舰用电子机柜风冷冷却盘管的设计探讨

1 引 言

相对于舒适性空调来说，为舰船上电子机柜提供冷却的中小型空调器，在性能上要求会比较特殊，不仅要保证电子机柜内温度在一定的范围内，使电子机柜在最合适的温度和湿度下工作，还要保证电子机柜外板没有凝露。目前舰船上主要采用空气冷却闭式循环方式来冷却电子机柜[1]，使空气在进入电子机柜前被空调器处理到温度24～28℃和相对湿度≤65%。在空调器设计过程中，冷却盘管作为其重要的组成部件，承担着为循环空气降温、除湿的主要任务，因此冷却盘管工作性能的好坏，将直接影响到整个系统冷却的效果。本文将对冷却盘管设计、校核的基本方法和工况点选择进行探讨。

2 冷却盘管的基本设计方法

目前国内在进行冷却盘管的设计方法主要有3种[2，3]：基于干球温度效率的计算方法；基于湿球温度效率的计算方法；基于等价干工况的计算方法。这三种方法有其各自优缺点，可以根据工况要求和冷却盘管的经验公式，选取相应的计算方法进行设计和校核。由于舰上电子机柜的冷却采用闭式循环，无需考虑湿负荷，故选用基于干球温度效率的计算方法，设计流程见图1。

图1 冷却盘管设计流程

经过以上计算步骤后，可以得到需要传热面积F和实际传热面积F′，如F>F′，则盘管设计面积不能满足冷却负荷需要，须增加盘管排数、列数、肋片数或调节冷媒水流量等相关参数，使之满足需要；如F≤F′，则表示盘管设计可以满足冷却负荷需要。在实际计算过程中，考虑到盘管使用一段时间后管内结垢、管外翅片附着灰尘等不利因素，会为盘管预留部分冷却能力，使F′略大于F。

3 冷却盘管的校核方法

(1)

式中，t1为盘管进口空气设计温度；t2为修正后的盘管出口空气设计温度；tw1为冷媒水供水温度。

根据热传导理论可以推导Eg的另外表达方式：

(2)

式中，

(3)

(4)

式中，c为水的比热；X为析湿系数；W为冷媒水质量流量；V为空气的质量流量。

(5)

(6)

式中，f为错流修正系数；K为传热系数。

4 设计工况的选择

在空调器冷却盘管的设计过程中，通常外部参数如冷水机组提供冷媒水的供水温度tw1为7～8℃，回水温度tw2为10～12℃的额定工况冷媒水，空气冷却负荷为已知的确定值。在空调器出口空气的设计要求较高的情况下，盘管出口设计温度的取值不同，会带来不同的设计结果。

1) 盘管出口空气设计温度较低，与冷媒水进水温度接近，即t2与tw1接近时，盘管的接触系数越接近1，空气和冷媒水的换热效果越好。但采用电加热器对盘管出口空气温度升温降湿，会增加盘管冷负荷，同时造成能源的浪费。

2) 盘管出口空气设计温度较高，盘管出口空气设计温度与冷媒水进水温度相差较大，即t2>tw1时，冷负荷要求相同的条件下，为使盘管出口空气温度满足要求，需减小盘管接触系数，空气和冷媒水换热效果差。同时电加热器使用量少，盘管负荷小。

在采用空气冷却闭式循环冷却舰船上的电子机柜的空调冷却系统中，要求空气在进入电子机柜前被空调器处理到较高温度(如20～30℃)和较低湿度(如≤65%)。为了满足要求，综合上述两种设计思路，在提高盘管效率、保证盘管接触系数的基础上少量投入电加热，保证出口空气温湿度，校核盘管计算参数，调整初选的设计值，使盘管设计优化、合理。下面举例加以说明。

5 应用举例

某电子机柜发热量负荷为8 kW，要求冷却该电子机柜的空气温度为24～28℃，相对湿度为≤60%，采用电子机柜和空调器闭式循环的方式提供冷却用空气。冷媒水供水温度7.5℃，回水温度11.5℃。为该电子机柜设计空调器，在冷却盘管的设计过程中，盘管结构基本参数已确定，系统冷负荷为电子机柜发热量、风机发热量和电加热器发热量之和。采用基于干球温度效率的计算方法，分盘管出口温度低温和高温两种工况来进行参数设计。

1) 盘管设计出口温度14℃，出口相对湿度97%。

设计过程中，当设定盘管迎面的风速为2.1 m/s不变的条件下，盘管的实际供冷量随盘管的传热面积的增加而增加。但为保证电子机柜对空气温湿度的要求，电加热器的负荷始终很大，而且随盘管传热面积的增大而增大，从而导致系统总冷负荷上升见图2。盘管接触系数变化见图3。当盘管面积为23.7 m2时，盘管实际出口温度为14.8℃，盘管接触系数为0.88，盘管的实际供冷量15.4 kW与系统冷负荷相同，此时的电加热量为4.8 kW，加热后空气温度26.8℃、相对湿度43.8%，冷媒水流量为3.3 m3/h。

图2 盘管负荷变化

图3 盘管接触系数变化

2) 盘管设计出口温度22℃，出口相对湿度97%。

在上述设计结果参数的基础上，调整盘管的尺寸参数，使迎面风速降至1.4 m/s，降低盘管的接触系数。盘管出口空气温度、盘管供冷量和系统负荷随盘管面积变化情况见图4，盘管接触系数变化见图5。当盘管面积为21.3 m2时，盘管实际出口温度为19.2℃，盘管接触系数为0.76，盘管的实际供冷量12.5 kW与系统冷负荷相同，此时的电加热量为2 kW，加热后空气温度26℃，相对湿度60%，冷媒水流量为2.7 m3/h。

图4 盘管负荷变化

图5 盘管接触系数变化

比较盘管出口温度低温和高温两种工况的设计结果可以看出，通过调整盘管的尺寸参数，适当降低盘管的接触系数、提高盘管出口的设计温度，减少盘管面积，从而减少了盘管负荷，减少了冷媒水流量的需求。在调整盘管的尺寸参数的过程中，由于与盘管尺寸参数相关的排数、列数、肋片数和肋片距等参数均可以调节，这些参数的调整会改变盘管传热面积、接触系数等，从而最终影响到盘管的出口空气参数。因此在实际设计过程中，既要满足设计工况点的需要，也要考虑到冷却盘管在空调器设备中的安装空间对盘管尺寸的限制，同时对盘管实际生产制造过程中常用的肋片、肋片管的尺寸和组合形式也要有所了解，使设计出的冷却盘管能在冷却系统中发挥出最佳的工作性能，满足使用要求。

6 结 语

采用空气冷却闭式循环来冷却舰船上电子机柜的空调系统中，在采用传统的设计公式进行设计的基础上，合理地选取冷却盘管的设计工况点，进行冷却盘管的尺寸参数设计，不仅能提高空调设备的技术性能，还能减少整个冷却系统对电力和冷媒水的需求，提高了设备运行经济性，对于盘管的设计和整个冷却系统的设计，特别是较大的冷却系统的设计来说至关重要。

[1] 王忆秦.舰船电子设备冷却系统研究[J]. 舰船科学技术,2007(5):85-87.

[2] 路延魁.空气调节设计手册[M].第二版.北京:中国建筑工业出版社,1995.

[3] 船舶设计实用手册冷藏通风，船舶设计实用手册第六分册，冷藏通风[M].第一版.北京：国防工业出版社,1975.

[4] 赵荣义.空气调节[M].第三版.北京:中国建筑工业出版社,1994.