大功率短波發(fā)射機(jī)冷凝器的自主化設(shè)計(jì)

田曙光

（作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局594臺(tái)）

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大功率短波發(fā)射機(jī)冷凝器的自主化設(shè)計(jì)

田曙光

（作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局594臺(tái)）

摘 要：本文對(duì)TSW2500型短波發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并對(duì)該型發(fā)射機(jī)冷凝器自主化設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些技術(shù)要點(diǎn)，以及風(fēng)機(jī)溫度控制改進(jìn)部分予以分析和闡述，并據(jù)其技術(shù)參數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，對(duì)自主化冷凝器實(shí)際上機(jī)的冷卻效果進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：發(fā)射機(jī)；冷卻系統(tǒng)；冷凝器；自主化設(shè)計(jì)

1 TSW2500型短波發(fā)射機(jī)水冷系統(tǒng)

TSW2500型短波發(fā)射機(jī)水冷系統(tǒng)用于冷卻機(jī)上所有大功率元器件，所含射頻末級(jí)、射頻驅(qū)動(dòng)級(jí)電子管V1、調(diào)諧線和真空電容等。因?yàn)樗魅腚娐吩膸щ姴课?，所以，只能使用含礦物雜質(zhì)很低的水（即水導(dǎo)值非常低），該型發(fā)射機(jī)冷卻實(shí)際使用的是蒸餾水。

設(shè)計(jì)的水冷回路是一個(gè)封閉回路（如圖1所示），熱量通過(guò)冷凝器（風(fēng)水熱交換器）散發(fā)出去。水冷回路中裝有離子交換器，用來(lái)降低水導(dǎo)值（水導(dǎo)值是通過(guò)一個(gè)專(zhuān)用裝置來(lái)監(jiān)測(cè)的）。TH576末級(jí)電子管采用超蒸發(fā)冷卻方式。水高速流過(guò)冷凝器，發(fā)熱的屏極蒸發(fā)部分水，高速水流帶走和冷凝剛剛產(chǎn)生的蒸汽泡；理論上出水溫度可達(dá)到90℃，但在實(shí)際播音中約為70℃上下，實(shí)際值取決于發(fā)射機(jī)的調(diào)幅度，冷卻系統(tǒng)具有非常高的散熱能力，從而確保大功率電子管的運(yùn)行安全。

冷卻單元是一次冷卻回路的核心部分，包括水泵、水箱、閥門(mén)、流量表、水壓表和溫度傳感器、一個(gè)細(xì)銅網(wǎng)過(guò)濾器和一個(gè)離子交換器，整個(gè)系統(tǒng)的功能都被監(jiān)測(cè)，所有重要的監(jiān)測(cè)裝置（流量計(jì)、水位監(jiān)測(cè)、水導(dǎo)測(cè)量）都帶有指示，可透過(guò)門(mén)上的玻璃看到。

冷卻單元通過(guò)安裝在射頻機(jī)箱頂?shù)乃苓B接到發(fā)射機(jī)的射頻部分，接到其他需冷卻的元器件（如TSM放大器、平衡轉(zhuǎn)換器和VHF濾波器）的各個(gè)分支水管也安裝在射頻機(jī)箱頂。水從RF部分的各個(gè)入口處流入，各個(gè)支路的回水通過(guò)單獨(dú)的水管返回水箱。

水泵將水箱中的蒸餾水送入射頻末級(jí)電子管蒸發(fā)鍋、調(diào)諧線、真空電容和末級(jí)電子管座，在水泵的出水管上裝有一個(gè)水壓表和一個(gè)細(xì)銅網(wǎng)過(guò)濾器。

發(fā)射機(jī)中功耗最大的部分是末級(jí)電子管，其他線路中的功耗只占很小的比例，以500kW發(fā)射機(jī)舉例說(shuō)明，其高末電子管額定工作電壓14kV，高末電子管額定工作電流40 A，那么其屏極損耗為：

APD=14kV×40A×10%=56kW

所以，射頻末級(jí)電子管的出水要經(jīng)冷凝器進(jìn)行特超蒸冷后流回水箱（二次冷卻系統(tǒng)），冷凝器在對(duì)電子管的冷卻方面具有重大作用，同時(shí)，冷凝器的性能也決定了電子管的使用安全和壽命。

圖1 發(fā)射機(jī)水冷系統(tǒng)框圖

其他冷卻回路的回水經(jīng)一個(gè)流量計(jì)直接流回水箱。末級(jí)電子管的進(jìn)、出水水溫用溫度接點(diǎn)K111、K112監(jiān)控；離子交換器用來(lái)提高凈化水水質(zhì)，水導(dǎo)測(cè)量單元用來(lái)監(jiān)測(cè)水質(zhì)。除水壓表外，其他監(jiān)測(cè)設(shè)備都裝有輔助接點(diǎn)，接入發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)，如果水流量不足或溫度過(guò)高，會(huì)關(guān)掉發(fā)射機(jī)。

