密闭机柜用循环通风装置的研究

朱伟明，丁东旭

（1-海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 201913；2-合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031）

密闭机柜用循环通风装置的研究

朱伟明*1，丁东旭2

（1-海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 201913；2-合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031）

本文以密闭机柜冷却为研究对象，根据循环通风装置的主要技术指标，进行了循环通风装置降温除湿设计；在控制系统上采用了可编程控制器（PLC），冷凝回热与电加热相结合的方式进行温度控制，提高了自动化水平以及可靠性。通过实际运行数据分析证明了循环通风装置的应用价值和可推广性。

密闭机柜；循环通风装置；回热

0　引言

随着武器装备的快速发展，武器装备的科技含量越来越高，尤其是电子、控制领域的发展更是日新月异。为了提高或保证高科技武器的可靠性，往往对装备的使用环境提出更高的要求，舰载用密闭式电子机柜就是其中的典型代表。刘永曾对舰载电子设备循环风冷式密闭机柜进行探讨［1］，提出舰用密闭机柜是一种有效抗恶劣环境的隔离方式，它对提高包括雷达在内的舰用电子装备的可靠性、降低故障率、延长设备寿命都具有重要的现实意义。但是采用密闭式电子机柜后，电子设备的热量该如何散出。密闭机柜用循环通风装置能将电子机柜的热量散出，为密闭机柜提供温度和湿度相对较低的冷却空气，从而为密闭机柜创造一个良好的工作环境，提高密闭机柜的工作稳定性、可靠性和使用寿命，满足用户的要求。

目前，国外的船用电子机柜均采用专用设备对其进行冷却，以保证其工作的稳定性、可靠性和使用寿命，但是国外的专用设备相对价格较高，同时售后维修价格高、周期长，不能很好地保证用户的使用。而我国舰载电子机柜冷却的研究起步较晚，多采用强制冷却措施，效果差，设备老化较快，性能不稳定，有的采用舱室空调进行冷却，温度满足电子机柜要求，但是湿度较高，无法保证其正常稳定的工作。在我国移动基站中的密闭机柜也是通过环境空气对中间介质的冷却［2］，达到对密闭机柜冷却的效果，其冷却效果相对舰载循环通风装置较差，舰载循环通风装置能对密闭式电子机柜送风温度稳定在一定范围内，冷却效果较好。

1　密闭机柜用循环通风装置设计主要技术指标和技术要求

通风装置的主要功能是为密闭机柜提供温度、湿度和品质符合要求的空气，以实现对密闭机柜循环通风换热。对此，经分析设计为直冷式冷却除湿，具体空气循环流程如图1所示。

图1　空气循环流程

通风装置提供的温度、湿度符合要求的空气输送至机组的出风口，经布置的风管到达机柜，以实现对密闭机柜的换热，使其正常的工作。经换热温度升高的空气由通风机组回风口导入，首先经过空气过滤器进行过滤，过滤后的空气流经制冷循环系统中的蒸发器，在流经蒸发器与翅片内侧的制冷剂换热时，循环空气温度降低到露点以下，使空气中的水分凝结析出，经降温除湿后的空气流经挡水板，达到去除空气中的水分目的，然后流经冷凝回热器和电加热器调节温度和湿度，从而满足送风温度和湿度的要求［3］。

技术要求具体如下：

工作环境温度为-10℃～+50℃，其中高温高湿环境温度为（40±2）℃，相对湿度（93±3）%；

送风温度（21±1）℃，送风湿度≤55%；

送风空气中的含尘量不大于10 mg/m3；

密闭式电子机柜额定通风量时的压力损失为600 Pa；

密闭式电子机柜的单机热负荷为 4 kW，数量为4台，额定送风量为5，600 m3/h；

漏风量为额定送风量的（2～3）%。

2　密闭机柜用循环通风装置设计

为了有效对抗恶劣环境，将通风装置设计为一密闭箱体。通风装置是由制冷系统和控制系统以及相关附件组成的。循环通风装置系统流程图如图 2所示。

图2　循环通风装置系统流程图

为了满足船用条件，结构设计采取防腐设计，面板、箱体结构均采用1Cr18Ni9Ti进行设计制造。

通风装置主要由制冷压缩机、冷凝器（包括冷凝回热器和水冷冷凝器）、蒸发器以及膨胀阀、电加热器、空气过滤器、送风机组和控制箱以及相关附件与连接管组成的。该系统与常规制冷系统不同的是此处增设了一台冷凝回热器，该冷凝回热器能对送风温度进行调节，减少电加热的投入。下面详细介绍各个部件的设计。

