（电机与电器专业论文）卧式蒸发冷却电机冷凝系统的研究.pdf

a b s t r a e t r e s e a r c ho i lt h ec o n d e n s i n gs y s t e mi nh o r i z o n t a lm o t o rw i t h e v a p o r a t i o n c o o l i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t e v a p o r a t i o n c o o l i n gi sak i n do fn e wc o o l i n gt e c h n i q u ew i t hh i g he f f i c i e n c ya n d s a f e t y , w h i c hc a r lb ea p p l i e dt ot h eh o r i z o n t a lm o t o r b u tal o to fp r o b l e m sn e e dt ob e s o l v e d t h eh y d r o d y n a m i c sa n dh e a tt r a n s f e rt h e o r yr e l a t e dt ot h ee v a p o r a t i o n c o o l i n ga r e v e r yc o m p l e x as e r i e so fe x p e r i m e n t ss h o u l db em a d et of i n do u tv a r i o u sp a r a m e t e r s a d a p t e dt od i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s t h i sp a p e rs t u d i e st h ee f f e c to fn o n c o n d e n s a b l e g a s e so nt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fs i n g l eh o r i z o n t a ls m o o t ht u b e ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r eu s e dt oa m e n dh e a tt r a n s f e rm o d e la n dc a l c u l a t i o nf o r m u l a sw h i c hp r o v e dt ob e c o r r e c tb ya p p l y i n gt oag r o u po fs m o o t ht u b e s ， t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c h e do nt h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n tc o n d e n s a t i o nt u b e s ( s m o o t ht u b e sa n dt h r e a dt u b e s ) a n dd i f f e r e n tc o o l a n t ( c f c - l 】3a n dv e r t r e lx f ) t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r i s o n s b e t w e e ne a c ho t h e rw e r ep e r f o r m e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h r e a dt u b ec a ne n h a n c e c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ra n dv e r t r e lx fi sag o o dc f ca l t e r n a t i v ei fo n l yc o n s i d e r i n g h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e i no r d e rt o p e r f e c te v a p o r a t i o n - c o o l i n gt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o o l i n g c a p a c i t yo fm o t o r sc o n d e n s i n gs y s t e ma n dc o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t sa r em a d