在2025年，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)柜市場呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的態(tài)勢。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球機(jī)柜市場規(guī)模已達(dá)到100億元，年增長率保持在8%左右。其中，電子機(jī)柜作為數(shù)據(jù)中心、通信基站等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其市場需求尤為突出。為了滿足電子機(jī)柜在高溫、高濕、霉菌、鹽霧等惡劣環(huán)境下的散熱需求，專用空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)與應(yīng)用成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文通過對某型專用空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)分析，探討其在電子機(jī)柜中的應(yīng)用效果，為從業(yè)者提供參考。
《2025-2030年中國機(jī)柜行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)發(fā)展分析及投資前景可行性評估報告》電子機(jī)柜專用空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格，以確保在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。該型專用空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)要求包括：供風(fēng)溫度(23±2)°C，相對濕度≤55%，風(fēng)量1100m3/h，機(jī)外余壓550Pa，電子機(jī)柜熱負(fù)荷3.2kW，海水進(jìn)水溫度35°C。主要設(shè)備組成包括風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、臥式殼管式水冷冷凝器、翅片式蒸發(fā)器、熱力膨脹閥、電加熱或翅片式冷凝回?zé)崞鞯炔考?。這些部件的協(xié)同工作，確保了空調(diào)機(jī)組能夠有效控制機(jī)柜內(nèi)的溫度和濕度，滿足電子設(shè)備的運(yùn)行需求。
機(jī)柜市場分析提到風(fēng)機(jī)選型是機(jī)柜專用空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。根據(jù)風(fēng)量和壓損，結(jié)合風(fēng)機(jī)適裝環(huán)境，如噪聲指標(biāo)和材質(zhì)要求，可以對風(fēng)機(jī)進(jìn)行初步選型。若研制要求中未提供風(fēng)量指標(biāo)，風(fēng)量可通過以下兩種方法計(jì)算，并選取其中最大值：
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房空調(diào)選型風(fēng)量計(jì)算：Qf1=nV其中，Qf1為設(shè)備需要的通風(fēng)量，m3/h;n為每小時循環(huán)次數(shù)，取30~40次;V為機(jī)柜容積。
根據(jù)發(fā)熱量潛在推導(dǎo)，密閉機(jī)柜常見通風(fēng)量的近似計(jì)算式為：Qf2=3.1ΔtP其中，Qf2為設(shè)備需要的通風(fēng)量，m3/h;P為機(jī)柜的總損耗功率，W;Δt為整機(jī)與分機(jī)的高溫環(huán)境之差，°C，一般取Δt≤14°C(根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的冗余度和節(jié)能需求常規(guī)選擇10~12°C)。
風(fēng)量確定后，風(fēng)機(jī)靜壓取值需設(shè)置一定的冗余量，冗余量可根據(jù)專用空調(diào)機(jī)組內(nèi)部壓損及風(fēng)系統(tǒng)管路壓損校核的結(jié)果確定。例如，本文中靜壓要求550Pa以上：專用空調(diào)機(jī)組內(nèi)部壓損合計(jì)約為150Pa，密閉電子機(jī)柜的壓損合計(jì)約150Pa，風(fēng)系統(tǒng)管路壓損約250Pa。通過計(jì)算校核，實(shí)際因風(fēng)管管路的加長造成風(fēng)管壓損超過550Pa，風(fēng)機(jī)靜壓(機(jī)外余壓)值需大于850Pa方能滿足要求。最終選用GXL-200G型船用離心通風(fēng)機(jī)(功率1.5kW，風(fēng)量1800m3/h，靜壓1180Pa)。
