黃超洋 陳 飛 李 靖 喬 梁

（海南金盤電氣研究院有限公司 武漢 430074）

1 引言

電氣柜由于其占地面積小，防護(hù)等級(jí)要求比較高以及發(fā)熱區(qū)域集中的特點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中通常會(huì)配備風(fēng)機(jī)以及散熱器對(duì)設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷卻，風(fēng)機(jī)的有效風(fēng)量與系統(tǒng)阻力系數(shù)有關(guān)，風(fēng)機(jī)選擇偏大，則其成本較高，同時(shí)風(fēng)機(jī)不能工作在其最高效率點(diǎn)，風(fēng)機(jī)選擇偏小，則其會(huì)長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，影響風(fēng)機(jī)壽命及噪音，因此對(duì)系統(tǒng)阻力和風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量的計(jì)算就非常重要了。1 所示，當(dāng)內(nèi)部風(fēng)機(jī)兩端的風(fēng)壓等于系統(tǒng)的壓降時(shí)即為系統(tǒng)的平衡點(diǎn)，也即是風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)，系統(tǒng)阻力系數(shù)其實(shí)是相對(duì)風(fēng)機(jī)而言的，即等效的系統(tǒng)的阻力系數(shù)為換算到風(fēng)機(jī)兩端的阻力系數(shù)。

根據(jù)伯努利方程可得知，在穩(wěn)定理想的一元流動(dòng)系統(tǒng)中［1］:

2 計(jì)算原理

風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)壓是為了克服系統(tǒng)的壓降，如圖時(shí)，應(yīng)加進(jìn)機(jī)械能損失項(xiàng)，忽略位壓的影響由于其沿程阻力和局部阻力的作用，流體系統(tǒng)會(huì)將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，這即為系統(tǒng)的總能損失Δp。

圖1 風(fēng)機(jī)特性曲線及風(fēng)機(jī)工作原理圖

3 計(jì)算方法

1）系統(tǒng)阻力計(jì)算

壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失，沿程壓力損失指流體在風(fēng)路中流動(dòng)時(shí)因流體具有的粘性而產(chǎn)生的壓力損失，由于空氣的粘度很低而電氣柜鈑金風(fēng)道面光滑且單風(fēng)道短，在實(shí)際電氣柜風(fēng)路計(jì)算中，沿程阻力部分計(jì)算忽略不計(jì)。局部壓力損失指流體流經(jīng)如閥口、彎管、通流截面變化等時(shí)形成死區(qū)或渦旋區(qū)，流體在此區(qū)域并不參加主流動(dòng)，而是不斷的打旋，加速流體摩擦或造成質(zhì)點(diǎn)碰撞，產(chǎn)生局部能量損失；流體流過(guò)局部裝置時(shí)流速的大小和方向發(fā)生急劇變化，各截面上的速度分布規(guī)律也不斷變化，引起附加摩擦而消耗能量［2～3］。

對(duì)于簡(jiǎn)單風(fēng)路的局部壓力損失:

風(fēng)機(jī)內(nèi)為高速流體，根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式:

常用電氣柜風(fēng)機(jī)中空氣的流動(dòng)狀態(tài)為紊流，其壓力損失可按以下公式計(jì)算［4～5］

而對(duì)應(yīng)局部阻力系數(shù):

得到局部損失系數(shù)的方法主要有3種方法:

（1）數(shù)值算法:查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)《Handbook of Hydraulic Resistance》［6］等資料得出局部阻力系數(shù)；

（2）有限元法:使用有限元算法對(duì)局部進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算收斂得到局部損失系數(shù)；

（3）反推法:根據(jù)系列風(fēng)壓和風(fēng)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)式（7）反推局部阻力損失系數(shù)。

2）風(fēng)路局部等效面積計(jì)算

工程計(jì)算中，在計(jì)算等效通風(fēng)面積有很多種等效方式［7］，較多都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)通風(fēng)面積進(jìn)行估算。假設(shè)在局部風(fēng)路中如果將風(fēng)路壓力損失考慮為動(dòng)壓損失，即初始速度為v1的空氣在截面為S風(fēng)路穿越障礙，必然會(huì)導(dǎo)致風(fēng)速下降，風(fēng)速為v2，由于進(jìn)出風(fēng)的風(fēng)量一致，則可得知:

如果將風(fēng)路壓力損失考慮為靜壓的損失，即風(fēng)速為v2的空氣穿過(guò)截面為S風(fēng)路障礙，根據(jù)流量不變可得知進(jìn)出口風(fēng)速一致，但進(jìn)出風(fēng)口壓力發(fā)生變化，則可得知:

