某军事雷达用风冷一体式冷却系统的设计案例

郑秀萍 王伟东 杨 玥 郇 伟

（乐金空调（山东）有限公司，山东 青岛 266109）

某军事雷达用风冷一体式冷却系统的设计案例

郑秀萍 王伟东 杨 玥 郇 伟

（乐金空调（山东）有限公司，山东 青岛 266109）

概述了军事雷达用风冷式一体机组的功能要求，对其系统设计选型，主要包括水系统水箱、水泵和制冷模块机组等，为恶劣工况下风冷机的稳定性设计提出了独特的解决方案。

冷却系统LRCS330；水泵；水箱；模块机；稳定性

0 引言

某国军事雷达用冷却系统，雷达为野外安放，采用风冷一体式冷水系统为其提供冷量，要求机组全年候工况运行。存放环境温度为-35～71 ℃，运行环境温度为-35～55 ℃。2台雷达配置2台冷却系统。

每台系统由3台165 kW制冷机组（两用一备）、3台冷水泵（两用一备）、1台水箱（含加热器）组成，所有设备安装在一个底部框架上。满负荷冷量为330 kW，出水温度为15 ℃，系统流量为102 m3/h，冷水侧为66%乙二醇溶液。

图1 冷却系统LRCS330设备

表1 主要设备明细

1 产品配置设计

整个系统命名为冷却系统LRCS330，如图1所示，其中包含水侧系统和制冷机组模块系统，本文主要介绍水侧水泵、水侧水箱和制冷模块机组的设计。主要设备明细如表1所示，系统流程图如图2所示。

1.1 水泵设计选型

1.1.1 扬程计算

水泵扬程的设计包含雷达压降、管路压降、机组压降、弯管件及各阀件压降，考虑最不利条件下最大扬程，即-35 ℃环境下的水侧系统压降。计算方法如下：

（1）雷达压降：

水流量Q=102 m3/h，相对粗糙度为R=0.000 5，-35 ℃时乙二醇溶液密度ρ=1 125 kg/m3，动力粘度µ=0.12，管道直径d=100 mm，摩擦系数λ=0.042，雷达系统管长l=480 m，则液体流速V=Q/（d2/4×π）=3.06 m/s，雷诺数Re=V×d×ρ/µ=2 827.6。

（2）管路侧压降：

管路直径d=150 mm，管路长l=120 m，液体流速v=Q/（d2/4×π）=1.32 m/s，雷诺数Re=v×d×ρ/µ=1 857.7，则沿程阻力hf=2.93 m（根据公式（1））。

（3）管路中大小头的压降：

大小头数量10个，d=150×100 mm，局部阻力系数ξ=0.30。

V2=Q/（3 600×d2/4×π）=3.06

单个大小头压降为hf=0.14 m，则总压降为hf=10×0.14=1.4 m。

（4）管路中截止阀的压降：

截止阀数量20个，d=100 mm，局部阻力系数ξ=2.10。

V2=Q/（3 600×d2/4×π）=3.06

单个截止阀压降为hf=1.0 m（根据公式（2）），则总压降为hf=20×1.0=20.0 m。

（5）管路中过滤器的压降：

过滤器数量2个，d=100 mm，局部阻力系数ξ=2.00。

v2=Q/（3 600×d2/4×π）=3.06

图2 系统流程图

单个过滤器压降为hf=0.96 m（根据公式（2）），则总压降为hf=2×0.96=1.92 m。

（6）管路中弯头的压降：

弯头数量20个，d=150 mm，局部阻力系数 ξ=0.35。

v2=Q/（3 600×d2/4×π）=1.32

单个压降为hf=0.03（根据公式（2）），则总压降hf=20×0.03=0.62 m。

（7）蒸发器压降：hf=8.9。

（8）系统总压降：7.7+2.93+1.4+20.0+1.92+0.62+8.9=133.5，取修正系数1.1，则总压降为133.5×1.1≈146 m。

1.1.2 水泵流量计算

因系统总流量为102 m3/h，故单台水泵流量需满足51 m3/h，考虑2台并联，取修正系数1.2，水泵流量为61 m3/h。

根据扬程与流量选择格兰富离心式立式水泵，型号CRNCM64-4，如图3所示。

图3 离心式立式水泵

1.2 水箱设计

水箱容积为4 000 L，可容纳系统中所有液体介质，因介质为乙二醇，故设计为封闭式水箱。

1.2.1 水箱加热器

因雷达为全年运行，在低环境-35 ℃下，雷达入口侧即冷却系统侧仍需提供10 ℃的乙二醇溶液。故系统中需配置加热器，考虑最不利工况，将乙二醇溶液-35 ℃加热到10 ℃。

