蒸发冷却技术（通用7篇）
蒸发冷却技术 篇1
蒸发冷却空调在美国西南部、澳大利亚、西亚等干燥和中等干燥地区都得到了广泛的应用。该技术在上世纪八十年由同济大学陈沛霖教授代引入我国。此后的1999年西安工程大学黄翔教授的科研团队与新疆某公司签定长期的合作协议, 开展了蒸发冷却空调系列产品的开发和工程应用研究。经过十多年的产学研相结合, 蒸发冷却空调已经遍布新疆地区, 并辐射到西部其它地区。同时在我国的沿海地区, 直接蒸发冷却的应用也越来越广泛。
1 直接蒸发空气冷却器
利用循环水直接冷却送风的过程叫直接蒸发冷却 (Direct Evaporative Cooling, 简称DEC) 。
直接蒸发冷却的饱和效率ηDEC为:
式中:tgw——入口空气干球温度, ℃;
tgo——出口空气干球温度, ℃;
tsw——入口空气湿球温度, ℃。
饱和效率与入口空气迎面风速、填料种类、填料厚度有关, 通常能达到70%~95%。
由于单元式直接蒸发空气冷却器实质上也是一种直流式 (全新风) 空调系统。所以在干燥炎热地区可以用作舒适性空调。但由于直接蒸发冷却在降温的同时, 还对送风进行了加湿, 所以单元式直接蒸发冷却空调器很难在中湿度以上地区单独用于舒适性空调。但目前在我国的一些沿海地区的一些工业厂房、或一些大发热量机房, 在对湿度控制不严格的地区, 越来越多地使用这种外接风道的单元式直接蒸发冷却器。另外单元式直接蒸发空气冷却器也常用于动物圈舍的通风冷却以及农作物、花卉大棚的加湿降温。
2 间接蒸发空气冷却器
间接蒸发冷却器通过间壁将被冷却空气 (一次空气) 与淋水侧的空气 (二次空气) 隔开, 在湿通道中喷淋循环水, 水与二次空气相接触, 蒸发产生冷却效果, 干通道中的一次空气只被冷却而不被加湿, 使蒸发冷却空调技术的应用范围扩展到中湿度以上地区。
目前, 间接蒸发冷却器的形式主要有板翅式、管式和热管式三种。
板式间接蒸发空气冷却器与一般的板式换热器结构相同, 一次空气与二次空气交叉流过相间的换热通道。板式间接蒸发冷却器具有换热效率高, 体积小等优点。在新疆地区的蒸发冷却空调过程中, 以前多采用板式间接蒸发冷却, 通过对项目的跟踪调查, 发现板式间接蒸发冷却存在有很大的不足:1) 由于流道窄小, 因而流道容易堵塞, 尤其在空气含尘量大的场合, 随着运行时间的增加, 换热效率急剧降低, 流动阻力增大;2) 另外由于流到狭窄, 很难做到布水不均匀、传热面浸润能力差;3) 金属表面结垢, 不易清洗;4) 一次空气和二次空气容易出现漏风, 伴随有漏水现象;5) 成本高。
管式间接蒸发空气冷却器一次空气在管内流过, 在管组上方由布水装置淋水, 在管外壁形成水膜, 二次空气自下而上横掠管束, 与管外水膜发生热、湿交换, 冷却管内一次空气。尽管管式间接蒸发空气冷却器的紧凑性不及板式, 但它刚好能弥补板式的不足, 即:1) 管式间接蒸发冷却器通过合理设计布水装置, 做到布水均匀, 形成稳定水膜, 有利于蒸发冷却的进行;2) 流道较宽, 不会产生堵塞, 因而流动阻力小;3) 容易清洗;4) 成本低。目前蒸发冷却空调工程中越来越多地使用管式间接蒸发空气冷却器。
因热管式间接蒸发冷却器具有无需外部动力来促使流体循环, 较常规换热器更安全、可靠, 可长期连续运行, 且冷热段结构位置布置灵活, 结构紧凑, 流动阻力小。目前对热管换热器用于蒸发冷却还处于研究阶段, 同时因其制作成本高, 还没有工程应用实例。
由于空气的密度小、导热系数小, 所以间接蒸发空气冷却器一次侧的换热热阻很大, 导致单一的间接蒸发空气冷却器的降温能力是非常有限的。
3 复合式蒸发冷却空调系统
直接蒸发冷却器和间接蒸发冷却器各有利弊, 若两者单独使用, 空气的温降是很有限的。对于湿球温度较高的高湿度地区, 使用相对简单的直接蒸发冷却器不能获得足够低的室内温度, 而且相对湿度高。因而需将直接蒸发冷却器与间接蒸发冷却器加以结合, 构成复合式蒸发冷却器。
复合式蒸发冷却器常见的复合形式有以下三种:1) 间接蒸发冷却器+直接蒸发冷却器;2) 冷却塔供冷型间接蒸发冷却器+其他形式间接蒸发冷却器+直接蒸发冷却器;3) 间接蒸发冷却器+机械制冷空气冷却器+直接蒸发冷却器。
就目前的工程应用来看, 大型工程中三种复合式蒸发冷却空调系统都有应用。应用实践表明, 复合式蒸发冷却空调系统的节能性归根到底还是取决于基本的直接蒸发冷却和间接蒸发冷却单元的性能, 在彻底掌握直接蒸发冷却和间接蒸发冷却单元的性能的基础上, 根据工程具体情况进行优化组合, 并配置相应的控制系统, 才能充分体现出蒸发冷却空调超过机械制冷空调的有势。
摘要：蒸发冷却空调在我国应用越来越广泛。蒸发冷却空调包括直接蒸发空气冷却器、间接蒸发空气冷却器和复合式蒸发冷却空调系统。单元式直接蒸发空气冷却器实质上是一种直流式 (全新风) 空调系统, 所以在干燥炎热地区可以用作舒适性空调。间接蒸发空气冷却器使蒸发冷却空调技术的应用范围扩展到中湿度以上地区。复合式蒸发冷却空调系统根据工程具体情况进行优化组合, 并配置相应的控制系统, 才能充分体现出蒸发冷却空调超过机械制冷空调的有势。
关键词：蒸发冷却空调,复合式蒸发冷却空调
参考文献
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蒸发冷却技术 篇2
