何文皓，陳 軍，甘 淼

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司發(fā)電分公司，四川 成都 610000)

1 概述

高壓變頻器是改變輸出頻率和輸出電壓控制交流高壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速控制裝置[1]，廣泛應(yīng)用在石油化工、電力等行業(yè)。變頻器散熱分為風(fēng)冷、水冷和油冷等，筆者工作中遇到的高壓變頻器功率達(dá)到數(shù)百上千千瓦，變頻器多采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式，風(fēng)冷變頻器和其他冷卻方式相比復(fù)雜性不高也較可靠[2]。

風(fēng)冷高壓變頻器一般布置于室內(nèi)，正常運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量較大，需要采取外部措施將變頻器散熱排除，主要有三種方式：采用低成本風(fēng)道散熱、較高成本空調(diào)制冷、系統(tǒng)較復(fù)雜的空冷裝置循環(huán)。 以上三種方式在不同的變頻器運(yùn)行場(chǎng)合有著各自的適用性，對(duì)于高溫高濕地區(qū)防塵要求較高的變頻器散熱設(shè)計(jì)，主要采用單元式空調(diào)方案[3]。

風(fēng)冷高壓變頻器散熱采用單元式空調(diào)排除時(shí)，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)風(fēng)冷高壓變頻器自帶排風(fēng)機(jī)風(fēng)量較大。

2)單元式空調(diào)有中側(cè)回風(fēng)上側(cè)送風(fēng)、下側(cè)回風(fēng)上側(cè)送風(fēng)，下側(cè)回風(fēng)上側(cè)送風(fēng)等產(chǎn)品。

3)受變頻器房間尺寸和其他因素影響，空調(diào)布置位置受限。

因此，如果空調(diào)送風(fēng)方式或布置不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)溫度分布均勻性差、房間局部高溫、變頻器過熱的情況。為了分析風(fēng)冷高壓變頻器室單元式空調(diào)方案不同送風(fēng)方式及布置方案對(duì)溫度分布的影響，以單個(gè)風(fēng)冷變頻器單元式空調(diào)冷卻方案為例，通過Airpak軟件模擬不同空調(diào)送風(fēng)和布置方案的溫度分布，通過分析為設(shè)計(jì)人員單元式空調(diào)方案送風(fēng)方式和布置的設(shè)計(jì)提供思路。

2 空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算

變頻器以某廠家1 120 kVA變頻器為例，廠家給出的變頻器發(fā)熱量為44.8 kW，進(jìn)排風(fēng)量4.17 kg/s。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)30 ℃ 50%，空調(diào)按等濕過程處理空氣，采用最大溫差送風(fēng)，計(jì)算公式如下：

G=Q/(hn-ho)

(1)

其中，Q為變頻器室總熱負(fù)荷，kW；hn為室內(nèi)點(diǎn)空氣焓值，kJ/kg；ho為送風(fēng)點(diǎn)空氣焓值，kJ/kg；G為空調(diào)送風(fēng)量，kg/s。

忽略房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，空調(diào)采用等焓處理，空氣處理到相對(duì)濕度95%，計(jì)算結(jié)果：空調(diào)送風(fēng)量3.34 kg/s；空調(diào)制冷量44.8 kW。

3 模型建立

3.1 物理模型

房間模型南北方向長(zhǎng)度4.5 m、東西方向長(zhǎng)度8 m、高度4.5 m；變頻器外形尺寸及送排風(fēng)尺寸根據(jù)某廠家產(chǎn)品尺寸確定，前側(cè)進(jìn)風(fēng)，頂部后側(cè)出風(fēng)；根據(jù)空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，對(duì)照單元式空調(diào)樣本選取空調(diào)外形尺寸，空調(diào)模型送回風(fēng)方式分為上側(cè)送風(fēng)、中側(cè)回風(fēng)，上側(cè)送風(fēng)、下側(cè)回風(fēng)，風(fēng)管送風(fēng)、下側(cè)回風(fēng)三種；變頻器和空調(diào)的模型如圖1所示。

