2025年机柜市场分析：电子机柜专用空调机组设计要点

  在2025年，随着信息技术的飞速发展，机柜市场呈现出稳步增长的态势。据相关数据统计，全球机柜市场规模已达到100亿元，年增长率保持在8%左右。其中，电子机柜作为数据中心、通信基站等关键基础设施的重要组成部分，其市场需求尤为突出。为了满足电子机柜在高温、高湿、霉菌、盐雾等恶劣环境下的散热需求，专用空调机组的设计与应用成为行业关注的焦点。本文通过对某型专用空调机组的设计分析，探讨其在电子机柜中的应用效果，为从业者提供参考。

  一、机柜专用空调机组的设计要求

  《2025-2030年中国机柜行业重点企业发展分析及投资前景可行性评估报告》电子机柜专用空调机组的设计要求严格，以确保在恶劣环境下稳定运行。该型专用空调机组的设计要求包括：供风温度(23±2)°C，相对湿度≤55%，风量1100m³/h，机外余压550Pa，电子机柜热负荷3.2kW，海水进水温度35°C。主要设备组成包括风机、压缩机、卧式壳管式水冷冷凝器、翅片式蒸发器、热力膨胀阀、电加热或翅片式冷凝回热器等部件。这些部件的协同工作，确保了空调机组能够有效控制机柜内的温度和湿度，满足电子设备的运行需求。

  二、机柜专用空调机组的风机选型

  机柜市场分析提到风机选型是机柜专用空调机组设计的关键环节之一。根据风量和压损，结合风机适装环境，如噪声指标和材质要求，可以对风机进行初步选型。若研制要求中未提供风量指标，风量可通过以下两种方法计算，并选取其中最大值：

  根据标准机房空调选型风量计算：Qf1=nV其中，Qf1为设备需要的通风量，m3/h;n为每小时循环次数，取30~40次;V为机柜容积。

  根据发热量潜在推导，密闭机柜常见通风量的近似计算式为：Qf2=3.1ΔtP其中，Qf2为设备需要的通风量，m3/h;P为机柜的总损耗功率，W;Δt为整机与分机的高温环境之差，°C，一般取Δt≤14°C(根据风机风量的冗余度和节能需求常规选择10~12°C)。

  风量确定后，风机静压取值需设置一定的冗余量，冗余量可根据专用空调机组内部压损及风系统管路压损校核的结果确定。例如，本文中静压要求550Pa以上：专用空调机组内部压损合计约为150Pa，密闭电子机柜的压损合计约150Pa，风系统管路压损约250Pa。通过计算校核，实际因风管管路的加长造成风管压损超过550Pa，风机静压(机外余压)值需大于850Pa方能满足要求。最终选用GXL-200G型船用离心通风机(功率1.5kW，风量1800m³/h，静压1180Pa)。

  三、机柜专用空调机组的蒸发器与冷凝回热器设计

  当大气的相对湿度大于65%时，将引起金属腐蚀。实验表明，铁的腐蚀临界相对湿度为65%，锌的腐蚀临界相对湿度为70%。本文中密闭式电子机柜环境控制要求供风温度为(23±2)°C，相对湿度≤55%。回风通过蒸发器温度下降至露点以下，空气中的水蒸气凝结析出，绝对含湿量降低，相对湿度在90%以上，再通过冷凝回热器和风机工作的热负荷叠加作用进行升温，相对湿度得以下降，直至满足23°C/≤55%的要求。

  根据电子机柜热负荷、风量、漏风率(GJB9289—2017《舰载雷达密闭机柜专用空调机组规范》规定允许的漏风率3%，漏风率取值与制冷量计算结果相关，考虑到现场安装的一般特点，可适当取5%)、供风温度、湿度、环境最恶劣状态的各项参数，由专用空调机组计算流程图(见图2)最终计算出蒸发器制冷量为7.7kW，总回热量为3.3kW，冷凝回热器的换热量为1.8kW。特别注意的是，设备在空载情况下，除湿后回热需求最大，总回热量为4.9kW，此时冷凝回热器的换热量为3.4kW，故冷凝回热器的换热量设计取最大值3.4kW。

  四、机柜专用空调机组的压缩机选型

  压缩机选型是根据蒸发器的制冷量、蒸发温度(蒸发器末端出风温度根据热力学计算为14°C，其蒸发温度取值为蒸发器末端出风温度减10°C，取4°C)、冷凝器的冷凝温度(壳管式冷凝器取值为冷水出水温度加5°C，而冷凝器的进出水温差预设为4°C，故取44°C)进行的。一般情况下，制冷量约5kW时采用转子压缩机;制冷量为5~70kW时采用涡旋压缩机;制冷量约200kW时采用活塞压缩机;制冷量为150~1400kW时可以考虑采用螺杆式或者离心式压缩机。本机选用ZR34K3-TFD型涡旋制冷压缩机，功率2kW。

