楊之洲,項立銀,徐鵬飛

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

隨著外場應用設備需求的日益拓展,越來越多的設備要在嚴苛的自然環(huán)境下工作,因此對設備的環(huán)境適應性提出了越來越高的要求。尤其對機動部署并在惡劣條件下工作的車載電子系統(tǒng)設備,要求其體積小、穩(wěn)定性高、抗惡劣環(huán)境能力強等。例如長期在礦山、建筑工程或長期應用于沙漠地區(qū)等高粉塵環(huán)境的車載電子設備,一方面面臨著常規(guī)散熱溫控的要求,另一方面要適應高粉塵的環(huán)境條件。電子設備的溫度每升高10 ℃,其器件失效概率會增加一個數(shù)量級,高溫對整體電子機柜的危害顯而易見。大量粉塵進入電子機柜內(nèi)部則會產(chǎn)生更加惡劣的后果。附著在機柜內(nèi)部的灰塵不僅會阻礙風道,還會隔絕器件與空氣的熱交換,進一步惡化散熱問題。某些含有礦物質的沙塵微粒還具有腐蝕性,侵蝕器件外表面。部分沙塵有可能還含有導電成分,附著在器件上,甚至會發(fā)生爬電、拉弧打火等現(xiàn)象,干擾工作,燒毀器件甚至整個機柜單元,存在很大的安全隱患。因此,散熱和防塵對于在高溫高粉塵環(huán)境中工作的車載電子設備是不可或缺的兩項設計內(nèi)容,如何協(xié)調并同時保證兩者的性能成為重要研究方向。

最簡潔高效且低風險的方式是在風冷模式下繼續(xù)優(yōu)化防塵能力,以解決車載高粉塵環(huán)境下電子機柜的環(huán)境適應性問題。傳統(tǒng)風冷機柜的簡單濾網(wǎng)設計不能適應高粉塵的使用環(huán)境,因為濾網(wǎng)使用壽命低,且存在防塵與風阻的矛盾,防塵濾網(wǎng)越密,風阻越高,導致在高溫和塵土并存的環(huán)境中難以同時滿足防塵與冷卻兩項要求。因此亟需一種同時滿足這兩項基本設備需求的設計,以提高電子設備在高熱高粉塵環(huán)境下的適應性和耐久性。本文探討一種基于旋流氣固分離的潔化取氣風冷方法。

1 旋流分離原理

旋流分離是一種較理想的氣-固、液-固分離技術,具有過濾能力大、壓力損失小,尤其對于細小雜質過濾能力強等特點,是一種較好的應用于高粉塵室外場景的設計思路。經(jīng)過一百多年的發(fā)展,旋流分離器廣泛應用于石油、化工、礦業(yè)、冶金等行業(yè)[1]。在切向反旋式旋風分離器中,內(nèi)部的空氣流動為雙渦流。高粉塵氣體由切向入口進入后,外部高速渦流沿旋風殼體向下流動,并產(chǎn)生離心分離作用。密度較大的固體顆粒粉塵被拋向分離器邊緣側壁,側壁的錐形內(nèi)壁和重力迫使粉塵向下運動,最終經(jīng)過下部排塵管被排出腔體。同時,內(nèi)渦流的潔凈氣體因離心力不足,自內(nèi)旋渦流向上運動,并被輸出加以利用。相比于傳統(tǒng)風機-濾棉的風冷機柜過濾設計,旋流分離器壓損低、維護周期長,在分離過濾效能上有著顯著優(yōu)勢,能夠極大提高設備的耐用性和性能。過濾級別高的濾棉雖然可以在一定時間內(nèi)保證過濾效率,但在長時間使用后逐漸被粉塵堵塞,壓損會顯著增加,造成風量不足,無法有效冷卻設備,必須及時更換,在高粉塵環(huán)境下這個周期更短。同樣是完全機械式的過濾方式,旋流分離器不需要額外的設計,因為其不依賴濾棉過濾就能主動分離粉塵,可以長時間無維護工作。

由離心力公式可推導出粉塵顆粒進入旋流分離器受到的離心力:

(1)

式中,F0為粉塵離心力,N;mp為粉塵顆粒質量,kg;r為粉塵顆粒所處回轉半徑,m;u為r處的旋流切向速度,m/s。

可以看出,隨著粉塵顆粒物質量或切向速度增加,離心力也會相應增大,因此大質量的固體顆粒會被分離遠離中心軸,逐漸拋出,以達到氣-固分離的目的;為了分離較小質量的粉塵粒子,需要較大的切向速度,即較大的旋流角速度。

2 冷卻總體設計

高粉塵環(huán)境中電子機柜的冷卻設計包括旋流分離器和電子機柜兩部分。以旋流分離器為核心,利用旋流分離器進行氣固分離,使粉塵通過離心力作用遠離中心軸,然后在中心軸區(qū)域抽取潔凈的空氣通過濾網(wǎng),由電子機柜進氣口進入風道進行冷卻,熱交換后的熱空氣通過電子機柜出風口排出,其結構如圖1所示,工作流程如圖2所示。實際上,旋流中心軸區(qū)域仍會有少量小顆粒粉塵被抽取,在進氣口濾網(wǎng)被濾除。通過合理設計,可以忽略這些殘留的小顆粒粉塵對冷卻效果的影響,且由此造成的濾網(wǎng)和電子機柜維護清洗需求周期可以大于設備規(guī)定的維護周期。

