1 引 言

相對(duì)于舒適性空調(diào)來說，為艦船上電子機(jī)柜提供冷卻的中小型空調(diào)器，在性能上要求會(huì)比較特殊，不僅要保證電子機(jī)柜內(nèi)溫度在一定的范圍內(nèi)，使電子機(jī)柜在最合適的溫度和濕度下工作，還要保證電子機(jī)柜外板沒有凝露。目前艦船上主要采用空氣冷卻閉式循環(huán)方式來冷卻電子機(jī)柜[1]，使空氣在進(jìn)入電子機(jī)柜前被空調(diào)器處理到溫度24～28℃和相對(duì)濕度≤65%。在空調(diào)器設(shè)計(jì)過程中，冷卻盤管作為其重要的組成部件，承擔(dān)著為循環(huán)空氣降溫、除濕的主要任務(wù)，因此冷卻盤管工作性能的好壞，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)冷卻的效果。本文將對(duì)冷卻盤管設(shè)計(jì)、校核的基本方法和工況點(diǎn)選擇進(jìn)行探討。

2 冷卻盤管的基本設(shè)計(jì)方法

目前國(guó)內(nèi)在進(jìn)行冷卻盤管的設(shè)計(jì)方法主要有3種[2，3]：基于干球溫度效率的計(jì)算方法；基于濕球溫度效率的計(jì)算方法；基于等價(jià)干工況的計(jì)算方法。這三種方法有其各自優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)工況要求和冷卻盤管的經(jīng)驗(yàn)公式，選取相應(yīng)的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。由于艦上電子機(jī)柜的冷卻采用閉式循環(huán)，無需考慮濕負(fù)荷，故選用基于干球溫度效率的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 冷卻盤管設(shè)計(jì)流程

經(jīng)過以上計(jì)算步驟后，可以得到需要傳熱面積F和實(shí)際傳熱面積F′，如F>F′，則盤管設(shè)計(jì)面積不能滿足冷卻負(fù)荷需要，須增加盤管排數(shù)、列數(shù)、肋片數(shù)或調(diào)節(jié)冷媒水流量等相關(guān)參數(shù)，使之滿足需要；如F≤F′，則表示盤管設(shè)計(jì)可以滿足冷卻負(fù)荷需要。在實(shí)際計(jì)算過程中，考慮到盤管使用一段時(shí)間后管內(nèi)結(jié)垢、管外翅片附著灰塵等不利因素，會(huì)為盤管預(yù)留部分冷卻能力，使F′略大于F。

3 冷卻盤管的校核方法

(1)

式中，t1為盤管進(jìn)口空氣設(shè)計(jì)溫度；t2為修正后的盤管出口空氣設(shè)計(jì)溫度；tw1為冷媒水供水溫度。

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論可以推導(dǎo)Eg的另外表達(dá)方式：

(2)

式中，

(3)

(4)

式中，c為水的比熱；X為析濕系數(shù)；W為冷媒水質(zhì)量流量；V為空氣的質(zhì)量流量。

(5)

(6)

式中，f為錯(cuò)流修正系數(shù)；K為傳熱系數(shù)。

4 設(shè)計(jì)工況的選擇

在空調(diào)器冷卻盤管的設(shè)計(jì)過程中，通常外部參數(shù)如冷水機(jī)組提供冷媒水的供水溫度tw1為7～8℃，回水溫度tw2為10～12℃的額定工況冷媒水，空氣冷卻負(fù)荷為已知的確定值。在空調(diào)器出口空氣的設(shè)計(jì)要求較高的情況下，盤管出口設(shè)計(jì)溫度的取值不同，會(huì)帶來不同的設(shè)計(jì)結(jié)果。

1) 盤管出口空氣設(shè)計(jì)溫度較低，與冷媒水進(jìn)水溫度接近，即t2與tw1接近時(shí)，盤管的接觸系數(shù)越接近1，空氣和冷媒水的換熱效果越好。但采用電加熱器對(duì)盤管出口空氣溫度升溫降濕，會(huì)增加盤管冷負(fù)荷，同時(shí)造成能源的浪費(fèi)。

2) 盤管出口空氣設(shè)計(jì)溫度較高，盤管出口空氣設(shè)計(jì)溫度與冷媒水進(jìn)水溫度相差較大，即t2>tw1時(shí)，冷負(fù)荷要求相同的條件下，為使盤管出口空氣溫度滿足要求，需減小盤管接觸系數(shù)，空氣和冷媒水換熱效果差。同時(shí)電加熱器使用量少，盤管負(fù)荷小。

在采用空氣冷卻閉式循環(huán)冷卻艦船上的電子機(jī)柜的空調(diào)冷卻系統(tǒng)中，要求空氣在進(jìn)入電子機(jī)柜前被空調(diào)器處理到較高溫度(如20～30℃)和較低濕度(如≤65%)。為了滿足要求，綜合上述兩種設(shè)計(jì)思路，在提高盤管效率、保證盤管接觸系數(shù)的基礎(chǔ)上少量投入電加熱，保證出口空氣溫濕度，校核盤管計(jì)算參數(shù)，調(diào)整初選的設(shè)計(jì)值，使盤管設(shè)計(jì)優(yōu)化、合理。下面舉例加以說明。

