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船舶电器柜的热环境控制方法和流程

来源:中国职称论文咨询网作者:kaiting时间:2018-07-18 11:31

  这篇船舶工程师论文发表了船舶电器柜的热环境控制方法和流程,半导体制冷是一种比较新颖的能量转换方式, 具有小型、轻便、无磨损、工作时无噪音、无方向性、温度易控制、冷却速度快、工作寿命长等诸多优点, 因此近年来在家电、红外、激光、电子和航天领域中受到人们的重视, 并得到了较成熟的应用。

  关键词:船舶工程师论文,船用低压;弱电电器柜;热环境控制;电器柜控制方法

船舶工程师论文

  引言

  现代船舶技术不断向更高端、更精锐地方向发展,船舶中各类电子元器件的体积逐渐缩小,但集成度和功率更高,这样就会导致单位面积散热功率加大。船舶电子器件和电子设备通常会被统一放入电器柜(也称工业机柜)中,电器柜为密闭环境,每当电子器件和电子设备温度升高时,电器柜温度也会随之升高,热量不断堆积其中,对电器柜的正常工作造成影响。

  普通电子设备所能承受的工作环境温度最低为–5℃,最高不能超过65℃,但实际上船舶电器设备的工作环境温度要远远高于或远远低于正常工作温度范围,大大降低了电子设备的工作寿命,影响工作效率。科学界曾通过实验研究过电子元件工作环境温度与工作效率的关系,实验结果表明,电器柜的温度超过正常温度范围10℃时,每一个元件的可靠性就会降低50%。综上所述,如何对船用低压弱电电器柜热环境进行控制已经成为目前我们亟待解决的问题,本文基于半导体制冷原理给出了一种低压弱电电器柜热环境控制的方法,并通过实验验证了该方法的可行性[1]。

  1半导体制冷船用电器柜热环境控制方法

  1.1制船用低压弱电电器柜热环境的原理

  半导体基于塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应对电器柜热环境进行控制。半导体制冷原理如图1所示。图1中的半导体有N型和P型2种,N型半导体为电子型,温差电势为负,蕴含的能级较高;P型半导体为空穴型,温差电势为正,蕴含的能级较低。当N型半导体与P型半导体连接到一起时,组成的电阻形式为热偶电阻,通过的电源为直流电源。当电流从P型半导体流向N型半导体时,电子从低能级流向高能级,此过程为吸热过程;当电流从N型半导体流向P型半导体时,电子从高能级流向低能级,此过程为放热过程。这是一个导热的过程,一个连续端变冷,另一个连续端变热,热量从一端转化到另外一端,完成热量转移[2]。将热交换器放入2个端口,不断散热,从而达到控制船用电器柜热环境的目的。串联的连接方式能够加强功效,既方便制冷,又能提高散热效果。以上就是半导体制冷的原理。

  1.2半导体制冷系统

  半导体在船舶低压弱电电器柜中的制冷系统结果如图2所示。半导体制冷系统分为冷凝段、绝热段和蒸发段3段。船舶低压弱电电器柜制冷系统包括直流电源、热交换器、压缩机、冷板、绝缘材料、气体冷却器、液气分离器、进气管、绝热器、出气管和散热器、P型半导体和N型半导体。系统分为压缩、冷凝、节流、蒸发4个工作过程,4次工作为1次循环,每循环1次就会进行1次压缩。

  制冷系统能够吸入外部热量,通过提高压力将热量转化成冷气散发出去。半导体在散热和制冷过程中起着关键性作用,也是本控制方法的核心部件,N型半导体主要负责连接段与段之间的关系,如:冷凝段与绝热段之间的工作交接;绝热段与蒸发段的气体排放。P型半导体主要负责将绝热段中内部各个部件连接起来[3]。半导体在吸收周围热量的同时,协助蒸发器各个设备进行热交换,并且将放热后变冷的空气送入船用低压电器柜内部,不断循环,达到控制热环境的目的。

  1.3半导体控制船用低压弱电电器柜热环境的流程

  根据上述半导体制冷原理和船用低压弱电电器柜制冷系统来进行温度的控制,工作流程如图3所示。根据图3可知,半导体制冷系统控制船用低压弱电电器柜热环境共分为6步:

  1)检测器对船用低压弱电电器柜工作环境温度进行检测,判定温度是否超过–5℃~65℃,如果温度没有超过该范围,则设备维持正常工作,如果温度超过该范围,制冷系统启动,对热环境进行及时有效的控制。

  2)测试制冷系统是否能够正常工作,合格进行下一阶段,不合格返回起始单元。

  3)制冷系统中的冷凝段对电器柜中的热源进行吸收,利用压缩机、热交换器、液气分离器和P型半导体将热量吸收到制冷机中,

  4)在绝热段中完成散热工作,N型半导体将吸收到的热量传递给散热器,压缩机反复压缩吸收的热气,直至充分冷却,通过出气管排放。

  5)吸收到的热气完全散开后,进行制冷工作。直流电流不断流入制冷系统,提供动力,辅助冷板工作,降低船用低压弱电电器内部温度,提供冷气,控制热环境。

  6)实时动态监测制冷系统的工作状态,记录工作时产生的各个数据。一旦发现系统出现故障,及时发出警报,停止工作,采用最有效的方式维护系统[4]。

  2热环境控制方法的实验验证

  实验参数如表1所示。根据设定的参数进行实验,分别选用传统方法和本文设计的方法对船用低压弱电电器柜热环境进行控制。传统方法采用强迫风冷法,即用风扇和散热器对电器柜进行散热处理,本文设计的方法采用半导体连接法,系统工作时间为18h。实验结果如图4所示。分析图4可知,在热流密度为0w/cm2时,传统方法和本文方法散发的热量都为30J/min;当热流密度为2w/cm2时,传统方法散发的热量能够达到90J/min,本文方法散发的热量只能为60J;当热流密度为4w/cm2时,传统方法散发的热量出现明显降低,数值为60J/min,本文方法散发的热量为65J/min,超过传统方法;当热流密度为6w/cm2时,传统方法散发的热量降低到40J/min,本文方法散发的热量却呈现上升趋势,为75J/min;当热流密度为8w/cm2时,传统方法散热量低至10J/min,本文方法散热量高达80J/min;当热流密度大于10w/cm2时,传统方法已经不能进行散热工作,本文方法的散热量在不断上升,散热量始终维持在60J/min~100J/min之间。

  3结语

  船用低压弱电电器柜用来安放船舶工作设备,对于确保船舶正常工作,降低安全隐患有重要意义。本文对船用低压弱电电器柜热环境控制方法进行研究,通过半导体连接降低电器柜内部环境温度,该方法适用于大多数船用电器柜,有很好的发展前景。

  参考文献:

  [1]梁宝鹏.低压开关柜触头发热原因分析及解决措施[J].能源技术与管理,2017,42(4):140–141.

  [2]郭涛,沈恒根,陈红超.某舰船封闭式桅杆舱内热环境控制的模拟研究[J].建筑热能通风空调,2017,36(9):29–32.

  [3]王福林,冯晴晴,毛焯,等.室内热环境控制中房间用户冷热抱怨行为特征的实验研究[J].暖通空调,2017,45(9):40–44.

  作者:夏伯融 单位:长江职业学院

  推荐阅读:《船舶工程》(ShipEngineering),主办:中国造船工程学会。



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