冷却方式（共8篇）
冷却方式 篇1
1 概述
随着功率器件小型化、紧凑型发展要求, 其功率密度不断增加, 散热问题已就成为影响功率器可靠运行的主要因素。在动车中, 牵引变流器是牵引系统关键部件, 主要实现电能与机械能转换。而牵引变流器主要功率元件是IGBT。IGBT是高频的开、关功率元件, 工作时要消耗电能, 把电能转化为热能的形式。通常流过IGBT的电流较大, IGBT的开、关频率也较高, 故器件的发热量较大。若产生的热量不能及时有效散掉, IGBT器件内部的结温将会超过允许值, IGBT就可能损坏。有关资料表明, 电子元器件温度每升高2℃, 可靠性下降10%, 温升50℃时的寿命只有温升为25℃时的1/6, 因此只有快速、及时的将产生的热量散走, 才能保证IGBT的正常运行。实践经验表明, 牵引变流器冷却系统散热能力的好坏, 直接影响到变流器性能和牵引系统安全稳定的工作。
由牛顿冷却公式[1]有:
其中, Q-IGBT的热量;h-表面传热系数;S-IGBT与冷却散热基板接触的表面积;与冷却散热基板接触的壁温;冷却液体的温度。
当热量Q的下降时会引起tw的下降, 但在IGBT产生的热量不会下降太多, 所以使tw下降的方法在应用上有限。
表面积S的增加可以引起tw的下降, 但是由于实际产品的重量和体积要求等限制, 以及动车牵引系统自身需求使得表面积的S增大有限, 使tw下降的空间被限制。
冷却液体的温度tf的降低可以引起tw的下降, 但是冷却液体的温度tf的降低也受外界一些因素的影响。
表面传热系数h的提高可以引起tw的下降, 一般不受其他条件的限制, 可以有效的降低tw。因此, 解决问题的关键是如何获得冷却散热基板最大的表面传热系数h, 这也是研究的目的。
2 牵引变流器冷却系统构成及原理
主要介绍牵引变流器水冷系统和相变冷却系统。动车组典型牵引变流器的水冷却系统一般由水冷基板、膨胀水箱、冷却装置、过滤器、水泵、传感器、流量计、各种控制阀门及管路等主要部件构成, 其中冷却装置由散热器、风机组、空气过滤器、安装箱体等部件组成。在动车组上, 整套冷却系统吊装在车架上。
CHR2动车组牵引变流器相变冷却系统构成如下:采用热管原理来冷却牵引系统, 热管是一个真空密封的管状体, 它的内部设置有管芯, 在外部罩一壳体, 散热片上按一定规律设置圆孔, 管芯均匀布置在散热翅片上, 所有热管的同一端穿过散热翅片, 管壁与散热翅片胀接紧密, 以减少接触热阻, 热管的管芯内部注有冷却工质, 热管按工作原理, 被划分成蒸发段、绝热段和冷凝段三个部分。在蒸发段, 变流器电气元件和管壁紧密接触, 将自身产生的热量通过管壁传递给管芯内部的冷却工质, 冷却工质吸收热量后蒸发变成蒸汽并沿管内扩散, 蒸汽经过绝热段后进入冷凝段, 冷凝段装设有大量翅片, 外界冷却空气受强迫作用吹向散热翅片, 冷凝段的热量和外界进行热交换, 冷却风带走冷凝段内部蒸汽的热量, 蒸汽会冷凝成液体, 液体在管芯的毛细力或重力的作用下, 重新流回蒸发段, 再次进行蒸发冷凝, 完成了一个传热的循环工作过程。
3 冷却方式
功率器件冷却方式主要有自然冷却、强迫风冷、液体冷却、相变冷却等[2], 前三者是传统的冷却方式。
自然冷却是在自然环境中, 利用导热、自然对流和辐射换热的一种方式或两种以上换热方式的组合来冷却功率器件。自然冷却优点是成本低, 可靠性高, 不会因为机械部件的磨损或故障影响系统的稳定。自然冷却效率低, 因此, 在冷却效率要求不高、低热流密度时可考虑自然冷却方式。
强迫风冷是一种利用风机或风扇等风源产生一定流量的风带走热量从而冷却器件的方式。强迫风冷一般应用于高热流密度和温升较大的场合, 另外与液体冷却相比, 强迫风冷具有设备简单、成本低的特点。强迫通风冷却系统的缺点是体积和重量大些, 对于动车牵引系统来说不是一种理想的冷却方式。
液体冷却, 一般包括水冷和油冷。由于水的热容量为空气的5300倍[3], 其特点在于散热器的体积较小, 易于带走热量, 可靠性高。特别是它可以采用水-风或水-水换热的方式将热量高效地与外界交换, 所以也是最节能的冷却方式应用于体积功率密度较高的元器件, 以及在高温环境下的工况中, 液体冷却方式缺点是管路结构比较复杂, 密封接头多, 容易发生泄漏, 检修不方便。
相变冷却与传统冷却方式相比, 是一种全新的冷却技术。传统冷却方式主要靠介质的比热来传递热量, 相变冷却利用介质的相变潜热来吸收和释放热量, 其机理与传统上的完全不同, 相变冷却基于热平衡原理, 是一个实现稳定工况的闭式循环系统。热源提供工质所需的热量, 冷却风提供冷却沸腾工质所需的制冷量。工质在蒸发器中吸收热源的热量达到沸点后沸腾, 产生的饱和蒸汽进入冷凝器中, 冷凝器在冷却风的作用下, 使内部饱和蒸汽凝结为液体, 凝结液再流回到蒸发器中, 完成循环过程, 期间释放出大量的潜热, 达到冷却的目的。
由表1可看出, 相变冷却方式较空气冷却方式、液体冷却方式有很多优点, 相变冷却能力大, 而且相变冷却装置结构简单、占用体积小, 虽然相变冷却装置在维护方面有些不便, 但其有较高的冷却效率, 对于大功耗、高热流密度的功率器件来说是较好的选择。