eo nt h e m o d e lo fa ne v a p o r a t i o n c o o l i n ga s y n c h r o n o u st u r b og e n e r a t o r c o n s i d e r i n gt h es a f e t yo f m o t o r , t h ee x p e r i m e n t0 nt h eb r e a ko fs t a t o r sc y l i n d e rs l e e v ew a sc o n d u c t e d t h e r e l i a b i l i t yo fc o n d e n s i n gs y s t e mw a sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：e v a p o r a t i o n c o o l i n gm o t o r , c o n d e n s a t i o n h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ， c o o l a n t ，c o o l i n gc a p a c i t y i i 主要符号表 主要符号表 9 ：冷凝器热负荷，k w ； g 。：冷却水流量，培s ； c 。：冷却水比热，u 堙k ； t ：温度，“c ； 足：传热系数，m 2 k ； a ：总面积，m 2 ： 口：修f 系数； 0 。：对数平均温差，“c ； h ：换热系数，w m2 k ； “：水的流速，m ，； d ：直径，坍： 兄：导热系数，m - k ； n ：冷凝管数； ，：冷凝管长，m ； 1 ，：运动粘度，m2 s ； p r ：普朗特数 ，：汽化潜热，t ，k g ； p ：密睦，k g m 3 ； r l ：动力粘度，p a s ； 下标 1 ：冷却水进口；2 ：冷却水出口；w ：冷凝管壁面；m ：平均值：o ：冷凝管外：i 冷凝管内；f ：冷却水定性温度下；s ：实验值，蒸气；，：凝结液膜定性温度下。 i v 第一章绪论 第一章绪论 本章阐述了课题研究的背景，对蒸发冷却技术进行了简要的介绍，提出了卧式 电机采用蒸发冷却技术所需要解决的问题，并进一步分析了课题的目的和主要工作。 1 1 研究背景 蒸发冷却技术是继水内冷技术之后出现的一种新型冷却技术，该技术效率高， 冷却均匀，解决了其它冷却方式难以解决的铁心冷却问题，且结构简单，维护方便， 运行安全性好，因此受到国内外的关往。 蒸发冷却技术应用于汽轮发电机的显著优势是介质具有极强的电绝缘性，与其 他冷却方式配合时能够扬长避短，特别是采用浸润式蒸发冷却后加强了端都的冷却 效果，改善了电晕和电磁屏蔽问题，使电机运行安全可靠，因此是一种极具发展甜 途的冷却方式。 1 2 蒸发冷却技术的原理 传统冷却方式，无论是空冷、氢冷还是液冷，从吸热的原理说，部是利用流体 本身的温度升高吸收热量来冷却电机的，而蒸发冷却则是利用冷却介质液体汽化吸 热的原理泉冷却电机的。因此蒸发冷却从原理土说是一种高效的冷却方式，汽化热 大，所需流量小，绕组各部分之间温差小。蒸发冷却主要包括管道内冷式蒸发冷却 稆浸澜式蒸发冷却两稃工作方式，其中浸润式蒸发冷却多用于汽车它发电杌的冷却。 1 3 蒸发冷却技术的研究情况 ( 1 ) 国外研究的情况 美国，日本，英国，俄罗斯，加拿大等国相继开展了将褶变原理应用到大型发 电设备中的研究，已取得一定的成果，但这些研究成果均处于试验研究阶段，至今 没有成熟产品问世。 1 9 4 9 年荷兰的t , d ，k o n i n g 提出了在全封闭的电机内对定子和转子绕组以及铁 心等的表面利用蒸馏水进行喷雾式的蒸发外冷。电机内腔保持定的真空度，使水 雾在其相应的温度下蒸发，在宅机绕缓端部处有诤多喷嘴，向定转子绕缓和铁心等 部分喷射水雾，吸热后汽化。1 9 6 2 年苏联基辅工学院也开始研究强迫循环低温制冷 第一章绪论 式蒸发冷却，称之为“直接膜状蒸发冷却”。其原理是用带有空心导体的定转子绕组 作为冷冻机的蒸发器。1 9 6 9 年，r 本东芝电气公司实验研究了汽轮发电机的“强迫 循环水蒸发内冷”系统。这种冷却结构是在转予端部有供水装置和绕组端部下面带 有喷嘴的配水环。在转子旋转时所产生的离心力的作用下，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。1 9 7 0 年，在国际大电网会议上，美国通用电气公司发表 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简中。发电机 绕组内充有低沸点、高绝缘的冷却液体。发电机运行时，冷却液吸收热量后蒸发汽 化，经过冷凝器又冷凝为液体，经过与绕组相连通的外部回液管，重新返回绕组， 形成自然循环。 ( 2 ) 国内的研究情况 国内对蒸发冷却的研究是以中国科学院电工所为代表的。电工所于1 9 5 8 年丌始 从事蒸发冷却技术的研究，先后丌展了低温冷冻强迫循环方式，常温强迫循坏蒸发 冷却，常温自循环蒸发冷却等研究，建立了“气液两相原理模拟”，“定子模型”和 “旋转模型”等试验室及相应的试验装置，并已积累了总容量达5 7 0 m v a 的运行经 验。