發(fā)射機(jī)的二次冷卻采用冷凝器直接冷卻蒸餾水的方式。冷凝器安裝在發(fā)射機(jī)房旁邊的冷凝器室，發(fā)射機(jī)的高末電子管出水口和冷凝器進(jìn)水口相連，發(fā)射機(jī)的水箱和冷凝器出水口相連。高末電子管的出水經(jīng)進(jìn)入冷凝器冷卻后，再由冷凝器的出水口流回發(fā)射機(jī)水箱。

圖2 國(guó)產(chǎn)冷凝器設(shè)計(jì)圖

2 大功率發(fā)射機(jī)冷凝器國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)

TSW2500型短波發(fā)射機(jī)裝配了高效能的冷凝器設(shè)備，但隨著時(shí)間的推移，部分進(jìn)口冷凝器在運(yùn)行播出中出現(xiàn)散熱水管腐蝕老化、多處發(fā)現(xiàn)砂眼漏水等問(wèn)題。由于進(jìn)口冷凝器的散熱排管布置過(guò)于密集、空間位置狹小，致使值班人員例行巡視時(shí)很難第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)漏水等危急情況，這給設(shè)備正常播出帶來(lái)了很大安全隱患。加之進(jìn)口冷凝器造價(jià)昂貴、供貨周期長(zhǎng)等不利因素，短期內(nèi)無(wú)法徹底解決其保障安全播出的供需矛盾，隨決定對(duì)其進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)專(zhuān)項(xiàng)技改。

2.1 進(jìn)口冷凝器的技術(shù)參數(shù)

（1）使用水質(zhì)：蒸餾水；排水量：12.9噸／小時(shí)；

（2）進(jìn)水口水溫：77 ℃；出水口水溫：48 ℃；

（3）散熱片間距：2.4 mm；換熱面積：442.8 m2；

（4）進(jìn)、出水口水流速度和壓力：檢測(cè)壓力8 bar；系統(tǒng)工作壓力3 bar；

（5）設(shè)備使用的環(huán)境溫度：≤40℃；設(shè)備使用的環(huán)境粉塵含量：普通空間；

（6）每臺(tái)風(fēng)機(jī)的配置為：

①風(fēng)葉直徑Φ800 mm，葉片數(shù)為7片，風(fēng)葉間距2.4 mm；

②電機(jī)功率：1.3kW，4極，3相，380 V；轉(zhuǎn)速1440 rpm，電流：6.8 A；

③靜壓：300Pa；=單風(fēng)機(jī)風(fēng)量10 500 m2/h；設(shè)備總風(fēng)量42 000 m2/h。

2.2 冷凝器國(guó)產(chǎn)化

根據(jù)進(jìn)口冷凝器的進(jìn)、出水參數(shù)，國(guó)產(chǎn)冷凝器的設(shè)計(jì)如圖2所示。

根據(jù)發(fā)射機(jī)冷卻換熱面積要求，我們對(duì)冷凝器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。換熱面積計(jì)算公式：

F=[2(a·b) -π（d/2）2·e]·c

其中，a為翅片板的寬度；b為翅片板的高度；c為翅片板的數(shù)量；d為換熱器的直徑；e為換熱器的根數(shù)。

該冷凝器銅管外徑為Φ12.7 mm，銅管數(shù)量為336根，換熱片的寬度198 mm，長(zhǎng)度為2 128mm，數(shù)量為584片，其換熱面積計(jì)算如下：

根據(jù)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<上標(biāo)> 2上標(biāo)-0.0426m<上標(biāo)> 2上標(biāo)]×584

F=0.8001m<上標(biāo)> 2上標(biāo)×584

F=467.4m<上標(biāo)> 2上標(biāo)

為達(dá)到與進(jìn)口產(chǎn)品同等性能的技術(shù)參數(shù)，我們同時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)。

進(jìn)口產(chǎn)品：?jiǎn)坞姍C(jī)1.3kW、4臺(tái)×10500 m2/h、設(shè)備總風(fēng)量42000 m2/h；

國(guó)產(chǎn)設(shè)備：?jiǎn)坞姍C(jī)1.5kW、4臺(tái)×12000 m2/h、設(shè)備總風(fēng)量480000 m2/h。

根據(jù)冷凝器國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際上機(jī)測(cè)試結(jié)果，國(guó)產(chǎn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)如下：