5 應(yīng)用舉例

某電子機(jī)柜發(fā)熱量負(fù)荷為8 kW，要求冷卻該電子機(jī)柜的空氣溫度為24～28℃，相對(duì)濕度為≤60%，采用電子機(jī)柜和空調(diào)器閉式循環(huán)的方式提供冷卻用空氣。冷媒水供水溫度7.5℃，回水溫度11.5℃。為該電子機(jī)柜設(shè)計(jì)空調(diào)器，在冷卻盤管的設(shè)計(jì)過程中，盤管結(jié)構(gòu)基本參數(shù)已確定，系統(tǒng)冷負(fù)荷為電子機(jī)柜發(fā)熱量、風(fēng)機(jī)發(fā)熱量和電加熱器發(fā)熱量之和。采用基于干球溫度效率的計(jì)算方法，分盤管出口溫度低溫和高溫兩種工況來進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

1) 盤管設(shè)計(jì)出口溫度14℃，出口相對(duì)濕度97%。

設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)設(shè)定盤管迎面的風(fēng)速為2.1 m/s不變的條件下，盤管的實(shí)際供冷量隨盤管的傳熱面積的增加而增加。但為保證電子機(jī)柜對(duì)空氣溫濕度的要求，電加熱器的負(fù)荷始終很大，而且隨盤管傳熱面積的增大而增大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)總冷負(fù)荷上升見圖2。盤管接觸系數(shù)變化見圖3。當(dāng)盤管面積為23.7 m2時(shí)，盤管實(shí)際出口溫度為14.8℃，盤管接觸系數(shù)為0.88，盤管的實(shí)際供冷量15.4 kW與系統(tǒng)冷負(fù)荷相同，此時(shí)的電加熱量為4.8 kW，加熱后空氣溫度26.8℃、相對(duì)濕度43.8%，冷媒水流量為3.3 m3/h。

圖2 盤管負(fù)荷變化

圖3 盤管接觸系數(shù)變化

2) 盤管設(shè)計(jì)出口溫度22℃，出口相對(duì)濕度97%。

在上述設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)的基礎(chǔ)上，調(diào)整盤管的尺寸參數(shù)，使迎面風(fēng)速降至1.4 m/s，降低盤管的接觸系數(shù)。盤管出口空氣溫度、盤管供冷量和系統(tǒng)負(fù)荷隨盤管面積變化情況見圖4，盤管接觸系數(shù)變化見圖5。當(dāng)盤管面積為21.3 m2時(shí)，盤管實(shí)際出口溫度為19.2℃，盤管接觸系數(shù)為0.76，盤管的實(shí)際供冷量12.5 kW與系統(tǒng)冷負(fù)荷相同，此時(shí)的電加熱量為2 kW，加熱后空氣溫度26℃，相對(duì)濕度60%，冷媒水流量為2.7 m3/h。

圖4 盤管負(fù)荷變化

圖5 盤管接觸系數(shù)變化

比較盤管出口溫度低溫和高溫兩種工況的設(shè)計(jì)結(jié)果可以看出，通過調(diào)整盤管的尺寸參數(shù)，適當(dāng)降低盤管的接觸系數(shù)、提高盤管出口的設(shè)計(jì)溫度，減少盤管面積，從而減少了盤管負(fù)荷，減少了冷媒水流量的需求。在調(diào)整盤管的尺寸參數(shù)的過程中，由于與盤管尺寸參數(shù)相關(guān)的排數(shù)、列數(shù)、肋片數(shù)和肋片距等參數(shù)均可以調(diào)節(jié)，這些參數(shù)的調(diào)整會(huì)改變盤管傳熱面積、接觸系數(shù)等，從而最終影響到盤管的出口空氣參數(shù)。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，既要滿足設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的需要，也要考慮到冷卻盤管在空調(diào)器設(shè)備中的安裝空間對(duì)盤管尺寸的限制，同時(shí)對(duì)盤管實(shí)際生產(chǎn)制造過程中常用的肋片、肋片管的尺寸和組合形式也要有所了解，使設(shè)計(jì)出的冷卻盤管能在冷卻系統(tǒng)中發(fā)揮出最佳的工作性能，滿足使用要求。

6 結(jié) 語

采用空氣冷卻閉式循環(huán)來冷卻艦船上電子機(jī)柜的空調(diào)系統(tǒng)中，在采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，合理地選取冷卻盤管的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，進(jìn)行冷卻盤管的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)，不僅能提高空調(diào)設(shè)備的技術(shù)性能，還能減少整個(gè)冷卻系統(tǒng)對(duì)電力和冷媒水的需求，提高了設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于盤管的設(shè)計(jì)和整個(gè)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，特別是較大的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要。

[1] 王憶秦.艦船電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù),2007(5):85-87.

[2] 路延魁.空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第二版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1995.

[3] 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)冷藏通風(fēng)，船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)第六分冊(cè)，冷藏通風(fēng)[M].第一版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1975.

[4] 趙榮義.空氣調(diào)節(jié)[M].第三版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1994.