用于船舶电子设备冷却的制冷系统仿真研究

朱 鸿

（海军驻上海沪东中华造船（集团）有限公司军代表室，上海 200129）

用于船舶电子设备冷却的制冷系统仿真研究

朱 鸿

（海军驻上海沪东中华造船（集团）有限公司军代表室，上海 200129）

提出一种用于船舶电子设备冷却的小型制冷系统。该制冷系统采用变频调节压缩机转速，调节系统的制冷量以满足电子设备的冷却需求。对研究的制冷系统进行稳态建模，对不同工况下的制冷系统进行了稳态仿真计算。通过仿真计算，探讨该制冷系统用于船舶电子设备冷却的可行性。

电子设备冷却；制冷系统；仿真研究

0 研究背景

随着船舶电子设备的飞速发展，大功率电子设备的应用越来越广泛，电子设备的发热量也随之增大。同时，大功率电子设备的发热波动幅度更大，瞬时发热速率也大[1]。传统的海水循环通风冷却装置或者定频制冷系统已经无法满足日益发展的电子设备巨大的散热负荷。而变频制冷系统能根据负荷变化（即电子设备散热量）调整制冷压缩机的运行频率，从而进行制冷量的调节，使制冷系统的制冷量匹配电子设备散热量，保证电子设备处于最佳的温度环境[2,3]。

此外，制冷系统的冷媒水端一旦发生泄漏，对电子设备将造成不可恢复的损坏。为解决制冷系统这一弊端，考虑采用导热油作为载冷剂，由制冷系统供应的低温导热油流经电子设备散热端，对电子设备进行冷却。温度升高的导热油再回到制冷系统的蒸发器再次冷却。如此，即使导热油发生泄漏，由于导热油固有的绝缘性能，也不会对电子设备造成损坏。

本文研究的电子设备用小型制冷系统服务于船舶的电子设备，对象较为特殊，电子设备的散热环境非常恶劣，短时间内散热量极具升高，因此导热油的温度可能会急剧攀升，因此一方面要求制冷系统具有强大的能量调节能力，另一方面要求制冷系统在非工况条件下的性能要有保证[4]。

考虑到船舶的设备机舱非常狭小，空间紧凑，因此制冷系统的结构也需要非常紧凑。本文所研究的制冷系统将采用紧凑式换热器，即当量直径在1mm～2mm之间的板翅式换热器，已经非常接近于微通道换热器。微通道换热器的传热机理以及计算都与常规换热器有很大的差别。尤其是在微通道换热器的相变研究，目前还没有十分确定的理论和实验关联式可以采纳，只有针对某些工质、某些工况范围和尺寸范围的实验关联式。

1 研究对象的物理模型与数学模型

本文研究的制冷系统采用变速涡旋压缩机，冷凝器仍采用传统的海水冷却管壳式换热器，蒸发器采用结构紧凑的板翅式换热器。为保证系统的调节性能，采用电子膨胀阀以匹配变频控制。使用导热油作为载冷剂供给电子设备的冷却系统。本文对上述制冷系统的稳态运行进行仿真研究，探讨其在船舶电子设备冷却应用的可行性。

为了保证供油温度的稳定，即要保证蒸发压力不随运行工况的影响过大，增加了蒸发压力调节装置。由于调节装置调节能力有限，蒸发压力还是受到一定的影响。由于是稳态计算，假设制冷系统中各点的温度、压力比焓不随时间变化而变化。研究的制冷系统如图1所示。

图1 电子设备冷却用制冷系统流程图

对制冷系统的稳态运行进行模拟计算，主要考虑四大部件，即压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器的建模。

对于压缩机，为了计算出压缩机出口处的质量流量及焓值，本文采用的模型不考虑压缩内部质量的变化，认为进出口的质量流量是相等的。压缩机制冷剂质量流量qmr为[5]：

式中，N为压缩机转速，r/min；V为压缩机工作容积，m3；ρ为进口处制冷剂密度，kg/m3；ηv为压缩机容积效率。

压缩机出口处的焓值是在假设压缩过程为等熵条件下计算得到的[6]。

研究对象采用的节流装置为电子膨胀阀，电子膨胀阀容积很小，研究时视其膨胀过程为绝热的、内部制冷剂流量不变的等焓过程。

对于冷凝器，借助多年的设计、计算经验，采用经验模型进行模拟计算。基于冷凝器的结构参数，输入冷凝器海水进口流量、海水进口温度，制冷剂进口压力、制冷剂进口温度，通过经验模型计算得到海水出口温度、制冷剂出口压力、温度。

对于蒸发器，由于几何尺寸比较条理化，两相区域比较复杂，故选择分段集中参数模型进行计算。即将蒸发器分为两相区和过热区，每个区域采用集中参数进行计算。

假设制冷剂与导热油在换热器的流动方式为错流，制冷剂为单流程，导热油为多流程。为了探讨板翅式换热器在船舶电子冷却用制冷系统中的可行性，蒸发器选用一具有典型结构参数的板翅式换热器，翅片为平直翅片，换热器整体结构参数和翅片的结构参数分别如表1所示[7]。