4 结束语
随着未来动车组高速化, 牵引变流器冷却系统必须向更加紧凑、高效、低噪音、安全可靠的方向发展。与传统的冷却方式相比, 采用相变冷却方式进行冷却, 冷却效率高, 发热表面温度均匀, 无局部过热点, 可靠安全, 相变方式非常适用于牵引变流器这种大功率器件的冷却, 对于动车牵引系统相变冷却是一种较好选择。
参考文献
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内装式电主轴冷却方式的探讨 篇2
关键词：内装式,电机,冷却
1 电主轴基本结构
内装式电主轴是将空心的电动机转子通过热装或者法兰装在主轴零件上,定子热装于冷却套上,冷却套通过法兰装在箱体上,形成一个主轴单元,通电后定子直接驱动主轴运转,结构紧凑,传动环节少,机械效率高,转动惯量小,快速响应特性好,能够实现高速、高加速度及定向停止(C轴控制)。如图1所示。
2 电主轴热源分析
电主轴发热主要来源由两部分组成,一是前后轴承的摩擦生热,二是内装式电机的发热。对于同步内装式电机,内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻,通电会产生损耗,损耗大小与电阻和电流的平方成正比,这就是我们常说的铜损,如果电流不是标准的直流或正弦波,还会产生谐波损耗;铁芯有磁滞涡流效应,在交变磁场中也会产生损耗,其大小与材料、电流、频率、电压有关,这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来,从而影响电机的效率。约占电主轴总发热量的2/3,如何把产生的热量及时传递出去,保证电主轴正常工作是主轴设计的重点。
3 冷却方式的选择
3.1 液体冷却
电主轴冷却主要包括液体冷却和空气强制冷却两种方式:液体冷却指的是根据电机厂家提供的电主轴在额定转速和最高转速下需要的冷却能力,合理配置水冷机(油冷机),确保冷却液进入主轴的入口温度,通过调整流量,控制主轴运转温度,使主轴在稳态下工作,实现高精度切削。这么做的优点是通过冷却机控制电主轴冷却水入口温度,能够达到良好的冷却效果,缺点是水冷机造价成本高,冷却液的泄漏会带来环境污染,额外增加了维修费用。
图1中就是采用水冷机的冷却控制冷却水入口温度、流量,从而达到冷却电主轴的目的,本案例中使用的是西门子1FE1145-8WS11,在最高转速下需要的冷却功率7.5k W,额定转速下需要的冷却功率7k W,所以选择水冷机的冷却功率必须在7.5k W以上,这样可以保证电主轴正常运转,由于国产冷却机的质量偏差,应选择冷却功率稍高的配置。图2为冷却系统原理图。
3.2 空气强制对流换热
由于空气的无污染特性和大量恒温车间的使用,空气强制冷却的应用也越来越广泛。电机线圈产生的热量首先通过圆筒壁的热传导,再经过与强制冷却气流的对流换热,排放到周围空气中,使电主轴处于稳态热平衡状态下工作。在圆筒壁上的热传导满足圆柱坐标系下的导热微分方程式:
其通解为t=c1lnr+c2
微分常数由边界条件确定,可得圆筒壁内的温度分布为:
铸铁导热系数在25℃时,λ=48W/(m2·℃)
由于定子与壳体的接触率很高,把气隙产生的热阻忽略不计,简单地把传导过程看成单壁热传导,方便计算。
强制对流换热其实是传导和对流共同作用的结果,靠近圆筒壁的底层层流的厚度越小热阻越小,实际应用中,尽量减少热阻,对流换热系数是一个很复杂的因素:如下式所示
v-流体的流动速度;ρ-流体的密度;λ-导热系数;cp-比热容;准-物体的几何形状;tw-流体的温度。
当主轴结构设计完,只有空气的流速是因变量,箱体的圆角和散热筋的布置在保证整体刚度的前提下,越多越薄为宜,保证气流流畅。我厂设计的一款小功率电主轴如图4所示,在进气口处设置进气流速调整装置,通过试验的方法最终确定进气口的大小。此电主轴电机功率2.2k W,需要冷却功率0.4k W,在传导的时候温升:
在箱体处设置温度传感器,确保温升在10℃以内,保证电机在稳态下运行,这样做降低了冷却系统的成本,在应用中经济、环保。
4 结语
(1)电主轴系统的热特性分析及冷却系统设计对机床精度的保证至关重要,是制造高速、高精度机床必须掌握的核心技术。
(2)无论是冷却水冷却还是空气强制对流冷却,都必须严格控制主轴温升。
(3)对流换热系数针对同一机型的主轴有借鉴作用,几何形状的改变,对流换热系数也随着改变,新开发的主轴必须通过试验确定对流换热系数。
参考文献
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冷却方式 篇3
冲击加多斜孔双层壁冷却方式流量系数研究
为了获得冲击加多斜孔双层壁冷却方式的流量系数,分别对两种孔排列方式的.冲击和多斜孔实验板组合成的四组双层壁模型在相似理论指导下进行实验.研究压力参数从0变化到80时,流量系数的变化情况.另外讨论并分析了主流流量、孔排列方式、双层壁缝高的变化对流量系数的影响程度.为燃烧室设计和壁温预估提供依据.
