設計選型，主要包括水系統水箱、水泵和制冷模塊機組等，為惡劣工況下風冷機的穩(wěn)定性設計提出了獨特的解決方案。

冷卻系統LRCS330；水泵；水箱；模塊機；穩(wěn)定性

0 引言

某國軍事雷達用冷卻系統，雷達為野外安放，采用風冷一體式冷水系統為其提供冷量，要求機組全年候工況運行。存放環(huán)境溫度為-35～71 ℃，運行環(huán)境溫度為-35～55 ℃。2臺雷達配置2臺冷卻系統。

每臺系統由3臺165 kW制冷機組（兩用一備）、3臺冷水泵（兩用一備）、1臺水箱（含加熱器）組成，所有設備安裝在一個底部框架上。滿負荷冷量為330 kW，出水溫度為15 ℃，系統流量為102 m3/h，冷水側為66%乙二醇溶液。

圖1 冷卻系統LRCS330設備

表1 主要設備明細

1 產品配置設計

整個系統命名為冷卻系統LRCS330，如圖1所示，其中包含水側系統和制冷機組模塊系統，本文主要介紹水側水泵、水側水箱和制冷模塊機組的設計。主要設備明細如表1所示，系統流程圖如圖2所示。

1.1 水泵設計選型

1.1.1 揚程計算

水泵揚程的設計包含雷達壓降、管路壓降、機組壓降、彎管件及各閥件壓降，考慮最不利條件下最大揚程，即-35 ℃環(huán)境下的水側系統壓降。計算方法如下：

（1）雷達壓降：

水流量Q=102 m3/h，相對粗糙度為R=0.000 5，-35 ℃時乙二醇溶液密度ρ=1 125 kg/m3，動力粘度μ=0.12，管道直徑d=100 mm，摩擦系數λ=0.042，雷達系統管長l=480 m，則液體流速V=Q/（d2/4×π）=3.06 m/s，雷諾數Re=V×d×ρ/μ=2 827.6。

（2）管路側壓降：

管路直徑d=150 mm，管路長l=120 m，液體流速v=Q/（d2/4×π）=1.32 m/s，雷諾數Re=v×d×ρ/μ=1 857.7，則沿程阻力hf=2.93 m（根據公式（1））。

（3）管路中大小頭的壓降：

大小頭數量10個，d=150×100 mm，局部阻力系數ξ=0.30。

V2=Q/（3 600×d2/4×π）=3.06

單個大小頭壓降為hf=0.14 m，則總壓降為hf=10×0.14=1.4 m。

（4）管路中截止閥的壓降：

截止閥數量20個，d=100 mm，局部阻力系數ξ=2.10。

V2=Q/（3 600×d2/4×π）=3.06

單個截止閥壓降為hf=1.0 m（根據公式（2）），則總壓降為hf=20×1.0=20.0 m。

（5）管路中過濾器的壓降：

過濾器數量2個，d=100 mm，局部阻力系數ξ=2.00。

v2=Q/（3 600×d2/4×π）=3.06

圖2 系統流程圖

單個過濾器壓降為hf=0.96 m（根據公式（2）），則總壓降為hf=2×0.96=1.92 m。

（6）管路中彎頭的壓降：

彎頭數量20個，d=150 mm，局部阻力系數 ξ=0.35。

v2=Q/（3 600×d2/4×π）=1.32

單個壓降為hf=0.03（根據公式（2）），則總壓降hf=20×0.03=0.62 m。

（7）蒸發(fā)器壓降：hf=8.9。

（8）系統總壓降：7.7+2.93+1.4+20.0+1.92+0.62+8.9=133.5，取修正系數1.1，則總壓降為133.5×1.1≈146 m。

1.1.2 水泵流量計算

因系統總流量為102 m3/h，故單臺水泵流量需滿足51 m3/h，考慮2臺并聯，取修正系數1.2，水泵流量為61 m3/h。

根據揚程與流量選擇格蘭富離心式立式水泵，型號CRNCM64-4，如圖3所示。

圖3 離心式立式水泵

1.2 水箱設計

水箱容積為4 000 L，可容納系統中所有液體介質，因介質為乙二醇，故設計為封閉式水箱。

1.2.1 水箱加熱器

因雷達為全年運行，在低環(huán)境-35 ℃下，雷達入口側即冷卻系統側仍需提供10 ℃的乙二醇溶液。故系統中需配置加熱器，考慮最不利工況，將乙二醇溶液-35 ℃加熱到10 ℃。