表1 板翅式换热器结构参数

蒸发器换热量：

式中，qmr为制冷剂质量流量，kg/s；h1为蒸发器制冷剂出口比焓，kJ/kg；h4为蒸发器制冷剂进口比焓，h/kg；qew为导热油质量流量，kg/s；cp,ew为冷却油平均定压比热容，kJ/(kg·K)；tew,i为蒸发器导热油进口温度，K；tew,o为蒸发器导热油出口温度，K。

冷却油的粘度非常大，流动雷诺数很小而普朗特数很大，因此选用专门的关联式[8,9]：

式中：Nu为努赛尔数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；L为有效流动长度。

制冷剂单相区（过热区）传热关联式[10,11]：

层流流动：

湍流流动：

制冷剂两相区的传热关联式[12,13]：

式中，x为干度；ρv为气相密度，kg/m3；ρL为液相密度，kg/m3；μV为气相动力粘度，Pa·s；μL为液相动力粘度，Pa·s；To为蒸发温度，K；TW为壁面温度，K；ΔhVL为气化潜热，kJ/kg。

两相区和过热区的换热量：

式中，hri为制冷剂对应区域的进口比焓，kJ/kg；hro为制冷剂对应区域的进口比焓，kJ/kg；tew,i为冷却油对应区域的进口温度，K；tew,o为冷却油对应区域的进口温度，K；αcw为冷却油对流换热系数，kW/(m2·K)；为冷却油测表面效率；αcr为制冷剂对流换热系数，kW/(m2·K)；crη为制冷剂表面效率；F为换热面积；表面效率其中fη为翅片效率，λ为换热器壳体导热系数，W/(m2·K)。

由上式可以计算各个相区的面积，加和得到总的换热面积。

由此可得蒸发器的算法流程，如图2所示。

图2 蒸发器模拟计算流程图

综合上述各个部件的计算模型，得到系统的算法流程如图3所示。

图3 制冷系统模拟算法流程图

2 仿真计算结果

上文对应用于船舶电子设备冷却的制冷系统建立了计算模型，以下利用建立的模型进行仿真计算。通过仿真计算，探讨该种型式的电子冷却设备在船舶上应用的可行性，即研究不同运行工况下，制冷量和COP与转速的关系，即制冷系统的稳态特性。考察制冷系统的负荷情况、工况条件发生变化时，是否能通过调节系统的制冷剂流量使得制冷量与负荷匹配，为系统的制冷量调节和控制提供模型基础。

首先探讨冷端蒸发器的工况发生变化时的情况。当制冷系统的制冷量不能满足电子设备的散热需求时，导热油的温度会升高，导致制冷系统的运行工况不同。

在计算模型中，将冷凝器海水进口温度设定为32℃，导热油的进口温度分别设定为20℃、30℃、40℃和50℃。

如图 4所示，不同载冷油进口温度下，系统制冷量与压缩机转速基本维持现行的关系。在高转速下，载冷油进口温度对制冷量的影响更明显。因为制冷量主要体现在制冷剂的气化潜热，可简单认为制冷量大致等于制冷剂流量与气化潜热的乘积。转速越大，制冷剂流量就越大，因此由载冷液进口温度的差别带来的制冷量的差别就更明显。

冷冻油进口温度越高，相同压缩机转速下，制冷系统的制冷量越大，并且压缩机的转速越高，高冷冻油进口温度与低冷冻油进口温度的制冷量差距越大。

图4 不同工况下系统制冷量

对于船舶电子冷却用制冷系统而言，冷冻油进口温度体现了被冷却电子设备的工作环境温度。因此，不仅需要保证电子设备的发热量能被带走，并且需要保证电子设备工作环境的温度保持在较为稳定的范围，体现为制冷系统的回冷冻油温度控制。当电子设备发热量小幅度增大时，会导致进入蒸发器的导热油温度升高，制冷系统的制冷量增大以匹配增大的发热量。若要求进入蒸发器的导热油的温度恢复到发热量增大前的值，需要增大制冷系统的压缩机转速以提高系统的制冷剂流量。当散热量大幅度增大时，制冷系统的自我调节能力更是不能满足负荷需求，增大压缩机转速以提高制冷剂流量是使制冷系统的制冷量与负荷匹配的唯一途径。

上述关系可借图 4进行简要的说明。若电子设备散热量与制冷量相等，则系统处于平衡状态。若电子设备散热量增大，则系统的平衡状态被打破，系统的制冷量、进入蒸发器的导热油温度上升。若增大压缩机的转速，使制冷量与散热量匹配，同时可保证进入蒸发器的冷冻油稳定。

由图5可见，不同的载冷液进口温度下，COP相差很大。原因很简单，载冷液进口温度影响蒸发温度，同时蒸发压力也收到影响。载冷液进口温度越大，蒸发压力越高，压缩机功耗也就越小，COP越大。但是在船舶电子设备冷却用的制冷系统中，对COP的关注不大，只需保证在变工况条件下制冷系统的制冷量能满足发热量的要求即可。

