基于某型方艙散熱控制要點分析

翟廷科 吳磊

摘要：本文在了解方艙概述的同時，結(jié)合具體案例，對方艙散熱控制要點進(jìn)行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：方艙;散熱;概述

一、方艙散熱的重要性

方艙可裝放在載車上運輸，或放于戶外，適用于全天候環(huán)境，具有通用性、機動性、維護(hù)性好，運輸建站靈活方便的優(yōu)點。此外，方艙內(nèi)部常裝有機柜，機柜內(nèi)部又裝有插箱、插件及印制板等大量的電子設(shè)備。如何采取切實有效的散熱手段，對這些密集度運輸很高的電子設(shè)備進(jìn)行散熱冷卻，滿足艙內(nèi)設(shè)備的散熱要求，是方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮的重要內(nèi)容。方艙以其具有較強機動性和環(huán)境適應(yīng)性而受到越來越廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計55%的電子設(shè)備失效是由溫度過高引起的。隨著溫度的升高，元器件失效率呈指數(shù)增長。因此，對方艙內(nèi)部進(jìn)行熱分析具有重要意義。

良好的設(shè)計是以最小的能耗、最小的代價達(dá)到最佳的散熱目的。合理的設(shè)計不僅能使操作人員舒適，設(shè)備工作安全可靠，同時還可以降低能耗、減小噪音，節(jié)省能源，減小設(shè)備量，提高系統(tǒng)的機動運輸性能。

目前常用的散熱方式是在方艙后面背上整體或分體式空調(diào)通過空調(diào)改善艙內(nèi)工作和生活環(huán)境，如機柜內(nèi)電子設(shè)備，則通常采用有風(fēng)道或無風(fēng)道集中送風(fēng)的方式，對機柜內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行強迫通風(fēng)散熱冷卻。這種散熱方式的優(yōu)點是艙內(nèi)基本屬于閉式循環(huán)，艙內(nèi)環(huán)境相對獨立，避開了野外各種惡劣環(huán)境條件對艙內(nèi)電子設(shè)備的影響，方艙系統(tǒng)散熱設(shè)計的關(guān)鍵在于其內(nèi)部機柜相同的散熱形式，根據(jù)艙內(nèi)機通風(fēng)散熱方式的不同，通常又分為頂部送風(fēng)與底部送風(fēng)兩種方式。

二、案例分析

本次分析的方艙由中間隔斷分割為兩部分，前部為設(shè)備艙，后部為工作艙。設(shè)備艙主要放置三臺機柜、一扇門和空調(diào)出入風(fēng)口。工作艙主要放置一張會議桌、三把會議椅、兩把車壁折疊椅和四扇窗戶。整個艙頂部設(shè)置風(fēng)道。隔斷高度低于空調(diào)風(fēng)道高度，方便空調(diào)回風(fēng)。方艙內(nèi)的主要發(fā)熱元件集中在3臺機柜內(nèi)，機柜1、機柜2、機柜3，設(shè)備的功耗約有30%能量轉(zhuǎn)化為熱能。

三、散熱設(shè)計

（一）環(huán)境參數(shù)

本次分析的方艙需保證在環(huán)境溫度為40℃的情況下，30min內(nèi)應(yīng)將車內(nèi)溫度降低到不高于30℃。

（二）熱源分析

本次分析的方艙熱源主要集中在設(shè)備艙中，安裝在機柜上的系統(tǒng)電子設(shè)備耗散出很大的熱量，特別是高頻設(shè)備，散熱量集中。另外，當(dāng)方艙野外露天使用時，在太陽輻射下，方艙表面溫度升高，雖然艙壁內(nèi)有斷熱橋和隔熱材料，但是長時間照射后還是會使艙內(nèi)溫度升高，惡化工作環(huán)境。

（三）空調(diào)降溫能力

采用空調(diào)制冷降溫是目前降溫的唯一選擇，因此空調(diào)的降溫能力是整車能否達(dá)到高溫環(huán)境要求的關(guān)鍵，按照要求在環(huán)境溫度為40℃的情況下，30min內(nèi)應(yīng)將車內(nèi)溫度降低到不高于30℃，下面根據(jù)這一要求就本車測試艙降溫能力進(jìn)行估算，一般情況下，總耗冷量涉及6個方面的內(nèi)容，即方艙熱導(dǎo)所需耗冷量（p1），方艙內(nèi)電子設(shè)備的散熱量（p2）、方艙內(nèi)工作人員人體散熱量（p3）、預(yù)冷設(shè)備及材料消耗的熱功率（p4）、方艙內(nèi)空氣耗冷量（p5）、太陽輻射進(jìn)入方艙的熱功率（p6），本文就通過公式分別對上述6方面進(jìn)行計算分析，從而得出總耗冷量，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，對比分析其是否滿足規(guī)定，最終確定能否達(dá)到需要。

