恶劣环境下大功率广播发射机的降温与除尘

王耕，任国钊

（国家广电总局726台，云南 宣威 655400）

0 引言

全固态广播发射机具有集成智能化程度高、稳定性佳、效率高、指标好等优点，近年在广播电台广泛使用。但是，随着工业化进程的加快，自然环境遭到不同程度的破坏，使得全固态广播发射机的运行环境受到了极大的挑战。如何有效地改善全固态广播发射机的运行环境，使之稳定而可靠地运行，是每一位技术维护工作者应考虑和解决的课题。通过对美国HARRIS公司生产的DX系列风冷式全固态广播发射机降温除尘的工程实践和取得的效果，提出解决恶劣环境下大功率广播发射机的降温除尘措施以供同行参考。

1 全固态广播发射机的特性及环境要求

1.1 风冷式全固态广播发射机的特性

a）集成化程度高

全固态广播发射机实现了积木化设计，把主整、调制器和射频功放三合为一，取消了传统的高电平音频功放，直接用数字化音频信号控制射频功率放大器末级来实现高电平调幅[1]。它的射频系统、音频系统以及控制系统中的绝大多数电路都实现了晶体管化，发射机工作于低电压等级条件下，具有集成智能化程度高、稳定性好、效率高和指标好等优点。

b）具有完善的技术保护措施

全固态广播发射机具有十分严密的保护电路。如发射机温度、吹风量等参数达不到要求时，保护电路就会启动，并采取降功率甚至关机的方式来实现自我保护。

2.2 大功率全固态广播发射机的运行环境要求

a）环境温度的要求

由于发射机主体电路的晶体管化，晶体管电路的温度特性就不可忽略。随着温度的升高，晶体管器件的静态工作点改变，特性参数漂移，发射机工作状态和参数也会随之变化，并极易触发温度保护电路的阈值，造成发射机故障[2]。由于发射机采用了强制风冷方式，发射机的冷却效果对机房环境温度具有了极大的依赖性。这就要求发射机具有良好的冷却效果和适宜的工作环境温度。一旦环境温度升高，发射机内外温差有限，强制风冷的效率和作用就将大大降低，发射机内部温度将不断地升高。长时间工作于较高的温度状态下，势必会造成器件老化，寿命缩短，发射机稳定性变差。

b）环境洁净度的要求

强制风冷是通过风机的运转而将外界低温空气送入发射机来实现冷却的，这样就对发射机外围的环境空气质量提出了较高的要求。如环境空气质量较差，冷却风机就会把携带大量粉尘甚至含有金属粉末的受污染空气直接送入发射机内部，对集成电路等器件造成极大的粉尘污染。粉尘附着在器件上，就会影响这些器件的正常工作和散热。如粉尘中携带的金属粉末附着在器件的引脚上，就将会降低器件的绝缘强度等级，导致器件被击穿。而且，粉尘污染大大增加了对发射机的维护量。

c）环境湿度的要求

集成电路器件大多工作于低电压等级，对干扰较为敏感，静电放电的破坏不容忽视。当环境湿度低于40%时，静电放电频繁，放电能量就会导致大量器件的损坏或者降低工作性能。因此，除了做好防静电措施外，保持合理的环境湿度也是提高发射机稳定性的要求之一。

因此，在做好日常维护的基础上，有必要采取相应的通风降温除尘措施，以改善运行环境，提高发射机的稳定性。

2 通风除尘原理

2.1 惯性除尘机理

含尘气流在运动过程中遇到物体的阻挡时，气流会改变方向进行绕流，细小的尘粒会随着气流一起流动。粗大的尘粒具有较大的惯性，会脱离流线，保持自身的惯性运动，这样尘粒就和物体发生了碰撞，从气流中分离出来，这种现象被称为惯性碰撞。常用的过滤式除尘器和湿式除尘器都是这个机理。如图1所示。

图1 惯性分离机理

按照除尘机理的不同，常用的除尘器有机械式除尘器、过滤式除尘器、湿式除尘器和电除尘器等。

a）袋式除尘器的工作原理

袋式除尘器是一种干式、高效、过滤式除尘器，它利用棉、毛、人造纤维等加工的滤料进行过滤，滤料本身的网孔较大，一般为20～50 μm。因此新滤袋的除尘效率是不高的，对1 μm的尘粒只能达到40%左右。含尘气体通过滤袋，把粉尘截留在滤袋的表面上，净化后的气体经排气管排出。含尘气体通过滤料时，随着它们深入滤料的内部，使纤维间的孔隙逐渐减小，最终形成一种附着在滤料表面的粉尘初层。如图2所示。

袋式除尘器的过滤作用主要是靠这个初层以及逐渐堆积起来的粉尘层进行的，即使对很微细的粉尘也能获得较高的滤尘效率。随着粉尘在初层的基础上不断积聚，使其透气性变坏，除尘器的阻力增加，滤尘效率也随着增大；但阻力过大会导致除尘效率下降或损坏滤袋。因此袋式除尘器运行一段时间后要及时清灰 （不破坏初层），以免效率下降。袋式除尘器的特点是除尘效率高、性能稳定、投资少、对滤料要求不高、维修量小和滤袋使用寿命长。