加热器加热量有雷达热惰性热量、水箱液体、水箱本体、水泵、管路和阀件、蒸发器几方面。

在-12.5 ℃（ 取-35～10 ℃的平均温度 ）环境下66%乙二醇溶液密度1 097 kg/m3，温差△t=10-（-35）=45 ℃。

（1）雷达加热量：

雷达热导性k=13 000 kJ/℃，则加热量Qr=k×△t= 585 000 kJ。

（2）水箱液体：

容积V=3 612 L，质量m=ρ×v =3 962 kg，比热Cp=2.84 kJ/kg·℃，则加热量Qe =Cp×m×△t=506 390 kJ。

（3）水箱本体：

水箱重量m=280 kg，比热Cp=0.46 kJ/kg·℃，则加热量Qt=Cp×m×△t=5 796 kJ。

（4）水泵：

比热Cp=0.46 kJ/kg·℃，水泵重量m=850 kg（2台水泵），则加热量Qb=Cp×m×△t=17 595 kJ。

（5）管路与阀件：

比热Cp=0.46 kJ/kg·℃，重量m=3 000 kg，则加热量Qp=Cp×m×△t= 62 100 kJ。

（6）蒸发器：

比热Cp=0.46 kJ/kg·℃，重量m=560 kg，则加热量

Qc=Cp×m×△t=12 096 kJ。

（7）总加热量：Q=Qe+Qt+Qb+Qp+Qc=1 188 977 kJ。

总功率P=Q/（90×60）=220 kW（用户限定加热时间为90 min）。

取修正系数1.05，则总功率为220×1.05=230 kW。

加热器工作原理：考虑加热器加热滞后性，设置为5段式46 kW×5。当供水温度＜0 ℃时，开启加热器5段加热；当供水温度＜5 ℃时，开启加热器4段加热；当供水温度＜10 ℃时，开启加热器3段加热；当供水温度＜12 ℃时，开启加热器2段加热； 当供水温度＜14 ℃时，开启加热器1段加热；当供水温度≥15 ℃，逐台启动制冷机组运行。

1.2.2 水位传感器及水位开关

水位传感器，方便操作者及时监测水位情况。

水箱水位开关。水位开关设置为3个：1级1 680 L，2级1 260 L，3级 840 L。当水位低于840 L，信号传输到主控制器，发出缺水警告。

1.2.3 其他

水箱另外配置补水泵1台，为水箱补给溶液。

1.3 模制冷块机组设计

模制冷块机组流程图如图4所示。

1.3.1 机组主要配件

压缩机：采用风冷螺杆式压缩机，单台机组设计为2套独立系统，2台压缩机，压缩机为滑阀无极调节，压缩机油槽配有300 W机油加热器。

蒸发器：采用1个蒸发器，氟侧为独立系统，水侧为1套水系统。

风机：采用变频风机，使压力调节更加稳定。

节流：电子膨胀阀。

1.3.2 高温环境下工况设计

根据用户要求环境温度最高可达到55 ℃，此时冷凝温度可高达70 ℃，排气温度极有可能达到100 ℃，故增加两级液喷系统。一级为压缩机电机冷却，冷却液由储液罐引出连接到压缩机电机室，当排气温度达到90 ℃开启。二级为压缩机压缩腔冷却，冷却液由储液罐引出连接至压缩机压缩腔，当排气温度高于95 ℃开启。