不论是在基础试验研究还是机组运行经验上，在蒸发冷却电机方面，我冈都处 于世界领先地位。 1 4 浸润式蒸发冷却汽轮发电机的研究现状 我国在1 2 0 0 k v a 、5 0 m w 汽轮发电机上进行了蒸发冷却技术的试验研究，并取 得成果。电机的运行实践证明了蒸发冷却电机的优越性和发展前景。但仍存在一些 问题，尚需进一步的研究和完善。 ( 1 ) 1 2 0 0 k v a 全氟冷自循环蒸发冷却电机 1 9 7 5 年，中科院电工所与北京电力设备厂合作，研制完成台1 2 0 0 k v a 全氟利 昂冷却的汽轮发电机。进行了i7 5 倍额定负荷及以下的运行试验，结果性能良好。 该汽轮发电机的结构如图1 。1 所示。 第一章绪论 图l r l1 2 0 0 k w 浸润式自循环蒸发冷却汽轮发电机 j 2 0 0 k v a 蒸发冷却汽轮发电机的定子、转子均采用了浸涧式蒸发冷却。它是将 定子、转子做成两个分开的完全密封的腔体，内部充放低沸点、高绝缘、无毒、化 学性能稳定的氟和昂1 1 3 作为介质。电机运行时，绕组、铁心及所有结构部件，由 于能量损耗而产生大量热量，使充满在其周围的冷却介质湿度升高，当达到了与压 力相对应的饱和温度，就开始沸腾，吸收热量而变成蒸汽，使发热部件得到充分冷 却。因为蒸汽密度小于液体，产生浮力而向上浮升。在定子中介质循环依靠重力加 速度，在转子中依靠离心加速度。定子的顶部、转子的内半径处放置冷凝管，浮爿 上去的蒸汽遇到冷凝管，将热量传给二次冷凝水后，冷凝成液体。如此周而复始地 运动，形成自循环冷却过程。 ( 2 ) 定子蒸发冷却、转子水内冷的5 0 m w 汽轮发电机 1 9 9 0 年9 月，上海电机厂与中国科学院电工研究所及电力公司联合研制了一台 5 0 m w 定子蒸发冷却、转子水内冷汽轮发电机，并于1 9 9 1 年3 月在上海西郊变电所 作调相机运行，至今运行良好。该汽轮发电机的定子结构、运行机理类似于上述 1 2 0 0 k w 汽轮发电机。其电机结构如图1 2 所示。 第一章结论 图1 25 0 m w 定于蒸发冷却、转子水内拎汽轮发电机 1 5 课题分析 卧式电机采用蒸发冷却技术还存在许多需要解决的问题，它的实现需要多项技 术予以保证。蒸发冷却技术所涉及的流体和传热理论是非常复杂的。有关计算一直 是实验基础上的后验计算，各种不同的应用环境需要通过一系列实验来确定与该环 境相适应的各种计算参数。而关于蒸发冷却介质的研究，在环保问题引起越来越广 泛关注的今天，无疑是关系到蒸发冷却技术发展前景的重大问题。随着蒸发冷却技 术的发展，对计算的准确性，冷凝系统结构的有效性也提出了越来越高的要求，这 些都需要进行更加深入细致的研究。 1 不同结构冷凝管凝结传热特性的测试 冷凝器作为蒸发冷却系统向外界换热的核心部件，发生在其中的冷凝过程对决 定整个蒸发冷却系统的工作状态起着至关重要的作用。而不同结构冷凝管对冷凝器 的凝结传热有着不同的强化作用。所以，对不同结构冷凝管的凝结传热特性的测试， 既是设计蒸发冷却系统冷凝器的基础，也是优化整个蒸发冷却系统的前提之。 2 不同蒸发冷却介质凝结传热特性的测试 由于历史原因，目前蒸发冷却技术仍采用氟利昂1 1 3 作为冷却介质。该介质对 臭氧层有破坏作用，是“蒙特利尔”协议中规定的限用品和淘汰品。因此有必要采 用环保新型冷却介质去适应新的应用环境的需要。而新介质的一些热力特性和计算 参数并不是现成的，需要我们通过实验作进一步的测试。 3 蒸发冷却卧式电机冷凝系统的研究 对于一些特殊场合下的电机，受空间限制要求电机体积小，并且要求电机发出 的噪声尽可能的小。在同等容量下，电机的体积越小，则单位体积的能量密度越大， 绕组发热越多，采用定子浸润式蒸发冷却技术可有效地解决问题。而且采用定子浸 4 第一章绪论 润式蒸发冷却，利用液体相变后密度发生变化引起压差变化而形成自循环，不用另 加动力设备，减少了噪声源。 但是，热冲击和不平衡热负荷是浸润式蒸发冷却系统的一大威胁，特别是对于 狭小空间的开放式相变对流换热系统来说，其工作压力对负荷变化反映较快，热平 衡较为脆弱，抗热冲击能力较弱。因此，进一步研究冷凝系统的冷凝容量与系统热 负荷的匹配以及非正常运行工况下的安全性能，对于电机冷凝系统的合理设计和系 统的安全稳定运行都有着重要的意义。 1 6 凝结传热的有关实验研究 传热学方面的研究是蒸发冷却电机技术中很重要的部分。传热学多采用实验的 方法研究。在此本文对已有的相关的凝结传热的实验研究工作做一些简单的综述。 ( 一) r 一1 5 2 a 在单根水平管上的膜状凝结实验研究 b c h e n g 等人研究了r - 1 5 2 a 在水平单圆管上的膜状凝结，图卜3 为实验流程 图。实验采用了三种不同几何形状的强化冷凝管，几何形状如图卜4 所示，具体尺 寸规格列于表卜l 中。 l - - 。一 圈1 - 3r - 1 5 2 a 膜状凝结实验装置流程图 1 一热电偶：2 一压力表：3 一冷凝器；4 一加热沸腾器；5 一冷凝液流量测基简：6 一混合气体冷 凝器：7 一放气阀；8 一过热器；9 一水流晕测量筒：l o 一水冷却筒；11 一储水罐：1 2 一泵 第一章绪论 ；一l 。