作 者：许全宏 林宇震 刘高恩 XU Quan-hong LIN Yu-zhen LIU Gao-en 作者单位：北京航空航天大学,热动力研究所,北京,100083 刊 名：推进技术 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY 年，卷(期)： 21(5) 分类号：V231.11 关键词：航空发动机 燃烧室 多斜孔壁 冷却 流量系数冷却方式 篇4
1 物料和烧成系统工艺配置
两条线都由南京水泥设计院设计，分解炉都采用了该院的喷腾型管道式分解炉。不同的是1号线采用了半离线的布置，三次风由分解炉底部单独进入，经鹅颈管道进入窑尾上升烟道，与高温烟气混合后进入C5;2号线采用了在线布置，分解炉设置在烟室缩口之上，三次风分两侧切线进入分解炉，与高温烟气混合，经鹅颈管道进入C5。
原燃材料化学成分见表1，煤的工业分析见表2，生料和熟料化学成分和率值见表3，烧成系统工艺配置见表4。
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2 烧成系统结皮
从表1可知，石灰石中碱含量较低，但Cl-含量较高达到了0.020%，超过生料中0.015%的指标，同时煤中SO3含量也很高，熟料中硫碱比达到了2.0以上。1号线系统运行6年来，窑尾系统一直结皮严重，主要部位为窑尾烟室、上升烟道、C5及下料管。经常出现大块结皮垮掉，造成烟室、上升烟道卡大块等工艺事故。每年只能利用年度检修机会，搭脚手架人工进行清理。烟室、C5旋风筒及上升烟道入C5的水平段结皮达1m厚。但彻底清理重新开车2个月后，系统压力就从-5 300Pa上升至-6 200Pa，成为一直困扰生产的难题。
在2003年检修期间对系统各部位物料和结皮进行取样，对有害成分进行了分析，结果见表5。由表5可见，窑尾系统的结皮主要是由于有害成分的循环富集所造成。但2号线投产运行2个月，窑尾系统结皮却很少，只有烟室缩口部位有少量结皮现象。两条线的主要工艺操作参数见表6中煤质变化前参数。
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分析其原因，主要是因为2号线采用了第三代充气梁式篦冷机，二次风温高达1 240℃，三次风温1 050℃，同时因为系统规格的扩大，窑热力强度提高，窑尾温度可高达1 220℃。分解炉在线布置，入炉烟气温度高，分解炉温度控制在880℃，远远高于1号线，强化了煤粉的燃烧，同时，2号线窑尾烟室、C5及下料管都采用了SiC抗结皮浇注料，有效地缓解了系统的结皮现象。由此可见，导致窑尾系统结皮的主要原因是原燃材料有害成分含量高，但系统较高的热力强度和良好的燃烧环境，强化了煤粉的燃烧，可有效地减少系统的结皮现象。
3 对煤质的适应性
2007年9月份由于原煤供应紧张，煤质降为Aad:30.00%、Vad:16.00%、Qnet, ad:21 000kJ/kg。2号线窑头/窑尾喂煤量加至7.5t/h/12.5t/h，系统仍保持了较高的温度，喂料量仅是由185t/h减至180t/h。而1号线却在8h内，窑内28～32m处明显结圈，窑筒体温度由350℃下降到200℃，窑尾40～50m处也长长厚窑皮，筒体温度仅为150℃，窑尾温度由1 080℃下降至980℃，窑尾压力由-200Pa上升至-800Pa，喂料量被迫由83t/h减至76t/h进行烧圈。
在1号线运行6年中，当煤质较差时(Vad<16%或Qnet, ad<21 000kJ/kg)，由于煤粉的不完全燃烧，窑尾温度升不起来，降至1 020℃，一天下来，严重时仅3h，窑内28～32m处就结圈严重，42～50m处也长长厚窑皮，窑尾压力由-200Pa升至-800Pa，窑尾密封处出现倒烟漏料现象。只能通过增加内风开度，抬高燃烧器位置减产提温，将尾温提到1 100℃以上，24h后即可将圈烧掉，而与来回移动燃烧器采用冷热交替烧圈关系不大。窑内后结圈及窑尾部分的长厚窑皮主要是有害成分在低温时富集凝聚而引起，在窑后26m以后窑皮内有害成分K2O、Na2O、Cl-含量明显升高，只有保持合适的产量，较高的窑尾温度，就不会出现窑后长厚窑皮。而2号线，由于尾温一直保持在1 200℃左右，50～60m处从未出现过长厚窑皮的现象。
2006年3月停窑检修时对1号线各部位窑皮化学分析见表7。
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注：因分析过程中出现问题，导致部分样品合计>100%。
4 篦冷机卡大块事故的处理
2007年9月1号线多次出现篦冷机破碎机卡大块事故，在窑内18～21m、28～32m及40m以后，只要出现轻微的结圈，当结圈部位一有少许窑皮脱落，就会出现卡大块事故，大的时候块长达2m，高达1.5m，一般需要4h才能将其砸掉。9月份因此事故引起停窑4次，也伴随2次高温段篦板烧损，被迫停窑更换，每次更换用时24h。同时，一室篦下压力较低在4 500～5 000Pa，与二室压力接近;二室篦下压力4 200～4 800Pa。随后在月底停窑检修时发现，篦冷机风室下积灰斗的气动翻板阀磨破，漏风严重。同时一室与二室之间窜风严重，一室高压风机的大量冷风由气动翻板阀短路漏入细粉拉链机内，通过篦板穿过料层的冷风大大减少，高温段熟料得不到快速冷却，高温熟料与篦板直接接触，导致篦板破裂。在设备处理之后，一室篦下压力上升至5 300Pa，二室压力上升至4 300Pa，两室压力恢复了正常时相差1 000Pa的状态。在开车以后，正赶上煤质变化，窑内28～32m结圈严重，在圈烧掉时，从篦冷机看火镜头看到大量1m左右的大块(甚至2m的大块)进入篦冷机，但在篦冷机破碎机入口处却始终没有发现。可见篦冷机高温段的冷风，可使熟料大块由于内外温差太大，应力膨胀，在向出口移动过程中自身碎裂为小块。
