風冷電氣柜的系統阻力及風機風量數值計算?

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，防護等級要求比較高以及發熱區域集中的特點，在實際運行過程中通常會配備風機以及散熱器對設備進行強迫風冷卻，風機的有效風量與系統阻力系數有關，風機選擇偏大，則其成本較高，同時風機不能工作在其最高效率點，風機選擇偏小，則其會長期超負荷運行，影響風機壽命及噪音，因此對系統阻力和風機工作點風量的計算就非常重要了。1 所示，當內部風機兩端的風壓等于系統的壓降時即為系統的平衡點，也即是風機的工作點，系統阻力系數其實是相對風機而言的，即等效的系統的阻力系數為換算到風機兩端的阻力系數。

根據伯努利方程可得知，在穩定理想的一元流動系統中［1］:

2 計算原理

風機提供的風壓是為了克服系統的壓降，如圖時，應加進機械能損失項，忽略位壓的影響由于其沿程阻力和局部阻力的作用，流體系統會將部分機械能轉化為熱能，這即為系統的總能損失Δp。

圖1 風機特性曲線及風機工作原理圖

3 計算方法

1）系統阻力計算

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路中流動時因流體具有的粘性而產生的壓力損失，由于空氣的粘度很低而電氣柜鈑金風道面光滑且單風道短，在實際電氣柜風路計算中，沿程阻力部分計算忽略不計。局部壓力損失指流體流經如閥口、彎管、通流截面變化等時形成死區或渦旋區，流體在此區域并不參加主流動，而是不斷的打旋，加速流體摩擦或造成質點碰撞，產生局部能量損失；流體流過局部裝置時流速的大小和方向發生急劇變化，各截面上的速度分布規律也不斷變化，引起附加摩擦而消耗能量［2～3］。

對于簡單風路的局部壓力損失:

風機內為高速流體，根據雷諾數計算公式:

常用電氣柜風機中空氣的流動狀態為紊流，其壓力損失可按以下公式計算［4～5］

而對應局部阻力系數:

得到局部損失系數的方法主要有3種方法:

（1）數值算法:查閱設計手冊《Handbook of Hydraulic Resistance》［6］等資料得出局部阻力系數；

（2）有限元法:使用有限元算法對局部進行計算，通過計算收斂得到局部損失系數；

（3）反推法:根據系列風壓和風速試驗數據根據式（7）反推局部阻力損失系數。

2）風路局部等效面積計算

工程計算中，在計算等效通風面積有很多種等效方式［7］，較多都是根據經驗方法對通風面積進行估算。假設在局部風路中如果將風路壓力損失考慮為動壓損失，即初始速度為v1的空氣在截面為S風路穿越障礙，必然會導致風速下降，風速為v2，由于進出風的風量一致，則可得知:

如果將風路壓力損失考慮為靜壓的損失，即風速為v2的空氣穿過截面為S風路障礙，根據流量不變可得知進出口風速一致，但進出風口壓力發生變化，則可得知:

由式（7）局部阻力系數計算可得知:

3）風量占比

（1）進出風口條件相同

對于進風條件或者是出風條件相同的情況，計算風量占比相對比較簡單，如果系統為單個風道，多個風機，則可近似將風道當作并列的多個風道，那么其面積也需要按照風機風量比例分配。例如如果是n 個風機共用1 個進風口，則風量占比為n，則換算等效阻力系數時:

如果系統為多個風道，1 個風機，即風機的風路由多條支路合并而成，那么風機面積也需要按照風機風量比例分配，則可將風機近似看成多個風機，例如如果是n個進風口共用1個風機，則風量占比為:

其中 κ:風量占比

（2）進出風口條件不同

如果進出風口條件不相同，計算風量占比則可近似按照其等效通風面積來計算，即在相同的外界環境下，風量占比為其等效面積所占總面積的比例，因此在進出風口條件不同時，根據式（12）的計算，對于某進風口或出風口的風量占比，可按照以下公式近似計算:

4）風機曲線擬合

風機P-Q 曲線是風機廠家根據風機實際運行的規律測試得到，在實際工程計算中，有很多種方法可以將曲線數值方程擬合化［8～12］，經過測試，在本計算中將P-Q 曲線使用多次多項式擬合［3］，電氣柜所使用風機的PQ 曲線4 次多項式的擬合可達到99%，比較符合計算要求，因此將常規使用的P-Q曲線使用OriginPro擬合，如表1所示。

因此風機的PQ曲線可以使用多項式方程擬合為

其中:a、b、c、d、e為常數，是方程的各次系數。

表1 常用風機PQ曲線擬合方程

5）風機工作點計算

根據強迫風冷計算原理，可以使用編程方法計算出工作點［13～15］，使用 VB 與數據庫編寫的計算程序如圖2，在計算中，將相關參數代入到程序中，使用最小二乘法求解方程，即可得到當前風冷系統的風機風量和系統壓降。

圖2 系統阻力計算與風機選型程序

4 試驗對比

以一臺電氣柜風路為例進行理論計算，該項目電氣柜中有2 個風機，分別對各個風機進行風量和壓降計算，如圖3所示。

圖3 電氣柜計算結果

根據以上可得知:

根據現場測試數據換算，風機出風口平均風速為4.3m/s，偏差為3.02%。

5 結語

以上的分析可以得知，在可以得知電氣柜所需風量的條件下，可以根據風機自身的特性和風路的設計，可以很方便地使用理論計算的方法計算出實際風機運行工況并對風路進行優化設計，同時也可以選擇合適的風機和確定進出風口的面積。