蒸发冷却技术.doc

蒸发冷却技术
1
电机以往所使用的冷却方式(包括空冷、氢冷和水冷)从热学原理上来讲都是利用介质的比热吸热从而带走热量。而蒸发冷却从热学原理上是利用流体沸腾时的汽化潜热带走热量。这种利用流体沸腾时的汽化潜热的冷却方式就叫做“蒸发冷却”。由于流体的汽化潜热要比流体的比热大很多,所以蒸发冷却的冷却效果更为显著。其中管道内冷式蒸发冷却的基本原理是:当电机绕组空心导体内部通以冷却液体,液体进入导体后,吸收损耗产生的热量,温度逐渐升高。当液体的温度达到压力所对应的饱和温度时,就改变其物理状态而沸腾汽化,带走热量,冷却电机。定子自循环蒸发冷却系统如图1,它利用立式水轮机本身的结构特点在存在密度差的情况下可以实现无泵自循环。其原理是:当空心导体内的冷却介质吸收空心导线损耗所发散的热量逐渐汽化形成汽液混合物,其密度低于回液管中的单相液体密度,在重力加速度的作用下产生流动压头,克服整个冷却回路的阻力损失,维持系统循环。
图 1
2
1
美国、日本、英国、俄罗斯和加拿大等国相继开展了将相变原理应用到大型发 1
电设备中的研究,已取得一定的成果,这些研究成果只是处在一种
试验研究的阶段,至今没有成熟产品批量生产。国外对蒸发冷却电机的一些主要研制成果如下:
1949年,荷兰人首先提出了“喷雾式蒸发外冷”技术,其电机结构为在电机的端部装有横向的细管,水雾直接落在绕组、铁心和转子表面上吸热而汽化,生成的水蒸汽在电机的另一端冷凝,由泵送入储液箱,再循环使用。这种冷却方式制造和使用都很不方便,且因水具有导电性而对电机绝缘的要求严格,不适合大型发电机冷却的要求,仅在特种电机上使用。
1962年,苏联基辅工学院开始研究“直接膜状蒸发冷却”。这种冷却系统的基本原理是带有空心导体的定转子绕组作为冷冻机中的蒸发器。他们在静止和旋转条件下对一根空心导体的蒸发内冷做了不少的原理试验和理论分析。介质采用***里昂—12和***里昂—22,整个系统的运行温度低于室温。这种冷却方式在汽轮发电机上使用可使其单机容量比用氢冷时提高一倍,且工作温度低,温度梯度极小,热损耗少。无化学腐蚀,无爆炸,燃烧等危险。但是, 这种冷却系统中冷冻的功率很大,循环系统复杂,操作维护不方便。尤其是在低温下运行, 外层要求保温,否则会出现热的逆流现象。即周围环境的热量向电机内部传递。
1969年,日本东芝电气公司研究试验了汽轮发电机的转子强迫循环水蒸发内冷系统。是在一个相当于20万kW级汽轮发电机转子上进行的模型试验,同时还作了一系列单因素的专题模拟试验。其循环回路为:冷却水从轴中小孔流向分配环,在离心力的作用下,经配水环上的
喷嘴喷入最内层的绕组中,每层绕组有溢流结构,冷却水通过溢水孔逐步流入最外层绕组中,多余的水流入液体收集器。有一个绝缘筒套在转子周围以防止水蒸汽进入定子。管内水蒸汽流过调压阀被吸入冷凝器内,冷凝成液体再经泵重新循环工作。水蒸汽的温度可通过调整压力而改变。这种冷却方式冷却效果好,绕组温度分布均匀,工作稳定,起动、停机方便。缺点是仍需很多外部管路和冷却装置,水对轴及绝缘材料等有腐蚀性,因此安全性差。
1970年,美国通用电气公司在国际大电网会议上发表的论文中提出了转子自循环蒸发冷却方案。整个转子密封于不锈钢套筒中。冷却介质采用R—113、 R—114、RC—75等。发电机