加熱器加熱量有雷達熱惰性熱量、水箱液體、水箱本體、水泵、管路和閥件、蒸發(fā)器幾方面。

在-12.5 ℃（ 取-35～10 ℃的平均溫度 ）環(huán)境下66%乙二醇溶液密度1 097 kg/m3，溫差△t=10-（-35）=45 ℃。

（1）雷達加熱量：

雷達熱導性k=13 000 kJ/℃，則加熱量Qr=k×△t= 585 000 kJ。

（2）水箱液體：

容積V=3 612 L，質量m=ρ×v =3 962 kg，比熱Cp=2.84 kJ/kg·℃，則加熱量Qe =Cp×m×△t=506 390 kJ。

（3）水箱本體：

水箱重量m=280 kg，比熱Cp=0.46 kJ/kg·℃，則加熱量Qt=Cp×m×△t=5 796 kJ。

（4）水泵：

比熱Cp=0.46 kJ/kg·℃，水泵重量m=850 kg（2臺水泵），則加熱量Qb=Cp×m×△t=17 595 kJ。

（5）管路與閥件：

比熱Cp=0.46 kJ/kg·℃，重量m=3 000 kg，則加熱量Qp=Cp×m×△t= 62 100 kJ。

（6）蒸發(fā)器：

比熱Cp=0.46 kJ/kg·℃，重量m=560 kg，則加熱量

Qc=Cp×m×△t=12 096 kJ。

（7）總加熱量：Q=Qe+Qt+Qb+Qp+Qc=1 188 977 kJ。

總功率P=Q/（90×60）=220 kW（用戶限定加熱時間為90 min）。

取修正系數1.05，則總功率為220×1.05=230 kW。

加熱器工作原理：考慮加熱器加熱滯后性，設置為5段式46 kW×5。當供水溫度＜0 ℃時，開啟加熱器5段加熱；當供水溫度＜5 ℃時，開啟加熱器4段加熱；當供水溫度＜10 ℃時，開啟加熱器3段加熱；當供水溫度＜12 ℃時，開啟加熱器2段加熱； 當供水溫度＜14 ℃時，開啟加熱器1段加熱；當供水溫度≥15 ℃，逐臺啟動制冷機組運行。

1.2.2 水位傳感器及水位開關

水位傳感器，方便操作者及時監(jiān)測水位情況。

水箱水位開關。水位開關設置為3個：1級1 680 L，2級1 260 L，3級 840 L。當水位低于840 L，信號傳輸到主控制器，發(fā)出缺水警告。

1.2.3 其他

水箱另外配置補水泵1臺，為水箱補給溶液。

1.3 模制冷塊機組設計

模制冷塊機組流程圖如圖4所示。

1.3.1 機組主要配件

壓縮機：采用風冷螺桿式壓縮機，單臺機組設計為2套獨立系統，2臺壓縮機，壓縮機為滑閥無極調節(jié)，壓縮機油槽配有300 W機油加熱器。

蒸發(fā)器：采用1個蒸發(fā)器，氟側為獨立系統，水側為1套水系統。

風機：采用變頻風機，使壓力調節(jié)更加穩(wěn)定。

節(jié)流：電子膨脹閥。

1.3.2 高溫環(huán)境下工況設計

根據用戶要求環(huán)境溫度最高可達到55 ℃，此時冷凝溫度可高達70 ℃，排氣溫度極有可能達到100 ℃，故增加兩級液噴系統。一級為壓縮機電機冷卻，冷卻液由儲液罐引出連接到壓縮機電機室，當排氣溫度達到90 ℃開啟。二級為壓縮機壓縮腔冷卻，冷卻液由儲液罐引出連接至壓縮機壓縮腔，當排氣溫度高于95 ℃開啟。

1.3.3 低溫環(huán)境工況設計

在壓縮機排氣側增加排氣壓力維持閥，在低溫下啟動時，使機組短時間內建立壓差，使壓縮機加載順暢。另外安裝冷凝壓力調節(jié)器KVR+NRD，KVR連接在表冷器出口與儲液罐入口之間，NRD從油分離器出口連接至KVR出口側。當冷媒側壓力低時，KVR未到開啟壓力時，開啟旁通NRD，因KVR未開啟，高壓側壓力逐漸升高，升高至KVR開啟設定值時，KVR打開，溶液進入到儲液器，使進入儲液器側壓力保持恒定。