由式（7）局部阻力系數(shù)計(jì)算可得知:

3）風(fēng)量占比

（1）進(jìn)出風(fēng)口條件相同

對(duì)于進(jìn)風(fēng)條件或者是出風(fēng)條件相同的情況，計(jì)算風(fēng)量占比相對(duì)比較簡(jiǎn)單，如果系統(tǒng)為單個(gè)風(fēng)道，多個(gè)風(fēng)機(jī)，則可近似將風(fēng)道當(dāng)作并列的多個(gè)風(fēng)道，那么其面積也需要按照風(fēng)機(jī)風(fēng)量比例分配。例如如果是n 個(gè)風(fēng)機(jī)共用1 個(gè)進(jìn)風(fēng)口，則風(fēng)量占比為n，則換算等效阻力系數(shù)時(shí):

如果系統(tǒng)為多個(gè)風(fēng)道，1 個(gè)風(fēng)機(jī)，即風(fēng)機(jī)的風(fēng)路由多條支路合并而成，那么風(fēng)機(jī)面積也需要按照風(fēng)機(jī)風(fēng)量比例分配，則可將風(fēng)機(jī)近似看成多個(gè)風(fēng)機(jī)，例如如果是n個(gè)進(jìn)風(fēng)口共用1個(gè)風(fēng)機(jī)，則風(fēng)量占比為:

其中 κ:風(fēng)量占比

（2）進(jìn)出風(fēng)口條件不同

如果進(jìn)出風(fēng)口條件不相同，計(jì)算風(fēng)量占比則可近似按照其等效通風(fēng)面積來(lái)計(jì)算，即在相同的外界環(huán)境下，風(fēng)量占比為其等效面積所占總面積的比例，因此在進(jìn)出風(fēng)口條件不同時(shí)，根據(jù)式（12）的計(jì)算，對(duì)于某進(jìn)風(fēng)口或出風(fēng)口的風(fēng)量占比，可按照以下公式近似計(jì)算:

4）風(fēng)機(jī)曲線擬合

風(fēng)機(jī)P-Q 曲線是風(fēng)機(jī)廠家根據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的規(guī)律測(cè)試得到，在實(shí)際工程計(jì)算中，有很多種方法可以將曲線數(shù)值方程擬合化［8～12］，經(jīng)過(guò)測(cè)試，在本計(jì)算中將P-Q 曲線使用多次多項(xiàng)式擬合［3］，電氣柜所使用風(fēng)機(jī)的PQ 曲線4 次多項(xiàng)式的擬合可達(dá)到99%，比較符合計(jì)算要求，因此將常規(guī)使用的P-Q曲線使用OriginPro擬合，如表1所示。

因此風(fēng)機(jī)的PQ曲線可以使用多項(xiàng)式方程擬合為

其中:a、b、c、d、e為常數(shù)，是方程的各次系數(shù)。

表1 常用風(fēng)機(jī)PQ曲線擬合方程

5）風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)計(jì)算

根據(jù)強(qiáng)迫風(fēng)冷計(jì)算原理，可以使用編程方法計(jì)算出工作點(diǎn)［13～15］，使用 VB 與數(shù)據(jù)庫(kù)編寫的計(jì)算程序如圖2，在計(jì)算中，將相關(guān)參數(shù)代入到程序中，使用最小二乘法求解方程，即可得到當(dāng)前風(fēng)冷系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量和系統(tǒng)壓降。

圖2 系統(tǒng)阻力計(jì)算與風(fēng)機(jī)選型程序

4 試驗(yàn)對(duì)比

以一臺(tái)電氣柜風(fēng)路為例進(jìn)行理論計(jì)算，該項(xiàng)目電氣柜中有2 個(gè)風(fēng)機(jī)，分別對(duì)各個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量和壓降計(jì)算，如圖3所示。

圖3 電氣柜計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上可得知:

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)換算，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口平均風(fēng)速為4.3m/s，偏差為3.02%。

5 結(jié)語(yǔ)

以上的分析可以得知，在可以得知電氣柜所需風(fēng)量的條件下，可以根據(jù)風(fēng)機(jī)自身的特性和風(fēng)路的設(shè)計(jì)，可以很方便地使用理論計(jì)算的方法計(jì)算出實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況并對(duì)風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以選擇合適的風(fēng)機(jī)和確定進(jìn)出風(fēng)口的面積。