1.3.3 低温环境工况设计

在压缩机排气侧增加排气压力维持阀，在低温下启动时，使机组短时间内建立压差，使压缩机加载顺畅。另外安装冷凝压力调节器KVR+NRD，KVR连接在表冷器出口与储液罐入口之间，NRD从油分离器出口连接至KVR出口侧。当冷媒侧压力低时，KVR未到开启压力时，开启旁通NRD，因KVR未开启，高压侧压力逐渐升高，升高至KVR开启设定值时，KVR打开，溶液进入到储液器，使进入储液器侧压力保持恒定。

1.3.4 回油管路

对于满液式螺杆机组系统，当工况不稳定时，压缩机润滑油易随冷媒迁移至换热器，造成压缩机回油不良。

因此项目用户要求环境温度为-35～55 ℃，变化波动大。应对回油问题，增加引射回油和二次油分回油。

1.3.5 蒸发器引射回油

蒸发器底部安装集油管，引射器连接压缩机高压侧、低压侧及蒸发器底部集油管，通过高压引设将蒸发器底部的油送至压缩机吸气段，从而回到压缩机。

1.3.6 二次油分回油

在压缩机和表冷器间设置二次油分离器，因低温下润滑油粘度较高，很难移动，故在油分离器上增加外置油加热器，功率为300 W，缠绕于卧式油分筒体上。在压缩机长时间关机后再次启动前，为保证油温粘度，需将加热器开启8 h以上。

图4 模制冷块机组流程图

2 系统稳定性试验

2.1 试验装置

试验装置如图5所示。主要包括：（1）冷却系统LRCS330，1台；（2）电加热器（虚拟雷达负荷330 kW，共4段）1台；（3）试验用水箱1台；（4）水侧过滤器1个；（5）截止阀若干。

图5 测试装置流程图

2.2 试验方法

将以上装置冷却系统LRCS330与电加热器、水箱等连接为一个循环回路。将装置放在实验室内，分别测试在环境温度-35 ℃、42 ℃、55 ℃工况下，调节不同负荷0、82.5 kW、165 kW、247.5 kW、330 kW时，确认机组能否正常稳定运行，要求时间为24 h。

实验注意事项：实验过程中不得触碰机组，机组全自动运行，有停机故障则重新试验。

2.3 测试结果

2.3.1 -35℃工况测试

在低温工况持续3 h后，发现1号模块蒸发器进口前的阀门有轻微泄露，紧固螺栓后不漏。1台水泵出口阀门有轻微泄露，紧固螺栓后不漏。

系统开机后机组各部件正常运行，无异常情况，负荷调节时，机组自动加减载运行，无故障出现，测试通过。

2.3.2 42℃工况测试

系统正常运行24 h，无故障，负荷调节时，机组自动加减载运行，无故障出现，测试通过。

2.3.3 55℃工况测试

高温工况运行时，开机后3个模块中有1个模块出现高压报警，现场修改程序，修订压力保护，改为当压力超过高压限定值的95%时，压缩机停止加载，当继续升高，压缩机卸载，有效避免了高压故障。之后系统稳定运行24 h，测试通过。

3 结语

本文详细阐述了一体机机组水系统和模块机组的要求和设计方案，为预防恶劣工况下机组运行故障提出了独特的设计理念。

该项目已经竣工并在2012年初投入使用，如此大规模的风冷式一体机项目尚属首次，没有相同的工程案例。但是，通过应用验证，设计的各项参数是比较合理的，设备的选择与配置也较为合理。

[1] 龙天渝，蔡增基.流体力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2004

[2]彦启森，石文星，田长青.空气调节用制冷技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2010

Air Cooled Cooling System of A Military Radar System Project

Zheng Xiuping Wang Weidong Yang Yue Huan wei
（LG Electronics Air-Conditioning（Shandong）Co.,Ltd.，Shandong Qingdao 266109）

The paper presents the requirements of air cooled cooling system for military radar system ,the design of the system selection,mainly including water tank ,water pump and cooling units ,etc.,points out the unique solution of the stability for air cooled system under limiting operational condition .

cooling system LRCS330;pump;water tank;unit;stability

2014-08-11

郑秀萍（1987—），女，山东济宁人，助理工程师，研究方向：制冷机组设计。