这一现象在2号线也曾出现，该线篦冷机受料区前5排为固定式充气梁篦板，一室固定板也是充气梁篦板，其它5个室都为低漏料普通篦板。为了防止在高温段出现“堆雪人”现象，在篦冷机高温段布置了5个高压空气炮。起初在窑内有熟料大块掉入高温端固定篦板上时，因为担心大块推不走，急忙人工从捅料孔用铁钎将大块推入活动篦床上，但这样往往会造成大块在篦冷机破碎机口处卡料，如若让其在高温端固定篦板上冷却1h左右后，大块就会自动裂成小块，再用空气炮打几下就会进入活动篦床，不会造成破碎机卡大块事故。
5 结论
1) 只要系统工艺设计合理，在煅烧过程中操作稳定，保证煤粉的充分完全燃烧，系统保持较高的温度，即使使用有害成分较高的原燃材料，也可实现窑系统的安全稳定运行。
2) 只要保证窑内较高的烧成温度，就可避免窑内结后圈及窑尾长厚窑皮的问题，而2号线与1号线相比，窑内热力强度更高以及分解炉布置方式不同，显然具有更强的适应煤质波动的能力。
3) 篦冷机设备的良好维护，尤其系统漏风、窜风的避免，可提高篦板的使用寿命，有效避免篦冷机破碎机卡大块的事故。
冷却方式 篇5
随着社会科技的进步,人们对能源的需求越来越大。这其中照明逐步成为能源消耗的一个很重要的方面。据统计:现有电能产量的15%用于照明[1]。为了减少照明用电,人类开始尝试使用大功率LED作为照明光源,其具有照度大、节能、环保和长寿命等优势,与白炽灯相比,可节省60%～90%的电能,寿命提高数倍,因此LED照明得到了世界各国的普遍认同和推广。2007年欧盟春季首脑会议已经达成协议,从2009年开始,禁止生产白炽灯泡,以减少温室气体排放。我国在2003年启动了“国家半导体照明工程”,并确定了厦门、上海、大连和南昌为首批四个国家半导体照明产业基地。
1LED散热问题
在LED照明中,输入功率中约60%～70%的能量转化为热量,如果这些热量不及时带走会导致芯片温度上升,而过高的温度会引起LED芯片效率降低,甚至烧毁。通过对现有半导体器件LED失效的原因分析发现,其中55%是由于温度过高而导致的,因此LED的散热问题,已经成为LED照明的技术瓶颈,严重阻碍了大功率LED的推广与应用。现有的LED冷却一般都是直接采用自然冷却,对于小型LED灯而言,其单位面积热流密度约为5 W/cm2～30 W/cm2。此时自然对流冷却由于其低成本、小体积和重量轻的特点成为小型LED首选的有效的散热方式。如:现在市场上家用的3 W～5 W的LED灯都是采用肋片自然对流冷却(如图1所示)。而随着LED功率的不断增加,这种冷却方式越来越不能适应LED的散热需求。因此大量新型的冷却方式被提出并应用。本文介绍几种新型的冷却方式,给LED热设计者提供一定参考。
2热管冷却技术
最早的热管是1944年美国俄亥俄州通用发动机公司的R.S.Gaugler在其专利[2]中提出的。热管散热技术是最近几年被广泛应用的一种高效传热方式,其通过重力或者毛细力的作用,可以在很小的截面上远距离传输大量的热量。和常规的传热方式相比,其最大的优点是无需外加动力。其主要工作原理如图2所示。其由工作介质,管壳等组成(毛细热管还必须有吸液芯)。热管是将管内抽成10-1 Pa～10-4 Pa的负压后充以适量的工作介质并密封。根据位置的不同,热管吸收热量的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),两段中间为绝热段。热管工作时,其蒸发段受热,热量传递到内部从而使此处液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向冷凝段;工质在冷凝段放出热量后凝结成液体,液体依靠毛细力或者重力的作用流回蒸发段。如此循环,热量就由热管的一端传至另一端。现有的热管按照其工作原理不同可以分为:重力热管、毛细热管、脉动热管和平板热管等。
从热管的原理分析可以发现:热管由于其没有运动部件,热流流动完全依靠其自身的能量,并且导热过程伴随着相变的进行,因此,其具有较好的导热能力,传热量大,传热温差小的优点。同时热管的蒸发段及凝结段可以互换,因此热传输方向可以任意改变。但由于低温蒸汽粘性力、气流速度达到音速导致的塞流现象、液滴超过液体表面张力飞散的剪断力等制约,散热能力只能在100 W/cm2～200 W/cm2之间,用于目前LED的散热,可以完全满足要求。
3 微结构冷却方式
对于传统的散热器而言,在换热系数一定的情况下,比表面积增加,换热量就会增强。而微结构冷却方式就是在一些薄片上加工出不同的微结构形状(槽道、肋片、多孔结构),并将这些薄片按照一定的方式堆叠和焊接起来形成小尺度换热器。采用大比热容的流体工质流过该散热器从而构成微结构系统。其主要由驱动泵、微结构散热器、外部散热器等组成。冷却液体被驱动泵增压后,流过微结构散热系统进行吸热,从而带走微结构内的热量,换热后高温的冷却液体进入外部散热器冷却后继续循环(见图3)。
最早的微结构冷却系统是在1981年由Tuckerman[3]提出的。其设计加工的硅基微槽道散热器在进出口温差为71 ℃时可带走790 W/cm2的热量。此后,研究者对其进行了大量的研究,Qu[4,5]等的文章对其进行了较好的阐述。微结构冷却方式的最高散热能力可达1 000 W/cm2,加之其结构紧凑、散热量大、低热阻、薄片型设计、能够成批生产等特点,如果用作LED的散热,其具有很好的发展前景。