百罾i 气n l 蕊i r 。f - 气 ， r 。t ， ： 一 卜- ： 一_ 0 。 ：”。，| i 一，。j j 。i 。j 。j | ，- ，二? j 。! 一一 ? ? ， 。 ( a )( b ) 图l 一4 强化冷凝管l j 形状 表l _ 1 冷凝管参数 研究结果如图1 - 5 和1 - 6 所示。 摹1 。 | 二p j ， ，一毒 一。，一。s j “ 图卜5r - 1 5 a 在不同冷凝管上的凝结特性 图卜6r - 1 5 2 a 与r 一1 2 的比较 研究结果表明，在2 ，3 和4 # 管上，对于不同的g 值( g = g h 。p2 d ：( 脚) ) 努塞尔数盹，几乎保持不变。刈于相同的g ，强化冷凝管的是光滑管的4 l ( ) 倍。r - j 5 2 a 与r - 1 2 在不同冷凝管上的比较结果显示，r 1 5 2 a 的传热能力大于r 一1 2 ， r - 1 5 2 a 比r 一1 2 的m 。大0 3 0 。 ( 二) r - l l 蒸气在单根水平管上的膜状凝结实验研究 s p s u k h a t m e 等人研究了r 1 l 蒸气在水平单圆管上的膜状凝结，图卜7 为实 验流程图。实验采用了不同尺寸的强化冷凝管，几何形状如图卜8 所示，具体尺寸 规格列于表卜2 中。 ，! ， ) c ，+，0。， 0 k鬈；-； 一。曩，、一 - 是，一 ?。o 譬。 n 。二 兰 露 札。， 蛰一 蛩。一 一 。一 第一章绪论 一二一。 饕：窖：矗 。l 一窖9 飞一j ：! ：= = = ：童i ；= ：三垒。l 岁雾露堇一一：? 。i 0 未 图i 一- r h 膜状凝结实验装黄流挂幽 一沸腾器：2 一液侮指示器；3 加热器：4 一压力表：5 - 灌液i z l ：6 - 热电偶；7 ，测试部分 8 - 冷凝管：9 - 观察口：l o 。压力传感器：j 1 放气口；1 2 一热电堆；1 3 冷凝液测量管。 删：1 0 枷 ”一和 爨餐霞 ：蒜。0 _ + ：一0 二一。：- ：。o 图t - 8 强他玲凝管儿饵形状 表1 - 2 冷凝管尺寸 j ：、，；j3 埘0 。 e h ，：、? 0；5 鲫 ；、?0 _ ， 1 s ；髀 ： ： ：4 ，憾c；5 io 席、 ! 牲， 4：t 瓠，、；n 7 第一章绪论 研究结果如图1 9 和1 1 0 所示。 幽1 9r t 1 在1 - 4 # 管上的凝结特性图i 一1 0r 1 1 在6 - 9 # 管上的凝结特性 研究结果表明，平均凝结传热系数h ，随r ( a t = t ，。) 的增大而逐渐减小或者 几乎保持不变；翅片高度的增加对传热系数的提高有很好的作用。 1 7 本文研究内容 针对卧式异步发电机的定子浸润式蒸发冷却系统，本文通过理论分析和实验验 证的方式列其进行了深入的研究。 1 考虑不凝气体的影响，对光滑单管传热模型进行修正，并将修正后的计算式应用 于光滑管束，验证修正结果。 2 通过实验测量光滑管和螺纹管的凝结传热系数，并与理论值进行比较和分析。 3 采用氟利昂1 1 3 和新介质v e r t r e lx f 作为冷却介质，测量不同介质下的凝结传热 系数，比较和分析不同介质对冷凝器传热性能的影响。 4 建立计算冷凝容量的模型，从理论上研究蒸发冷却电机冷凝系统的冷凝容量，并 通过实验迸一步验证理论分析结果。 5 探讨非正常运行工况下冷凝系统的安全性能，并通过实验进一步验证理论分析结 果。 第二章凝结传热理论摹础 第二章凝结传热理论基础 本章阐述了凝结传热的相关理论知识，详细分析了影响凝结传热的因素，并介 绍了相关冷却介质的特性。 2 1 凝结传热概述 当蒸气与低于其相应压力下的饱和温度的壁面接触时，将发生凝结过程。凝结 时蒸气释放出气化潜热并传给壁面，凝结后的液体附着在固体壁面上。 由于凝结液涧湿壁面的能力不同，蒸气在壁面上的冷凝有两种类型：膜状凝 结。当冷凝液能润湿壁面时，在壁可上形成一层连续的液膜，蒸气在液膜表面冷凝。 冷凝放出的潜热必须通过这层液膜才能传给壁面，因此液膜是冷凝传热的热阻所在。 珠状凝结。若冷凝液不能润湿壁面，冷凝液以液滴形态附着在壁面上。当液滴增 长到一定尺寸后，沿壁面滚落或滴下，露出无液滴的壁面，供继续冷凝。 珠状冷凝时的传热系数比膜状冷凝时大5 1 0 倍或更多。但在大多数工业冷凝 器中，珠状冷凝不稳定，实际上都得到膜状冷凝。签于实际工业应用上都只能实现 膜状凝结，所以一般采用膜状凝结的理论进行分析和计算。 2 2 膜状凝结传热 1 9 1 6 年努塞尔首先提出了纯净蒸气层流膜状凝结的分析解。他抓住了液体膜 层的导热热阻是凝结过程主要热阻这一点，忽略次要因素，从理论上揭示了有关物 理参数对凝结换热的影响，长期柬被公认为运用理论分析求解换热问题的一个典范。 努塞尔理论的基本原则是：膜层凝结情况下，液膜越厚其热阻越大，放热就比 较弱。