常规使用滑动轴承的箱式电机, 滑动轴承的冷却一般采用轴承自身散热冷却 (简称自润滑) 、外部润滑油循环冷却 (简称强制润滑) 、轴承强迫空空冷却、轴承空水冷却等。自润滑是在滑动轴承内安装甩油环, 靠油环带油润滑及轴承本体散热;强制润滑需配备外部润滑油站, 会占用场地、增加成本、使用不当易造成轴承漏油、烧瓦等事故;轴承强迫空空冷却需增加外部风扇或根据电机结构设计导引风装置, 结构复杂散热效果有限;空水冷却需在轴承室内增加进出水密封回路通入循环冷却水, 若冷却水泄露到轴承室内会造成润滑不良损坏轴瓦。所以自润滑相较其它轴承冷却方式而言可节省成本、操作便利、降低风险。
但是在大功率高速的箱式电机上由于轴承安装方式、载荷及散热等原因, 很难实现电机滑动轴承的自润滑。因此结合滑动轴承箱式电机的结构, 重力型分离式热管蒸发冷却技术的特点, 对箱式电机及其使用的滑动轴承采取适当且经济的改进措施, 以保证滑动轴承的冷却效果, 实现箱式电机滑动轴承的自润滑具有重要的市场和应用价值。
1 新型箱式滑动轴承电机结构
该新型箱式滑动轴承自润滑电机 (见图1和图2) 包括:电机冷却器1、泄压阀2、压力表3、蒸汽管4、滑动轴承5、蒸发器6、排气阀7和8、回液管9、积液阀10、冷凝器11、温度计12、电机机座13。
1、电机冷却器2、泄压阀3、压力表4、蒸汽管5、滑动轴承6、蒸发器7、排气阀8、排气阀9、回液管10、积液阀11、冷凝器12、温度计13、电机机座
蒸发器6 (见图3) 的吸热管61浸泡在滑动轴承5的油室内, 蒸发器6的安装板62固定在滑动轴承5的接口处。蒸发器6的2个出气口63、64分别安装排气阀7和8后再并联为1个出气口, 并联后的出气口通过蒸汽管4与冷凝器11顶部的接口连接, 并在此接口处设置压力表3。蒸发器6的回液口65通过回液管9与冷凝器11底部的接口连接, 并在此接口处设置积液阀10。冷凝器11固定在电机机座的两侧壁处, 顶端设置泄压阀, 顶部安装压力表, 底部安装温度计。
61、吸热管62、安装板63、出气口64、出气口65、回液口
电机前后端滑动轴承的油室内分别安装2个充注冷却介质的蒸发器6, 共计4个蒸发器分别与安装在电机机座13两侧壁的4个冷凝器11连接。电机运行时轴承内部产生的热量使蒸发器6内的冷却介质受热气化吸收热量, 通过阀门7和8切换或同时调节蒸发器的出气口, 蒸汽沿蒸汽管4上升到冷凝器11中冷却为液态, 在重力的作用下冷却的液体通过积液阀10调节流量, 沿回液管9流入蒸发器6内。在冷却介质循环气化液化的过程中, 达到滑动轴承5的强化散热, 从而实现箱式电机滑动轴承自润滑的功能。
2 重力型分离式热管蒸发冷却技术
重力型分离式热管冷却技术, 利用特定介质在蒸发器内吸热蒸发, 蒸汽由管路进入冷凝器由气态凝为液态, 在重力的作用下冷凝的液态介质由管路再流回蒸发器, 实现热量的循环传递。
重力型分离式热管蒸发冷却装置一般由蒸发器、冷凝器、管路结构、特定介质、温度计、压力表、阀门等组成。蒸发器和冷凝器通过管路连接, 管路上设置阀门便于流量调节。通过监控温度、压力数值判断重力型分离式热管冷却装置的运行状态。当蒸发器受热异常、冷凝器冷凝不畅或管路堵塞等异常情况发生时, 通过安装在冷凝器上的泄压阀排气泄压, 保证装置内部的安全压力, 避免因压力过大装置爆裂。
3 试验内容及结果
为验证基于重力型分离式热管蒸发冷却技术的新型箱式滑动轴承自润滑电机的性能, 研制出了采用A型11-90端盖式滑动轴承的YWKK560-2 2500k W 6k V新型箱式电机, 并进行了如下对比试验:
对研制出的新型箱式电机, 不采用重力型分离式热管蒸发冷却技术进行出厂试验, 记录新型箱式电机轴伸端和非轴伸端滑动轴承自润滑的温升数据。
对研制出的新型箱式电机, 轴伸端滑动轴承采用重力型分离式热管蒸发冷却技术, 对重力型分离式热管蒸发冷却系统内部充气加压, 压力表刻度5h内保持不变, 气密性验证完毕后加注蒸发冷却介质进行电机的出厂试验, 记录新型箱式电机轴伸端滑动轴承蒸发冷却自润滑和非轴伸端滑动轴承自润滑的温升数据, 试验结果见表1。
注:a:标准限值参考《JB/T 10315.1-2013高压三相异步电动机技术条件第一部分:YKS、YKS-W、YQF系列 (机座号355~630) 》.
4 结论
根据箱式电机及A型端盖式滑动轴承结构、结合重力型分离式蒸发冷却技术设计了新型箱式滑动轴承自润滑电机。
试验结果表明采用重力型分离式蒸发冷却技术的箱式电机轴伸端轴承温度降低6℃, 重力型分离式蒸发冷却技术对轴承的冷却能起到一定的效果。
通过试验分析可从降低蒸发冷却介质沸点、增强轴承室内部润滑油流动、提高冷凝器换热效率等方面对冷却效果进一步提升。
基于重力型分离式热管蒸发冷却技术的新型箱式滑动轴承自润滑电机, 还需加强对非轴伸端滑动轴承的试验。采取降低蒸发冷却介质沸点、增强轴承室内部润滑油流动、提高冷凝器换热效率等方面并进一步提升冷却效果。
摘要：本文以采用重力型分离式热管蒸发冷却技术的新型箱式滑动轴承自润滑电机为研究对象, 通过试验验证, 结果表明, 重力型分离式热管蒸发冷却技术在新型箱式滑动轴承自润滑电机应用方面有实用价值。
关键词：新型箱式电机,滑动轴承,自润滑,重力型分离式热管
参考文献
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[2]徐春林, 陈立军.热管换热器在电机冷却中的应用[J].传动与控制, 1999, 4 (6) :46-48.
[3]余海, 范砧等.热管换热器换热量设计误差与估算[J].低温工程, 2000, 6 (1) :47-49.
[4]胡亚范.热管技术及其在工程中的应用[J].物理工程, 2002, 12 (3) :42-49.
