風(fēng)冷電氣柜的系統(tǒng)阻力及風(fēng)機風(fēng)量數(shù)值計算?

黃超洋 陳 飛 李 靖 喬 梁

（海南金盤電氣研究院有限公司 武漢 430074）

1 引言

電氣柜由于其占地面積小，防護等級要求比較高以及發(fā)熱區(qū)域集中的特點，在實際運行過程中通常會配備風(fēng)機以及散熱器對設(shè)備進行強迫風(fēng)冷卻，風(fēng)機的有效風(fēng)量與系統(tǒng)阻力系數(shù)有關(guān)，風(fēng)機選擇偏大，則其成本較高，同時風(fēng)機不能工作在其最高效率點，風(fēng)機選擇偏小，則其會長期超負荷運行，影響風(fēng)機壽命及噪音，因此對系統(tǒng)阻力和風(fēng)機工作點風(fēng)量的計算就非常重要了。1 所示，當(dāng)內(nèi)部風(fēng)機兩端的風(fēng)壓等于系統(tǒng)的壓降時即為系統(tǒng)的平衡點，也即是風(fēng)機的工作點，系統(tǒng)阻力系數(shù)其實是相對風(fēng)機而言的，即等效的系統(tǒng)的阻力系數(shù)為換算到風(fēng)機兩端的阻力系數(shù)。

根據(jù)伯努利方程可得知，在穩(wěn)定理想的一元流動系統(tǒng)中［1］:

2 計算原理

風(fēng)機提供的風(fēng)壓是為了克服系統(tǒng)的壓降，如圖時，應(yīng)加進機械能損失項，忽略位壓的影響由于其沿程阻力和局部阻力的作用，流體系統(tǒng)會將部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能，這即為系統(tǒng)的總能損失Δp。

圖1 風(fēng)機特性曲線及風(fēng)機工作原理圖

3 計算方法

1）系統(tǒng)阻力計算

壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失，沿程壓力損失指流體在風(fēng)路中流動時因流體具有的粘性而產(chǎn)生的壓力損失，由于空氣的粘度很低而電氣柜鈑金風(fēng)道面光滑且單風(fēng)道短，在實際電氣柜風(fēng)路計算中，沿程阻力部分計算忽略不計。局部壓力損失指流體流經(jīng)如閥口、彎管、通流截面變化等時形成死區(qū)或渦旋區(qū)，流體在此區(qū)域并不參加主流動，而是不斷的打旋，加速流體摩擦或造成質(zhì)點碰撞，產(chǎn)生局部能量損失；流體流過局部裝置時流速的大小和方向發(fā)生急劇變化，各截面上的速度分布規(guī)律也不斷變化，引起附加摩擦而消耗能量［2～3］。

對于簡單風(fēng)路的局部壓力損失:

風(fēng)機內(nèi)為高速流體，根據(jù)雷諾數(shù)計算公式:

常用電氣柜風(fēng)機中空氣的流動狀態(tài)為紊流，其壓力損失可按以下公式計算［4～5］

而對應(yīng)局部阻力系數(shù):

得到局部損失系數(shù)的方法主要有3種方法:

（1）數(shù)值算法:查閱設(shè)計手冊《Handbook of Hydraulic Resistance》［6］等資料得出局部阻力系數(shù)；

（2）有限元法:使用有限元算法對局部進行計算，通過計算收斂得到局部損失系數(shù)；

（3）反推法:根據(jù)系列風(fēng)壓和風(fēng)速試驗數(shù)據(jù)根據(jù)式（7）反推局部阻力損失系數(shù)。

2）風(fēng)路局部等效面積計算

工程計算中，在計算等效通風(fēng)面積有很多種等效方式［7］，較多都是根據(jù)經(jīng)驗方法對通風(fēng)面積進行估算。假設(shè)在局部風(fēng)路中如果將風(fēng)路壓力損失考慮為動壓損失，即初始速度為v1的空氣在截面為S風(fēng)路穿越障礙，必然會導(dǎo)致風(fēng)速下降，風(fēng)速為v2，由于進出風(fēng)的風(fēng)量一致，則可得知:

