顧銘飛，袁滌非

(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

二次設(shè)備預(yù)制艙毛細(xì)管式風(fēng)道空調(diào)結(jié)合風(fēng)機(jī)散熱方案的研究

顧銘飛，袁滌非

(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

變電站二次設(shè)備運(yùn)行時(shí)對(duì)環(huán)境溫度有一定要求，最佳運(yùn)行溫度在20.0～25.0 ℃。介紹了二次設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)散熱器件的傳統(tǒng)方案，指出其不足，提出了毛細(xì)管式散熱風(fēng)道，并將此毛細(xì)管風(fēng)道方案應(yīng)用于空調(diào)與風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)的散熱模式，該方案熱平衡好，系統(tǒng)可靠性高，節(jié)能效果顯著。

預(yù)制艙；毛細(xì)管式；散熱風(fēng)道；節(jié)能

0 引言

二次設(shè)備預(yù)制艙利用“工廠化加工、模塊化建設(shè)”的實(shí)施模式，可有效提高智能變電站二次設(shè)備的建設(shè)效率。預(yù)制艙作為二次設(shè)備的載體，需要為設(shè)備提供防護(hù)及良好的運(yùn)行環(huán)境[1-2]。變電站二次設(shè)備運(yùn)行時(shí)對(duì)環(huán)境溫度有一定要求，最佳運(yùn)行溫度為20.0～25.0 ℃。由于二次設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量較大，且預(yù)制艙為密閉腔體，散熱是預(yù)制艙內(nèi)部環(huán)境控制的關(guān)鍵因素。

本文就目前常用的預(yù)制艙散熱方案進(jìn)行分析，針對(duì)傳統(tǒng)散熱方案所存在熱平衡差、制冷效率低的問(wèn)題，提出毛細(xì)管式散熱風(fēng)道的解決方案。并將此風(fēng)道方案應(yīng)用于空調(diào)結(jié)合風(fēng)機(jī)的散熱模式，使用仿真加以驗(yàn)證。

1 二次設(shè)備預(yù)制艙常用散熱模式簡(jiǎn)介

目前工程實(shí)施中，常用的預(yù)制艙散熱方案多以空調(diào)作為主要的散熱器件。預(yù)制艙通常配置2臺(tái)工業(yè)空調(diào)，安裝于預(yù)制艙的頭尾兩端面。預(yù)制艙通常在艙體頭尾兩端分別設(shè)置通風(fēng)口，其中1個(gè)通風(fēng)口配置過(guò)濾器和風(fēng)機(jī)，另一端僅過(guò)濾器。但由于艙體狹長(zhǎng)，空調(diào)在艙體兩端，對(duì)艙體中部的溫度調(diào)節(jié)能力不足，艙體中部以及機(jī)柜內(nèi)的空氣很難參與對(duì)流循環(huán)，艙內(nèi)溫度不均勻。傳統(tǒng)方案2臺(tái)空調(diào)必須同時(shí)作業(yè)，若有1臺(tái)空調(diào)故障，艙體一端的溫度容易失控。

2 毛細(xì)管式散熱風(fēng)道方案介紹

二次設(shè)備艙是戶外智能變電站二次設(shè)備的結(jié)構(gòu)載體。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)規(guī)范[3]，二次設(shè)備艙型號(hào)分為I型、II型、III型，尺寸分別為6 200×2 800×3 133 mm，9 200×2 800×3 133 mm，12 200×2 800×3 133 mm(長(zhǎng)×寬×高)。本文以II型艙為例，對(duì)此毛細(xì)管式風(fēng)道、空調(diào)結(jié)合風(fēng)機(jī)散熱的方案進(jìn)行闡述和驗(yàn)證。

2.1 原理闡述

將2臺(tái)工業(yè)空調(diào)以及4個(gè)通風(fēng)口均設(shè)置在艙體的一端墻面上?？照{(diào)上面的2個(gè)通風(fēng)口為進(jìn)風(fēng)口，底端2個(gè)通風(fēng)口為出風(fēng)口。方案外觀如圖1所示。

