关于智能负载箱改型后散热效果的研究

董秋苏，张 宏

（中国船舶电站设备有限公司，上海 200129）

电气与自动化

关于智能负载箱改型后散热效果的研究

董秋苏，张 宏

（中国船舶电站设备有限公司，上海 200129）

在长期的运行跟踪过程中发现，不论是国外的还是国内的智能干式负载箱，普遍存在电阻管容易受高温损坏而影响使用寿命的问题。除了电阻管制造工艺和其本身的质量等内因之外，散热效果对电阻管的寿命起决定性作用。散热效果取决于散热风机的风量、散热通道和环境。对此，以中国船舶电站设备有限公司的智能干式负载箱为例，就如何改进设计进风通道和出风通道，提升散热风机风量，达到提高负载箱散热的效果进行深入研究。同时，对实际应用中取得较好效果的情况进行介绍，供同行参考。

智能干式负载箱；柴油发电机组试验设备；电阻负载；进风通道；出风通道；风机风量；散热效果

0 引 言

目前国内船厂和机组成套厂家仍普遍使用传统的分离式水电阻负载筒、电抗器、试验台位和试验柜等设备组合来进行柴油发电机组性能试验［1］，而这些设备存在陈旧老化、测试状态不稳定、测试精度不高和试验不环保等诸多问题。

最近几年，市场上出现一种新型负载试验设备——智能干式负载箱（以下简称 FZX）。该设备是一种将电阻负载、电抗负载、散热风机、汇流排、控制器件和测量器件集成到标准集装箱内的一体化试验设备，专用于发电机组测试。该种智能型多功能新式负载设备可方便运输和船厂码头吊装，终端采用电脑显示和操作。FZX带有先进的控制系统，采用RS485/422串口通信方式，试验时通过自动测控系统能准确地检测出发电机组运行中各种负载的状态，操作者只需使用手提电脑即可方便地实现远距离操作，进行发电机组的突加突卸等试验，通过稳态、瞬态试验快速测试出机组的电压、频率的调整率、波动率及恢复时间等关键参数与曲线，并能对测试结果进行打印，实现发电机组测试的智能化、数字化，是测试发电机组稳态、动态参数的理想设备，具有负载稳定性好、测试精度高等特点。在长期运行中发现，不论是国外的FZX还是国内的，普遍存在电阻管因高温而容易损坏的现象，从而影响使用寿命。

1 FZX现状

FZX的工作原理是：采用计算机控制技术和强力风冷技术将试验的发电机组所发出的电能通过电阻、电抗负载转换成热能；再通过箱内散热风机将热风从散热口排出。

目前国内外制造的负载箱中所选用电阻管的电热丝均采用Ni80Cr20，填充料采用氧化镁，钢管和钢带采用SUS304材料，引出棒采用不锈钢，具有耐酸碱、耐盐雾和使用寿命长等特点，配合适当的动力冷却风扇，可长期连续使用。

除了电阻管制造工艺和电阻管本身的质量等内因之外，散热效果对电阻管的使用寿命起决定性作用。散热效果取决于散热风机的风量、散热通道及环境。负载箱散热效果提升的唯一评判标准就是进风量和出风量的提高。因此，改进进风通道和出风通道，提高散热风机风量，从而提升负载箱散热效果，是研究的关键。

2 风量计算

风量Q=风速V×风道截面积F［2］。在风道截面积确定的情况下，进风和出风风速的提高代表着进风和出风风量的增加。通过研发设计及长期跟踪以往FZX的使用情况，可测算出FZX的进风风速≥10.0m/s，出风风速≥5.0m/s。

负载箱工作时产生的热量主要来自于电阻。电阻消耗的总功率为负载箱的额定容量（若以3600kW负载箱为例进行计算，则P=3600kW）。

风机风量计算式的推导如下。

式（1）中：H为风扇总排出热量；pC为内热；W为质量；cTΔ 为容器允许温升。

经换算可得式（2）中，Q为风扇排量；在环境温度为25℃时，电阻允许最大工作温度（不强制散热情况下）为800℃，长期工作温度取400℃，温升ΔTc设为375K，则由式（2）可得：风扇排量Q=28800 m3/h 。风机共有12台，每台风机所需风量至少为2 400 m3/h。

因此，每台风机所需风量至少为2400m3/h才能达到预期散热效果。

3 实例应用（以3600kW的FZX为例）

3.1 进风通道改进

考虑到船厂码头使用环境差，散热风机吸力较大，容易把周围垃圾（如塑料袋等）吸入而造成风机或电阻被缠绕而损坏，在设计FZX进风通道时把两侧进风通道设计成带网格的百叶窗形式。由于百叶窗及网格的大小会直接影响进风面积从而影响进风风量，因此适当加大百叶窗间隔尺寸到70mm并将网格加大到40mm ×40mm，从而增加有效进风面积。在FZX进风口设定16个进风风速的测试点（见图1）来监测进风风量。

3.2 出风通道改进

FZX发热电阻位于箱体两侧上方；散热风机位于电阻下方的箱体中部，采用低能耗、高效率设计。散热风机通过箱体两侧的百叶窗吸入冷风，流向电阻后从箱体顶部排出。这种设计形式符合热量上排的原则，使用比较安全。发热电阻采用分组布置，每组电阻都是水平排列的，要求尽量分散电阻间隔、均衡热量、利于散热。原先每个腔室对应2组电阻、2台风机，两边各有3个腔室、6台风机，共有6个腔室、12台风机（见图2）。

改进后，腔室从6个调整为4个，每个腔室对应1组电阻、3台风机，12台风机不变。这样电阻之间的格档从2个减少到1个，节省出来的格档空间可分散电阻之间的间距，更有利于散热。此外，设置22个出风风量的测试点，见图3。