图2 滤料的过滤效果

b）湿式除尘器的工作原理

湿式除尘器也被叫做洗涤式除尘器，它主要通过含尘气体与水滴或水膜的接触，依靠尘粒与水或水滴的碰撞凝聚，使尘粒从气体中分离出来。当气体与水滴有相对运动时，由于水滴的环绕气膜作用，当气体接近水滴时，气体流线将绕过水滴而改变流向，运动轨迹由直线变为曲线，而粒径大和密度大的尘粒则力图保持原来的流线而与水滴相撞，尘粒与水滴相碰接触后凝聚为大颗粒，并被水流带走。湿式除尘器既能起到除尘的作用还能起到对气体降温、加湿的效果，它具有投资少、构造简单、净化效率高的特点。

2.2 通风降温原理

a）全面通风

又叫稀释通风，是对整个房间进行通风换气，其基本原理就是用清洁、低温的空气来稀释室内含有有害物的空气或者高温气体，并不断把室内的有害空气排出室外，使室内保持合理的温度。

b）全面通风的空气质量平衡

通风除尘过程中必须有送风和排风过程。通风房间的热气平衡即房间的进风量和排风量相等、房间的得热和失热相等。

空气质量平衡即在通风房间内，无论采用哪种通风方式，单位时间内进入房间的空气质量应该与同一时间内排出的空气质量保持相等，以机房大厅为例，如图3所示。空气质量平衡数学表达式为：

式 （1）中：Gzj——自然进风量，kg/s；

Gjj——机械进风量，kg/s；

Gzp——自然排风量，kg/s；

Gjp——机械排风量，kg/s。

图3 发射机房空气质量平衡简图

对于通风房间 （不考虑自然通风），当机械进风量等于机械排风量时：

则室内压力等于室外大气压力，即空间内外压力差为零。如果机械进风量大于机械排风量时，即：

则室内压力升高，处于正压状态；反之，室内压力降低，处于负压状态。这是因为，一般通风房间并不严密，当房间处于正压状态时，室内的部分空气将通过房间内不严密的缝隙或窗户、门洞渗透到室外，形成无组织的排风；相反，房间处于负压状态时，形成无组织的进风。为了防止外界受污染的空气通过无组织进风进入清洁度要求较高的房间，设计时应使房间保持正压状态。一般正压应保持在5～10 Pa 为宜[3]。

3 大功率广播发射机的降温除尘实践

下面以某DX-600风冷式全固态广播发射机的机房为例，论述如何进行大功率广播发射机的降温除尘实践。

发射机房原设计使用自然进风方式，两部发射机的吹风量总和为90000 m3/h，使用的4台排风机排风总量为240000 m3/h，并辅助以5台柜式空调进行冷却。夏季高温干燥季节，单靠排风机及柜式空调的运转，机房大厅与外界空气对流有限，发射机产生的热量不能及时排出，发射机房及发射机内部的温度较高。例如，夏季气温为25℃时，机房环境温度达30℃以上，发射机内部的局部温度可达40℃以上。为了尽量降低发射机房的温度，需开启全部排风机以保持足够的对流效率。在这种状态下，自然进风远远不能满足要求，机房内外压力差巨大，发射机房处于重度负压状态，大量的无组织进风通过门、窗、缝隙进入发射机房，而这些部位缺乏有效的除尘措施，大量携带粉尘的受污染空气进入到发射机房，在强制风冷的作用下进入发射机，对发射机造成了严重的污染。

为了降低发射机工作的环境温度，改变机房大厅的负压状态，增加发射机房的清洁度，提高发射机稳定性，根据相关的通风降温及除尘机理，结合发射机房设备特点，实施了通风降温除尘工程。

3.1 通风降温工程

对强制风冷式发射机的降温实际上就是对发射机工作环境的降温。环境温度降低后，冷却风机的出风温度也会相应地降低，与发射机内部器件的温差增大，就达到了热交换的目的，从而实现发射机的降温。

a） 送风

发射机房外增加两台送风量为50000 m3/h的空气处理机组，空气处理机组采用大功率离心风机，利用原有的通风间实施机械送风。这样，总最大进风量Gj为：

从而可以满足两部发射机总共90000 m3/h的吹风量。

从节能和控制的便利性角度出发，对离心送风机实施变频控制，可以根据机房环境温度和实际需求，随时调整空气处理机组的进风量，满足送风要求。

b）排风

不改变原有的排风机及排风管道，对4台排风机实施变频控制，可结合环境条件和进风状况，适时改变排风机排风量，使机房在保持合理温度的同时处于正压状态。

为了更有利于发射机产生的热气流的排除，在发射机上方增加排风罩，使发射机产生的热气流直接通过排风罩由排风机排出室外，减少热气流参与机房大厅再循环的几率，提高降温效果。