當(dāng)大氣的相對濕度大于65%時，將引起金屬腐蝕。實(shí)驗(yàn)表明，鐵的腐蝕臨界相對濕度為65%，鋅的腐蝕臨界相對濕度為70%。本文中密閉式電子機(jī)柜環(huán)境控制要求供風(fēng)溫度為(23±2)°C，相對濕度≤55%?；仫L(fēng)通過蒸發(fā)器溫度下降至露點(diǎn)以下，空氣中的水蒸氣凝結(jié)析出，絕對含濕量降低，相對濕度在90%以上，再通過冷凝回?zé)崞骱惋L(fēng)機(jī)工作的熱負(fù)荷疊加作用進(jìn)行升溫，相對濕度得以下降，直至滿足23°C/≤55%的要求。
根據(jù)電子機(jī)柜熱負(fù)荷、風(fēng)量、漏風(fēng)率(GJB9289—2017《艦載雷達(dá)密閉機(jī)柜專用空調(diào)機(jī)組規(guī)范》規(guī)定允許的漏風(fēng)率3%，漏風(fēng)率取值與制冷量計(jì)算結(jié)果相關(guān)，考慮到現(xiàn)場安裝的一般特點(diǎn)，可適當(dāng)取5%)、供風(fēng)溫度、濕度、環(huán)境最惡劣狀態(tài)的各項(xiàng)參數(shù)，由專用空調(diào)機(jī)組計(jì)算流程圖(見圖2)最終計(jì)算出蒸發(fā)器制冷量為7.7kW，總回?zé)崃繛?.3kW，冷凝回?zé)崞鞯膿Q熱量為1.8kW。特別注意的是，設(shè)備在空載情況下，除濕后回?zé)嵝枨笞畲螅偦責(zé)崃繛?.9kW，此時冷凝回?zé)崞鞯膿Q熱量為3.4kW，故冷凝回?zé)崞鞯膿Q熱量設(shè)計(jì)取最大值3.4kW。
壓縮機(jī)選型是根據(jù)蒸發(fā)器的制冷量、蒸發(fā)溫度(蒸發(fā)器末端出風(fēng)溫度根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算為14°C，其蒸發(fā)溫度取值為蒸發(fā)器末端出風(fēng)溫度減10°C，取4°C)、冷凝器的冷凝溫度(殼管式冷凝器取值為冷水出水溫度加5°C，而冷凝器的進(jìn)出水溫差預(yù)設(shè)為4°C，故取44°C)進(jìn)行的。一般情況下，制冷量約5kW時采用轉(zhuǎn)子壓縮機(jī);制冷量為5~70kW時采用渦旋壓縮機(jī);制冷量約200kW時采用活塞壓縮機(jī);制冷量為150~1400kW時可以考慮采用螺桿式或者離心式壓縮機(jī)。本機(jī)選用ZR34K3-TFD型渦旋制冷壓縮機(jī)，功率2kW。
專用空調(diào)機(jī)組采用海水冷卻的形式，多采用殼管式冷凝器。與海水直接接觸的部件如冷凝器換熱管、外圍海水管路采用耐海水腐蝕的BFe30-1-1材料;管板由于一面與制冷劑接觸、另一面與海水接觸，其材料可采用不銹鋼和BFe30-1-1的爆炸復(fù)合板，端蓋可使用鑄鋁青銅鑄件。根據(jù)蒸發(fā)器的制冷量、壓縮機(jī)的功率及滿負(fù)荷工作狀態(tài)下冷凝回?zé)崞鲙ё叩臒嶝?fù)荷(系數(shù)取0.8)，可知水冷冷凝器的換熱量為8.3kW。
電子機(jī)柜的工作溫度是影響設(shè)備正常運(yùn)行的重要因素之一，過高或過低的溫度都會對設(shè)備帶來影響。電加熱不參與制冷循環(huán)的回?zé)徇^程，只作為低溫環(huán)境中提高系統(tǒng)環(huán)境溫度的手段。根據(jù)低溫環(huán)境、漏風(fēng)率、溫升速度和目標(biāo)溫度，計(jì)算出電加熱的功率。
膨脹閥選型是根據(jù)蒸發(fā)器制冷量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、制冷劑類別確定的。本機(jī)選用TDEX-3型熱力膨脹閥。
根據(jù)設(shè)備制冷量及流程圖各個狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)特征：過冷度、溫度、壓力、比焓和比體積，以及管路中的制冷劑流速要求，利用Excel計(jì)算出制冷系統(tǒng)的管徑。結(jié)合壓縮機(jī)的進(jìn)出口接管規(guī)格、膨脹閥的接管規(guī)格，對制冷系統(tǒng)管路管徑作初步設(shè)計(jì)。管路安裝時應(yīng)注意，吸氣水平管應(yīng)順著制冷劑流向設(shè)置3‰的斜率傾向壓縮機(jī)，排氣水平管應(yīng)設(shè)置1‰的斜率傾向冷凝器，豎直管路較長時應(yīng)設(shè)置U形回油彎。同時制冷系統(tǒng)管路最低處需高于潛在積液面，以防止液體浸泡管路，造成管路的腐蝕。且安裝時需盡可能繞開上部水管路潛在漏液處，無法避開時宜可采用耐高溫塑料保護(hù)套管防護(hù)。
翅片式蒸發(fā)器、翅片式冷凝回?zé)崞鳌す苁剿淅淠鞲鞑考膿Q熱量、結(jié)構(gòu)形式、換熱銅管管徑、合適的風(fēng)速/水流速度等確定后，可按照《小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并校核計(jì)算。
