密閉機柜用循環(huán)通風裝置的研究

朱偉明，丁東旭

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

密閉機柜用循環(huán)通風裝置的研究

朱偉明*1，丁東旭2

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

本文以密閉機柜冷卻為研究對象，根據循環(huán)通風裝置的主要技術指標，進行了循環(huán)通風裝置降溫除濕設計；在控制系統上采用了可編程控制器（PLC），冷凝回熱與電加熱相結合的方式進行溫度控制，提高了自動化水平以及可靠性。通過實際運行數據分析證明了循環(huán)通風裝置的應用價值和可推廣性。

密閉機柜；循環(huán)通風裝置；回熱

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柜就是其中的典型代表。劉永曾對艦載電子設備循環(huán)風冷式密閉機柜進行探討［1］，提出艦用密閉機柜是一種有效抗惡劣環(huán)境的隔離方式，它對提高包括雷達在內的艦用電子裝備的可靠性、降低故障率、延長設備壽命都具有重要的現實意義。但是采用密閉式電子機柜后，電子設備的熱量該如何散出。密閉機柜用循環(huán)通風裝置能將電子機柜的熱量散出，為密閉機柜提供溫度和濕度相對較低的冷卻空氣，從而為密閉機柜創(chuàng)造一個良好的工作環(huán)境，提高密閉機柜的工作穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命，滿足用戶的要求。

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

1　密閉機柜用循環(huán)通風裝置設計主要技術指標和技術要求

通風裝置的主要功能是為密閉機柜提供溫度、濕度和品質符合要求的空氣，以實現對密閉機柜循環(huán)通風換熱。對此，經分析設計為直冷式冷卻除濕，具體空氣循環(huán)流程如圖1所示。

圖1　空氣循環(huán)流程

通風裝置提供的溫度、濕度符合要求的空氣輸送至機組的出風口，經布置的風管到達機柜，以實現對密閉機柜的換熱，使其正常的工作。經換熱溫度升高的空氣由通風機組回風口導入，首先經過空氣過濾器進行過濾，過濾后的空氣流經制冷循環(huán)系統中的蒸發(fā)器，在流經蒸發(fā)器與翅片內側的制冷劑換熱時，循環(huán)空氣溫度降低到露點以下，使空氣中的水分凝結析出，經降溫除濕后的空氣流經擋水板，達到去除空氣中的水分目的，然后流經冷凝回熱器和電加熱器調節(jié)溫度和濕度，從而滿足送風溫度和濕度的要求［3］。

技術要求具體如下：

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）%；

送風溫度（21±1）℃，送風濕度≤55%；

送風空氣中的含塵量不大于10 mg/m3；

密閉式電子機柜額定通風量時的壓力損失為600 Pa；

密閉式電子機柜的單機熱負荷為 4 kW，數量為4臺，額定送風量為5，600 m3/h；

漏風量為額定送風量的（2～3）%。

2　密閉機柜用循環(huán)通風裝置設計

為了有效對抗惡劣環(huán)境，將通風裝置設計為一密閉箱體。通風裝置是由制冷系統和控制系統以及相關附件組成的。循環(huán)通風裝置系統流程圖如圖 2所示。

圖2　循環(huán)通風裝置系統流程圖

為了滿足船用條件，結構設計采取防腐設計，面板、箱體結構均采用1Cr18Ni9Ti進行設計制造。

通風裝置主要由制冷壓縮機、冷凝器（包括冷凝回熱器和水冷冷凝器）、蒸發(fā)器以及膨脹閥、電加熱器、空氣過濾器、送風機組和控制箱以及相關附件與連接管組成的。該系統與常規(guī)制冷系統不同的是此處增設了一臺冷凝回熱器，該冷凝回熱器能對送風溫度進行調節(jié)，減少電加熱的投入。下面詳細介紹各個部件的設計。

2.1制冷壓縮機

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

表1　壓縮機參數

圖3　壓縮機外形圖

2.2送風機組

送風機是通風裝置的重要部件，根據技術要求和初步設計計算，本文選用符合艦船環(huán)境要求的國產艦用離心通風機。風機參數和外形見表2和圖4。

表2　風機參數

圖4　風機外形圖

2.3水冷冷凝器

水冷冷凝器是通風裝置中的重要部件之一。經技術分析與比較，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，為了增強其防腐性能，故設計冷凝器換熱管采用耐海水腐蝕的高效 BFe30-1-1銅管。冷凝器的參數和外形見表3和圖5。

表3　水冷冷凝器的參數

圖5　冷凝器外形圖

2.4蒸發(fā)器

該通風裝置屬于特種用途的空氣調節(jié)機，其蒸發(fā)器采用翅片式換熱器結構。由于受通風裝置外形尺寸的限制，為確保該蒸發(fā)器換熱能力，經計算蒸發(fā)器設計為8排管；為使蒸發(fā)器適應船用環(huán)境條件的要求，并增強其防腐性能、延長其使用壽命，擬設計為銅管/銅翅片，端板材料擬設計采用1Cr18Ni9Ti板材。蒸發(fā)器的參數和外形見表 4和圖6。

