關(guān)于智能負(fù)載箱改型后散熱效果的研究

董秋蘇，張 宏

（中國船舶電站設(shè)備有限公司，上海 200129）

電氣與自動化

關(guān)于智能負(fù)載箱改型后散熱效果的研究

董秋蘇，張 宏

（中國船舶電站設(shè)備有限公司，上海 200129）

在長期的運(yùn)行跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)，不論是國外的還是國內(nèi)的智能干式負(fù)載箱，普遍存在電阻管容易受高溫?fù)p壞而影響使用壽命的問題。除了電阻管制造工藝和其本身的質(zhì)量等內(nèi)因之外，散熱效果對電阻管的壽命起決定性作用。散熱效果取決于散熱風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、散熱通道和環(huán)境。對此，以中國船舶電站設(shè)備有限公司的智能干式負(fù)載箱為例，就如何改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)通道和出風(fēng)通道，提升散熱風(fēng)機(jī)風(fēng)量，達(dá)到提高負(fù)載箱散熱的效果進(jìn)行深入研究。同時(shí)，對實(shí)際應(yīng)用中取得較好效果的情況進(jìn)行介紹，供同行參考。

智能干式負(fù)載箱；柴油發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)設(shè)備；電阻負(fù)載；進(jìn)風(fēng)通道；出風(fēng)通道；風(fēng)機(jī)風(fēng)量；散熱效果

0 引 言

目前國內(nèi)船廠和機(jī)組成套廠家仍普遍使用傳統(tǒng)的分離式水電阻負(fù)載筒、電抗器、試驗(yàn)臺位和試驗(yàn)柜等設(shè)備組合來進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)組性能試驗(yàn)［1］，而這些設(shè)備存在陳舊老化、測試狀態(tài)不穩(wěn)定、測試精度不高和試驗(yàn)不環(huán)保等諸多問題。

最近幾年，市場上出現(xiàn)一種新型負(fù)載試驗(yàn)設(shè)備——智能干式負(fù)載箱（以下簡稱 FZX）。該設(shè)備是一種將電阻負(fù)載、電抗負(fù)載、散熱風(fēng)機(jī)、匯流排、控制器件和測量器件集成到標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)的一體化試驗(yàn)設(shè)備，專用于發(fā)電機(jī)組測試。該種智能型多功能新式負(fù)載設(shè)備可方便運(yùn)輸和船廠碼頭吊裝，終端采用電腦顯示和操作。FZX帶有先進(jìn)的控制系統(tǒng)，采用RS485/422串口通信方式，試驗(yàn)時(shí)通過自動測控系統(tǒng)能準(zhǔn)確地檢測出發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中各種負(fù)載的狀態(tài)，操作者只需使用手提電腦即可方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的突加突卸等試驗(yàn)，通過穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)試驗(yàn)快速測試出機(jī)組的電壓、頻率的調(diào)整率、波動率及恢復(fù)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)與曲線，并能對測試結(jié)果進(jìn)行打印，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組測試的智能化、數(shù)字化，是測試發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)、動態(tài)參數(shù)的理想設(shè)備，具有負(fù)載穩(wěn)定性好、測試精度高等特點(diǎn)。在長期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，不論是國外的FZX還是國內(nèi)的，普遍存在電阻管因高溫而容易損壞的現(xiàn)象，從而影響使用壽命。

1 FZX現(xiàn)狀

FZX的工作原理是：采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和強(qiáng)力風(fēng)冷技術(shù)將試驗(yàn)的發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的電能通過電阻、電抗負(fù)載轉(zhuǎn)換成熱能；再通過箱內(nèi)散熱風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)從散熱口排出。

目前國內(nèi)外制造的負(fù)載箱中所選用電阻管的電熱絲均采用Ni80Cr20，填充料采用氧化鎂，鋼管和鋼帶采用SUS304材料，引出棒采用不銹鋼，具有耐酸堿、耐鹽霧和使用壽命長等特點(diǎn)，配合適當(dāng)?shù)膭恿鋮s風(fēng)扇，可長期連續(xù)使用。