因此，首先要求解液膜厚度，根据努氏的计算，在层流及稳定情况下，不计 及表西张力、惯性力时，冷凝流动的膜层厚度可用下式表示： j ：l 型鉴竽 池- ， _g p j r 万：液膜厚度；叩，：液体( 动力) 粘度； ：液体导热系数：，：蒸气饱和温度；7 管壁表面温度；g ：重力加速度；p l ；液体密度；，：汽化潜热 蒸气凝结时的局部表面传热系数 9 第二章凝结传热理论批础 互：f 趔笙r ( 2 - 2 ) j f4 r l , ( t 。一f 。弦 在高度为l 的整个竖壁上牛顿冷却公式中的温差a t = f ，一f 。，为常数，因而整个竖 壁的平均表面传热系数为 忙m 拈广4 h ，- o 粥f 鹩r 泣， 式( 2 - 3 ) 就是液膜层流时竖壁膜状凝结努塞尔的理论解。 努塞尔的理论分析可推广到水平圆管表面上的层流膜状凝结，平均表面传热系 数的计算式为 ”z ，f 舞甜4 泣。， 式( 2 - 4 ) 中，d 表示水平管的直径。 式( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 中，除相变热按蒸气饱和温度f 。确定外，其他物性均取膜层平 均温度f 。= ( ，+ f 。) 2 为定性温度。 2 3 影响凝结传热的因素 单一饱和蒸气冷凝时，汽相没有热阻，传热系数取决于液膜厚度、液膜流动状 况和冷凝液的物性。儿有利于减薄液膜厚度的因素，都会增强冷凝传热。例如冷凝 液密度大、粘度小以及液膜流向与蒸气流向一致等，均能使液膜减薄，从而使传热 系数提高；而冷凝温度差的增大，冷壁表面不光滑，则会使液膜加厚，导致传热系 数下降。此外，影响冷凝传热的因素还有不凝性气体，蒸气过热度，冷凝液过冷度， 传热面的形状，管束排列情况等。 2 3 1 管束排列对凝结传热的影响 前面推导的水平管凝结换热的公式只适用于单根水平管，而实际上冷凝器大多 数出管束组成。蒸汽在管束上的凝结传热情况与在单管上的凝结传热不同。其主要 特点是上排传热管的冷凝液将滴落到下排传热管上，造成下排传热管上的液膜变厚， 使传热效果变差，传热系数下降。在壳管式冷凝器中的传热管通常采用叉排形式， 如图所示，其每列管子错开一定距离，有利于蒸气的流动。 第一二章凝结传热理论基础 ( a )( b ) 图2 - 1 管排间凝结液流动示意图 假设凝结液是从最上面的管子连续流到下面的管子而不发生唰断，如图2 - 1 9 ( a ) ， 根据j a c o b 得出的结论，蒸气在第f 排管子上的冷凝传热系数口与第l 排管子上的冷 凝传热系数口之阳j 有如下关系： d ，= 口i 【f 3 ，4 一( f 1 ) 】 ( 2 - 5 ) 然而，实际凝结液的流动并非如图2 - 1 ( a ) 那样连续层层叠加，而可能象图2 1 ( b ) 所示的那样发生间断，因此试验结果往往比预测值要高。这表明水平管束冷凝传热 中，不仅要考虑液膜热阻的影响，还要考虑液膜滴落产生的扰动效应。k e r n 建议使 用如下公式： 口，= 甜i p5 “一( f 1 ) 5 “】 ( 2 6 ) 则传热管的平均冷凝传热系数为 =苟o台g台nj“一(f一1)j=鲁杰,，5“(2-1 7 ) v r = l 忙 v 式中，为传热管列数；”，为每列管排数；j v 为传热管总数。令= 专车一y ，则 制冷剂蒸气在传热管束上的平均冷凝传热系数为 = s 。口l ( 2 - 8 ) 2 , 3 2 不凝气体对凝结传热的影响 ( 一) 空气对轻微流动蒸气凝结放热的影响 含有空气的蒸气凝结时，在靠近液膜表面的蒸气侧，随着蒸气的凝结，蒸气的 分压力减小而空气等不凝结气体的分压力增大。蒸气在抵达液膜表面进行凝结的， 必须以扩散方式穿过积聚在界面附近的不凝结气体层。从换热角度看，不凝结气体 第二章凝结传热理论基础 的存在形成了一个附加的热阻，使凝结放热系数显著降低。此外，蒸气分压力的下 降，使穗应的饱和温度下降，减小了凝结韵温差驱动力，从而影确到传热效果。当 蒸气空气混合物在单管外做轻微运动时，空气含量对蒸气凝结放热的影响如图2 2 所示。 ；鞠 2 0 o nj： j ，”0 图2 - 2 空气对轻微流动蒸气凝结放热系数的影响 图中横坐标占是蒸气空气混合物中空气的质量百分比纵坐标口。口。是蒸气空 气混合物凝结放热系数占纯净静止蒸气凝结放热系数比值的百分数。由图可以看出， 口随着增大而急剧减小，当蒸气中只含有l 的空气时，凝结放热系数几乎下降 5 0 。可见，空气对蒸气凝结放热系数的影响是巨大的。 ( 二) 空气对受迫流动蒸气凝结放热系数的影响 i 拥 9 。 姜掷 嚣 j7 0 、， 幽 5 0 n2468 ， l ! 膨* 图2 - 3 空气对受迫流动蒸气凝结放热系数的影响 对纯净蒸气，当蒸气流速较高时，蒸气流对液膜表面产生明显的粘滞应力，从 而对凝结换热产生影响。当水蒸气中含有空气时。汽气混合物的流速对放热过程的 影响比纯净蒸气的更加明显。因为流速的增加，使远离壁面的蒸气分子能更容易的 穿透气膜而达到凝结液表面进行凝结。这相当于减小了空气膜对凝结放热的影响。 、一；氏跌h 触 熊 尹 1 # 一 | | 一 一 一 。卜，ff；f_j 第二章凝结传热理论婊础 图2 - 3 给出空气含量对流动蒸气凝结放热系数的影响。 了，即蒸气受追对流凝结放热对空气的敏感性低于轻微流动凝结放热，空气含量对 ( 三) 不凝气体含量计算 当不凝气体为空气时，假设空气、蒸气以及空气和蒸气的混合物为理想气体， 并认为冷凝器中蒸气是饱和静止的，可以推导出，实验状态( 热态) 下冷凝器中不 m ，、坍。