如果將風(fēng)路壓力損失考慮為靜壓的損失，即風(fēng)速為v2的空氣穿過截面為S風(fēng)路障礙，根據(jù)流量不變可得知進出口風(fēng)速一致，但進出風(fēng)口壓力發(fā)生變化，則可得知:

由式（7）局部阻力系數(shù)計算可得知:

3）風(fēng)量占比

（1）進出風(fēng)口條件相同

對于進風(fēng)條件或者是出風(fēng)條件相同的情況，計算風(fēng)量占比相對比較簡單，如果系統(tǒng)為單個風(fēng)道，多個風(fēng)機，則可近似將風(fēng)道當(dāng)作并列的多個風(fēng)道，那么其面積也需要按照風(fēng)機風(fēng)量比例分配。例如如果是n 個風(fēng)機共用1 個進風(fēng)口，則風(fēng)量占比為n，則換算等效阻力系數(shù)時:

如果系統(tǒng)為多個風(fēng)道，1 個風(fēng)機，即風(fēng)機的風(fēng)路由多條支路合并而成，那么風(fēng)機面積也需要按照風(fēng)機風(fēng)量比例分配，則可將風(fēng)機近似看成多個風(fēng)機，例如如果是n個進風(fēng)口共用1個風(fēng)機，則風(fēng)量占比為:

其中 κ:風(fēng)量占比

（2）進出風(fēng)口條件不同

如果進出風(fēng)口條件不相同，計算風(fēng)量占比則可近似按照其等效通風(fēng)面積來計算，即在相同的外界環(huán)境下，風(fēng)量占比為其等效面積所占總面積的比例，因此在進出風(fēng)口條件不同時，根據(jù)式（12）的計算，對于某進風(fēng)口或出風(fēng)口的風(fēng)量占比，可按照以下公式近似計算:

4）風(fēng)機曲線擬合

風(fēng)機P-Q 曲線是風(fēng)機廠家根據(jù)風(fēng)機實際運行的規(guī)律測試得到，在實際工程計算中，有很多種方法可以將曲線數(shù)值方程擬合化［8～12］，經(jīng)過測試，在本計算中將P-Q 曲線使用多次多項式擬合［3］，電氣柜所使用風(fēng)機的PQ 曲線4 次多項式的擬合可達到99%，比較符合計算要求，因此將常規(guī)使用的P-Q曲線使用OriginPro擬合，如表1所示。

因此風(fēng)機的PQ曲線可以使用多項式方程擬合為

其中:a、b、c、d、e為常數(shù)，是方程的各次系數(shù)。

表1 常用風(fēng)機PQ曲線擬合方程

5）風(fēng)機工作點計算

根據(jù)強迫風(fēng)冷計算原理，可以使用編程方法計算出工作點［13～15］，使用 VB 與數(shù)據(jù)庫編寫的計算程序如圖2，在計算中，將相關(guān)參數(shù)代入到程序中，使用最小二乘法求解方程，即可得到當(dāng)前風(fēng)冷系統(tǒng)的風(fēng)機風(fēng)量和系統(tǒng)壓降。

圖2 系統(tǒng)阻力計算與風(fēng)機選型程序

4 試驗對比

以一臺電氣柜風(fēng)路為例進行理論計算，該項目電氣柜中有2 個風(fēng)機，分別對各個風(fēng)機進行風(fēng)量和壓降計算，如圖3所示。

圖3 電氣柜計算結(jié)果

根據(jù)以上可得知:

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)換算，風(fēng)機出風(fēng)口平均風(fēng)速為4.3m/s，偏差為3.02%。

5 結(jié)語

以上的分析可以得知，在可以得知電氣柜所需風(fēng)量的條件下，可以根據(jù)風(fēng)機自身的特性和風(fēng)路的設(shè)計，可以很方便地使用理論計算的方法計算出實際風(fēng)機運行工況并對風(fēng)路進行優(yōu)化設(shè)計，同時也可以選擇合適的風(fēng)機和確定進出風(fēng)口的面積。