蒸发冷却技术 篇3
1 蒸发冷却技术概念与特征
从概念层面看, 蒸发冷却技术利用水蒸发吸热制冷的原理展开工作, 在不需要提供其他热源的环境之下, 推动水与空气间的热能交换, 将空气中的显热传递给水, 从而实现空气温度的下降。对应的, 由于存在水的蒸发, 因此会随之带来空气本身湿度的增加, 以及水蒸气会带回一些汽化潜热。当这两种热平衡的时候, 水温达到空气的湿球温度, 而只要空气尚未饱和, 就可以进一步利用循环水喷淋空气实现进一步的降温。
在蒸发冷却技术的理论支持之下, 干燥的气候环境无益存在着巨大的湿度势差。而我国西北地区位处内陆, 气候干热, 对于蒸发冷却技术而言, 是十分适宜的应用环境。在这些地区, 夏季室外空调计算湿球温度通常不会高于22℃, 并且昼夜温差较大, 冬季干冷, 在室内具备采暖条件的环境下, 空气相对湿度保持地域20%的水平。这样的气候条件对于蒸发冷却技术的应用而言可谓得天独厚, 并且进一步考虑到蒸发冷却技术在能源的优化利用, 以及新风净化处理功能的实现方面优势, 必然会在我国有着良好的应用前景。对应的研究也早在20世纪80年代中期就已经开始, 当时同济大学陈沛霖教授同美国加州劳伦斯克利研究所就已经展开国际合作研究, 并且自此, 该项技术正式进入我国, 随后的北京工业大学、哈尔滨建筑大学等诸多院校单位都纷纷展开研究, 目前均已经取得一定的应用成果。
从蒸发冷却技术的实现特征角度看, 相对于比较传统的机械制冷工作方式, 其在节能、环保以及投资优化等方面都表现良好。从节能角度看, 随着我国西部发展的步伐逐步加快, 用电量变得越来越紧张, 机械制冷的高电力消耗状况开始受到质疑。而在蒸发冷却空调设备中, 除了必需的风机和水泵动力以外, 不再需要更多能量, 因此性能系数值约保持在机械制冷的2.5-5倍范围之内, 对于电能的节约可以达到约80%。而对于环保而言, 蒸发冷却空调本身采用水作为唯一制冷剂, 对于大气的污染降至最低, 并且对于室内空气而言, 考虑到西部环境的干热特征, 蒸汽冷却空调可以实现空气过滤以及驾驶, 对于室内空气品质完全能够保证。最后, 对于经济层面的特征, 蒸发冷却空调的初期投资仅保持在传统机械空调的一半左右, 运行能耗保持在20%, 并且维护成本也相对偏低, 虽然当前环境之下, 某些应用环境可能会让蒸发冷却空调出现不适用难以布局的问题, 但是综合来看, 其仍然有良好的应用环境和潜力。
2 蒸发冷却空调的应用
当前在我国西北地区环境下, 蒸发冷却空调存在三种主要的工作方式, 即单元式直接蒸发冷却空调机、湿膜蒸发式加湿降温器及间接蒸发冷却和直接蒸发冷却相结合的复合式蒸发冷却空调机。而在影响蒸发冷却空调工作状态的诸多因素中, 填料的传热传质性能以及净化性能等方面, 直接关系到蒸发冷却空调的工作效率和效果, 因此必须引起足够的重视。
单元式直接蒸发冷却空调从结构上看由风机、水泵、集水箱以及供水体系构成, 该种工作方式集成状态良好, 表现为一个完整单元。此类空调多安装在室外或者屋顶, 室外风经过空调冷却之后送入室内, 出风口通常设置在空调侧面, 进风面上则装有填料。在这一类的空调体系中, 常见的填料主要有玻璃纤维、植物纤维、金属以及白杨树纤维, 除此以外, 非织造布同样也能够充当填料参与工作。不同的填料在工作过程中会呈现出不同的特征, 调料的表面积会影响到整个空调的工作效果, 以白杨树纤维和非织造布的表面积相对突出, 但是这两类的填料通常不够规则, 在填充的过程中会造成本身的不均匀分布, 因此可能会存在影响空调效果的问题。进一步分析吸湿性能, 玻璃纤维和植物纤维均具有良好的吸湿性能, 其次是白杨树纤维以及非织造布, 金属在这一方面表现极差, 同样金属在热工性能方面也表现较差。此类空调多用于规模较大的生产环境, 并且在展开对于填料的选择的时候, 防腐以及防火性能、除尘性能等方面也应当加以考虑。
湿膜蒸发式加湿降温器的工作特征在于实现等焓加湿冷却, 其核心部分是具有蒸发冷却的湿膜填料, 用于该种空调的填料主要有无极、有机以及金属三类, 同样在工作过程中会呈现出不同的特征。在冷却效果和加湿两两个方面, 以无机效果表现最为良好, 并且无机填料的风侧阻力也相对较小。此种空调的体积比较小, 与普通的机械制冷空调相当, 因此多在民用环境中出现, 在某些保鲜冷库以及温室等环境中也有应用。
最后对于复合式蒸发冷却空调机而言, 本质上由直接与间接蒸发冷却系统结合而成加以工作, 本质上相当于湿膜蒸发式加湿降温器与间接蒸发冷却空调相互结合展开工作, 并且间接式空调具有管式换热器、板翅式换热器及冷却塔与表冷器等几个主要组成部分。此种空调在实际应用中会表现出良好的弹性特征, 如果实际环境存在比较大的室内冷负荷, 还可以加装由冷却塔和表冷器组合而成的间接蒸发冷却段提升整体工作效果。
3 结论
蒸发冷却技术在我国西北地区空调领域中有着广泛的应用, 并且总体而言前景看好。但是在设备的工作方面, 仍然存在一些瓶颈问题。重点考虑到直接蒸发冷却设备填料成为该种空调工作效率的重要体现, 对其新材料的研发和试用就成为了此类技术发展的瓶颈。西北地区风沙大, 采用金属填料能够实现对于灰尘的良好抵御, 但是在其他方面表现欠佳, 同时也会造成体积偏大的问题。对于填料而言, 其内部水分分布不均以及水垢等都是造成其工作状态欠佳的原因, 必须综合因素进行考量。而对于间接蒸发冷却空调而言, 换热器是整个机构的核心, 板翅式换热器应用较为广泛, 但是水垢成为其所需要面对的重要问题。因此在选型过程中同样需要慎重, 综合具体工作环境, 才能做出合理决策。
参考文献
[1]武俊梅, 黄翔, 殷清海等·直接蒸发冷却空调机性能研究[J]·西安制冷, 2000 (1) .
蒸发冷却技术 篇4
1 水蒸发冷却的原理
空气中含有水份,水由液态变为气态时需吸收热量。当空气温度高于水表面温度时,水在空气中就具有蒸发能力,不需外界热源,利用循环水直接(或通过填料层)喷淋空气就可以使空气温度降低,当空气湿度越低时,这种传热过程就越显著。所以,蒸发冷却是以干空气能为驱动势,以空气的干、湿球温度差为动力,以水做制冷剂对空气进行冷却处理的技术。
2 水蒸发冷却的种类及适用范围
按照被处理空气是否与水直接接触,水蒸发冷却分直接蒸发冷却和间接蒸发冷却。
利用循环水直接冷却被处理空气的叫直接蒸发冷却(Direct Evaporative Cooling,DEC)。对于DEC,空气温度下降,但其焓值不变,而湿度增加。所以适用于低湿地区,如海拉尔-锡林浩特-呼和浩特-西宁-兰州-甘孜一线以西的地区。