图1 FZX两侧进风风速测试点

图2 FZX 散热结构示意

图3 FZX顶部出风量测试点

3.3 风机改进

3.3.1 风机改进及试验

试验用的某进口二极风机与某国产四极风机主要性能指标见表1。

表1 试验用某进口二极风机与某国产四极风机主要性能指标

进口二极风机风量大、转速高、噪音大，虽能满足要求，但会对环境带来严重的声污染，用户反馈不佳；国产四极风机噪声小、风量小，虽然不能满足散热要求，但有改进的空间。因此，对国产风机进行改进研究［4-7］。风机性能试验见图4，理论计算数据曲线见图5上A点所示。在静压250Pa时，风量为23000m3/h。

图4 风机性能试验

图5 理论计算数据曲线

通过采取以下措施不断改进设计及进行试验验证，以提升风量：① 调整叶轮角度；② 调整叶轮数量；③ 增加叶轮的厚度和宽度；④ 正装、反装电机；⑤ 调整出风导风筒长度；⑥加装腔室两侧旁板聚风；⑦ 改变风筒两端形状。依次逐项进行试验，每采取一种措施就记录一组试验风机数据，并对各组数据进行比对。从中选出最佳配置的四极风机——合适的叶轮数和叶角角度，正装电机（出风量为最强的出风距离）。风机试验数据记录见表2，风机性能曲线见图6。

表2 风机试验记录数据

续表2 风机试验记录数据

3.3.2 风机排量核算

按照表 2和图 6，在静压为 250Pa时，所选风机每台的排量 Q1=15700m3/h，12台风机的排量Q=188400m3/h。考虑到风机效率及 FZX整体的散热风阻，按照实际工作效率 25%折算排量，可得Q折=Q/4=47100 m3/h ，大于前述的散热风量28800m3/h，能满足要求。

3.3.3 设计、制作风机效用试验设备——模拟腔室

设计、制作模拟FZX散热通道结构的腔室，按照FZX要求安装好电阻负载，作为开发风机设计验证试验的专用设备（见图7）。

图6 风机性能曲线

图7 模拟腔室

3.3.4 风机在模拟腔室测试试验

在模拟腔室内进行风机设计验证，并记录试验数据。最小进风速度为11m/s，最小出风速度为6.4m/s，各测试点的进风速度和出风速度分别见表3和表4。

表3 各测试点进风速度（16点）

表4 各测试点出风速度（22点）

3.4 FZX整体试验测量

按照FZX的试验大纲逐条进行试验测量，并记录数据。摘录其中风速最小的一组数据，各测试点最小进风速度为10.5m/s，最小出风速度为5.4m/s，各测试点进风速度和出风速度分别见表5和表6。

表5 FZX整体试验测量各测试点进风速度（16点）

表6 FZX整体试验测量各测试点进风速度（22点）

4 结 语

从进风通道、出风通道及散热风机等3个方面对FZX进行改进设计后，其进风速度和出风速度显著提高（进风速度提升了65%，出风速度提高了51%），电阻负载散热效果更好，可相应地延长使用寿命；同时，选用四极风机降低了转速，解决了噪声问题。

通过对以往的FZX研发设计及使用情况进行长期跟踪，根据所介绍的研究方案，在不影响FZX总容量的前提下对原有FZX的结构进行改进，使得箱体结构更加合理，进风、出风更通畅，提高了箱内电阻电抗散热的效果，延长使用寿命。改进后的FZX已应用于生产现场，取得了较好的效果。

［1］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 船用柴油发电机组：GB/T 13032—2010［S］.北京：中国标准出版社，2010.

［2］ 吴子牛. 空气动力学［M］. 北京：清华大学出版社，2007.

［3］ 严家騄. 工程热力学［M］. 4版. 北京：高等教育出版社，2006.

［4］ 续魁昌，王洪强，盖京方. 风机手册［M］. 2版. 北京：机械工业出版社，2011.

［5］ 昌泽舟. 轴流式通风机实用技术［M］. 北京：机械工业出版社，2005.

［6］ 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 一般用途轴流通风机技术条件：JB/T 10562—2006［S］. 北京：机械工业出版社，2006.

［7］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 工业通风机 用标准化风道进行性能试验：GB/T 1236—2000［S］. 北京：中国标准出版社，2000.

Study on the Heat Dissipation Performance of Modified Intelligent Load Bank

DONG Qiu-su，ZHANG Hong
（China Ship Power Station Co.， Ltd.， Shanghai 200129， China）

It is found through long-term operation observations that the service life of the intelligent load banks has been reduced， both at home and abroad， due to the resistance tube damage caused by high temperature. Apart from the resistance tube manufacturing technique and its own quality factors， heat dissipation performance plays a vital role in determining the lifecycle of the tube， whereas the dissipation performance depends on the blast capacity of the fan， the cooling channel and the environment. Taking the dry-type intelligent load bank of China Ship Power Station Co.， Ltd. as the example， studies are carried out to improve the design of air inlet duct and outlet duct， to increase blast capacity of the fan， and to enhance the dissipation performance. Moreover， practical methods that can achieve better result are explained in the paper for reference.

dry-type intelligent load bank； diesel generator test equipment； resistance load； air inlet duct； air outlet duct；blast capacity of fan； heat dissipation

U665.1

A

2095-4069 （2016） 05-0061-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.012

2016-07-21

董秋苏，女，高级工程师，1964年生。1986年毕业于镇江船舶学院自动控制及计算机系工业电气自动化专业，现从事船舶电站自动化技术开发研究设计工作。