（1）使用水質(zhì)：蒸餾水；排水量：25噸／小時(shí)；

（2）進(jìn)水口水溫：100℃； 出水口水溫：48℃；

圖3 冷凝器風(fēng)機(jī)閉鎖圖

（3）散熱片間距：3.0mm；換熱面積467.4m2；

（4）進(jìn)、出水口水流速度和壓力：檢測(cè)壓力11 bar；系統(tǒng)工作壓力3.5 bar；

（5）設(shè)備使用的環(huán)境溫度：≤40℃；設(shè)備使用的環(huán)境粉塵含量：普通空間；

（6）進(jìn)、出水口管徑：Φ54；

對(duì)比上述計(jì)算和兩臺(tái)冷凝器各項(xiàng)參數(shù)，可知該臺(tái)國(guó)產(chǎn)冷凝器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到進(jìn)口冷凝器的參數(shù)要求，甚至還超越了進(jìn)口產(chǎn)品的性能。

2.3 冷凝器風(fēng)機(jī)溫度控制

原先冷凝器的四個(gè)風(fēng)機(jī)為串聯(lián)控制，當(dāng)發(fā)射機(jī)冷凝器有一個(gè)風(fēng)機(jī)有異態(tài)時(shí)，會(huì)造成閉鎖打開(kāi)，發(fā)射機(jī)告警二次冷卻系統(tǒng)故障引起停播。為避免停播，我們將控制線路改為兩兩并聯(lián)后再串聯(lián)。這樣也為冷凝器的溫度控制打下基礎(chǔ)，如圖3所示。

冬天的冷凝器室溫度較低，尤其是晚上，發(fā)射機(jī)在不播音的間隙是熱備運(yùn)行，這時(shí)，四臺(tái)風(fēng)機(jī)還在正常工作，易造成冷凝器自身水溫過(guò)低而導(dǎo)致?lián)Q熱排管凍裂，所以，我們?cè)陂]鎖改造的基礎(chǔ)上又對(duì)冷凝器風(fēng)機(jī)進(jìn)行了溫度控制改造，如圖4所示。

這里，將溫度控制器安裝在發(fā)射機(jī)水箱的進(jìn)水主管道上，并在控制器上設(shè)置門(mén)限溫度。正常情況下，當(dāng)進(jìn)水溫度高于門(mén)限溫度時(shí)，常閉接點(diǎn)閉合，四個(gè)風(fēng)機(jī)同時(shí)工作；當(dāng)進(jìn)水溫度低于門(mén)限溫度時(shí)，常閉接點(diǎn)打開(kāi)，此時(shí)只有兩個(gè)風(fēng)機(jī)正常工作，這樣，就避免了冷凝器發(fā)生水溫過(guò)低現(xiàn)象。此項(xiàng)技改有效的解決了冬季冷凝器水溫過(guò)低等極端情況的發(fā)生，目前，可保證冷凝器室夜間溫度在10 ℃以上，水溫在15 ℃以上。

2.4 實(shí)際應(yīng)用冷卻數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)際應(yīng)用中，我們?cè)谙募?、冬季分別對(duì)進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)冷凝器的冷卻效果進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比。測(cè)量記錄數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

圖4 冷凝器風(fēng)機(jī)溫度控制圖

從實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，進(jìn)口冷凝器的進(jìn)水口、出口水溫差大概在4～5℃間，而國(guó)產(chǎn)冷凝器的進(jìn)、出口水溫差維持在5～7℃間。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明，國(guó)產(chǎn)冷凝器的冷卻效果完全達(dá)到了進(jìn)口設(shè)備的指標(biāo)要求，可以滿足發(fā)射機(jī)正常工作的冷卻需求。

表1 冷凝器進(jìn)、出水水溫對(duì)比（夏季）

表2 冷凝器進(jìn)、出水水溫對(duì)比（冬季）

3 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)產(chǎn)冷凝器已上機(jī)投入正常使用，各項(xiàng)性能參數(shù)均達(dá)到進(jìn)口冷凝器的標(biāo)準(zhǔn)，尤其在進(jìn)風(fēng)量、熱交換及冷卻效果等方面的指標(biāo)還優(yōu)于進(jìn)口冷凝器。通過(guò)對(duì)冷凝器風(fēng)機(jī)溫度控制的改造，使冷凝器運(yùn)行更加安全可靠，避免了環(huán)境溫度過(guò)低導(dǎo)致冷凝器排管凍裂情況的發(fā)生。國(guó)產(chǎn)冷凝器安全運(yùn)行實(shí)測(cè)效果良好，且完全滿足大批量生產(chǎn)的需求，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)，也為大功率短波發(fā)射機(jī)其他附屬設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化積累了有益的設(shè)計(jì)改造經(jīng)驗(yàn)。

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