除了電阻管制造工藝和電阻管本身的質(zhì)量等內(nèi)因之外，散熱效果對電阻管的使用壽命起決定性作用。散熱效果取決于散熱風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、散熱通道及環(huán)境。負(fù)載箱散熱效果提升的唯一評判標(biāo)準(zhǔn)就是進(jìn)風(fēng)量和出風(fēng)量的提高。因此，改進(jìn)進(jìn)風(fēng)通道和出風(fēng)通道，提高散熱風(fēng)機(jī)風(fēng)量，從而提升負(fù)載箱散熱效果，是研究的關(guān)鍵。

2 風(fēng)量計(jì)算

風(fēng)量Q=風(fēng)速V×風(fēng)道截面積F［2］。在風(fēng)道截面積確定的情況下，進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)風(fēng)速的提高代表著進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)風(fēng)量的增加。通過研發(fā)設(shè)計(jì)及長期跟蹤以往FZX的使用情況，可測算出FZX的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速≥10.0m/s，出風(fēng)風(fēng)速≥5.0m/s。

負(fù)載箱工作時(shí)產(chǎn)生的熱量主要來自于電阻。電阻消耗的總功率為負(fù)載箱的額定容量（若以3600kW負(fù)載箱為例進(jìn)行計(jì)算，則P=3600kW）。

風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算式的推導(dǎo)如下。

式（1）中：H為風(fēng)扇總排出熱量；pC為內(nèi)熱；W為質(zhì)量；cTΔ 為容器允許溫升。

經(jīng)換算可得式（2）中，Q為風(fēng)扇排量；在環(huán)境溫度為25℃時(shí)，電阻允許最大工作溫度（不強(qiáng)制散熱情況下）為800℃，長期工作溫度取400℃，溫升ΔTc設(shè)為375K，則由式（2）可得：風(fēng)扇排量Q=28800 m3/h 。風(fēng)機(jī)共有12臺，每臺風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量至少為2 400 m3/h。

因此，每臺風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量至少為2400m3/h才能達(dá)到預(yù)期散熱效果。

3 實(shí)例應(yīng)用（以3600kW的FZX為例）

3.1 進(jìn)風(fēng)通道改進(jìn)

考慮到船廠碼頭使用環(huán)境差，散熱風(fēng)機(jī)吸力較大，容易把周圍垃圾（如塑料袋等）吸入而造成風(fēng)機(jī)或電阻被纏繞而損壞，在設(shè)計(jì)FZX進(jìn)風(fēng)通道時(shí)把兩側(cè)進(jìn)風(fēng)通道設(shè)計(jì)成帶網(wǎng)格的百葉窗形式。由于百葉窗及網(wǎng)格的大小會直接影響進(jìn)風(fēng)面積從而影響進(jìn)風(fēng)風(fēng)量，因此適當(dāng)加大百葉窗間隔尺寸到70mm并將網(wǎng)格加大到40mm ×40mm，從而增加有效進(jìn)風(fēng)面積。在FZX進(jìn)風(fēng)口設(shè)定16個(gè)進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的測試點(diǎn)（見圖1）來監(jiān)測進(jìn)風(fēng)風(fēng)量。

3.2 出風(fēng)通道改進(jìn)

FZX發(fā)熱電阻位于箱體兩側(cè)上方；散熱風(fēng)機(jī)位于電阻下方的箱體中部，采用低能耗、高效率設(shè)計(jì)。散熱風(fēng)機(jī)通過箱體兩側(cè)的百葉窗吸入冷風(fēng)，流向電阻后從箱體頂部排出。這種設(shè)計(jì)形式符合熱量上排的原則，使用比較安全。發(fā)熱電阻采用分組布置，每組電阻都是水平排列的，要求盡量分散電阻間隔、均衡熱量、利于散熱。原先每個(gè)腔室對應(yīng)2組電阻、2臺風(fēng)機(jī)，兩邊各有3個(gè)腔室、6臺風(fēng)機(jī)，共有6個(gè)腔室、12臺風(fēng)機(jī)（見圖2）。