1.3.4 回油管路

對于滿液式螺桿機組系統，當工況不穩(wěn)定時，壓縮機潤滑油易隨冷媒遷移至換熱器，造成壓縮機回油不良。

因此項目用戶要求環(huán)境溫度為-35～55 ℃，變化波動大。應對回油問題，增加引射回油和二次油分回油。

1.3.5 蒸發(fā)器引射回油

蒸發(fā)器底部安裝集油管，引射器連接壓縮機高壓側、低壓側及蒸發(fā)器底部集油管，通過高壓引設將蒸發(fā)器底部的油送至壓縮機吸氣段，從而回到壓縮機。

1.3.6 二次油分回油

在壓縮機和表冷器間設置二次油分離器，因低溫下潤滑油粘度較高，很難移動，故在油分離器上增加外置油加熱器，功率為300 W，纏繞于臥式油分筒體上。在壓縮機長時間關機后再次啟動前，為保證油溫粘度，需將加熱器開啟8 h以上。

圖4 模制冷塊機組流程圖

2 系統穩(wěn)定性試驗

2.1 試驗裝置

試驗裝置如圖5所示。主要包括：（1）冷卻系統LRCS330，1臺；（2）電加熱器（虛擬雷達負荷330 kW，共4段）1臺；（3）試驗用水箱1臺；（4）水側過濾器1個；（5）截止閥若干。

圖5 測試裝置流程圖

2.2 試驗方法

將以上裝置冷卻系統LRCS330與電加熱器、水箱等連接為一個循環(huán)回路。將裝置放在實驗室內，分別測試在環(huán)境溫度-35 ℃、42 ℃、55 ℃工況下，調節(jié)不同負荷0、82.5 kW、165 kW、247.5 kW、330 kW時，確認機組能否正常穩(wěn)定運行，要求時間為24 h。

實驗注意事項：實驗過程中不得觸碰機組，機組全自動運行，有停機故障則重新試驗。

2.3 測試結果

2.3.1 -35℃工況測試

在低溫工況持續(xù)3 h后，發(fā)現1號模塊蒸發(fā)器進口前的閥門有輕微泄露，緊固螺栓后不漏。1臺水泵出口閥門有輕微泄露，緊固螺栓后不漏。

系統開機后機組各部件正常運行，無異常情況，負荷調節(jié)時，機組自動加減載運行，無故障出現，測試通過。

2.3.2 42℃工況測試

系統正常運行24 h，無故障，負荷調節(jié)時，機組自動加減載運行，無故障出現，測試通過。

2.3.3 55℃工況測試

高溫工況運行時，開機后3個模塊中有1個模塊出現高壓報警，現場修改程序，修訂壓力保護，改為當壓力超過高壓限定值的95%時，壓縮機停止加載，當繼續(xù)升高，壓縮機卸載，有效避免了高壓故障。之后系統穩(wěn)定運行24 h，測試通過。

3 結語

本文詳細闡述了一體機機組水系統和模塊機組的要求和設計方案，為預防惡劣工況下機組運行故障提出了獨特的設計理念。

該項目已經竣工并在2012年初投入使用，如此大規(guī)模的風冷式一體機項目尚屬首次，沒有相同的工程案例。但是，通過應用驗證，設計的各項參數是比較合理的，設備的選擇與配置也較為合理。

[1] 龍?zhí)煊?，蔡增?流體力學[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004

[2]彥啟森，石文星，田長青.空氣調節(jié)用制冷技術[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

Air Cooled Cooling System of A Military Radar System Project

Zheng Xiuping Wang Weidong Yang Yue Huan wei
（LG Electronics Air-Conditioning（Shandong）Co.,Ltd.，Shandong Qingdao 266109）

The paper presents the requirements of air cooled cooling system for military radar system ,the design of the system selection,mainly including water tank ,water pump and cooling units ,etc.,points out the unique solution of the stability for air cooled system under limiting operational condition .

cooling system LRCS330;pump;water tank;unit;stability

2014-08-11

鄭秀萍（1987—），女，山東濟寧人，助理工程師，研究方向：制冷機組設計。