3.2 除尘工程

由于污染物全部来源于室外环境，而房间内部本身不产生污染物，因此，送风端增加过滤除尘设备即可达到所需要的除尘效果。

为达到理想的除尘效果，在空气处理机组进风端采用多级组合除尘模式。第一级采用滤尘效率较高、投资少、维护便利和使用寿命长的袋式初效过滤器，对粒径较大的尘粒进行滤除；第二级仍然采用袋式除尘器，选取孔隙较小的织物作为滤料，对细微的粉尘进行滤除，实现中效除尘；第三级采用水洗风除尘，水洗风除尘实质就是湿式除尘器，含污染物的空气经过水膜过滤，达到除尘目的的同时起到对空气降温加湿的作用。初、中效过滤后的空气通过水膜过滤成为具有一定湿度的冷却新风，在通风间内通过液滴分离后送风至机房大厅供发射机冷却循环使用。水洗风除尘可根据需要随时开启或者关闭，冬季低温季节，初、中效过滤后的空气质量和温度能满足要求，可将水洗风关闭。干燥高温季节，开启水洗风，降低气体温度的同时增加机房大厅的相对湿度，减小静电的危害。

除了使用除尘器外，为了减少外界污染物的渗透，在空气处理机组进风口及排风机出风口增加高密闭性调节阀，在通风冷却系统关闭后，密闭调节阀关闭，阻止外界被污染的空气通过进出风通道进入发射机房，避免对发射机造成再次污染。如图4所示。

图4 发射机房通风降温除尘系统简图

4 工程效果及待改进的部分

4.1 工程效果分析

通过发射机的运行和维护工作中的探索，通风除尘系统可采用如下运行模式：春夏季高温干燥季节，开启全部送风系统及排风系统，通过变频调节控制进出风量，保证降温效果的同时使机房处于正压状态。秋冬低温季节，结合环境温湿度和污染状况，减少送排风量或者停用水洗风除尘。冬季环境温度低于10℃时，关闭送风系统，适度开启排风设备，使机房处于轻度负压状态，室外冷空气进入机房大厅参与循环，对发射机房进行降温。

4.1.1 通风除尘效果

工程实施后，利用变频器合理调节通风除尘系统送排风机工作频率，发射机房大厅负压状况得到根本改善，进入机房大厅的粉尘量减少了70%，发射机稳定性得到明显的提高，运行环境改善的同时减少了维护人员的工作量。发射机房大厅温度和机箱温度明显降低，干燥季节湿度条件得到改善，发射机系统及其附属设备运行稳定，有效解决了因环境温度较高而导致的发射机温度保护故障。工程实施前后环境温度变化见表1（发射机工作1小时后测量）。

表1 改造前后发射机房环境温度变化 ℃

另外，改造前干燥季节大厅湿度为20%-30%，改造后最干燥季节大厅湿度可保持在55%～65%。

4.1.2 节能降噪效果

a）节能效果

工程实施前功耗：使用5台柜式室内空调及4台排风机，每台空调的额定功率为4.45 kW，每台排风机的额定功率为3 kW。消耗功率P1为：

工程实施后功耗： 5台柜式空调停用，4台排风机全部变频为30 Hz运行，此时单相电流为3.8 A，功率因素按0.8计算；则每台排风机功率P排为：

4台排风机总功率P总排为：

2台空气处理机组送风机变频为35 Hz运行，此时单相电流为18 A，功率因素按0.8计算。则每台空气处理机组风机功率P送为：

2台空气处理机组总功率P送为：

整个通风系统总功率P2为：

工程实施前后节能比为：

由计算可见，节能效率达20%以上。

b）降噪效果

经测试，改造前机房大厅噪声达85 dB， 改造后噪声降低为72 dB，噪声明显地降低。

4.2 待改进的部分

通过工程实践，发射机运行环境大为改善。然而，尚存譬如整个通排风系统的开启、关闭以及环境温湿度的调节控制仍然需要人力操作的改进之处。通过论证，可以实现按照发射机运行时间开启或关闭该系统，并根据机房大厅温湿度、机箱温度以及正负压状态自动调整送排风机工作频率以及水洗风系统，使机房大厅保持合理的温湿度状态，减少对人的依赖。

5 结束语

随着社会的发展和科学技术的进步，影响广播发射机稳定运行的因素日趋复杂。作为广播电视技术维护工作者，除了做好日常维护工作之外，还应全面分析影响大功率广播发射机运行稳定性和可靠性的因素，从技术革新入手为设备的稳定可靠运行提供保障。

[1] 张学田，李英华，尤巩圻，等.广播电视技术技术手册第6分册发射技术 [M].北京：国防工业出版社，2000.

[2] （美） 拉尔 （LALL P）， （美） 派特 （PECHT M G）,（美）哈吉姆 （HAKIM E B）.温度对微电子和系统可靠性的影响 [M].贾颖，译.北京：国防工业出版社，2008.7

[3] 唐中华.通风除尘与净化 [M].北京：中国建筑工业出版社，2009.