由于DEC使空气湿度增加,限制了它在中湿地区的使用,为此开发出间接蒸发冷却技术(Indirect Evaporative Cooling,IEC)。利用经直接蒸发冷却后的空气(二次空气)或水,通过换热器来冷却被处理空气(一次空气),由于一次空气不与水接触,其含湿量不变。因此IEC可适用于中等湿度地区,如哈尔滨-太原-宝鸡-西昌-昆明一线以西的地区。
衡量蒸发冷却的性能用热交换效率(冷却效率),DEC和IEC的效率分别用E和ε表示,如下式:
式中:t1和t2为处理前、后的空气干球温度;
tw为处理前的空气湿球温度;
tw2为二次空气进口处的湿球温度。
3 水蒸发冷却空调机组
应用上述蒸发冷却原理设计开发的直接蒸发冷却器段(直冷器段)和间接蒸发冷却器段(间冷器段),与空气处理设备的混合、过滤、加热、送风机等功能段组合起来,就构成水蒸发冷却机组,可实现空气的混合、过滤、制冷、加热、加湿、空气输送等处理过程。
3.1 直冷器段
直冷段由直冷器、水泵及布水系统、循环水箱组成。直冷器有金属型直冷器、喷雾冷却器、高压微雾冷却器、喷淋室等,常用的是金属型直冷器。
金属型直冷器采用经钝化及亲水处理的高耐腐蚀铝箔为原料。铝箔表面先经冲孔、刺孔、轧制存水波纹和导流大波纹,再按斜交叉叠压装配成型,组件比表面积大,并能实现三维布水功能。直冷器通过水泵及循环水系统将水送到顶部布水器,从上面将直冷器均匀湿润,与空气进行热湿交换,实现对空气的等焓降温,其冷却效率E可高达90%以上。直冷器具有阻燃、耐腐、高效、低噪、节能、绿色、环保、寿命长等优点,并对空气有清洁作用。直冷器段的结构及处理过程如图1。
3.2 间冷器段
间冷器段由板式(或管式)间冷器、挡水板、水泵及布水系统、循环水箱以及二次风机组成。间冷器上部为布水系统、挡水板和二次风机;下部为水箱、水泵及管路配件。
板式间冷器由许多很薄的平板组成,这些平板交叉分一次风通道和二次风通道,风通道均以防锈铝箔为材料,通过轧型、翻边、辊压等工艺加工成型,一次风通道和二次风通道垂直交叉叠压,两个通道中均夹放着铝箔波纹片,一次空气和二次空气其中交错流动。二次空气先与水直接进行等焓热湿交换,再与平板一面的淋水膜发生热湿交换,吸收了二次空气和薄板另一侧的一次空气的热量后,水份从膜表面再次蒸发;薄板另一面的一次空气隔着板向水膜传热,属显热交换,送入室内的一次空气呈等湿变化;排出室外的二次空气呈增焓变化。
间冷器的冷却效率ε为60～80%,当二次风量设计为一次风量的50%时,效率可达60%。如需更高的间冷效率,可在一次风不变的情况下加大二次风量即可。间冷器段的结构及处理过程如图2。
3.3 多级蒸发冷却
在一些湿球温度较高的地区或室内舒适标准要求较高的场合,为扩大机组的使用范围,将间冷器段和直冷器段串联使用。先让被处理空气经过间冷器进行等湿冷却,再经直冷器等焓冷却,可获得比单级更低的送风温度,这一方式称为双级式蒸发冷却。为使送风温度再进一步降低,在双级蒸发冷却之前再加一级表冷器进行冷却,表冷器本身虽然不是蒸发冷却过程,但其供冷源采用冷却塔的冷却水,实际上也是间接蒸发冷却技术,故称为三级蒸发冷却技术。多级蒸发冷却处理过程如图3。
4 间冷器段二次空气的回收利用
在间冷器段中,二次空气主要用于冷却一次空气,最后全部排出室外。由于二次空气约占一次空气的50%,这意味着空调机组的截面也要增加50%,空调箱体的占地面积较大,限制它的推广应用。二次空气与一次空气热湿交换后,虽然温度比一次空气高,但仍低于室外温度,特别在高温低湿地区可以低10℃左右,如能利用这部分能源,将可缩小机组体积、减少占地面积,并可降低机组造价。笔者以一台8千风量机组,按乌鲁木齐工况做了对比试验,发现回收能量效果非常明显。
方法是将原来排出室外的二次空气重新引进空调箱,与经过间冷器处理后的一次空气混合,再经过直冷器等焓降温。试验结果表明:虽送风温度比二次风直排室外的方式提高了1.5℃,但仍低至18℃,完全满足舒适性空调的送风要求。由于回收利用了50%的二次空气,其显冷量大幅提高了37.5%。即在相同冷量下,机组的风量和截面均可减少37.5%,相应造价约可降低20%。在高温低湿地区,应尽量采用此方式,甚至一些工业厂房也可使用。详细的空气处理过程和试验结果见下面的焓湿图及试验数据表(如图4、表1)。
注:1)过程①的温差Δt=A1-A3,显冷量Q=G1×1.2×1.01×Δt
2)过程②的温差Δt=A1-A7,显冷量Q=(G1+G2)×1.2×1.01×Δt
5 结论
(1)蒸发冷却空调较常规空调有明显的节能效果,并具有绿色环保,空气品质高等优点。(2)在我国西北部干燥地区,用单级或多级蒸发冷却,可满足绝大多数舒适性空调要求。(3)在高温低湿地区,推荐采用回收二次空气的处理方式。
摘要：本文介绍水蒸发冷却的原理、种类、适用范围和蒸发冷却器的结构,并分析间接蒸发冷却器二次空气的能量回收技术。
关键词：水蒸发冷却,直冷器,间冷器,二次空气回收
参考文献
蒸发冷却技术 篇5
随着云时代的来临,大数据( Big Data) 及其管理和处理能力的发展,已经成为影响国家科技进步和社会发展不容忽视的挑战。然而随着数据中心和计算中心规模的扩大,系统的稳定性、可靠性、噪音,特别是能耗问题日显突出,传统的冷却方式遇到了前所未有的发展瓶颈。电子元器件的发热功率越来越大,以CPU为例,目前的CPU发热功率密度已经高达104~ 105W / m2[1],并还有继续增加的趋势,而且大多数电子设备故障也都是由于芯片过热烧毁引起的[2]。电子设备的冷却越来越成为制约其发展的瓶颈问题,电子设备小型化、高密度化的发展趋势也进一步加剧了这个问题[3]。在一些大型的服务器集群、超级计算机等设备中,传统的风冷已经暴露出不可逾越的弊端: 如大噪音、高能耗、冷却不均匀等问题[4]。这就为高效安全的冷却技术应用于大型电子设备的冷却提供了契机。
相比于传统的冷却技术,蒸发冷却技术利用冷却介质的相变潜热带走更多热量,具有很大的换热优势,同时将蒸发冷却技术应用于大型电子设备的冷却具有重大的战略意义和创新性[5]。
蒸发冷却技术根据不同的应用场合有多种具体的应用形式,如管内冷、全浸式、喷淋式、贴壁式等等[5-7]。中国科学院电工研究所从1958 年开始蒸发冷却技术的研究与推广应用,已经成功将其应用在水力发电和火力发电的工业运行设备中,积累了大量的工业应用经验。在多数应用形式中,冷却介质都需直接与被冷却对象接触,即冷却介质直接从发热体表面吸热气化带走热量,此类换热环节最少、换热最为高效。但是由于直接接触,冷却介质与被冷却对象材料之间的长期共存,并保证各自的应用性能基本不变就显得尤为重要。这里将冷却介质与冷却对象材料之间的共存性称为材料的相容性。