2.1制冷压缩机

制冷压缩机是通风装置的心脏，是通风装置的重要部件。由于半封闭式制冷压缩机不仅具有工艺成熟、可靠性较高、符合舰船使用要求的特点，而且还具有能量调节（分级调节）的功能［4］。虽然其重量相对较重，且变频技术不宜应用，由于它具有能量调节的功能，又适宜应用于工艺空调装置中，因此通过技术分析与比较，决定选用半封闭式制冷压缩机，参数见表1。该压缩机带卸载及船用油槽，外形如图3。

表1　压缩机参数

图3　压缩机外形图

2.2送风机组

送风机是通风装置的重要部件，根据技术要求和初步设计计算，本文选用符合舰船环境要求的国产舰用离心通风机。风机参数和外形见表2和图4。

表2　风机参数

图4　风机外形图

2.3水冷冷凝器

水冷冷凝器是通风装置中的重要部件之一。经技术分析与比较，由于壳管式水冷冷凝器的工艺成熟，本文采用壳管式水冷冷凝器。由于水冷冷凝器与海水长期接触，为了增强其防腐性能，故设计冷凝器换热管采用耐海水腐蚀的高效 BFe30-1-1铜管。冷凝器的参数和外形见表3和图5。

表3　水冷冷凝器的参数

图5　冷凝器外形图

2.4蒸发器

该通风装置属于特种用途的空气调节机，其蒸发器采用翅片式换热器结构。由于受通风装置外形尺寸的限制，为确保该蒸发器换热能力，经计算蒸发器设计为8排管；为使蒸发器适应船用环境条件的要求，并增强其防腐性能、延长其使用寿命，拟设计为铜管/铜翅片，端板材料拟设计采用1Cr18Ni9Ti板材。蒸发器的参数和外形见表 4和图6。

表4　蒸发器参数

图6　蒸发器外形图

2.5冷凝回热器

空气流经通风机组中的蒸发器后，即达到了降温/除湿的目的。但经降温/除湿后的空气必须经过再热升温后才能达到所要求的送风温度和湿度要求。由于受通风机组结构尺寸的限制，为充分降低运行耗电量，达到节能的目的，其空气的再热升温由冷凝回热器和电加热器两个部分来实现。冷凝回热器安装在挡水板之后，经计算，冷凝回热器设计为3排管；为使其适应船用环境条件的要求，增强其防腐性能、延长使用寿命，采用铜管/铜翅片，端板材料采用1Cr18Ni9Ti板材。冷凝回热器的参数和外形见表5和图7。

表5　冷凝回热器参数

图7　冷凝回热器外形图

2.6电加热器

电加热器对空气进行加热是最直接的一种方式，既节省空间，又便于控制。为使通风装置在低温环境运行时，快速达到送风温度的要求，在该通风机组中，设计采用电加热器对循环空气进行加热。

通风装置在较低环境条件下初始运行时，仅电加热器和送风机组投入运行（对低温空气进行预热）。

电加热电源为220 V/50 Hz，功率为2，000 W，所有材料为不锈钢材料加工。电加热外形图见图8。

图8　电加热外形图

2.7膨胀阀

膨胀阀属节流装置。其设计选型时需考虑制冷系统的制冷能力及其运行条件等两个方面的因素。设计选用外平衡式热力膨胀阀，接口尺寸为进口7/8英寸、出口9/8英寸。

2.8空气过滤器

空气过滤器设置于通风机组进风口内侧，其拆卸较为方便。经分析要使送风空气的含尘量达到≤10 mg/m3的要求，仅需采用平板式中效过滤器即可。过滤器的初阻力为 70 Pa，推荐的终阻力为160 Pa ～200 Pa。终阻力的设计限值确定为180 Pa，当其前后压差（阻力）大于180 Pa时，即予以报警。当有该项报警时，即应清洗或更换空气过滤器。图9为空气过滤器外形图。