根據(jù)空調(diào)送回風(fēng)方式和空調(diào)與變頻器的相對(duì)位置的組合，選取5種方案，各方案對(duì)比如表1所示，各方案的模型示意如圖2所示。

表1 空調(diào)和變頻器5種組合布置方案對(duì)比

3.2 數(shù)學(xué)模型及網(wǎng)格劃分

Airpak軟件提供標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、室內(nèi)零方程模型、零方程模型等多種數(shù)學(xué)模型供使用者選擇進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境以及流體流動(dòng)模擬。本工程選用室內(nèi)零方程模型，對(duì)于有障礙物時(shí)的等溫強(qiáng)制對(duì)流和有內(nèi)熱源時(shí)的混合對(duì)流，在計(jì)算精度要求不是特別高的工程計(jì)算中，可以使用室內(nèi)零方程模型計(jì)算[4]。

描述室內(nèi)空氣環(huán)境氣流流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象的微分方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、氣體組分方程等，通用控制方程表達(dá)式為[5]：

?(ρφ)/?t+div(ρvφ)=div(Γgradφ)+S

(2)

其中，φ為通用變量，可以代表各個(gè)求解變量；t為時(shí)間，s；v為x,y,z坐標(biāo)上的速度分量，m/s；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。

Airpak自帶的網(wǎng)格劃分工具，采用六面體網(wǎng)格對(duì)該變頻器室模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格最大X,Y,Z尺寸為該房間對(duì)應(yīng)尺寸的1/20；對(duì)空調(diào)及變頻器送排風(fēng)口的網(wǎng)格局部加密，使其各方向上的網(wǎng)格數(shù)不小于4。

3.3 模型假設(shè)及邊界條件

為了簡(jiǎn)化問題，需忽略對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)影響小的因素，作如下假設(shè)：

1)忽略門窗對(duì)室內(nèi)溫度分布的影響，地板為絕熱體，房間四周墻體和天花板定義成0 mm厚度的壁面，內(nèi)表面溫度取定溫32 ℃，忽略墻體的輻射換熱。

2)室內(nèi)空氣為不可壓縮且符合Boussinesq假設(shè)，認(rèn)為流體密度僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響。

3)空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流，換熱也處于穩(wěn)態(tài)，物性參數(shù)為常數(shù)。

4)變頻器和空調(diào)送排風(fēng)口均勻送風(fēng)，送排風(fēng)口邊界條件如表2所示。

表2 變頻器及空調(diào)模型邊界條件

4 模擬結(jié)果與分析

風(fēng)冷高壓變頻器對(duì)運(yùn)行環(huán)境有一定要求，變頻器冷卻介質(zhì)為空氣時(shí)，冷卻介質(zhì)溫度范圍：0 ℃～ 40 ℃，環(huán)境溫度范圍：5 ℃～40 ℃，相對(duì)濕度：5%～85%[6]。工程設(shè)計(jì)中，變頻器室的溫度控制在5 ℃～35 ℃[7]。我們以下面兩個(gè)尺度來比較各方案的溫度分布：

1)變頻器室溫度分布是否均勻，在模擬結(jié)果中選取變頻器進(jìn)出風(fēng)口中心高度的水平面溫度分布(后文簡(jiǎn)稱進(jìn)、出風(fēng)口中心水平面溫度分布)和變頻器進(jìn)出風(fēng)風(fēng)口剖面溫度分布(后文簡(jiǎn)稱進(jìn)出風(fēng)口溫度分布)進(jìn)行對(duì)比分析。