(1)設(shè)置隔斷墻，將艙體分為設(shè)備艙和隔離小室2部分。在設(shè)備艙的2排機(jī)柜(架)頂部設(shè)置送風(fēng)管道，每個(gè)機(jī)柜或機(jī)架單元下方設(shè)置出風(fēng)口，隔離小室和風(fēng)道如圖2所示。

圖1 方案外觀

圖2 隔離小室和風(fēng)道

(2)在艙壁上的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處設(shè)置通風(fēng)過(guò)濾器；在艙壁出風(fēng)口安裝出風(fēng)法蘭，連接到隔斷墻；將空調(diào)的內(nèi)循環(huán)的進(jìn)風(fēng)口通過(guò)法蘭連接到隔斷墻。所有的法蘭均采用隔熱保溫材料包覆，進(jìn)、出風(fēng)口及送風(fēng)風(fēng)機(jī)如圖3所示。

圖3 進(jìn)、出風(fēng)口及送風(fēng)風(fēng)機(jī)

(3)在隔斷墻上設(shè)置2個(gè)檢修門，檢修門分別正對(duì)空調(diào)，空調(diào)出風(fēng)口法蘭處設(shè)置通風(fēng)濾網(wǎng)，檢修門如圖4所示。

圖4 檢修門

2.2 空調(diào)風(fēng)道-內(nèi)循環(huán)

當(dāng)使用空調(diào)制冷時(shí)，預(yù)制艙的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口均處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)、出風(fēng)口風(fēng)機(jī)均不工作?？照{(diào)內(nèi)出風(fēng)口送出冷風(fēng)，經(jīng)過(guò)送風(fēng)管道內(nèi)的下(通)風(fēng)口，穿過(guò)機(jī)柜內(nèi)部，從機(jī)柜底部的通風(fēng)口流向運(yùn)維通道，最后從檢修門上的通風(fēng)口、經(jīng)過(guò)進(jìn)風(fēng)口法蘭，進(jìn)入空調(diào)進(jìn)風(fēng)口，完成1次循環(huán)。由于2臺(tái)空調(diào)風(fēng)道相同，可根據(jù)實(shí)際降溫需求，僅使用1臺(tái)空調(diào)工作，另一臺(tái)空調(diào)進(jìn)入備用狀態(tài)。

2.3 新風(fēng)系統(tǒng)-外循環(huán)

當(dāng)空調(diào)不工作時(shí)，開(kāi)啟預(yù)制艙的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，啟動(dòng)進(jìn)、出口風(fēng)機(jī)以及送風(fēng)風(fēng)機(jī)。此時(shí)艙體空氣循環(huán)與外部環(huán)境連通，這是預(yù)制艙的新風(fēng)系統(tǒng)，即外循環(huán)。艙外新鮮的冷空氣從預(yù)制艙進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入隔離小室，經(jīng)過(guò)送風(fēng)管道、機(jī)柜、運(yùn)維通道，最后由出風(fēng)口送到艙外。

3 方案驗(yàn)證與溫控思路

使用仿真軟件Icepak對(duì)新方案散熱的效果進(jìn)行仿真[4-5]。為了建模與計(jì)算方便，以下仿真僅考慮艙外空氣溫度，未考慮太陽(yáng)直射等其他天氣因素。

3.1 空調(diào)制冷

加入社團(tuán)的大學(xué)生一般都有著共同的目標(biāo)和興趣，他們自立意識(shí)、競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)、實(shí)踐意識(shí)都普遍增強(qiáng)，能夠積極參與各類社團(tuán)活動(dòng)。他們的社團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)人一般都是學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)秀、組織能力較強(qiáng)、威信較高的學(xué)生，領(lǐng)導(dǎo)人具有扎實(shí)的群眾基礎(chǔ)，與社團(tuán)成員目標(biāo)一致。因此，社團(tuán)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的經(jīng)營(yíng)，文化底蘊(yùn)深厚，成員們都比較自律，一屆屆很好的傳承。

對(duì)實(shí)際艙體進(jìn)行簡(jiǎn)化，并在Icepak中建模。以艙體左側(cè)短墻底部中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