改進(jìn)后，腔室從6個(gè)調(diào)整為4個(gè)，每個(gè)腔室對應(yīng)1組電阻、3臺風(fēng)機(jī)，12臺風(fēng)機(jī)不變。這樣電阻之間的格檔從2個(gè)減少到1個(gè)，節(jié)省出來的格檔空間可分散電阻之間的間距，更有利于散熱。此外，設(shè)置22個(gè)出風(fēng)風(fēng)量的測試點(diǎn)，見圖3。

圖1 FZX兩側(cè)進(jìn)風(fēng)風(fēng)速測試點(diǎn)

圖2 FZX 散熱結(jié)構(gòu)示意

圖3 FZX頂部出風(fēng)量測試點(diǎn)

3.3 風(fēng)機(jī)改進(jìn)

3.3.1 風(fēng)機(jī)改進(jìn)及試驗(yàn)

試驗(yàn)用的某進(jìn)口二極風(fēng)機(jī)與某國產(chǎn)四極風(fēng)機(jī)主要性能指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)用某進(jìn)口二極風(fēng)機(jī)與某國產(chǎn)四極風(fēng)機(jī)主要性能指標(biāo)

進(jìn)口二極風(fēng)機(jī)風(fēng)量大、轉(zhuǎn)速高、噪音大，雖能滿足要求，但會對環(huán)境帶來嚴(yán)重的聲污染，用戶反饋不佳；國產(chǎn)四極風(fēng)機(jī)噪聲小、風(fēng)量小，雖然不能滿足散熱要求，但有改進(jìn)的空間。因此，對國產(chǎn)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)研究［4-7］。風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)見圖4，理論計(jì)算數(shù)據(jù)曲線見圖5上A點(diǎn)所示。在靜壓250Pa時(shí)，風(fēng)量為23000m3/h。

圖4 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)

圖5 理論計(jì)算數(shù)據(jù)曲線

通過采取以下措施不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)及進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以提升風(fēng)量：① 調(diào)整葉輪角度；② 調(diào)整葉輪數(shù)量；③ 增加葉輪的厚度和寬度；④ 正裝、反裝電機(jī)；⑤ 調(diào)整出風(fēng)導(dǎo)風(fēng)筒長度；⑥加裝腔室兩側(cè)旁板聚風(fēng)；⑦ 改變風(fēng)筒兩端形狀。依次逐項(xiàng)進(jìn)行試驗(yàn)，每采取一種措施就記錄一組試驗(yàn)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，并對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。從中選出最佳配置的四極風(fēng)機(jī)——合適的葉輪數(shù)和葉角角度，正裝電機(jī)（出風(fēng)量為最強(qiáng)的出風(fēng)距離）。風(fēng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表2，風(fēng)機(jī)性能曲線見圖6。

表2 風(fēng)機(jī)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

續(xù)表2 風(fēng)機(jī)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

3.3.2 風(fēng)機(jī)排量核算

按照表 2和圖 6，在靜壓為 250Pa時(shí)，所選風(fēng)機(jī)每臺的排量 Q1=15700m3/h，12臺風(fēng)機(jī)的排量Q=188400m3/h?？紤]到風(fēng)機(jī)效率及 FZX整體的散熱風(fēng)阻，按照實(shí)際工作效率 25%折算排量，可得Q折=Q/4=47100 m3/h ，大于前述的散熱風(fēng)量28800m3/h，能滿足要求。

3.3.3 設(shè)計(jì)、制作風(fēng)機(jī)效用試驗(yàn)設(shè)備——模擬腔室

設(shè)計(jì)、制作模擬FZX散熱通道結(jié)構(gòu)的腔室，按照FZX要求安裝好電阻負(fù)載，作為開發(fā)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)的專用設(shè)備（見圖7）。

圖6 風(fēng)機(jī)性能曲線

圖7 模擬腔室

3.3.4 風(fēng)機(jī)在模擬腔室測試試驗(yàn)

在模擬腔室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。最小進(jìn)風(fēng)速度為11m/s，最小出風(fēng)速度為6.4m/s，各測試點(diǎn)的進(jìn)風(fēng)速度和出風(fēng)速度分別見表3和表4。