除了冷却介质本身的物理化学稳定性、环保特性、换热性能、绝缘性能等等之外,冷却介质与各种电子材料会否发生物理或化学反应是相容性问题的关键。经过多年的工程实践,蒸发冷却技术在电工装备上应用,已经形成了完备的介质筛选技术路线,但随着技术拓展应用于电子设备,加之电力电子器件及电子线路板的材料种类众多,制作工艺特殊,更有别于大型电工装备,故作者所在科研团队针对这一特殊应用领域的关键性问题设计了多种实验装置并进行了专题研究,实验研究和介质筛选历经近三年的时间,探索出了一条合理的IT设备蒸发冷却技术应用介质筛选技术路线。本文将详细介绍实验装置的设计、实验过程、实验结果以及分析结论。实验结论为蒸发冷却介质与IT设备材料的相容性筛选提供了指导,这将为未来蒸发冷却技术在超级计算中心或大型数据中心的安全应用提供重要技术支持。
2 实验设计
2. 1 实验目的与要求
为了考察冷却介质与电子材料之间会否发生物理化学反应,实验设计的基本要求如下:
( 1) 材料种类完备: 未来冷却中可能与冷却介质接触的所有材料均需作为实验对象进行验证。
( 2) 冷却介质的纯净与实验材料与实验装置的洁净: 待检验的介质应保证成分纯净。实验器件材料自身洁净。实验装置一般采用带有观察窗的不锈钢腔体,其密闭腔体及附属器件内保证洁净。若装置重复使用,在重新使用前需进行全面的清洁。
( 3) 高温环境: 营造一个适当的高温恶劣环境,以便加快可能发生的物理化学变化。
( 4) 带电工作: 未来无论采用喷淋方案或其他接触冷却的方案,介质冷却的都是正在工作的电子元器件。所以实验中的电子元器件在这个实验过程中应保证带电工作状态,以模拟未来真实的工作情况。
( 5) 考核周期: 需要经过一定时间的考核验证才能够体现出材料间的相容性能。
2. 2 电子材料的分析与分类
电子设备中需要冷却的部分主要是各种封装的电子芯片,然而与冷却介质接触的却不止芯片本身。除芯片外,一般还包括印刷电路板( PCB) 、电阻、电解电容、存储设备、焊锡、助焊剂以及其他一些金属接头和线缆等等多种材料。材料种类非常庞杂,各种材料都需进行相容性验证。
值得一提的是,电子设备的外存储器一般选用传统的机械硬盘,如图1 所示。机械硬盘主要由磁盘、主轴马达、磁头以及背面的控制电路板组成。内部结构精密复杂,并且其内部对外并非密封,而是通过所谓呼吸孔来维持内外的压力平衡。这样的结构下,液态的冷却介质很容易通过呼吸孔进入其内部,极有可能导致原本工作在空气中的马达和磁头无法正常工作。
幸运的是,随着电子技术的发展,目前已经可以使用外部接口相同、读写速度更快的固态硬盘( SSD) 代替传统的机械硬盘,如图2 所示。与机械硬盘相比,固态硬盘结构非常简洁,其内部只有一块印刷电路板及其上面集成的存储芯片,仅从材料组成上看与普通的电路板没有区别。
2. 3 实验装置设计
图3 所示为实验装置的结构示意图。
介质在加热器的加热下处于沸腾状态,以营造高温环境,加速可能发生的各种相容性问题。气化的介质到达上端的冷凝器后冷凝回流,完成循环。
为了全面地包括上述所有待检验的电子材料,本实验采用台式机的主机作为实验对象。具体地讲,实验材料包括台式机主板、CPU、内存、硬盘、系统引导U盘以及必要的连接线缆。并通过真空转接头将主板电源引入、测温线和显示器数据线以及USB线引出,这样便可使实验过程中台式机电脑主板24h带电运行。此外其一直运行有测试程序,以便使CPU、内存处于满负荷工作状态。检测软件本身也可实时监控硬件状态,及时发现硬件上出现的相容性问题。
实验装置是带有观察窗的全密封不锈钢腔体。通过观察窗也可以直观地看到可能出现的变化。如图4 所示。
3 实验过程
实验共进行了七轮、历时近三年( 第七轮仍在进行中) 。每轮实验选用不同种类不同参数的冷却介质。每轮实验的时间均超过2000h。每轮实验还记录了在这种高温环境中,主板上CPU的工作温度。表1 列出了到目前为止的实验情况。CPU正常的工作温度也从侧面证明了蒸发冷却技术良好的冷却效果。
4 实验现象与分析
在数轮的实验过程中,不同介质也出现了各种相容性问题。下文依次归类说明实验现象及其初步分析。
4. 1 塑料制品相容性问题
实验材料中有很多地方是塑料制品,如多数线缆的外皮、大量固定件( 内存插座、CPU插座) 、U盘和硬盘的外壳等等。每轮实验中几乎所有塑料制品都出现了相容性问题( 老化、变质) 。特别是线缆的塑料外表皮,普遍出现了变脆变硬的现象,也有被漂白或分解变细的情况。图5 是某个品牌U盘的塑料外壳,在第二轮实验过程中其与F-B介质发生明显反应,本来坚硬的外壳变得非常柔软,这也是实验至今最严重的相容性问题。此外,在第二轮实验中也出现了一些固定件变脆、易折断的现象。
从塑料制品出现的相容性问题来看,有以下三点分析说明:
( 1) 各种塑料制品在介质中的老化现象不同,有些甚至没有明显的老化。这说明塑料材质多种多样,质量参差不齐。
( 2) 除了介质F-B与塑料有明显的反应外,其他介质也有使塑料制品老化现象,但情况不明显。
( 3) 实际上,即使在空气中运行,塑料制品这样长时间受热也会出现老化现象,但不可否认介质确实加速了塑料的老化。
总的来说,冷却介质与一般塑料制品都存在老化( 变脆变硬) 等相容性问题。但是塑料本身不承担实际的电子功能,往往只是起固定、保护、绝缘作用,即使其老化也基本不影响这些功能,也就是说,这对于蒸发冷却技术应用于电子设备的冷却不起关键性影响。在实验中并不是所有塑料制品出现老化现象,在未来成熟的应用中,完全可以定制使用相容性较好的塑料品种规避这一问题。
4. 2 硬盘相容性问题
正如在上述材料分析中所述,传统硬盘内部机械结构精密复杂,而且对外不密封,不论是气态介质还是液态介质极易进入,导致其无法正常工作。第一轮实验仅采用U盘引导系统,没有检验这一问题,而是在第二轮实验中做了检验。第二轮实验开始的当天处于气态和液态的上下两块机械硬盘均被损坏而无法工作,换上固态硬盘( SSD) 后问题得以解决。
显然,如果电子设备的冷却采用蒸发冷却技术时,其外存储系统便不能采用传统的机械硬盘,而必须使用SSD。虽然SSD目前容量不大而且价格不菲,但其拥有更快的读写速度,是未来硬盘的趋势。可以预见其容量和价格随着量产和推广将会逐渐得到市场的认可,最终也必然会淘汰传统的机械硬盘。
4. 3 介质F-C锡焊点不相容
第三轮实验结束后,开腔发现主板上所有锡焊点失去原有金属光泽,变灰变白,有些还覆盖有棕黄色物质,如图6 所示。现象说明介质F-C极有可能腐蚀焊锡。然而电子元器件与电路板电气连接时,一般都采用锡焊,若介质与焊锡不相容,就不能应用于直接与电子元器件接触的场合。
5 结论
蒸发冷却技术 篇6
