高温湿环境非密闭机柜抗冷凝系统设计

李安阳，刘刚，杨智慧

（中国船舶集团有限公司第七二六研究所，上海，201108）

0 引言

船舶、海上工作平台等装备的配电机柜，特别是间歇使用的发热量较大的非密闭机柜。由于处于高温湿环境中，当发热机柜停止工作后。在昼夜温差大于10℃的海洋环境条件下极易产生冷凝效应[1-6]。

防止冷凝的产生须使电气设备内部温场变化值相对地减到最小。通常采用如下方法：一是减少空气中的水分含量；二是加热以减小设备内外温差。其措施有：一、使设备为发热体，保持设备表面工作温度大于环境温度。该方法适用于对发热量较大的电气设备、间歇工作的设备,需增加空间加热器，使其保持连续发热的状态，防止冷凝的产生。二、保持设备内部与外部环境之间无温差变化，随着环境温度的变化，在内外空间之间进行有限热交换。该方法适用于产热量较小或不产生热量的设备，对产热量较大的设备不适用。三、减缓电气设备内部空间温度场的变化速率，使设备内外两个温场之间的热传导最小。该方法适用于产热量较小，对于产热量大的设备要充分考虑其散热[1-6]。

对于海洋工程开发建设中的电气设备以及间歇使用的船舶电气设备，在不对设备结构进行较大的改变前提下，而又能使设备适应海洋高温湿的工作环境。本文提出了一种给非密闭机柜加装防冷凝装置的设计。该设计首先要对设备的进行热量、湿度的动态有限元分析，计算出容易产生冷凝效应的部件、部位。然后在相应的部位加装PTC陶瓷加热片。经过PTC陶瓷加热片与温控元器件组合控制，在机柜内创造一个微环境，使机柜内的温度分布均匀，提高露点温度，从源头上减少凝露产生的机会，有效的减少了腐蚀，延长了元器件的寿命。

1 非密闭机柜的防冷凝系统设计

发热体是温控系统的受控对象，为了确保安全性，选取的加热体应具有安全稳定的温度上限。综合考虑及实测，本文最终选择PTC发热陶片，其发热功率与其表面温度成反比关系。其具有安全、节能、制热迅速及低温启动的优点[6-8]。在本方案中，将加热模块设计成单个小模块，再根据机柜的不同情况分别在不同位置布置适量的加热模块。单个模块结构如图1所示。自制小型齿状散热片，将发热陶瓷片通过导热材料安装在齿状散热器背部开槽处。加热陶瓷片供电均为220V交流电，最高温度均选用80℃，温度稳定后发热功率降到最小11瓦特。

图1 单个加热模块结构图

为使防冷凝加热装置安全、可靠、稳定地运行。还需要给防冷凝加热装置加装温控装置以及超温保护装置。温控及超温保护装置主要选用温度范围可以在5 至 60摄氏度范围内设定的机械式温控开关；由于PTC陶瓷模块的特性，使得加热装置在启动的瞬间会有一个高功率脉冲，为了减小这个脉冲对设备电源造成的影响，设计中加入了软启动模块。软启动模块可以设置电压爬升的起始电压以及爬升时间，初始电压范围为供电电压的0-50%，爬升时间10s-60s。加热装置硬件设备联调过程如图2所示。

图2 加热装置联调测试图

1.1 热仿真计算及验证

仿真计算以某船舶装备的配电柜为例。按设计输入，机柜使用环境空气温度约为35℃，空气湿度约为80%，查表可得露点温度为31℃。根据凝露生成原理，如果设备及周围空气温度低于该露点温度，外界空气接触到设备时，容易产生凝露。所以PTC陶瓷加热装置需将设备及其周围空气温度提高至露点温度以上。将环境温度设置为18℃，与设计输入环境温度相似，PTC加热模块稳定状态下功率11W。经过反复仿真计算试验[9-10]，在机柜不通电仅PTC陶瓷加热器工作的情况下，计算出PTC陶瓷加热模块的最佳数量。确定PTC陶瓷加热模块数量之后，再次对设备进行仿真，仿真结果如图3、图4所示，可见机柜中重点保护的电源及滤波器接线区域的温度场温度高于31℃，在露点温度以上；相对湿度较高部分集中在机柜底部进气口处；重点保护元器件区域不会产生冷凝现象。

图3 机柜内部的温度场云图

图4 机柜内部的相对湿度场云图

1.2 实际测试

机柜放置于高低温箱中，以每分钟不超过3℃的速率将高低温箱温度降到比温箱外部温度低15℃。待机柜内部的温度接近高低温箱设定的温度，并且机柜内部温度稳定时，打开温箱门。打开温箱门后，将机柜的面板打开，让外界环境空气充分接触到机柜内部。抗冷凝装置未通电时机柜内部设备表面凝露产生情况如图5所示；在抗冷凝装置通电情况下重复以上过程，机柜内部设备表面凝露产生情况如图6所示。

图5 抗冷凝装置未通电机柜内有凝露产生

图6 抗冷凝装置通电时机柜内没有凝露产生

2 结论

通过热量、湿度的有限元仿真可以计算出不同设备需要的热量补偿范围。PTC陶瓷加热模块尺寸、功率可定制，温控范围可以灵活调控。综上所述，在不对非密闭机柜原有结构进行较大变更的前提下，本设计方案可以达到较好的机柜防冷凝效果。本设计方案对于非密闭的机柜、接线盒等海洋工程装备都具有较好的适用性、设备改造的成本低。