表3 各測試點(diǎn)進(jìn)風(fēng)速度（16點(diǎn)）

表4 各測試點(diǎn)出風(fēng)速度（22點(diǎn)）

3.4 FZX整體試驗(yàn)測量

按照FZX的試驗(yàn)大綱逐條進(jìn)行試驗(yàn)測量，并記錄數(shù)據(jù)。摘錄其中風(fēng)速最小的一組數(shù)據(jù)，各測試點(diǎn)最小進(jìn)風(fēng)速度為10.5m/s，最小出風(fēng)速度為5.4m/s，各測試點(diǎn)進(jìn)風(fēng)速度和出風(fēng)速度分別見表5和表6。

表5 FZX整體試驗(yàn)測量各測試點(diǎn)進(jìn)風(fēng)速度（16點(diǎn)）

表6 FZX整體試驗(yàn)測量各測試點(diǎn)進(jìn)風(fēng)速度（22點(diǎn)）

4 結(jié) 語

從進(jìn)風(fēng)通道、出風(fēng)通道及散熱風(fēng)機(jī)等3個(gè)方面對FZX進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后，其進(jìn)風(fēng)速度和出風(fēng)速度顯著提高（進(jìn)風(fēng)速度提升了65%，出風(fēng)速度提高了51%），電阻負(fù)載散熱效果更好，可相應(yīng)地延長使用壽命；同時(shí)，選用四極風(fēng)機(jī)降低了轉(zhuǎn)速，解決了噪聲問題。

通過對以往的FZX研發(fā)設(shè)計(jì)及使用情況進(jìn)行長期跟蹤，根據(jù)所介紹的研究方案，在不影響FZX總?cè)萘康那疤嵯聦υ蠪ZX的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使得箱體結(jié)構(gòu)更加合理，進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)更通暢，提高了箱內(nèi)電阻電抗散熱的效果，延長使用壽命。改進(jìn)后的FZX已應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，取得了較好的效果。

［1］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 船用柴油發(fā)電機(jī)組：GB/T 13032—2010［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］ 吳子牛. 空氣動力學(xué)［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［3］ 嚴(yán)家騄. 工程熱力學(xué)［M］. 4版. 北京：高等教育出版社，2006.

［4］ 續(xù)魁昌，王洪強(qiáng)，蓋京方. 風(fēng)機(jī)手冊［M］. 2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［5］ 昌澤舟. 軸流式通風(fēng)機(jī)實(shí)用技術(shù)［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［6］ 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會. 一般用途軸流通風(fēng)機(jī)技術(shù)條件：JB/T 10562—2006［S］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［7］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 工業(yè)通風(fēng)機(jī) 用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)：GB/T 1236—2000［S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

Study on the Heat Dissipation Performance of Modified Intelligent Load Bank

DONG Qiu-su，ZHANG Hong
（China Ship Power Station Co.， Ltd.， Shanghai 200129， China）

It is found through long-term operation observations that the service life of the intelligent load banks has been reduced， both at home and abroad， due to the resistance tube damage caused by high temperature. Apart from the resistance tube manufacturing technique and its own quality factors， heat dissipation performance plays a vital role in determining the lifecycle of the tube， whereas the dissipation performance depends on the blast capacity of the fan， the cooling channel and the environment. Taking the dry-type intelligent load bank of China Ship Power Station Co.， Ltd. as the example， studies are carried out to improve the design of air inlet duct and outlet duct， to increase blast capacity of the fan， and to enhance the dissipation performance. Moreover， practical methods that can achieve better result are explained in the paper for reference.

dry-type intelligent load bank； diesel generator test equipment； resistance load； air inlet duct； air outlet duct；blast capacity of fan； heat dissipation

U665.1

A

2095-4069 （2016） 05-0061-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.012

2016-07-21

董秋蘇，女，高級工程師，1964年生。1986年畢業(yè)于鎮(zhèn)江船舶學(xué)院自動控制及計(jì)算機(jī)系工業(yè)電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)從事船舶電站自動化技術(shù)開發(fā)研究設(shè)計(jì)工作。