电厂中存在大量的风机及泵类设备, 这类机械均采用50 Hz交流电动机驱动, 用档板、阀门等方法实现物理量的控制, 造成了大量的损耗。为了达到节能目的, 电厂中目前普遍采用变频器控制这类设备, 节能率通常都在20%以上[1]。
国电电力大同发电有限责任公司 (以下简称大同发电公司) 2×600 MW空冷系统用112台变频器, 额定输出功率110 k W, 电机额定负载132 k W。实际运行中变频器不能满足负载要求, 经常超负荷运行, 尤其在夏季, 变频器频繁过热、过负荷报警, 影响公司生产稳定运营。为此, 大同发电公司采取一些措施, 在变频室安装了空调、抽风机, 改进了变频器柜体内部的散热风道等, 起到一定效果, 但未能从根本上解决问题, 装置告警时有发生。
为彻底解决上述问题, 大同发电公司联合中国科学院电工研究所于2006年4月初经过方案探讨决定对变频器冷却系统进行技术改造, 以满足夏日高负荷的要求。方案为采用风冷与蒸发冷却相结合的新型冷却方式。由于是技术改造, 所以保留了原来的风机, 但这里的风机不对器件进行冷却, 而仅仅是为其他发热部件 (如电容) 提供循环风力。
1 理论及结构设计
1.1 蒸发冷却技术介绍
蒸发冷却技术作为我国自主创新的新型冷却技术, 以其具有的冷却效果好、安全可靠和结构简单等显著优点, 受到了国内外学术界和产业界的普遍关注, 并得到了我国电工装备制造业和电力运行部门的认可和支持[2鄄3]。目前, 蒸发冷却技术在三峡电站的应用已通过了专家的论证, 即将进入设计阶段。在船舶电机、电磁除铁器、电力电子装置、变压器等领域都取得了较好的效果[4鄄6]。
蒸发冷却作为一种高效冷却技术, 它是依据冷却介质蒸发时的汽化潜热带走发热体的热量, 使其降温。运行时, 发热体通过载板将热量传递给蒸发冷却介质, 介质吸收热量, 温度升高, 当达到一定压力下的饱和温度时, 开始沸腾, 汽化吸热, 汽化后的介质蒸汽在冷凝器中将热量传递给二次冷却水, 同时介质蒸汽被冷却为液体, 回到冷却系统中, 继续循环, 形成密闭式无泵自循环系统[7], 如图1所示。
1.2 变频器采用蒸发冷却技术的必要性
变频器的发热部件主要是2个部分:一是整流变压器, 二是功率元件。由于结构的高度紧凑及功率器件的高开关频率, 功率元件的散热成为变频器设计的关键之一。目前, 变频器一般采用空气冷却或水冷, 在功率较小时, 采用空气冷却就能满足要求;在功率较大时, 则需要在散热器中通水, 利用水流带走热量, 因为散热器一般都有不同的电位, 所以必须采用绝缘强度较好的水, 一般采用纯净水, 它比普通蒸馏水的离子含量还要低。在水路的循环系统中, 一般还要加离子树脂交换器, 因为散热器上的金属离子会不断溶解到水中, 这些离子需要被吸附清除[8]。
从散热的角度而言, 水冷是非常理想的。但是, 水循环系统工艺要求高, 安装复杂, 维护工作量大, 而且一旦漏水, 会带来安全隐患。然而, 风冷变频器对环境要求严格:海拔1 000 m以下、相对湿度小于95%或90%、无凝露, 环境温度要求低于40℃;当海拔超过1000 m或环境温度高于40℃时, 每升高1℃, 变频器应降额5%使用;环境气体为无腐蚀性、无尘埃、无引发火灾及爆炸性的气体[9]。所以必须采用一种高效、可靠的冷却方式来满足变频器散热要求。
经过方案探讨, 提出了一种风冷与蒸发冷却相结合的变频器冷却方式, 降低变频器对环境温度及工作场合的要求, 同时保证功率器件的基板工作温度约为50℃, 远远低于风冷方式中不能高于85℃的限制, 使得变频器在恶劣的工况下仍能安全可靠工作, 彻底解决风冷变频器在夏日满负荷运行情况下, 频繁过热报警甚至跳闸的问题。
1.3 系统结构及实现
本项目主要由主电路、控制电路及冷却系统组成。主电路主要完成对输入电压的整流、滤波、逆变功能 (在此不再详述) 。本项目中冷却系统由风机、蒸发箱体、出风通道、出汽管、回液管、冷凝器构成。
风机位于变频器柜体内部, 主要用于给电容通风冷却, 同时在柜体内部形成自然风冷却输入变压器、滤波器、平波电抗器及输出电抗器等外围部件。当变频器工作时, 变频器内部的功率器件发热, 热量通过蒸发箱的载板传递给箱体内部的蒸发冷却介质, 介质汽化潜热带走热量, 实现蒸发冷却自循环[10]。冷却风机提供的风沿着冷却风道将电容产生的热量, 通过蒸发箱体上的出风通道排出。壁挂式蒸发冷却系统示意如图2所示。
1.4 蒸发冷却介质的选择
蒸发冷却技术选用的冷却介质应满足下述要求:
a.良好的绝缘性能, 即具有高电压击穿强度;同时, 电击穿后的生成物无害;
b.合适的沸腾温度和汽化潜热值;
c.介质呈液态时, 流动性能好;
d.化学稳定性好;
e.利于电站管理, 满足电站安全运行需要 (即介质使用过程中安全、无毒、不燃烧) ;
f.符合环境保护标准和相关要求。
1.5 计算分析
本方案中, 功率器件固定在载板上, 它的热流方向是由管芯传到器件基板, 经导热硅脂、载板传递给腔体内部的冷却介质。建立模型如图3所示。
热量通常用热阻表征一个封装好的器件的热性能。热阻表示稳态时发热器件表面每耗散1 W功率 (热) , 器件结点与参考点之间的温度差, 单位为℃/W。功率器件总的热阻为
式中Rc为器件管芯传到器件外壳的热阻;R1为器件外壳与载板面之间的热阻 (导热硅脂) ;R2为载板的热阻;R3为载板与蒸发冷却介质之间的热阻[11]。
在器件的数据手册中, 由厂家提供Rc。如果器件采用导热油脂或导热垫后再与散热器安装, 其典型值为0.1~0.2℃/W;R3的设计与载板的结构有关, 在大容器沸腾中, 认为R3≈0。
导热微分方程:
式中k为传热系数;S为传热面积;Δθ为温差。
根据定义有
根据设计中的参数, 可以求出该器件的基板温度, 通过设计可以使得该温度在50℃左右。
发热器件 (GTO、IGBT) 结温是“等效结温”, 通用符号为θj[12]。目前, 器件的设计水平, PN结允许的最高温度θj=150℃。
根据上面的计算, 采用热阻法计算稳态结温为
式中Rθj-c为从管芯到管壳的结-壳热阻, Rθj-c≤0.095 K/W (由器件厂家提供) ;P为器件耗散功率;θc为器件基板温度。
联合式 (3) (4) , 可得到设计的器件蒸发冷却结温θj在额定工况下为:θj≤90℃, θc≤125℃。蒸发冷却设计可以有效地解决器件冷却问题。
2 运行情况及试验数据
本项目第1台样机已于2006年7月21日在大同发电公司7号机中8排1号变频器中试验运行。通过近3个月的现场运行, 蒸发冷却变频器已经充分体现出其优越性, 在与未改造变频器相同条件的情况下, 新型冷却变频器功率器件的工作温度明显降低。表1为大同发电公司变频器风冷和蒸发冷却运行试验数据对比。表中的数据为通过变频器面板直接由指令读出, 蒸发冷却系统工作压力为0 MPa。其中数据为试验测得的部分数据。