邊界條件如下：艙外環(huán)境溫度，40.0 ℃；艙壁厚度，100 mm；空調(diào)總制冷功率，7 000 W ；艙壁平均傳熱系數(shù)，0.40 W/(m2·K)[6]；空調(diào)送風(fēng)口體積流量為1 m3/s；隔斷墻和風(fēng)道厚度50 mm，平均傳熱系數(shù)0.04 W/(m2·K)；艙內(nèi)機(jī)柜總數(shù)19個(gè)，每個(gè)機(jī)柜的發(fā)熱功率為150 W；送風(fēng)風(fēng)機(jī)選用離心風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為2 100 r/min；靜壓為450 Pa；靜壓為0時(shí)，空氣體積流量為8 m3/min。

根據(jù)上文設(shè)置的模型和邊界條件，對(duì)艙體進(jìn)行熱學(xué)仿真，艙體中間切片的仿真溫度云圖如圖6所示。

圖6 環(huán)境溫度為40.0 ℃時(shí)的切片溫度云圖

此時(shí)設(shè)備艙部分最低溫度22.7 ℃，最高溫度24.2 ℃，艙內(nèi)艙內(nèi)平均溫度約23.0 ℃，最大溫差不超過(guò)2.0 ℃，溫度平衡效果十分理想。

3.2 風(fēng)機(jī)散熱

當(dāng)空調(diào)不工作時(shí)，使用進(jìn)、出口風(fēng)機(jī)(新風(fēng)系統(tǒng))為預(yù)制艙散熱。設(shè)置2臺(tái)進(jìn)口風(fēng)機(jī)和2臺(tái)出口風(fēng)機(jī)的風(fēng)速均為3 m/s 。室外環(huán)境溫度15.0 ℃和21.0 ℃時(shí)，僅使用風(fēng)機(jī)散熱，仿真結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7 環(huán)境溫度為15.0 ℃時(shí)的切片溫度云圖

圖8 環(huán)境溫度為21.0 ℃時(shí)的切片溫度云圖

3.3 自然散熱

使用同樣的仿真方法，可以驗(yàn)證當(dāng)艙外環(huán)境溫度為8.0～15.0 ℃時(shí)，空調(diào)、風(fēng)機(jī)均不工作，艙內(nèi)設(shè)備發(fā)熱從而自然達(dá)到熱平衡狀態(tài)，艙內(nèi)溫度可維持在18.0～25.0 ℃。

3.4 預(yù)制艙溫度控制思路

通過(guò)仿真分析，在本文所描述散熱方案和邊界條件下，模擬預(yù)制艙溫度控制，溫度控制方案見(jiàn)表1。

表1 預(yù)制艙溫控模擬方案

由于模型、材質(zhì)等因素的理想化，模擬控制方案中的溫度僅為理論數(shù)據(jù)，可為實(shí)際操作提供參考。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)在艙外和艙內(nèi)合理分布數(shù)個(gè)溫濕度傳感器檢測(cè)溫度情況，可先根據(jù)模擬方案運(yùn)行一段時(shí)間后，綜合分析監(jiān)測(cè)所得的艙內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)，再對(duì)控制方案進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用“毛細(xì)管”式的循環(huán)回路，使空調(diào)出風(fēng)能夠到達(dá)每一個(gè)機(jī)柜內(nèi)部，熱交換充分，溫度調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、速度快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后艙內(nèi)的溫度平衡效果好。根據(jù)艙外環(huán)境溫度變化，切換空調(diào)或風(fēng)機(jī)作為散熱器件，高效均衡、節(jié)能環(huán)保，并能延長(zhǎng)空調(diào)使用年限。并且隔離室和設(shè)備艙的分離應(yīng)用還有一定降噪效果。

在環(huán)境適宜地區(qū)(如江浙滬等)，使用本文所述方案，可以全年將設(shè)備艙內(nèi)溫度控制在18.0～25.0 ℃，為艙內(nèi)的二次設(shè)備提供最佳的運(yùn)行溫度，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2017-03-24；

2017-04-18

TK 224

A

1674-1951(2017)05-0027-03

顧銘飛(1987—)，男，江蘇靖江人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)方面的工作(E-mail:mingfei-gu@sac-china.com)。

袁滌非(1976—)，男，江蘇南京人，工程師，工學(xué)碩士，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)方面的工作(E-mail:difei-yuan@sac-china.com)。