  五、机柜专用空调机组的冷凝器设计

  专用空调机组采用海水冷却的形式，多采用壳管式冷凝器。与海水直接接触的部件如冷凝器换热管、外围海水管路采用耐海水腐蚀的BFe30-1-1材料;管板由于一面与制冷剂接触、另一面与海水接触，其材料可采用不锈钢和BFe30-1-1的爆炸复合板，端盖可使用铸铝青铜铸件。根据蒸发器的制冷量、压缩机的功率及满负荷工作状态下冷凝回热器带走的热负荷(系数取0.8)，可知水冷冷凝器的换热量为8.3kW。

  六、机柜专用空调机组的电加热选型

  电子机柜的工作温度是影响设备正常运行的重要因素之一，过高或过低的温度都会对设备带来影响。电加热不参与制冷循环的回热过程，只作为低温环境中提高系统环境温度的手段。根据低温环境、漏风率、温升速度和目标温度，计算出电加热的功率。

  七、机柜专用空调机组的膨胀阀选型

  膨胀阀选型是根据蒸发器制冷量、蒸发温度、冷凝温度、制冷剂类别确定的。本机选用TDEX-3型热力膨胀阀。

  八、机柜专用空调机组的管径设计

  根据设备制冷量及流程图各个状态点的参数特征：过冷度、温度、压力、比焓和比体积，以及管路中的制冷剂流速要求，利用Excel计算出制冷系统的管径。结合压缩机的进出口接管规格、膨胀阀的接管规格，对制冷系统管路管径作初步设计。管路安装时应注意，吸气水平管应顺着制冷剂流向设置3‰的斜率倾向压缩机，排气水平管应设置1‰的斜率倾向冷凝器，竖直管路较长时应设置U形回油弯。同时制冷系统管路最低处需高于潜在积液面，以防止液体浸泡管路，造成管路的腐蚀。且安装时需尽可能绕开上部水管路潜在漏液处，无法避开时宜可采用耐高温塑料保护套管防护。

  九、机柜专用空调机组的换热器设计

  翅片式蒸发器、翅片式冷凝回热器、壳管式水冷冷凝器各部件的换热量、结构形式、换热铜管管径、合适的风速/水流速度等确定后，可按照《小型制冷装置设计指导》进行结构设计并校核计算。

  十、机柜专用空调机组的制冷剂充注量计算

  设备制造完成后，制冷剂充注量会直接影响制冷量。充注量不足时，制冷量不足;充注量过量，压缩机功耗增加，制冷量先增大后减小。充注量可根据理论计算进行初步估算，通常首先计算出蒸发器、冷凝器、冷凝回热器、液体管路的有效容积，然后根据制冷剂的容量系数经验值0.25、0.3、0.3、1算出总容积，再考虑20%的余量，估算出制冷剂的充注量。估算的充注量可以指导生产装配，但最终合理的充注量还需在试验过程中进行测试确认，比如模拟工况试验状态下检测冷凝器出口液体过冷度或压缩机进口吸气过热度是否满足要求。

  十一、机柜专用空调机组的校核计算与设计分析

  计算校核是对设计的理论考核，其理论验证结果应满足设计要求，同时结构型式的选择也尤为重要。根据研究，管排数的增加使得总换热量有所增加，但是平均到每排管时，平均换热量将会减少18%。因此，增加管排数尽管增大了传热面积，但不能使总换热量显著增加，并不是一种经济的强化换热方式。例如本案中铜管铜翅片蒸发器，因结构尺寸的变化要求分别制造了两种结构型式：a类迎风面规格尺寸为495mm×450mm，铜管规格Ø9.52mm×0.53mm，6排管;b类迎风面规格尺寸为445mm×550mm，铜管规格Ø9.52mm×0.53mm，5排管。实际的制冷量检测结果与理论计算值并不相符：a类6.686kW，b类6.812kW。显然管排数的增多达不到理论计算中对制冷量的增益程度，5排管比6排管从实际效果、节材、制冷剂压降、风阻方面更具备优势。

  十二、机柜专用空调机组的设计原则

  在空调机组设计中，以下重要设计原则需要遵循：

  可靠性原则：选用高质量的零部件和成熟的技术，以保障空调机组在长期运行中的稳定性和可靠性，减少故障发生的概率。

  维护便利性原则：设计应便于日常的维护和保养，方便零部件的更换和维修操作。

  安全性原则：在满足安全性要求的同时，协调好人机工程和保障性设计，做到装备“安全、好用、耐用”。

  成本控制原则：在满足性能和质量要求的前提下，合理控制设计成本，提高产品的市场竞争力。

  总结

  随着空调机组设计和制造经验的日益成熟，各种制冷选型软件的广泛应用，极大地减轻了从业者的工作强度。本文通过对某型电子机柜专用空调机组的设计分析，详细阐述了各部件的设计流程和思路，以及设计过程中的考量。该设计方法已在某型装备上采用，极大地克服了装备高温、高湿、霉菌、盐雾的恶劣工作环境，提高了装备的可靠性。各项指标均满足设计要求，使用良好。希望本文的分析能够为从业者提供有益的参考，推动机柜专用空调机组的设计与应用不断发展。

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