注:θ1、θ2分别为IGBT温度及其芯片结温, θ3为整流器温度。
研究表明:功率器件工作的可靠性对温度十分敏感, 器件温度在70~80℃水平上每增加1℃, 可靠性就会下降5%, 在考虑裕量情况下最高结温一般不超过125℃。
蒸发冷却系统对变频器IGBT散热器、IGBT芯片及整流器冷却效果明显, 尤其在8月负荷高峰, 且环境温度较高时, 其冷却效果更明显。温度降低的最高记录在8月29日, 与未装设蒸发冷却系统的变频器相比, IGBT散热器实测温度45℃, 降低了21℃, IGBT芯片实测温度79℃, 降低了30℃, 整流器实测温度45℃, 降低了8℃。从实验数据看, 装设蒸发冷却系统后, IGBT散热器可稳定运行在50℃左右, IGBT芯片温度可保持在约75℃, 整流器温度可保持在约48℃, 这对于变频器长期健康运行非常理想。
本项目已经在大同发电公司运行近3个月 (7~9月份) , 在气温最高, 环境恶劣时, 没有出现温度过高报警跳闸现象, 设备运行可靠、安全。
3 本系统特点
新型冷却系统具有如下特点:
a.功率器件温度分布均匀, 不受外界环境影响, 在0 MPa时, 器件基板温度在50℃左右 (可调) ;
b.冷却效率高;
c.节能效果明显;
d.操作简单、安全可靠, 基本处于免维护;
e.冷却介质绝缘性高、低沸点, 且具有灭弧作用, 符合环保要求。
4 整体改造方案
大同发电公司2×600 MW空冷系统设有2个变频间, 每个房间为8排56台变频柜。在经过单台样机的现场运行试验后, 目前已签订整体改造合同。中国科学院电工研究所考虑到运行条件和成本, 通过实验室1∶1原理试验, 决定对每排7台变频器改造方案采用侧部总体冷凝器设计, 即冷凝器位于一排的最外侧, 7台设备的出汽口汇集到集汽管中, 然后进入冷凝器, 回液管与冷凝器底部的回液分配管连通。该总体结构的设计为变频器整体改造提供了一种新的冷却结构, 自循环冷却系统基本处于免维护状态。
根据现场运行条件, 冷凝器采用水冷凝器, 冷凝器设计参数为设计容量40 k W, 壳程设计压力0.3 MPa, 壳程最高工作压力为0.1 MPa, 采用4管程, 管程物料名称:水。进水温度为25℃, 出水温度为30℃。由于蒸发冷却介质的沸点为50℃左右, 水的工作温度在30℃左右, 所以对冷凝器中冷却水管道不用考虑结垢问题。在一些水缺乏的场合, 冷凝器同样可以设计为风冷式冷凝器。
5 结论
本项目将蒸发冷却技术应用于变频器中, 克服了风冷、水冷、油冷等冷却方式存在的缺点, 解决了影响变频器可靠性的散热问题, 使得变频器不受工作环境限制, 提高了变频器的安全运行系数。同时, 由于蒸发冷却技术在变频器中的应用, 可以去掉为满足风冷方式对环境要求而设立的大功率空调设备, 进一步满足节能要求。另外, 整体结构改造的实现, 为变频器的集中使用提供了一种新的冷却结构。
蒸发冷却技术 篇7
随着我国经济的飞速发展,各行各业对电力的需求不断增长,发电设备的大型化已经成为必然的趋势。目前国内大型汽轮发电机主流机型采用的是"水-氢-氢"冷却方式,但氢气与适量空气混合容易引起爆炸。俄罗斯将在300～500MW等级容量的发电机上采用不燃爆液冷,500MW以上的全液冷也在发展中,ABB公司正在发展全空冷机组,汽轮发电机内部冷却方式的多样化,说明了各自的局限性。寻找新的冷却介质,研究新的冷却结构,从本质上避免冷却介质对机组可能造成的危害,已成为汽轮发电机的重要研究课题[1]。
蒸发冷却技术利用了冷却介质液体汽化吸热的原理来进行冷却,是一种高效的冷却方式。中科院电工研究所和原上海电机厂联合承担了国家“七五”重点工业性试验项目——50MW蒸发内冷汽轮发电机(定子采用全浸式蒸发冷却技术,转子采用水内冷),1991年该机组在上海超高压输变电公司一次性并网成功,累计运行10余年,它奠定了蒸发冷却技术在汽轮发电机上的工业应用基础。随着大容量汽轮发电机对内冷技术的要求不断提高,迫切需要开展蒸发冷却技术在转子冷却方面的研究,为统一冷却介质、实现定转子全蒸发冷却奠定基础。
根据结构形式的不同,转子蒸发冷却技术可以分为管道内冷、浸润式蒸发冷却以及开放管道内冷[1]。管道内冷的原理是在电机绕组空心导体内部通以冷却液体,吸收损耗产生的热量。这种冷却方式受到蒸发空间的限制,不能充分发挥冷却潜力。浸润式蒸发冷却的原理是选择具有较好的绝缘和传热性能的介质,将电机定子和转子各自做成封闭结构,所有需要冷却的部件均浸泡在冷却介质中。这种方式对密封结构有一定的耐压力要求,限制了其在大容量电机上的应用。开放管道内冷在综合各种方式的优点同时避免了上述的缺点,是一种很有市场应用前景的蒸发冷却结构,尤其在大容量电机上优势更为明显。
1汽轮发电机转子开放管道式蒸发冷却技术简介
日本东京芝浦电气公司在1970年就进行了汽轮发电机转子采用开口导线水蒸发试验[2]。冷却水从轴中心引入,经由供水嘴进入绕组,再分配到各处。转子周围套有绝缘筒,筒内的蒸汽吸入冷凝器进行冷凝,再送回转子。整个冷却系统性能很好,但是由于采用水作为冷却介质,存在水和蒸汽对大轴、导体、绝缘材料的腐蚀作用问题。水质要求也高,否则会产生结垢和沉淀。
中科院电工研究所于20世纪70年代末也提出了汽轮发电机开放管道式转子蒸发冷却技术方案[1,3],如图1所示,其原理如下:转子线圈采用凹形开头导线绕制,冷却液体的来源可以是用外部供给的方式,即从中心孔进液或轴边供液;也可以在密闭自循环系统内由冷凝的液体流入内部。匝间由绝缘或导体本身流出汽道,槽内由绝缘留出汽道,以排出蒸发后的蒸汽,使其不聚集在凹槽内,减小两相流阻。绕组每一层的直线及端部都处于相同半径,从内至外层,半径逐层增大。冷却液体首先供到每套线圈最内层的凹槽内,在离心力的作用下自动分配液体到此层的直线部分及端部。第一层得到液体后,就会在一层至二层的过渡处流向第二层,第二层也得到液体后,再逐层向外流直至最后一层。此外,各层间可根据需要设置溢流口,当某层的液体达到一定高度后,就通过溢流口流向下层,这样就把线圈的液路分段,缩短了液体流动路线的长度,提高冷却能力。开口导线的沟槽深度和溢流口高度的设计,要考虑到下线时可能造成的径向误差和液体流动的截面积,使液体在沟内既畅通流动又不溢出来。
液体内任意两处R2和R1的压力差有如下公式
设沟槽内液位最高为h1=R2-R1(见图 2),这个液位在旋转时产生压差,推动液体流动,称为流动压头Pd:
n为转子转速,当R2,R1一定后Pd∝αn2