2)變頻器進(jìn)風(fēng)口溫度應(yīng)不大于40 ℃，變頻器室內(nèi)溫度不大于35 ℃為宜，不應(yīng)大于40 ℃。

各方案不同平面溫度分布對(duì)比如圖3所示。

各方案對(duì)比分析如下：

方案二與方案一相比，可以看出變頻器進(jìn)風(fēng)口離空調(diào)越近，對(duì)應(yīng)出風(fēng)口的溫度越低，變頻器出風(fēng)口溫度方案二比方案一低。相比之下，方案二比方案一溫度分布均勻性好，方案二優(yōu)于方案一，即空調(diào)上側(cè)送風(fēng)、下側(cè)回風(fēng)方案優(yōu)于空調(diào)上側(cè)送風(fēng)、中側(cè)回風(fēng)方案。

方案二與方案三相比，兩個(gè)方案溫度分布均勻性相似，變頻器出風(fēng)口溫度方案三比方案二低，相比之下，方案三優(yōu)于方案二，即單元式空調(diào)布置靠近變頻器進(jìn)風(fēng)口方案優(yōu)于遠(yuǎn)離變頻器進(jìn)風(fēng)口方案。

方案三與方案四對(duì)比，方案四相比方案三變頻器進(jìn)風(fēng)溫度和排風(fēng)溫度更高。相比之下，方案三優(yōu)于方案四，即單元式空調(diào)布置靠近變頻器進(jìn)風(fēng)口方案優(yōu)于靠近變頻器出風(fēng)口方案。

方案三與方案五對(duì)比，方案五房間溫度分布均勻性優(yōu)于方案三，同時(shí)變頻器出風(fēng)口溫度方案五比方案三更低，相比之下，方案五優(yōu)于方案三，即單元式空調(diào)風(fēng)管送風(fēng)下側(cè)回風(fēng)方案優(yōu)于單元式空調(diào)上側(cè)送風(fēng)、下側(cè)回風(fēng)方案。

變頻器進(jìn)風(fēng)口溫度對(duì)比如表3所示，5個(gè)方案最大溫度值均小于40 ℃，均滿足溫度設(shè)計(jì)要求；根據(jù)變頻器進(jìn)風(fēng)口平均溫度由低到高排序：方案五<方案三<方案二<方案一<方案四。

表3 5種方案溫度數(shù)值對(duì)比 ℃

房間溫度對(duì)比如表3所示，5個(gè)方案最小溫度值一樣，都是空調(diào)送風(fēng)溫度；方案一和方案四最大溫度超過40 ℃，不滿足溫度設(shè)計(jì)要求；5個(gè)方案的平均溫度都未超過35 ℃。根據(jù)房間平均溫度由低到高排序：方案三<方案五<方案二<方案四<方案一。

其中方案五最大溫度未超過35 ℃，滿足變頻器室溫度設(shè)計(jì)值最優(yōu)。

綜上，除去不滿足溫度設(shè)計(jì)參數(shù)的方案，各方案溫度分布中，方案五最好，方案三較好，方案二其次。

5 結(jié)論

風(fēng)冷變頻器采用單元式空調(diào)方案時(shí)，空調(diào)送風(fēng)口越靠近變頻器進(jìn)風(fēng)口，變頻器進(jìn)風(fēng)溫度越低，房間溫度分布越好。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可得出如下結(jié)論：

1)空調(diào)送回風(fēng)形式優(yōu)先選擇空調(diào)風(fēng)管送風(fēng)方式，將處理后的冷空氣均勻送至變頻器進(jìn)風(fēng)口。其次選用上側(cè)送風(fēng)、下側(cè)回風(fēng)空調(diào)形式。不建議選用上側(cè)送風(fēng)、中側(cè)回風(fēng)形式。

2)采用上側(cè)送風(fēng)、下側(cè)回風(fēng)空調(diào)時(shí)，應(yīng)盡量將空調(diào)靠近風(fēng)冷變頻器進(jìn)風(fēng)口布置；若空調(diào)遠(yuǎn)離風(fēng)冷變頻器進(jìn)風(fēng)口布置，應(yīng)采用CFD模擬判斷房間溫度是否滿足設(shè)計(jì)要求，溫度分布是否均勻。