图5 不同工况下系统COP

进而讨论当热端即冷凝器端运行工况变化时，制冷系统的性能变化。

由图 6可见，进入冷凝器的海水温度越高，系统的制冷量越小。如前述分析，进入冷凝器的海水温度反映了电子设备冷却用制冷系统的工况条件，海水温度越高，制冷系统的工作环境更恶劣，影响了制冷量。

在船舶电子设备用制冷系统中，一般采用海水对制冷系统的冷凝器进行冷却。因此当海水温度上升时，对制冷系统的工作不利，制冷系统的制冷量将会降低。为了保证制冷系统的制冷量稳定以满足电子设备的发热量，可对制冷系统进行变频调节，升高压缩机的转速，增大电子膨胀阀的开度，是制冷系统的制冷量增大，从而保证制冷量的稳定。

图6 不同工况下系统制冷量

由图6可见，若系统压缩机处于3000r/min，海水进口温度为 30℃，系统的制冷量为 24kW。当电子设备散热量与制冷量相等时，系统处于平衡状态。若制冷系统的工况变恶劣，进入冷凝器的海水温度由30℃增大至 35℃，制冷系统的制冷量降低到 21kW，因此需要增大压缩机转速至3600r/min，才能使系统的制冷量恢复到24kW，系统再次进入平衡状态。

从上述可见，可以通过调整制冷系统的转速来调节系统的制冷量，使得制冷系统在不同的运行工况下，系统的制冷量与电子设备的发热量匹配。

3 小结

在船舶电子设备飞速发展的背景下，本文提出一种用于船舶电子设备冷却的小型制冷系统。该制冷系统采用变频调节压缩机转速，控制系统的制冷量满足电子设备发热量。并且为了装置的小型化，系统的蒸发器采用了板翅式换热器。

基于制冷系统丰富的设计计算经验上，本文对研究的制冷系统进行稳态建模，模型可以对不同工况下、不同压缩机转速下的制冷系统的稳态性能进行计算。计算结果表明，采用板翅式换热器作为蒸发器的变频制冷系统能够通过调整压缩机转速控制系统的制冷量，满足电子设备复杂多变的发热量。

通过仿真计算，本文研究的变频制冷系统运行工况宽广、制冷量范围宽广，适合用于发热量变化大的船舶电子设备的冷却。

[1] 陈建业. 大功率电力电子装置冷却系统的原理与应用[J]. 国际电力, 2002, 6(4): 48-52.

[2] 孙山林. 舰用电子设备冷却方式及其特点[J]. 流体机械, 2008, 36(4): 47-49.

[3] 王忆秦. 舰船电子设备冷却系统研究[J]. 舰船科学技术, 2007, 29(5): 85-88.

[4] 侯春芝, 钟根之. 特种电子设备冷却系统设计与实验研究[J]. 制冷技术, 2013, 33(1): 30-33.

[5] 张兴群, 陈蕴光, 袁秀玲, 罗丽萍. 变频制冷系统的数值模拟及特性分析[J]. 流体机械, 2002, 30(8):50-54.

[6] 朱瑞琪, 谢家泽, 吴业正. 制冷系统的综合优化控制模型[J]. 西安交通大学学报, 2002, 36(5):461-464.

[7] 谢淑萍, 金苏敏, 汤新敏. 板式冷凝器的稳态仿真模型[J]. 流体机械, 2009, 37(4): 83-85.

[8] Lee P. S., Garimella S. V., Liu D. Investigation of heat transfer in rectangular microchannels[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2005, 48: 1688-1704.

[9] Peng X. F., Peterson G. P.. Convective heat transfer and flow friction for water flow in microchannel structures[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1996, 12(39): 2599-2608.

[10] Guo Z. Y., Li Z. X.. Size effect on single phase channel flow and heat transfer at microscale[J].International Journal of Heat and Fluid Flow, 2003,24: 284-298.

[11] Morini G. L.. Single-phase convective heat transfer in microchannels: a review of experimental results[J].International Journal of Thermal Sciences, 2004, 43:631-651.

[12] Kandlikar S. G.. Heat transfer mechanisms during flow boiling in microchannels[J]. Journal of Heat Transfer, 2004, 126: 8-16.

[13] Lee H. J., Lee S. Y.. Heat transfer correlation for boiling flow in small rectangular horizontal channels with low aspect ratios[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2001, 27: 2043-2062.

Simulation Study of Refrigeration System Used for Marine Electronic Equipment Cooling

ZHU Hong
(Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

A newly mini-type refrigeration system is proposed for cooling marine electronic equipment.The refrigeration system adopts variable speed control to regulate the cooling capacity to satisfy the heat dissipation of marine electronic equipment. Based on the established stable simulation model,operation under different working condition is simulated to study the feasibility of the refrigeration system in the marine electronic equipment cooling.

electronic equipment cooling; refrigeration system; simulation study

U664.5

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.018

朱鸿（1968-），男，硕士。研究方向：舰船动力装置及船舶系统。