4 微槽群复合相变集成冷却技术
微槽群复合相变集成冷却技术是在微结构冷却方式上的改进,其利用微细结构复合相变强化换热机理,利用流动工质自身的毛细现象和重力实现循环。其利用毛细微槽群复合相变取热器取出热量后,工质蒸发,蒸汽通过管道进入高效微结构凝结器中,微结构冷凝器利用微细尺度凝结槽群上的微结构换热效应将蒸汽凝结并放热,放出的热量经壁面向外传导到微结构冷凝器的外壁的肋表面上,并利用自然对流效应释放到环境中去。凝结液在压力梯度作用下通过管道流回到微槽群复合相变取热器继续取热,从而实现循环冷却的目的。冷却系统示意图[6]见图4。
微槽群复合相变集成冷却技术具有超导热能力、冷却能力超强、无功耗冷却、重量轻、体积小、可靠性高、成本低、环保、余热利用等特点,并被成功应用在LED灯上,LED芯片的热量能瞬间分布在整个散热空间中,延长了LED灯的寿命,提高了发光效率。
5 喷雾冷却
喷雾冷却是将连续的液体工质加压后通过小孔喷出,由于速度梯度和剪切力的作用,连续的液体被破碎成不同大小的微细雾状液滴,并以一定的速度冲击到被冷表面,通过单相对流和两相沸腾带走被冷表面热量的一种冷却方式(见图5)[7],近几十年来,随着电子器件散热需求的不断增加,喷雾冷却也受到了研究者的广泛关注。但是将其用于LED散热,必须要解决喷雾液滴的收集等问题。
6 射流冲击冷却
在局部需要产生强烈的换热效果时可以采用射流冲击的方法。气体或液体在一定的压差作用下通过不同形状的喷嘴成一定角度(可能垂直)的喷射到被冷却的表面上[8]。单个喷嘴射流冲击的示意图如图6所示。
影响射流冲击的设计关键是:喷嘴阵列形式(喷嘴数量、喷嘴形状、喷嘴的倾斜度等)、流体流态和换热特性、喷嘴到冷却表面的距离D。使用液体射流冲击时还需要考虑排水问题,有一种做法是出流管在板长度方向,和喷嘴平行。冲击形式如自由射流、浸没射流、圆形孔射流、平板射流、单喷嘴射流阵列。要考虑被冲击表面的边界即液膜厚度的影响。
按照射流冲击的工质可分为气体射流冲击和液体射流冲击,气体射流冲击,导热系数可以达到900 W/(m·K)。Lanchao[9]使用碳氟化合物作为冷却液,可以冷却的最大热流密度为 90 W/cm2;用甲醇作为冷却液,可以冷却的最大热流密度为490 W/cm2,用水作为冷却介质时,可以达到的最大热流密度为1 000 W/cm2。
7 结语
本文针对几种不同类型的新型LED冷却方式的原理进行了综述,并对各种冷却方式进行了对比。并且随着技术的不断发展,加工和制造技术的不断成熟,冷却技术的不断革新,这几种冷却技术在LED照明上必然会得到广泛的推广。
参考文献
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冷却方式 篇6
众所周知, 电机容量的提升主要靠增加电机的线性尺寸和电磁负荷两种途径来实现。然而增大线性尺寸的同时也会增大损耗 (因为电机的损耗与线性尺寸的三次方成正比) , 这会造成电机效率下降;而增加磁负荷, 则会受到磁路饱和的限制。所以提高电机容量的主要措施在于增加线路负荷。但是增加线路负荷的同时会增加绕组的铜损耗, 线圈的温度会升高, 加速绝缘老化, 降低电机寿命[1]。这时就需要采取有效的冷却方式带走发电机的产生的热能, 以保证发电机安全可靠的运行。综上所述, 提高发电机的容量, 主要是依靠提升发电机的冷却技术实现的。
1 大型汽轮发电机的主要冷却方式
目前汽轮发电机采用的冷却方式按冷却介质分类主要包括空冷、氢冷、水冷、油冷以及蒸发冷却 (两相流冷却) 等;按冷却位置分类包括表面冷却和内部冷却, 表面冷却就是通过冷却介质 (氢气、空气) 和发电机本体进行表面对流换热带走热量, 这种方式换热能力相对较差;内部冷却就是将冷却介质 (水、油、氢气) 通过导线内部, 带走热量再与外置的热交换器进行换热, 这种方式的换热能力更强。目前大容量发电机的冷却方式一般不只通过单一的手段, 多是内外冷却相结合, 多种介质相结合。对于不同的部位 (定子铁芯、定子绕组、发电机壳体、转子绕组等) 采用相适应的的方式, 以达到最好的冷却效果。
2 AP1000核电厂发电机冷却方式
2.1 AP1000核电厂发电机的冷却方式概述
我国首座AP1000核电站的发电机是从日本三菱电机公司引进的技术, 采用“水氢氢”的冷却方式。发电机采用整体全封闭、内部氢气循环、定子绕组水内冷、定子铁心及端部结构件氢气表面冷却、转子绕组气隙氢气内冷的冷却方式[2]。总体布置如图1。
2.2 定子线圈通过空心铜线直接水冷
定子绕组进出水汇流母管分别安装在发电机基座的励磁端和汽机端。冷却水先由外部管路进入励磁端汇流母管, 然后经绝缘引水管进入线圈内部, 再经绝缘引水管汇集到汽机端集水母管中, 并经外部管路引出。发电机的出线套管, 出线端子和中性点母线也是水内冷方式。但是通过单独的水路循环, 最后经过总的出线汇流总管流出发电机。发电机冷却水回路如图2。
AP1000发电机定子采用并联单流水路即每个线圈内流过二条水路, 每半匝线棒为一条水路, 故又称为半匝水路。由于这种水路的进水和出水母管分别布置在电机内的励磁侧和汽轮机侧, 故又称这种水路为双边进出方式。这种方案上层和下层线棒内的水流方向相同, 具有水路短、水压降小、进水压力低的优点。
绕组上层、下层线棒端部通过导电并头套把两线棒的空心与实心导线一起套住, 套内线棒间用导电的斜楔固定, 保持电的良好通路。每根线棒的端头伸出并头套外, 伸进各自的水接头盒进行封焊。两个线棒的水接头各自经绝缘引水管接至进/出水母管。这种水电连接方式的好处是:水路和电路分开, 水接头不导电, 接头部位的股线不会发生不填实问题, 运行中出线断股的可能性很低。定子绕组端部结构如下图3所示。