表4　蒸發(fā)器參數

圖6　蒸發(fā)器外形圖

2.5冷凝回熱器

空氣流經通風機組中的蒸發(fā)器后，即達到了降溫/除濕的目的。但經降溫/除濕后的空氣必須經過再熱升溫后才能達到所要求的送風溫度和濕度要求。由于受通風機組結構尺寸的限制，為充分降低運行耗電量，達到節(jié)能的目的，其空氣的再熱升溫由冷凝回熱器和電加熱器兩個部分來實現。冷凝回熱器安裝在擋水板之后，經計算，冷凝回熱器設計為3排管；為使其適應船用環(huán)境條件的要求，增強其防腐性能、延長使用壽命，采用銅管/銅翅片，端板材料采用1Cr18Ni9Ti板材。冷凝回熱器的參數和外形見表5和圖7。

表5　冷凝回熱器參數

圖7　冷凝回熱器外形圖

2.6電加熱器

電加熱器對空氣進行加熱是最直接的一種方式，既節(jié)省空間，又便于控制。為使通風裝置在低溫環(huán)境運行時，快速達到送風溫度的要求，在該通風機組中，設計采用電加熱器對循環(huán)空氣進行加熱。

通風裝置在較低環(huán)境條件下初始運行時，僅電加熱器和送風機組投入運行（對低溫空氣進行預熱）。

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。其設計選型時需考慮制冷系統的制冷能力及其運行條件等兩個方面的因素。設計選用外平衡式熱力膨脹閥，接口尺寸為進口7/8英寸、出口9/8英寸。

2.8空氣過濾器

空氣過濾器設置于通風機組進風口內側，其拆卸較為方便。經分析要使送風空氣的含塵量達到≤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。終阻力的設計限值確定為180 Pa，當其前后壓差（阻力）大于180 Pa時，即予以報警。當有該項報警時，即應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電氣控制系統設計

通風裝置的電氣控制系統由一臺內嵌式控制箱、一臺遙控箱、通風裝置執(zhí)行器件（如壓縮機、風機、電加熱器等執(zhí)行器）及現場檢測儀表組成。循環(huán)通風裝置的電氣控制系統采用SIEMENS公司的S7-300系列可編程序控制器（簡稱PLC）作為控制系統核心部件；配用SIEMENS公司的操作顯示器作為“人機界面”；配用施耐德公司船用系列低壓電器產品。

PLC控制系統采用西門子S-300系列單元和模塊，來實現循環(huán)風冷卻系統各參數的檢測，控制、顯示和報警，擴展模塊可通過主單元的擴展接槽直接與其連接［5-6］。控制系統組成框圖如圖10所示。

圖10　控制系統組成框圖

循環(huán)風冷卻系統控制程序設計主要步驟如下。

1）程序初始化：利用 0B100模塊復位所有中間繼電器，寄存器清零，回熱調節(jié)閥和三通調節(jié)閥君定位在50%閥位。

2）傳感器信號讀入：送風溫度、送風濕度。

3）顯示器輸出：各種顯示模式，包括啟動、運行、切換、故障、內部參數和設定值更改與顯示［7-10］。

4）開機順序：首先啟動風機，再根據送風溫度和濕度的參數值與設定值的比較依次開啟 1#電加熱、2#電加熱、壓縮機，若同時達到啟動條件，依照順序分別延時3 s。

5）運行調節(jié)：溫度調節(jié)，根據設定溫度值和當前送風溫度，使用PID算法調節(jié)回熱調節(jié)閥開度；冷凝壓力調節(jié)，在壓縮機運行時，使用PID算法調節(jié)海水三通閥開度，使冷凝壓力穩(wěn)定在設定值［7］。

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

7）關機順序：停機信號，壓縮機、電加熱依次復位，回熱調節(jié)閥，三通調節(jié)閥回位至50%閥位，風機延時60 s復位。

控制流程圖如圖11所示。

圖11　控制流程圖

3　通風裝置系統設計的實驗驗證

4臺機柜的總散熱負荷為16 kW，為驗證通風裝置的設計情況，本文采用負荷為18 kW的電加熱模擬電子機柜的散熱負荷。圖12和圖13為18 kW負荷時的送風溫度和濕度曲線圖。

圖12　18 kW負荷時，送風溫度曲線圖

圖13　18 kW負荷時，送風濕度曲線圖

通過實驗數據分析可知，送風溫度和濕度均滿足設計要求，循環(huán)通風裝置運行正常，循環(huán)通風裝置設計使用情況完全滿足使用要求。

4　結論

電子機柜循環(huán)通風裝置系統不僅在結構上采用了密閉箱體設計，有效地提高了防腐能力，降低了噪音，而且在熱設計上采用了優(yōu)化設計，采用了冷凝回熱和電加熱相結合設計，綜合了回熱能耗降低的特點和電加熱的快捷加熱以及空間優(yōu)勢；采用了冷凝回熱與電加熱相結合的方式進行溫度控制，提高了循環(huán)通風裝置的自動化水平，同時能將機組的故障信號報警提示，減少了設備的損壞。經過實際運行，證明了密閉機柜循環(huán)通風裝置的設計是可行的。此循環(huán)通風裝置具有結構緊湊、體積小、可靠性高、自動化程度高等特點，在國內同類產品的設計中處于領先地位，可推廣到其它密閉機柜的冷卻，具有很好的應用價值和市場前景。

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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，雙學士，研究方向：船舶機電設備質量控制及船舶輔助系統結構設計。聯系地址：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）有限責任公司軍事代表室，郵編：201913。