液体流动速度决定了液体流量,反映了冷却能力。低速模拟实验结果直接用在真机3000转/分时,有很大潜力。同时,在文献[2]中还介绍了单位面积临界热负荷的经验公式
式中gn——离心惯性加速度,可见转速越高,传热也越好。
这种冷却结构充分发挥了蒸发冷却的特点,克服了长管道内较大的流动阻力以及由此引起较大的温差变化;也克服了盒形全浸式冷却结构工艺上的困难。此方式可用于汽轮发电机转子上,在大容量汽轮发电机上优势更为突出。
2实验模型
本文以电工所的汽轮发电机开放管道式转子蒸发冷却技术方案为依据,设计了转子绕组开口导线内部蒸发冷却的旋转实验模型。进行加电流模拟损耗的传热实验,取得了理想的实验结果。通过实验所取得的冷却介质沿转子绕组半径方向温度分布曲线将为10MW以上容量等级蒸发冷却汽轮发电机试验机的设计和计算提供参考依据。
转子模型中两组导线各由六层“凹”字型铜导体组成,分别为14.8m长,旋转模型外直径840mm,最大转速1000转/分。模型中设置了24点T型热电偶,采用自动切换装置通过5支测量滑环引出全部测量参数[4,5,6]。空心导线通以电流以后发热,在导线内部流动的冷却介质吸收热量,当达到压力对应的饱和温度时就沸腾汽化,带走热量,残余的冷却介质排入静止的排液环,经过冷凝之后回收利用。氟里昂类产品CFC113是目前常用的蒸发冷却电机工质,由于它对环境的危害很大,现在已逐步被淘汰,但目前几种实验中的新型环保冷却介质物性参数不全,且价格较为昂贵,因此综合考虑,本次实验中仍采用CFC113作为实验介质。
3实验结果与分析
转子绕组中开口导线和层间都包有绝热材料,由于排气孔的尺寸都不大,因此可以近似认为铜导线损耗所发散的热量全部由空心导线内的冷却介质带走,而忽略热量向周围空气的散失。通过读取温度数据可以清晰地了解转子绕组沿半径方向的温度分布情况。其中1号代表线圈最外层的绕组(半径330mm),6号代表线圈最内层的绕组(半径280mm),从1号到6号测温点绕组半径依次减小,冷却介质先由绝缘进液盒进入最内层绕组,经过线圈内部循环之后,剩余液体在最外层绕组的端部排出。在各实验过程中冷却介质的入口温度均保持为15℃。表1中给出了不同加热电流密度对应的转子绕组损耗。
3.1加热电流密度对转子线圈半径方向温度分布的影响
图3显示了不同加热电流密度(即不同的负荷)下开放管道式绕组沿半径方向的温度分布,可以看出,当负荷较小的情况下,整个线圈的温度分布是相当均匀的,最高点(最后得到冷却介质的最外侧绕组)和最低点(先得到冷却介质的最内侧绕组)之间的温差小于20K。随着负荷的增加,冷却介质不断地蒸发,在冷却介质的流量保持不变的情况下,最外侧绕组出现了缺液的情况,温度有所升高,但内侧的五层绕组仍保持着温度的均匀,没有超过标准大气压下的CFC113的沸点(47.5℃),最高点和最低点之间的温差小于50K。
3.2冷却介质流量对转子线圈半径方向温度分布的影响
当负荷增加的时候,相应地增加冷却介质流量可以保持整个线圈的温度均匀,消除局部的过热点。从图 4可以看出,在负荷固定的情况下,随着冷却介质流量不断增加,原本过热的最外层绕组温度逐渐降低,线圈各层绕组之间的温差逐渐减小。需要注意的是当冷却介质的流量保持在30～40L/h之间时,系统负荷和冷却介质流量之间达到了一个最佳的平衡状态,整个线圈的温度波动被控制在5K以内,最高点温度不超过标准大气压下的CFC113的沸点(47.5℃)。与流量为20L/h时对比可以发现,最内侧绕组的温度并没有随着流量的增加而线性降低。这是因为流量较小时,液体在开放管道内部逐层流动,设计的层间溢流口并没有发挥作用,冷却介质分布到各层线圈有时间上的先后顺序。当流量增大之后,一部分液体在进入内层管道之后没有循环一圈就通过溢流口直接流入了外层线圈,冷却介质在很短的时间内就均匀分布到各层线圈中,因此各层线圈的温度差异较小。随着冷却介质流量的进一步提高,线圈最内侧的绕组温度继续降低,而最外侧绕组的温度基本上保持了冷却介质的流量30～40L/h之间的温度,各层线圈的温差又逐渐增大,而且冷却介质的流量50～60L/h时温度分布基本上没有变化,并没有因为冷却介质流量的增加而得到更好的冷却效果,出现了冷却介质"过剩"的情况,内层绕组多余的冷却介质并没有能够及时分配到外层绕组。因为模型的转速决定了冷却介质流动的速度,当模型转速保持不变时,冷却介质在开放管道内部的流动速度不变,不受外部进入的冷却介质流量的影响,因此在转速不变而冷却介质流量增加时,最内侧的几层绕组集聚了大量的冷却介质,通过溢流口流入外层线圈的液体已经饱和,线圈沿半径方向温差变大,这种现象说明开放管道式转子冷却结构对旋转条件下的液体(特别是低沸点液体)流动以及转子线圈加工工艺都提出了新的课题。
3.3模型转速对转子线圈半径方向温度分布的影响
从式(2)可以看出,冷却介质流动的压力与转动速度的平方成正比,因此当转动速度提高时冷却介质的流动速度也随之提高。本次实验选取了三档转动速度400、600和800转/分,从图 5可以看出随着转动速度的提高,溢流口的作用明显增强,转子线圈从最内层到最外层温度逐渐降低。转速每提高200转/分,平均降温幅度约为8K左右。
4结论
汽轮发电机开放管道式蒸发冷却转子绕组旋转实验,在实验模型的循环系统当中使用了特殊设计的轴边进液装置和开放式的转子导体,取得了很好的实验结果。实验结果表明,开放管道式转子线圈半径方向上的温度分布均匀,在各种实验负荷条件下最大温差均不超过50K,完全符合汽轮发电机的冷却技术要求;实验介质选用的是高绝缘、低沸点的CFC113,对于其它的一些新型高绝缘、低沸点的氟碳化合物也同样适用汽轮发电机的蒸发冷却。该实验为采用开放管道式转子绕组蒸发冷却方式的大容量汽轮发电机的设计和计算提供了依据,对于下一步的中间试验和扩大中间试验有一定的意义。
由于冷却介质温度分布均匀,因此从传热的角度来说,中大容量汽轮发电机转子采用开放管道式蒸发冷却技术是完全可行的,主要的问题将是由于开放式的管道结构而引起的工艺问题和旋转条件下的两相流动问题。
虽然两相流动经常发生在许多工业设备中,但对两相流动的规律性认识还相当不完善,至今没有一整套十分通用的设计计算方法,故而使两相流动和两相传热问题的解决具有极大的理论及实践应用价值。转子绕组处于离心力场的作用下,因此,旋转条件下转子开放管道式蒸发冷却两相流动分析计算,无论是从电机或从流动传热学科来说都是新的课题,解决起来也有相当的难度。该实验也为研究离心力场(尤其是高离心加速度)下的液体流动和传热提供了实验依据。
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