2.3 定子铁芯通过铁心轴向风道直接氢冷
定子铁芯的叠装结构与其通风散热方式有关。大容量电机铁芯的通风冷却一般有三种方式:铁芯轴向分段径向通风、铁芯内轴向通风、半轴向通风。AP1000发电机定子采用的是全轴向通风式铁芯, 沿轴向是不分段的, 铁芯轭部冲有几排孔径较大的通风孔, 铁芯齿部也冲有几排孔径较小的通风孔, 通风孔全轴向贯通。
2.4 转子线圈轴向-径向氢冷
转子绕组内的通风是采用的是轴向-径向结合的方式。氢气一方面会通过转子和定子间隙通过表面冷却方式带走热量。此外, 转子线圈内部也设有通风口, 氢气在风扇的驱动下会从转子两端沿轴向进入通风口内, 并在转子的中间位置沿径向排出。如图4所示。
2.5 氢气冷却器和高压风扇
发电机机座顶部布置了氢气冷却器 (背包式) , 分为4个序列, 在所有4个序列都在运行的情况下, 设计功率为100%容量。氢气冷却器的冷却水来自电厂的闭式冷却水系统。当氢气冷却器中任意一个序列退出运行, 氢冷器仍然具有90%的容量运行。
发电机仅在集电环端设置了一个由5级动风叶、6级静风叶组成的高压轴流风扇, 风扇座环分三段分别热套在转子轴上, 以驱动机内氢气的循环冷却。
整个发电机内部是充满氢气的密封环境, 包括定子铁芯、转子绕组和定子与内壳之间的空隙都有氢气循环不断带走热量。氢气由高压风扇驱动通过通风孔和通风槽打入通风道内, 再通过转子绕组内径向和轴向的通风道、定子铁芯内轴向的通风道、定子与转子之间的间隙、定子与机壳之间的间隙, 最后返回到氢气冷却器与电厂闭式冷却水进行热交换。发电机内通风流程如图5。
3 AP1000核电厂发电机氢气参数控制
虽然氢气作为冷却介质有太多的好处, 但是由于氢气本身是非常易燃易爆的气体, 有非常大爆炸极限范围 (4%~75%) , 这意味着任何一点轻微的泄漏都可能造成严重的后果。AP1000核电厂设置了专门的辅助系统用于保证氢气的纯度和干度是满足要求的[3]。
3.1 氢气供应单元
在电厂正常运行期间向发电机提供H2, 并自动维持氢气压力在规定值 (0.53~0.585MPa.g之间, 低负荷工况下允许氢压稍低) 。H2供应单元接受高达15MPa.g的高压H2, 随后将H2压力降低到0~0.7MPa.g后供应到发电机内。为避免H2和空气接触, 在对H2进行冲排操作的时候使用CO2作为中间介质。
3.2 氢气压力/纯度监测单元
发电机设有专门的H2压力/纯度测量单元, 时刻监视H2纯度和压力。气体纯度测量的原理是利用共振器周围气体密度的变化引起共振器振荡频率的变化而得到。在发电机风扇的低压区连接有压力传感器和压力表。
3.3 氢气干燥器
H2干燥器是全自动能够循环连续运行的双塔干燥器, 通过发电机的风扇驱动使H2通过一个干燥塔去除H2中的水分和湿汽, 从而保持发电机绕组的干燥。另外一个塔处于备用状态, 进行自动再生和除湿功能。干燥塔由微机控制全自动运行, 由定时器或运行的干燥塔出口露点温度>-5℃后切换到备用干燥塔。
此外, 发电机还设置了H2泄漏监测装置, 在检测到H2泄漏超过设定值时将产生报警。
3.4 发电机密封油系统
AP1000核电厂发电机内部是充满氢气的环境, 在转子穿过端盖的位置是存在H2泄漏风险的。因此, 设置密封油系统为安装于发电机两侧的轴封密封环提供压力油进行润滑和密封, 防止H2发生泄漏。
密封油系统为双流型, 分为空侧密封油回路和氢侧密封油回路。轴封密封槽有两个环形槽, 形成两个单独的油路, 空侧密封油在外侧流动, 氢侧密封油在内测流动。在密封环处维持空侧密封油压力比发电机内氢气压力高出85k Pa, 同时氢侧密封油压稍高于空侧密封油压, 保证H2不会泄露出去[3]。
4 AP1000核电厂发电机定子冷却水水质控制
发电机使用水内冷的情况下, 要特别注意水质的控制。AP1000核电厂的发电机配备有专门的定子冷却水系统, 时刻控制冷却水质。系统内设置过滤器, 以去除水中的杂质, 避免出现堵管现象;此外还设有专门的离子交换器, 保证冷却水的电导率和PH值符合要求 (电导率低于5μs/cm, PH值在6~8之间) [3]。
5 结语
AP1000的发电机是MELCO采用引进的西屋公司技术及MELCO发展的技术相结合的设计路线。通过MELCO制造的首台机组的温升指标也非常的优秀。定子绕组温升为20.4K (进水50℃) , 定子铁芯温升为28.2K (进风45℃) , 转子绕组温升45.8K (进风45℃) , 而F级绝缘的绕组温升限值为100K, 最高允许温度为155℃。但是还是存在一些问题值得我们思考:
(1) 采用单侧布置的高压风扇可能带来过大风损和轴向温度温度分布不均的问题, 风路末端的温升可能会稍高一点。有人提出过采用两端低压风扇的布置方式并配合定子铁芯的多路径向通风方案。哪个方案更优秀还是需要运行后方能检验。
(2) 密封油存在有进油风险。虽然在密封环处设置了迷宫型密封齿, 但是由于油氢压差的存在, 进油风险还是不可避免。在跟调试人员交流的过程中也得到了肯定的答案, 只能靠发电机监测装置随时监控, 这就要求运行人员要时刻关注进油的风险。
AP1000核电站目前没有商运经历, 任何的设计和创新都需要实践的检验, AP1000堆型的技术创新和优势是有目共睹的, 它的未来应该是非常有前景的。
参考文献
[1]倪天军.大型发电机主要冷却方式及特点[J].东方电气评论, 2006 (1) .
[2]刘大鹏, 彭丽媛.AP1000型汽轮发电机性能和结构特点述评及优化方向[J].大电机技术, 2013 (4) .
