通過軟件模擬單元式空調對變頻器室的溫度影響

何文皓，陳 軍，甘 淼

(四川電力設計咨詢有限責任公司發電分公司，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機轉速的調速控制裝置[1]，廣泛應用在石油化工、電力等行業。變頻器散熱分為風冷、水冷和油冷等，筆者工作中遇到的高壓變頻器功率達到數百上千千瓦，變頻器多采用強制風冷散熱方式，風冷變頻器和其他冷卻方式相比復雜性不高也較可靠[2]。

風冷高壓變頻器一般布置于室內，正常運行時發熱量較大，需要采取外部措施將變頻器散熱排除，主要有三種方式：采用低成本風道散熱、較高成本空調制冷、系統較復雜的空冷裝置循環。 以上三種方式在不同的變頻器運行場合有著各自的適用性，對于高溫高濕地區防塵要求較高的變頻器散熱設計，主要采用單元式空調方案[3]。

風冷高壓變頻器散熱采用單元式空調排除時，有以下幾個特點：

1)風冷高壓變頻器自帶排風機風量較大。

2)單元式空調有中側回風上側送風、下側回風上側送風，下側回風上側送風等產品。

3)受變頻器房間尺寸和其他因素影響，空調布置位置受限。

因此，如果空調送風方式或布置不當，會出現溫度分布均勻性差、房間局部高溫、變頻器過熱的情況。為了分析風冷高壓變頻器室單元式空調方案不同送風方式及布置方案對溫度分布的影響，以單個風冷變頻器單元式空調冷卻方案為例，通過Airpak軟件模擬不同空調送風和布置方案的溫度分布，通過分析為設計人員單元式空調方案送風方式和布置的設計提供思路。

2 空調設計計算

變頻器以某廠家1 120 kVA變頻器為例，廠家給出的變頻器發熱量為44.8 kW，進排風量4.17 kg/s。室內設計參數30 ℃ 50%，空調按等濕過程處理空氣，采用最大溫差送風，計算公式如下：

G=Q/(hn-ho)

(1)

其中，Q為變頻器室總熱負荷，kW；hn為室內點空氣焓值，kJ/kg；ho為送風點空氣焓值，kJ/kg；G為空調送風量，kg/s。

忽略房間圍護結構傳熱，空調采用等焓處理，空氣處理到相對濕度95%，計算結果：空調送風量3.34 kg/s；空調制冷量44.8 kW。

3 模型建立

3.1 物理模型

房間模型南北方向長度4.5 m、東西方向長度8 m、高度4.5 m；變頻器外形尺寸及送排風尺寸根據某廠家產品尺寸確定，前側進風，頂部后側出風；根據空調設計計算結果，對照單元式空調樣本選取空調外形尺寸，空調模型送回風方式分為上側送風、中側回風，上側送風、下側回風，風管送風、下側回風三種；變頻器和空調的模型如圖1所示。

根據空調送回風方式和空調與變頻器的相對位置的組合，選取5種方案，各方案對比如表1所示，各方案的模型示意如圖2所示。

表1 空調和變頻器5種組合布置方案對比

3.2 數學模型及網格劃分

Airpak軟件提供標準k-ε模型、室內零方程模型、零方程模型等多種數學模型供使用者選擇進行室內熱環境以及流體流動模擬。本工程選用室內零方程模型，對于有障礙物時的等溫強制對流和有內熱源時的混合對流，在計算精度要求不是特別高的工程計算中，可以使用室內零方程模型計算[4]。

描述室內空氣環境氣流流動和傳熱現象的微分方程包括連續性方程、動量方程、氣體組分方程等，通用控制方程表達式為[5]：

?(ρφ)/?t+div(ρvφ)=div(Γgradφ)+S

(2)

其中，φ為通用變量，可以代表各個求解變量；t為時間，s；v為x,y,z坐標上的速度分量，m/s；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。

Airpak自帶的網格劃分工具，采用六面體網格對該變頻器室模型進行網格劃分，每個網格最大X,Y,Z尺寸為該房間對應尺寸的1/20；對空調及變頻器送排風口的網格局部加密，使其各方向上的網格數不小于4。

3.3 模型假設及邊界條件

為了簡化問題，需忽略對室內流場影響小的因素，作如下假設：

1)忽略門窗對室內溫度分布的影響，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，內表面溫度取定溫32 ℃，忽略墻體的輻射換熱。

2)室內空氣為不可壓縮且符合Boussinesq假設，認為流體密度僅對浮升力產生影響。

3)空氣流動為穩態湍流，換熱也處于穩態，物性參數為常數。

4)變頻器和空調送排風口均勻送風，送排風口邊界條件如表2所示。

表2 變頻器及空調模型邊界條件

4 模擬結果與分析

風冷高壓變頻器對運行環境有一定要求，變頻器冷卻介質為空氣時，冷卻介質溫度范圍：0 ℃～ 40 ℃，環境溫度范圍：5 ℃～40 ℃，相對濕度：5%～85%[6]。工程設計中，變頻器室的溫度控制在5 ℃～35 ℃[7]。我們以下面兩個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，在模擬結果中選取變頻器進出風口中心高度的水平面溫度分布(后文簡稱進、出風口中心水平面溫度分布)和變頻器進出風風口剖面溫度分布(后文簡稱進出風口溫度分布)進行對比分析。

2)變頻器進風口溫度應不大于40 ℃，變頻器室內溫度不大于35 ℃為宜，不應大于40 ℃。

各方案不同平面溫度分布對比如圖3所示。

各方案對比分析如下：

方案二與方案一相比，可以看出變頻器進風口離空調越近，對應出風口的溫度越低，變頻器出風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，方案二優于方案一，即空調上側送風、下側回風方案優于空調上側送風、中側回風方案。

方案二與方案三相比，兩個方案溫度分布均勻性相似，變頻器出風口溫度方案三比方案二低，相比之下，方案三優于方案二，即單元式空調布置靠近變頻器進風口方案優于遠離變頻器進風口方案。

方案三與方案四對比，方案四相比方案三變頻器進風溫度和排風溫度更高。相比之下，方案三優于方案四，即單元式空調布置靠近變頻器進風口方案優于靠近變頻器出風口方案。

方案三與方案五對比，方案五房間溫度分布均勻性優于方案三，同時變頻器出風口溫度方案五比方案三更低，相比之下，方案五優于方案三，即單元式空調風管送風下側回風方案優于單元式空調上側送風、下側回風方案。

變頻器進風口溫度對比如表3所示，5個方案最大溫度值均小于40 ℃，均滿足溫度設計要求；根據變頻器進風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種方案溫度數值對比 ℃

房間溫度對比如表3所示，5個方案最小溫度值一樣，都是空調送風溫度；方案一和方案四最大溫度超過40 ℃，不滿足溫度設計要求；5個方案的平均溫度都未超過35 ℃。根據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計值最優。

綜上，除去不滿足溫度設計參數的方案，各方案溫度分布中，方案五最好，方案三較好，方案二其次。

5 結論

風冷變頻器采用單元式空調方案時，空調送風口越靠近變頻器進風口，變頻器進風溫度越低，房間溫度分布越好。在實際工程設計中可得出如下結論：

1)空調送回風形式優先選擇空調風管送風方式，將處理后的冷空氣均勻送至變頻器進風口。其次選用上側送風、下側回風空調形式。不建議選用上側送風、中側回風形式。

2)采用上側送風、下側回風空調時，應盡量將空調靠近風冷變頻器進風口布置；若空調遠離風冷變頻器進風口布置，應采用CFD模擬判斷房間溫度是否滿足設計要求，溫度分布是否均勻。