分别为蒸气和空气的质量，单位培；m ，、m 。分别为蒸气和空气的相 对分子质量；只为大气压力，单位忍；只为冷态下冷凝器中真空度，单位p a ；尸 为热态下冷凝器中绝对压力，单位p a ；t o 、r 分别为冷、热态f 冷凝器中温度，单 冷抓 只只= 鲁尺瓦 热鼢纠 f 击一扣刮t 占2：i_=j：；j：i：pja!-萍ps, l 。9 自( 2 - 9 ) 在使用制冷剂的冷凝器中，凝结侧热阻占主导地位，凝结换热的强化具有较大 的现实意义。强化膜状凝结换热的基本原则是尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的 厚度。对于水平管外凝结，通常采用低肋管或各种类型锯齿管这类高效冷凝表面， 它利用冷凝液的表面张力使肋顶或沟槽脊背的凝结液膜拉薄，从而增强换热。图2 - 4 第_ _ 二章凝结传热理论基i 出 ( a ) 锯齿管 耥撇一 ( b ) 低肋管 图2 - 4 强化凝结换热表面 2 5 本文工作选用的强化冷凝管 本文工作中选用了低螺纹翅片管。低螺纹翅片管是普通换热管经轧制在其外表 面形成螺纹翅片的一种高效换热管型，这种管型的强化作用是在管外。其强化作用 一方面体现在螺纹翅片增加了换热面积：另一方面是由于介质流经螺纹管表面时， 表面螺纹翅片对层流边界层产生分割作用，减薄了边界层的厚度。而且表面形成的 湍流也较光管强，进步减薄边界层厚度。综合作用的结果，使该管型具有较高的 换热能力。当用于冷凝时，螺纹翅片十分有利于管下端冷凝液的滴落，使液膜减薄， 热阻减少，提高冷凝传热效率。 2 6 蒸发冷却介质的选择 蒸发冷却系统中冷却介质的选择是非常重要的。用于冷却系统中的介质应满足 如下要求：良好的绝缘性能；合适的蒸发温度和较大的蒸发潜热，以便与电机的运 行温度相匹配：流动性能好，即粘度要小，以利于减小流动阻力提高冷却系统循环 动力；化学稳定性要好，与电机中使用的材料具有相容性；安全无毒，不助燃。 2 6 1 氟利昂类冷却介质 氟利昂是常用的蒸发冷却介质，它的主要特性如下： ( 1 ) 介电强度高，液态时，o - ， 3 7 k v l 2 5 r a m ，气念时盯。2 8 k v 2 5 r a m 。 ( 2 ) 汽化点适宜，c f c 。i i ：2 4 5 。c ：c f c 1 1 3 ：4 7 ”c 。 ( 3 ) 化学性能稳定。 第二章凝结传热理论基础 ( 4 ) 不助燃，无爆炸危险。 ( 5 ) 无毒，无腐蚀往。 氟利昂的相对散热能力见表2 2 。 当实现自循环时，可以不再需要外部功率，这对提高电机效率有利。 表2 1氟利昂( 液体) 的相对散热能力 2 6 2c f c 替代物的选择 由于c f c 类氟利昂物质升至大气平流层后分解出氯元素，会破坏臭氧层。为了 保护环境，1 9 8 7 年在加拿大召开的联合国外长会议上通过了著名的“关于消耗臭氧 层物质的蒙特利尔协定书”，将包括c f c 1 1 3 在内的8 种氟利昂物质列为受控物质， 规定了分阶段减少消费，限制直至完全停止生产的时间表。1 9 9 2 年我国正式加入修 订的蒙特利尔协定。按照协定，西方发达国家己于去年全部淘汰使用c f c 类氟利昂 工质，我国作为发展中国家亦要在2 0 0 6 年全部停止使用。 鉴于此，我们必须寻找一种环保新型冷却介质全面替代c f c 一1 1 3 的使用。以 确保蒸发冷却技术的推广应用和持续发展。合适的替代制冷剂应满足的基本要求是： 1 对环境安全。所选用的替代制冷莉的臭氧耗减潜能值( o d p ) 必须小于0 1 ， 全球变暖潜能值( g w p ) 相对于r 1 2 来说必须很小。 2 具有良好的热力性能。 3 具有可行性。除易于大规模工业化生产、价格可被接受外制冷齐u 的毒性必 须符合职业卫生要求，对人体无不忘影响。 由于历史的原因，目前蒸发冷却技术仍然采用c f c 1 1 3 作为冷却介质。为了适 应新的应用环境的要求，选取新的冷却介质是非常重要的一项工作。目的已经选用 了f f s f f 3 l l 两种氟碳环醚类介质和f l a 一种氟碳氮类介质进行实验，取得了良 好的实验结果，并将f l a 投入了工业试验。 在此基础上，应进行新一轮的蒸发冷却介质选取工作，并长期跟踪相关领域的 进展，不断进行介质更新工作。 第二章凝结传热理论皋础 2 7 本文工作选用介质 本文工作中选用了两种冷却介质。 ( 1 ) 氟利昂c f c - 1 1 3 就目前情况而言，在常用的电气设各制冷剂中，c f c 一】3 是最理想的。c f c 一1 1 3 有着优良的电气性能和传热性能，而且经过多年的研究和应用，对c f c 一3 各方面 的性质已有了比较深刻的认识。c f c 1 1 3 的绝缘强度与某些高压变压器冷却油一样 好，它的液相介电常数为2 4 4 ，气相介电常数比变压器油的略高一点，这就使浸入 其内处于不同电位之间的整个电路的直接接触冷却成为可能，在保证系统安全运行 的前提下，还可降低材料的绝缘等级从而降低投资成本：c f c l13 气化潜热大，运 动粘度小，具有很强的散热能力；除此之外c f c 1 1 3 无毒、不燃烧，热稳定性及 化学稳定性好，因此非常适用于电气设备的冷却。 ( 2 ) 新型冷却介质v e r t r e lx f v e r t r e lx f 是特有的o d p 值为零且g w p 值很低的h f c 液体，经常用于蒸汽去 脂设备中的清洗、漂洗和干燥。它可在大多数应用中取代现有的h c f c 和p f c 液体。 它比c f c 一1 1 3 的沸点高而表面张力低，并且具有不燃性、化学稳定性、热稳定性和 低毒性，还有蒸馏的易复原性。这些独到的物理性能使v e r t r e lx f 成为广泛应用的 理想产品。v e r t r e lx f 的溶解能力比c f c 1 1 3 更强，但也可与醇类、烃类、酯类等共 混形成共沸物或共混物以增强溶解能力。 v e r t r e lx f 为h f c 4 3 1 0 m e e 或二氢十氟戊烷；分子式为c 5 h 2 f 1 0 0 为无色透明液 体。其性能见表2 - 2 ，2 - 3 ，2 - 4 。 表2 - 2 热传导性能 除菲标明，所有性能都在2 5 。c ( 7 7 。f 1 条件3 。福4 n 。 第二章凝结传热理论基础 表2 - 3 物理性能 除1 | 标明，所有性能都在2 5 。c ( 7 7 0 f ) 条件r 得到。 表2 - 4 环境性能 1 7 第三章凝结传热实验研究 第三章凝结传热实验研究 本章介绍了凝结传热实验装置，并在此装置上进行了一系列实验研究及相关的 理论研究，并对研究结果进行了比较与分析。 3 1 实验装置 图3 一l 为凝结传热实验装置。 图3 一l 实验装置 第三章凝结传热实验研究 3 1 - 1 实验系统流程图 本实验装置由加热蒸发部分、冷凝部分、冷却水系统以及测量系统组成。实验 系统流程见图3 - 2 。 3 1 2 蒸发部分 幽3 - 2 实验系统流稃图 本系统的加热器件采用加热板的形式，加热板的热流密度为2 w c m2 ，每块功 率1 1 k w ，规格为2 7 5 姗2 0 0 帆( 见图3 3 ) ，共l o 块。加热时控制加热板的通 电块数，这样热负荷就可以1 i k w 的变化量改变。通过调节其中一块加热板的供电 变压器，可以实现加热量的连续变化。 加热容器为方形箱体。箱体上设有蒸气出口阀、空气排出阀、压力表、液位计 及冷凝液的回流口，与冷凝部分连成一个循环通道。 图3 - 3 蒸发沸腾器 1 9 第三章凝结传热实验研究 3 1 3 冷凝部分 冷凝装置外形为磺放的圆筒。冷凝装置顶部有进气管道，压力表，测温热电偶 的出线密封法兰，以及放气阀；底部有冷凝液流出管道。内芯为水平横放的冷凝管 束。在芯体两端有进出水均压盒。 该冷凝装置具有通用性。能够实现不同冷凝管型和不同介质的测试要求。实验 不同的管型时只需要更换装有冷凝管的内芯即可，外面的简体及其它附属设备均不 用更换。 裁。 擎二- j “，舡一! - 。 n 囊1 二一一二二二二二 一。寻， 1 匹磐。 一一 i 兰 l 一进出水均压盒；2 一内芯体：3 一筒体：4 一热电偶出线法兰；5 一进气管 6 一压力表：7 放气蚓：8 一内芯体密封法兰：9 一冷凝液流山管 幽3 - 4 冷凝部分装配幽 3 1 4 流量测量系统 本实验装置对冷凝液流量的测量采用的是一个基于容积一时问法的用电路自 动计时的流量测量系统。开关按下同时启动2 个控制电路，路控制宅磁闪打7 了通 向本测试容器的阀门同时关闭主管路，另外一路触发计时器丌始计时：当容器内的 浮子触到极限歼关时，极限开关信号触发计时器停止计时器，计时结束，数码显示 管显示出所用时间。 ( 1 ) 流量测量筒的结构示意图( 图3 5 ) ( 2 ) 控制逻辑 a 阀门1 丌通，阀门2 关闭，阀门3 丌通 第三章凝结传热实验研究 b 阀门1 关闭，阀门2 开通，阀门3 关闭 c 阀门1 开通，阀门2 关闭，阀门3 开通 ( 3 ) 控制电路图 图3 - 5 流量筒结构示意图 _ 一一j l 一一 二_ _ 一 二 一一 幽3 6 流鼙系统控制电路图 ( 4 ) 冷凝液流量桶容积 本流量筒采用外径l o l m m ( 内径9 8 m m ) 长度为2 7 0 m m 的不锈钢圆管。由于筒 内还装有引液管和液位浮子，以及简底与电磁阀的连接管道，因此实际的流量筒的 容积应在流量筒加工安装完成后进行容积标定。标定的实际容积为1 8 4 0 毫升。 3 1 5 温度测量系统 ( 一) 热电偶的选择 t 型热电偶是比较古老而又比较通用的热电偶之一，它适用于从3 0 0 一直降到 液氢正常沸点( - - 2 5 2 8 7 ) 这样一个温度范围内的温度测定。 第三章凝结传热实验研究 美国材料试验学会标准年鉴中所列的a s t m 标准e 2 3 0 7 2 规定，t 型商品热电偶 的标准误差极限，在一1 0 1 - - 5 9 c 温度范围内是2 ，在一5 9 9 3 温度范围内 是0 8 ，而在9 3 3 7 l 温度范围内是3 4 。 本实验选用自制的经过检定的铜一康铜t 型热电偶，精度为0 1 。 ( 二) 温度显示仪表 温度显示仪表选用实验室自制的t d 一1 0 0 温度巡检仪，见图3 7 。 