图9　空气过滤器外形图

2.9电气控制系统设计

通风装置的电气控制系统由一台内嵌式控制箱、一台遥控箱、通风装置执行器件（如压缩机、风机、电加热器等执行器）及现场检测仪表组成。循环通风装置的电气控制系统采用SIEMENS公司的S7-300系列可编程序控制器（简称PLC）作为控制系统核心部件；配用SIEMENS公司的操作显示器作为“人机界面”；配用施耐德公司船用系列低压电器产品。

PLC控制系统采用西门子S-300系列单元和模块，来实现循环风冷却系统各参数的检测，控制、显示和报警，扩展模块可通过主单元的扩展接槽直接与其连接［5-6］。控制系统组成框图如图10所示。

图10　控制系统组成框图

循环风冷却系统控制程序设计主要步骤如下。

1）程序初始化：利用 0B100模块复位所有中间继电器，寄存器清零，回热调节阀和三通调节阀君定位在50%阀位。

2）传感器信号读入：送风温度、送风湿度。

3）显示器输出：各种显示模式，包括启动、运行、切换、故障、内部参数和设定值更改与显示［7-10］。

4）开机顺序：首先启动风机，再根据送风温度和湿度的参数值与设定值的比较依次开启 1#电加热、2#电加热、压缩机，若同时达到启动条件，依照顺序分别延时3 s。

5）运行调节：温度调节，根据设定温度值和当前送风温度，使用PID算法调节回热调节阀开度；冷凝压力调节，在压缩机运行时，使用PID算法调节海水三通阀开度，使冷凝压力稳定在设定值［7］。

6）故障监测与处理：发生故障时，故障标识位置进入“故障显示”状态。

7）关机顺序：停机信号，压缩机、电加热依次复位，回热调节阀，三通调节阀回位至50%阀位，风机延时60 s复位。

控制流程图如图11所示。

图11　控制流程图

3　通风装置系统设计的实验验证

4台机柜的总散热负荷为16 kW，为验证通风装置的设计情况，本文采用负荷为18 kW的电加热模拟电子机柜的散热负荷。图12和图13为18 kW负荷时的送风温度和湿度曲线图。

图12　18 kW负荷时，送风温度曲线图

图13　18 kW负荷时，送风湿度曲线图

通过实验数据分析可知，送风温度和湿度均满足设计要求，循环通风装置运行正常，循环通风装置设计使用情况完全满足使用要求。

4　结论

电子机柜循环通风装置系统不仅在结构上采用了密闭箱体设计，有效地提高了防腐能力，降低了噪音，而且在热设计上采用了优化设计，采用了冷凝回热和电加热相结合设计，综合了回热能耗降低的特点和电加热的快捷加热以及空间优势；采用了冷凝回热与电加热相结合的方式进行温度控制，提高了循环通风装置的自动化水平，同时能将机组的故障信号报警提示，减少了设备的损坏。经过实际运行，证明了密闭机柜循环通风装置的设计是可行的。此循环通风装置具有结构紧凑、体积小、可靠性高、自动化程度高等特点，在国内同类产品的设计中处于领先地位，可推广到其它密闭机柜的冷却，具有很好的应用价值和市场前景。

［1］ 刘永. 舰载电子设备循环风冷式机柜［J］. 雷达与对抗，2008，4: 53-55.

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Study on Circulating Ventilation Device for Airtight Cabinet

ZHU Wei-ming*1， DING Dong-xu2
（1-Representative Office of Navy In Shanghai Jiangnan Shipyard（Group）Co. Ltd.， Shanghai 201913， China；2-Hefei General Machinery Research Institute， Hefei， Anhui 230031）

In the present study， an airtight cabinet cooling is studied as the research object. According to the main technical indexs， the cooling and dehumidification designs of the circulating ventilation device are carried out. The programmable controller（PLC）is adopted in the control system， and the condensing heat recovery and electric heating combination are adopted for the temperature control， which improve the automation level and reliability of the system. Through the anaysis on the practical operation data， the application value and popularization of the proposed circulation ventilation device are proved.

Airtight cabinet； Circulation ventilation device； Heat recovery

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.106

*朱伟明（1972-），男，工程师，双学士，研究方向：船舶机电设备质量控制及船舶辅助系统结构设计。联系地址：上海市长兴岛长兴江南大道988号海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，邮编：201913。