冷却方式 篇7
关键词：调质,变形,X射线,残余应力
引言
采用传统箱式电炉加热、淬火池淬火的方式生产调质棒材时, 会因为加热时的重力作用及淬火时冷却速度不同造成棒材弯曲, 因此在回火结束后, 棒材必须进行冷矫直或热矫直以达到所需平直度。冷矫直后会因塑性变形造成残余应力, 需进行去应力退火, 如不去应力或去应力不充分, 棒材很可能会在机加工时产生变形。
江阴兴澄特种钢铁有限公司 (以下简称“兴澄特钢”) 利用国内领先的辊底式连续调质炉, 生产供国内外油田、风电、汽车等行业使用的各类调质棒材。 该连续炉采用天然气加热, 管道式炉膛, 斜辊传动, 棒料在炉膛中逐支旋转前进, 出炉后直接进入高压水冷环进行在线喷淋淬火, 随后进入同样的辊底式炉回火。与传统箱式电炉相比, 棒材的调质过程具有加热、冷却均匀, 处理后组织、性能稳定, 综合性能优异的优点, 因此棒材在加热及冷却时不易产生变形, 平直度高, 可省去后续矫直工序, 进而避免产生矫直造成的残余应力。
但在前期市场开发过程中, 有个别客户在使用兴澄特钢的未经冷矫直的调质材进行机加工, 做成零件后, 仍然出现了弯曲变形, 导致零件报废。这些零件均是轴向不对称的复杂形状零件, 而在加工轴类、螺栓类零件时没有出现类似状况, 因此棒材中可能存在冷却速度过快导致的残余热应力。
1 X射线试验原理
X射线法检验应力利用的是X射线在晶体表面的衍射原理。由于晶体中的粒子直径与X射线的波长相当, 满足光学中衍射所需的条件 (光的波长和光栅的尺度同数量级) , 并且晶体中的原子是规则排列的, 当某一波长的X射线照射到多晶体样品上并满足布拉格方程式时便会产生衍射。如果钢材内存在宏观残余应力, 则晶粒晶面间距会发生变化, X射线衍射的位置也将发生位移, 依照此变化即可求得晶面间距的变化, 从而求得应变, 通过弹性力学理论即可求得残余应力[1]。但由于X射线仅能穿透30μm级别厚度, 因此只能测表面应力。
具体检测方法为:采用10% NaCl水溶液在棒材表面约1cm2范围内进行电解腐蚀, 将表层氧化层腐蚀掉后, 用X射线仪检测其表面应力状态, 检验数据如为正值, 则为拉应力, 如为负值, 则为压应力, 每个点取3次检验的平均值。随后再电解掉一定深度的表皮金属, 再次检测残余应力, 这样采用逐层剥离、逐层检测的方法, 得出距表面一定深度范围内的残余应力分布。
2试验过程及分析
2.1回火试验
2.1.1试验原料及方法
兴澄特钢采用连续调质炉生产调质钢时, 为了提高生产效率并避免回火脆性, 棒材回火结束出炉后一般用喷淋水冷却, 对于平直度要求较高的棒材, 回火后也会采用压力矫直机进行矫直, 随后去应力, 去应力后仍然采用喷淋水冷却。
为了验证回火及去应力后的冷却工艺对调质棒材残余应力的影响, 在回火或去应力后, 将棒材采用不同冷却方式冷却到室温进行试验。在 Φ160 mm规格的42CrMo调质棒材上取200 mm长试样五件, 分别按表1的不同冷却方式进行处理后, 采用PSP/MSF X射线应力测试仪检验每件试样的残余应力。
2.1.2实验结果
图1为回火后采用不同冷却方式的42CrMo棒材 (表1中试样1、2、3) 距表面不同深度下的残余应力分布。从曲线可以看出, 回火后空冷的棒材表面有-40~-147 MPa的残余压应力;而回火后水冷至100 ℃、300 ℃的棒材, 从表面至0.6 mm处, 残余压应力逐渐由-206 MPa增加到约-554 MPa, 随后不再明显增加, 可见回火后水冷会大大增加棒材表面残余应力。 而且水冷至300 ℃ 与水冷至100 ℃的棒材表面残余应力值区别不大, 说明大多数残余应力在300 ℃以上就已经形成, 先水冷后空冷的方式并不能有效减少棒材表面残余应力。
2.2去应力试验
对于对平直度要求较高的棒材, 回火后也需采用压力矫直机进行矫直, 随后进行去应力退火, 以消除冷矫直时塑性变形导致的残余应力。为了检验去应力退火后的冷却工艺对棒材残余应力的影响, 从以上调质后水冷的棒材上取两段棒料, 在箱式电炉中分别模拟了510℃去应力退火后空冷及水冷工艺 (表1中试样4、5) 。X射线衍射测试显示, 空冷后棒材表面下1 mm处残余压应力为-100 MPa, 而水冷后残余压应力达到-416.5 MPa, 如图2所示。 因棒材是回火后水冷的, 因此在去应力处理之前, 其表面有较大的残余压应力, 可见经过510℃下保温, 残余应力可得到有效释放, 但如采用水冷方式, 棒材表面会重新产生较大的残余压应力。
2.3破坏法试验
2.3.1应力分析
当淬火棒材加热到回火温度保温足够长的时间后, 原淬火马氏体中析出碳化物, 形成回火索氏体, 因马氏体膨胀导致的晶格畸变得以恢复;同时在高温下材料屈服强度降低, 也有利于淬火时形成的残余应力的释放。这时可以假设棒材处于没有残余应力的理想状态, 而且在随后的冷却过程中, 不会有组织转变, 因此也不会产生新的组织应力。当棒材出炉冷却时, 表面冷却速度大于心部冷却速度, 于是棒材内外温差增大, 表面层金属温度低, 收缩量大;心部金属温度高, 收缩量小, 棒材表面的冷缩受到尚处于高温的心部的抑制, 故表面层承受拉应力, 而心部则承受压应力。到了冷却后期, 表面层金属的冷却与收缩结束, 心部金属继续冷却并产生体积收缩, 但心部的收缩受到表面层的牵制作用而受拉应力, 冷硬状态的表面则由于心部收缩而受到压应力。当整支棒材冷至室温时, 内外温差消失, 冷却后期的应力状态便残余下来。因此, 棒材最终表面受压应力, 心部受拉应力。
此外, 因马氏体转变引起的残余应力正好与冷却时的应力相反, 为表面受拉, 心部受压, 如淬火时的组织应力未在回火时完全消除, 冷却应力与组织应力相叠加, 也有可能形成表面至心部先受压、再受拉、再受压的状态。但不论何种分布状态, 这些拉应力与压应力在棒材横截面上是处于平衡状态的[2]。 由于热应力是在工件快速冷却时其截面温差造成的, 因此冷却速度越大, 截面温差越大, 则热应力越大;反之, 如冷却速度越小, 截面温差越小, 则热应力越小。
2.3.2试验方法
为了进一步验证棒材的应力分布状态, 采用破坏法进行了对比试验。
取两支辊底式连续调质线生产的Φ60 mm×800mm的调质棒材, 将两支棒材一侧沿轴向铣去约15mm厚度, 1#棒材采用回火后空冷、2#棒材采用回火后水冷。
测试结果显示1#棒料基本没有变形, 而2#棒料明显向未加工一侧拱起, 采用直尺测量, 挠度达到了近3 mm。这说明棒材表面有较大的残余压应力。与X射线衍射残余应力分析仪所得出的结果一致。
2.3.3试验分析
在棒材表面进行的破坏, 使整个横截面应力平衡被破坏, 另一侧的表面应力会得到释放, 如果原来棒材表面受拉应力, 晶格处于拉长状态, 应力释放后原子间距减少, 导致棒材未加工一侧整体长度变短, 则该侧会向内弯曲。反之, 如棒材表面受压应力, 晶格处于压缩状态, 应力释放后原子间距增加, 会导致该侧整体长度变长, 从而呈拱起状态。
综上所述, 采用缓慢冷却方式 (如空冷) , 有助于减少热应力的生成。
3结论
(1) 回火出炉后采用水冷方式的棒材表面会产生较大的热应力导致的残余压应力, 而采用回火空冷方式的棒材表面残余应力相对小得多;
(2) 回火后的棒材在去应力结束后, 如采用水冷方式冷却, 仍然会在表面形成残余压应力;
(3) 因棒材表面的残余压应力与内部的残余拉应力相互抵消, 呈平衡状态, 棒材不会变形;但当一侧加工量较多而另一侧加工量较少时, 棒材会向加工量较少一侧拱起, 造成零件变形。
参考文献
[1]罗玉梅, 任凤章.X射线法测量多晶材料残余应力[J].材料导报, 2014.6, 28 (6) , 112—114.