幽3 7 温度巡检仪 3 2 实验参数的测定 1 ) 管壁温度的测量 冷凝管柬共有7 根，分三排水平放置，排列方式为三角彤错列，见图3 8 。 幽3 8 管f 的排列 在第一排的l # 管和第三排的6 # 管上分别均匀地布置4 个铜一康铜热电偶，共 敷设8 个测点。 2 ) 蒸气温度的测量 在实验段的冷凝筒内分散支架3 个铜一康铜热电偶。 3 ) 冷却水进出口水温的测量 在冷却水进口端和出口端各分别布置一个铜一康铜热电偶。 4 ) 冷却水流量的期4 量 2 2 第三章凝结传热实验研究 采用传统人工计时的容积时间法测量冷却水的流量，测量用的流量桶标定 容积为2 3 5 升。 5 ) 冷凝液流量的测量 采用上述电路自动计时的流量测量系统测量。 6 ) 压力的测量 采用量程为一o 1 - 4 ) ，1 5 m p a 的压力表测量系统压力。 3 3 实验步骤 1 实验前先进行系统保压测试：向密封腔体内注入压缩空气至0 1 2 0m p a ，经2 4 小时保压后密封腔内压力不下降。证明系统密封良好。 2 向蒸发沸腾器中灌入c f c l1 3 液体，冷却介质液面高出加热扳约4c m 。 3 每次实验前都要先对系统加热，使压力升至0 0 6 0 4 p a ，然后打丌放气阀排除 系统内的空气。 4 光滑单管实验：采用6 # 管做单管实验，用塞子堵住l # ，2 # ，3 n ，4 # ，j # 和7 葬 管的两端。维持恒定的冷却水流量，调节加热量，使系统的压力分别处于0 0 0 0 ， 0 ，0 2 0 0 0 4 0 ，0 0 6 0 ，0 0 8 0 和0 1 0 0m p a ，在每个状态点保持稳定半个小时后 记录下各个测点的温度、冷凝液流量等参数。 5 光滑管束实验：( 1 ) 7 根冷凝管全部使用，维持恒定的冷却水量，调节加热量 使系统压力处于不同状态点，在每个状念点保持稳定半个小时后记录下各个测 点的温度、冷凝液流量等参数；( 2 ) 保持蒸气温度不变，调节冷却水量和加热 量，使系统处于不同状态点，在每个状念点稳定半个小时后记录下箨个测点的 温度、冷凝液流量等参数。 6 螺纹管束实验：更换光滑管束为螺纹管束，实验步骤同上。 7 新型冷却介质实验：更换c f c 1 1 3 冷却介质为v e r t r e lx f 新型冷却介质，实验 步骤同上。 3 4 理论计算方法 3 4 1 凝结传热系数的修正计算 努塞尔分析解是在比较理想的条件下饱和蒸气膜状凝结换热的计算式，而实际 第三章凝结传热实验研究 中所发生的膜状凝结过程往往更加复杂。由于实验中无法将冷凝器中的空气全部排 出，所以蒸气并不是在真空状态下凝结，蒸气中也不可避免地含有一定的空气量。 这在一定程度上影响了凝结传热系数的计算精度，所以必须对传热系数的计算做一 定的修正。 现有的实验测定结果表明，水平单管外纯净蒸气凝结的努塞尔分析解与多种流 体( 包括水及多种制冷剂) 的实测值的偏差比较小，一般在1 0 以内，最多达1 5 。 因此，我们采用单管凝结换热的实验测定来考查不凝气体含量对凝结传热系数的影 响。 单根管冷凝传热系数的计算式表达式如下： z ， 羔r ， 实验状态下冷凝器中不凝气体的质量分数s 的计算如第二章中所述： 卵而零簪圳 2 ) 实验测得的单管凝结换热系数皿与理想情况下的理论计算结果 。进行比较，作 出占一h 、h 。曲线，以此来修乖理论计算公式。 令修j | 糸数：c = h h o 则经过修正后的凝结传热系数表达式为： 牡盯：躺r c ， 3 4 2 光滑管束传热系数的计算 在考虑不凝气体的影响，对传热系数进行了修正的基础上，考虑管子排列方式 的影响，对光滑管束传热系数进行计算，计算公式如下： 铲专车矿“ 俘4 ， h 2 , = 0 7 2 9 瑞r 。 俘s ， 2 4 第三章凝结传热实验研究 3 5 实验数据处理方法 1 ) 出实验测得不同测点的蒸气温度和管壁温度，由此得到平均的蒸气温度，和 平均的管壁温度r 。，则蒸气温度和管壁温度的温差为 2 ) 由实验测得冷凝液的体积流量_ ，计算凝结侧的热流量q ，为 其中。，为介质的密度，r 为介质的潜热。 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 3 ) 由实验测得冷却水进出口的温度f 。和f ，以及冷却水的体积流量吃，计算水 侧的热流量9 。为： q 。= c 。p 。儿( f 。一，) ( 3 8 ) 其中，c 。为冷却水的定压比热，p 。为水的密度。 4 ) 平均传热系数的计算采用如下表达式： ：旦：盟蚴丝 ( 3 9 ) 3 a j t趔。0 。一 。、 其中，对于光滑管，a 。为管外表面积：对于螺纹管，爿，为外基管面积。q 为平均 热流量，是水侧热流量与凝结侧热流量的平均值。 3 6 实验与理论计算结果 3 6 1 光滑单管实验( c f c 一11 3 ) 实验采用的冷凝管为紫铜圆管，具体参数见表3 一l 。 表3 一l 光滑冷凝紫铜圆管的参数 外径d 。( m ) 内行d ( 肌) 长度，( m ) o ，0 1 9 o 0 1 7o 7 第三章凝结传热实验研究 采用c f c 一1 1 3 为冷却