設(shè)備制造完成后，制冷劑充注量會直接影響制冷量。充注量不足時，制冷量不足;充注量過量，壓縮機(jī)功耗增加，制冷量先增大后減小。充注量可根據(jù)理論計(jì)算進(jìn)行初步估算，通常首先計(jì)算出蒸發(fā)器、冷凝器、冷凝回?zé)崞鳌⒁后w管路的有效容積，然后根據(jù)制冷劑的容量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值0.25、0.3、0.3、1算出總?cè)莘e，再考慮20%的余量，估算出制冷劑的充注量。估算的充注量可以指導(dǎo)生產(chǎn)裝配，但最終合理的充注量還需在試驗(yàn)過程中進(jìn)行測試確認(rèn)，比如模擬工況試驗(yàn)狀態(tài)下檢測冷凝器出口液體過冷度或壓縮機(jī)進(jìn)口吸氣過熱度是否滿足要求。
計(jì)算校核是對設(shè)計(jì)的理論考核，其理論驗(yàn)證結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，同時結(jié)構(gòu)型式的選擇也尤為重要。根據(jù)研究，管排數(shù)的增加使得總換熱量有所增加，但是平均到每排管時，平均換熱量將會減少18%。因此，增加管排數(shù)盡管增大了傳熱面積，但不能使總換熱量顯著增加，并不是一種經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化換熱方式。例如本案中銅管銅翅片蒸發(fā)器，因結(jié)構(gòu)尺寸的變化要求分別制造了兩種結(jié)構(gòu)型式：a類迎風(fēng)面規(guī)格尺寸為495mm×450mm，銅管規(guī)格?9.52mm×0.53mm，6排管;b類迎風(fēng)面規(guī)格尺寸為445mm×550mm，銅管規(guī)格?9.52mm×0.53mm，5排管。實(shí)際的制冷量檢測結(jié)果與理論計(jì)算值并不相符：a類6.686kW，b類6.812kW。顯然管排數(shù)的增多達(dá)不到理論計(jì)算中對制冷量的增益程度，5排管比6排管從實(shí)際效果、節(jié)材、制冷劑壓降、風(fēng)阻方面更具備優(yōu)勢。
在空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)中，以下重要設(shè)計(jì)原則需要遵循：
可靠性原則：選用高質(zhì)量的零部件和成熟的技術(shù)，以保障空調(diào)機(jī)組在長期運(yùn)行中的穩(wěn)定性和可靠性，減少故障發(fā)生的概率。
維護(hù)便利性原則：設(shè)計(jì)應(yīng)便于日常的維護(hù)和保養(yǎng)，方便零部件的更換和維修操作。
安全性原則：在滿足安全性要求的同時，協(xié)調(diào)好人機(jī)工程和保障性設(shè)計(jì)，做到裝備“安全、好用、耐用”。
成本控制原則：在滿足性能和質(zhì)量要求的前提下，合理控制設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。
總結(jié)
隨著空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)的日益成熟，各種制冷選型軟件的廣泛應(yīng)用，極大地減輕了從業(yè)者的工作強(qiáng)度。本文通過對某型電子機(jī)柜專用空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)分析，詳細(xì)闡述了各部件的設(shè)計(jì)流程和思路，以及設(shè)計(jì)過程中的考量。該設(shè)計(jì)方法已在某型裝備上采用，極大地克服了裝備高溫、高濕、霉菌、鹽霧的惡劣工作環(huán)境，提高了裝備的可靠性。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，使用良好。希望本文的分析能夠?yàn)閺臉I(yè)者提供有益的參考，推動機(jī)柜專用空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)與應(yīng)用不斷發(fā)展。
更多機(jī)柜行業(yè)研究分析，詳見中國報告大廳《機(jī)柜行業(yè)報告匯總》。這里匯聚海量專業(yè)資料，深度剖析各行業(yè)發(fā)展態(tài)勢與趨勢，為您的決策提供堅(jiān)實(shí)依據(jù)。
更多詳細(xì)的行業(yè)數(shù)據(jù)盡在【數(shù)據(jù)庫】，涵蓋了宏觀數(shù)據(jù)、產(chǎn)量數(shù)據(jù)、進(jìn)出口數(shù)據(jù)、價格數(shù)據(jù)及上市公司財務(wù)數(shù)據(jù)等各類型數(shù)據(jù)內(nèi)容。
京公網(wǎng)安備 11010502031895號