圖1 旋流分離器機柜結構示意圖

圖2 旋流冷卻流程框圖

環(huán)境空氣首先從旋流分離器的切向入口進入,在旋風分離器內(nèi)部經(jīng)過分離后,絕大部分粉塵被分離進入下方儲塵箱,潔凈空氣向上被吸入矩形框體組成的二級過濾。為防止少量粉塵未被分離過濾,在一組兩個旋流分離器上方安裝一個環(huán)形濾清器。旋流分離器可以在混雜大量沙塵的空氣接觸過濾網(wǎng)之前就預先清除大量沙塵,大大減輕過濾網(wǎng)的負擔,有效延長過濾網(wǎng)的使用壽命和整體維護周期,因此對二次過濾的環(huán)形濾清器提出了較為寬松的要求。此時可采用防護等級略低的常規(guī)過濾網(wǎng),在提供保護的同時降低風阻來保障進氣流量。在濾清器的后方由渦輪風機提供整個系統(tǒng)的動力?？筛鶕?jù)機柜風量需求確定入口流量Q值、壓差和渦流風速范圍,選擇合適的渦輪風機。出風口設置在機柜另一端,裝有常規(guī)濾棉,只須防止環(huán)境風帶入的粉塵即可,因此不需要過高過濾等級。在工作中因渦輪風機而產(chǎn)生正壓,其余接縫處也不易吸入環(huán)境中的沙塵。相比于簡單的傳統(tǒng)風機-濾棉設計,該設計能夠更高效地過濾細小沙塵,且維護周期大大延長,穩(wěn)定性也有很大提升。

3 旋流分離器設計

旋流分離主要設計參數(shù)關系如下:

(2)

式中,Q為入口流量,m3/s;D為筒體直徑,m;VS為筒體截面平均流速,m/s。

可得D與Q的關系式為

(3)

空氣流速越高,越能離心分離小微顆粒,VS值通常在1.3～5.2 m/s之間[2]。

為簡化分析,此處取中間值,可得

(4)

分離器排氣管直徑D1一般取值在0.25D～0.75D之間,較小的排氣管直徑有利于使排氣遠離外側含有大量粉塵的向下渦流,保證氣體潔凈度,但直徑過小,則會增加空氣流速,反而會吸入更多粉塵,因此此處取中間值0.5D,即

D1=0.5D

(5)

分離器筒體高度與筒體直徑關系如下:

(6)

合適的高度有利于粉塵在分離筒中有較長的停留時間,增加分離效率。具體數(shù)值應與渦流氣體的氣流相配合,此處選擇中間值,即

H1=1.75D

(7)

排塵管直徑D2與D的關系為

D2=0.5D

(8)

采取單入口矩形切向直入式旋風入口設計,其中寬度B合適的取值為

(9)

入口高度A與B的關系可表示為

(10)

式中,Vi為進氣口速度。

如果錐體角度過大,氣流旋轉半徑急劇收縮,導致產(chǎn)生湍流,并使先前分離的粉塵被吸入中心渦流,進而影響分離效率。綜合考慮,選擇錐體角度β=15°,則錐體高度為

(11)

綜上所述,基本的設計參數(shù)已經(jīng)確定,且可以保證良好的分離效率,只須確定基本的流量參數(shù),就明確了所有設計參數(shù),并根據(jù)流量需求進行調整。

4 可分離粉塵直徑計算

根據(jù)潛在的應用場景,即沙漠、礦場等揚塵沙暴區(qū)域的高粉塵情況,比對該場景的粉塵顆粒度及旋流分離器的分級粒徑dc,以確定可以滿足對該類型粉塵的分離效果。以文獻[3]對塔克拉瑪干沙漠的沙塵分析為例,直徑80～150 μm的沙塵占比約為30%,其余沙塵則直徑普遍大于150 μm,而小于40 μm的極微小顆粒幾乎不存在,因此dc應達到40 μm,方能保證吸入空氣相當?shù)臐崈舳?。同比在礦區(qū)細小的微粒含量也會很低,只要根據(jù)工作的高粉塵環(huán)境粉塵微粒統(tǒng)計,不難得出合理的dc。

由文獻[4]分級粒徑計算方法可知

(12)

式中,Ai為氣流入口面積;ρp為固體顆粒物密度;hr=2.97D為旋流分離器軸向分速度為0的滯留面高度;n=6.38/eD;βr=0.6β。

假設礦區(qū)所需的最小過濾濾徑為25 μm,代入式(12),理論上可完全分離直徑為25 μm的粉塵。

5 結束語

旋流分離器這種簡單的機械式設計可以有效分離惡劣復雜環(huán)境中的粉塵,已被廣泛應用于其他工業(yè)領域。借鑒并采用全新的應用方式,能夠有效解決風冷與防塵兼容問題,對復雜環(huán)境下車載或固定式電子機柜的風冷防塵設計有一定的指導意義。