冷却方式 篇8
近年来, 微合金化和控制轧制与控制冷却技术的有效结合成为高强高韧钢的发展方向。铌作为控制轧制过程中最常用的微量元素, 在晶粒细化、沉淀及弥散强化、抑制高温形变再结晶和扩大奥氏体未再结晶区范围的过程中起着很重要的作用。而稀土元素通过净化钢液、变质夹杂, 促进铌在奥氏体相区固溶和铁素体相区析出的作用亦可影响相变和改善组织性能。
本文以低碳高铌钢为研究对象, 进行了冷却方式与稀土元素对其组织和力学性能影响的研究。
实验材料与方法
利用真空悬浮熔炼炉进行含稀土和不含稀土实验钢的制备, 充分熔炼后制成直径约为30mm、中心厚度约为10mm的钮扣状铸样作为原料进行后续实验, 设计成分如表1所示。
将铸样放入高温箱式电阻炉内, 以1℃/s的加热速度加热到1250℃后, 然后保温1h, 再降温至950℃, 保温60s后迅速取出, 在Φ130轧机上进行3道次轧制, 压下率分别为40%、40%、22%, 之后再以缓冷、空冷和喷雾三种形式进行冷却, 最后切割试样分析。其中一部分试样镶嵌后, 在沿试样轧制方向的纵切面上进行磨样、抛光加4%硝酸酒精腐蚀, 最后在光学显微镜上进行显微组织观察;另一部分在沿轧制面上进行打硬度观察。
实验结果分析与讨论
金相组织分析
冷却速度对金属组织的影响
不同冷却方式下1#钢的显微组织图片如图1所示, 从中可以看出, 对于相同成分含量的实验钢, 随着冷却速度的提高, 其晶粒开始变得细小, 组织趋向均匀。当冷却方式为a图和b图时, 晶粒明显粗大, 由白色多边形块状铁素体和黑色片状珠光体组成。当冷却方式为c图时, 晶粒尺寸变小, 在晶界处出现细小的等轴状铁素体, 甚至在晶粒内部也有少量铁素体析出, 而且特别细小, 甚至c图中还出现了小部分针状铁素体。用Image-Pro Plus软件测出的晶粒尺寸分布见图2, 可以看出, 随着冷却速度增加, 晶粒尺寸不同的晶粒个数趋于均匀并且平均晶粒尺寸在减少, 由3.5um减小为3.0um, 同时粗大晶粒个数随着冷却速度增加也在不断减少, 5~20um的由139个减少为35个。这说明, 随过冷度的增加, 形核力增强, 增加了铁素体形核位置和形核率, 使晶粒细化。
图3为缓冷状态下不同成分的钢的金相组织, 从图a中可看到, 组织为黑色片状珠光体+白色块状铁素体, 但从图b到图c, 随稀土La含量的增加, 晶粒尺寸减小的同时, 晶粒由等轴状向针状转变, 平均晶粒尺寸由只含Nb的3.5um减少为含有0.012%La的3.0um, 图4为晶粒尺寸分布图, 可见粗大晶粒也在减少, 平均晶粒尺寸5~20um的由139个减少为70个。从图5中可以看到, 在空冷状态下不同尺寸的晶粒, 晶粒形貌也是从多边形向针状转变, 通过图3和图5对比可知, 冷却速度对铁素体组织的形成和晶粒细化有重要影响, 在冷速较低时, 碳有较多时间在铁素体和奥氏体界面再分配, 界面的奥氏体碳含量增多, 这样就会使铁素体板条的生长受到抑制。
通过综合冷却速度和稀土元素对组织的影响分析可知, 对于组织中出现的针状铁素体, 是冷却速度和稀土元素共同影响的结果。
力学性能分析
冷却方式对组织硬度的影响
图6也同样证实了上述说法, 成分一定的情况下, 随冷却速度的增加, 硬度也相应有所提高, 但是含稀土La的组织增加的幅度相对大一些。再结合图1的组织形貌, 随着冷却速度的增加, 组织中晶粒细小且出现了部分针状铁素体, 该组织有较好的强度和韧性, 故其硬度提高也理所应当。
稀土元素对组织硬度的影响
稀土元素的主要作用之一是降低硫、磷在晶界的偏析, 净化、强化晶界和微合金作用。其二是提高铌的析出量。钢中铌元素大部分会以沉淀相的形式存在, 并且着稀土元素含量的增加, 铌的析出量也有所增加。因为在铁素体相区, 铌的析出反应是形核长大控速, 加入稀土元素后速率常数增大, 说明稀土元素可以促进铌的碳氮化合物在铁素体相的形核, 因此添加稀土元素将会有较多的临界形核核心, 铌的碳氮化合物沉淀颗粒数量将增多。而Nb (C, N) 的析出可明显稳定变形奥氏体中的位错结构, 并阻止新相组织长大, 从而提高了位错密度, 使强度明显增大。图7也同样用两组实验数据证明了以上论断, 故稀土元素的加入对组织硬度的提高有显著的影响。
结语
通过低碳高铌钢在不同成分、不同冷却方式下的组织形态、力学性能的观察、测试和分析, 可得出如下结论。
(1) 通过硬度、金相组织的对比, 确认本实验较好的冷却方式为喷雾冷却:实验钢中出现了针状铁素体, 组织趋向均匀, 只含Nb的试验钢中晶粒平均直径由3.5um变为3.0um, 硬度由55.8HRC变为60.7HRC。