1.方艙熱導(dǎo)所需耗冷量（p1）的計算分析。先計算出方艙熱傳導(dǎo)所需的耗冷量，當(dāng)艙熱傳導(dǎo)系數(shù)K=2W/m·℃;方艙表面積S=76.98m;環(huán)境溫度：T1=40℃;車內(nèi)需降到的溫度T2=30℃的情況下，可按照公式P1=K*S（T1-T2）=2x76.98x（40-30）=1539.6w。

2.方艙內(nèi)電子設(shè)備的散熱量（p2）的計算分析。在獲取方艙熱傳導(dǎo)所需的耗冷量后，便可進(jìn)行方艙內(nèi)電子設(shè)備散熱量的分析，方艙內(nèi)電子設(shè)備包括各種電子設(shè)備、計算機等，其散出的熱量可按下式計算：

P2-n1×n2×n3×n4×N

式中：T——各電子設(shè)備最大輸入功率總和，取N=3430W;n1——安裝系數(shù)（設(shè)計功率與安裝功率之比），設(shè)為0.8;n2一一負(fù)荷系數(shù)（平均功率與設(shè)計功率之比），設(shè)為0.7;n3一一同時使用系數(shù)，一般取0.7;n4一一蓄熱系數(shù)，一般取0.8。

則P2=0.8×0.7×0.7×0.8×3430≈1075（W）

3.方艙內(nèi)工作人員人體散熱量（p3）的計算分析。方艙內(nèi)工作人員人體散熱量若由P3=n表示，此時q7=5x145=725w，其中n為工作廂內(nèi)工作人員的數(shù)量，q為單個人的散熱量（夏季），取為145W/人。

4.預(yù)冷設(shè)備及材料消耗的熱功率（p4）的計算分析。按照相關(guān)設(shè)備要求，預(yù)冷設(shè)備及材料消耗的熱功率P4=300（W）。

5.方艙內(nèi)空氣耗冷量（p5）的計算分析。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，可按下式計算方艙內(nèi)空氣耗冷量，具體如下：

方艙內(nèi)空氣耗冷量P5=CP·ρ·v·△T/Zt=（1000×1.29×25.53×10）/1800≈183W：

式中：CP—定壓比熱取1kJ/kg·m;ρ—空氣比重取1.29kg/m;V—方艙內(nèi)部容積，取44.2m;Zt—調(diào)節(jié)時間，取Zt=30min=1800s。

6.太陽輻射進(jìn)入方艙的熱功率（p6）的計算分析。方艙熱環(huán)境分析中，太陽輻射是一個十分重要的因素，當(dāng)太陽輻射進(jìn)入方艙后，勢必會對其熱功率造成一定影響，因此，太陽輻射進(jìn)入方艙的熱功率可由公式表示：P6=K·FP·（Tm-T）=2×30.25×20=1210W

式中：K—廂壁的平均傳熱系數(shù)，取2W/（m·℃）;FP—向陽面的最大面積，取30.25m;Tm—太陽照射下向陽面的平均溫度，計算時取為Tm=T+20;T—方艙外環(huán)境溫度。

根據(jù)上述分析，可得出總耗冷量：

即P=p1+p2+p3+p4+p5+p6=1539.6+1075+725+300+183+1210==5177.6W.

由此可知，當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時，將方艙內(nèi)的溫度降至30℃時所消耗的制冷量為5177.6W，本車選用1臺軍用空調(diào)，其額定制冷能力為6000W，按GJB1913A《軍用方艙空調(diào)設(shè)備通用規(guī)范》規(guī)定的額定值95%效能計算，本空調(diào)制冷能力為5700W，能夠滿足要求。

四、結(jié)束語

綜上所述，在方艙設(shè)計過程中，不僅是任務(wù)功能進(jìn)行設(shè)計，也要考慮到方艙內(nèi)的環(huán)境設(shè)計。本文通過方艙散熱情況進(jìn)行了理論計算，為方艙散熱設(shè)備選型提供理論支撐，對方艙熱環(huán)境研究提供了一定實際工程應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張明月.某6米方艙空調(diào)選型分析[J].工程技術(shù)研究，2016（5）.