风冷电气柜的系统阻力及风机风量数值计算∗

黄超洋 陈 飞 李 靖 乔 梁

（海南金盘电气研究院有限公司 武汉 430074）

1 引言

电气柜由于其占地面积小，防护等级要求比较高以及发热区域集中的特点，在实际运行过程中通常会配备风机以及散热器对设备进行强迫风冷却，风机的有效风量与系统阻力系数有关，风机选择偏大，则其成本较高，同时风机不能工作在其最高效率点，风机选择偏小，则其会长期超负荷运行，影响风机寿命及噪音，因此对系统阻力和风机工作点风量的计算就非常重要了。1 所示，当内部风机两端的风压等于系统的压降时即为系统的平衡点，也即是风机的工作点，系统阻力系数其实是相对风机而言的，即等效的系统的阻力系数为换算到风机两端的阻力系数。

根据伯努利方程可得知，在稳定理想的一元流动系统中［1］:

2 计算原理

风机提供的风压是为了克服系统的压降，如图时，应加进机械能损失项，忽略位压的影响由于其沿程阻力和局部阻力的作用，流体系统会将部分机械能转化为热能，这即为系统的总能损失Δp。

图1 风机特性曲线及风机工作原理图

3 计算方法

1）系统阻力计算

压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失，沿程压力损失指流体在风路中流动时因流体具有的粘性而产生的压力损失，由于空气的粘度很低而电气柜钣金风道面光滑且单风道短，在实际电气柜风路计算中，沿程阻力部分计算忽略不计。局部压力损失指流体流经如阀口、弯管、通流截面变化等时形成死区或涡旋区，流体在此区域并不参加主流动，而是不断的打旋，加速流体摩擦或造成质点碰撞，产生局部能量损失；流体流过局部装置时流速的大小和方向发生急剧变化，各截面上的速度分布规律也不断变化，引起附加摩擦而消耗能量［2～3］。

对于简单风路的局部压力损失:

风机内为高速流体，根据雷诺数计算公式:

常用电气柜风机中空气的流动状态为紊流，其压力损失可按以下公式计算［4～5］

而对应局部阻力系数:

得到局部损失系数的方法主要有3种方法:

（1）数值算法:查阅设计手册《Handbook of Hydraulic Resistance》［6］等资料得出局部阻力系数；

（2）有限元法:使用有限元算法对局部进行计算，通过计算收敛得到局部损失系数；

（3）反推法:根据系列风压和风速试验数据根据式（7）反推局部阻力损失系数。

2）风路局部等效面积计算

工程计算中，在计算等效通风面积有很多种等效方式［7］，较多都是根据经验方法对通风面积进行估算。假设在局部风路中如果将风路压力损失考虑为动压损失，即初始速度为v1的空气在截面为S风路穿越障碍，必然会导致风速下降，风速为v2，由于进出风的风量一致，则可得知:

如果将风路压力损失考虑为静压的损失，即风速为v2的空气穿过截面为S风路障碍，根据流量不变可得知进出口风速一致，但进出风口压力发生变化，则可得知:

由式（7）局部阻力系数计算可得知:

3）风量占比

（1）进出风口条件相同

对于进风条件或者是出风条件相同的情况，计算风量占比相对比较简单，如果系统为单个风道，多个风机，则可近似将风道当作并列的多个风道，那么其面积也需要按照风机风量比例分配。例如如果是n 个风机共用1 个进风口，则风量占比为n，则换算等效阻力系数时:

如果系统为多个风道，1 个风机，即风机的风路由多条支路合并而成，那么风机面积也需要按照风机风量比例分配，则可将风机近似看成多个风机，例如如果是n个进风口共用1个风机，则风量占比为:

其中 κ:风量占比

（2）进出风口条件不同

如果进出风口条件不相同，计算风量占比则可近似按照其等效通风面积来计算，即在相同的外界环境下，风量占比为其等效面积所占总面积的比例，因此在进出风口条件不同时，根据式（12）的计算，对于某进风口或出风口的风量占比，可按照以下公式近似计算:

4）风机曲线拟合

风机P-Q 曲线是风机厂家根据风机实际运行的规律测试得到，在实际工程计算中，有很多种方法可以将曲线数值方程拟合化［8～12］，经过测试，在本计算中将P-Q 曲线使用多次多项式拟合［3］，电气柜所使用风机的PQ 曲线4 次多项式的拟合可达到99%，比较符合计算要求，因此将常规使用的P-Q曲线使用OriginPro拟合，如表1所示。

因此风机的PQ曲线可以使用多项式方程拟合为

其中:a、b、c、d、e为常数，是方程的各次系数。

表1 常用风机PQ曲线拟合方程

5）风机工作点计算

根据强迫风冷计算原理，可以使用编程方法计算出工作点［13～15］，使用 VB 与数据库编写的计算程序如图2，在计算中，将相关参数代入到程序中，使用最小二乘法求解方程，即可得到当前风冷系统的风机风量和系统压降。

图2 系统阻力计算与风机选型程序

4 试验对比

以一台电气柜风路为例进行理论计算，该项目电气柜中有2 个风机，分别对各个风机进行风量和压降计算，如图3所示。

图3 电气柜计算结果

根据以上可得知:

根据现场测试数据换算，风机出风口平均风速为4.3m/s，偏差为3.02%。

5 结语

以上的分析可以得知，在可以得知电气柜所需风量的条件下，可以根据风机自身的特性和风路的设计，可以很方便地使用理论计算的方法计算出实际风机运行工况并对风路进行优化设计，同时也可以选择合适的风机和确定进出风口的面积。