（电机与电器专业论文）蒸发冷却介质凝结传热特性测试平台的研制及相关实验研究.pdf

r e s e a r c ho nh e a tt r a n s f e rp r o p e r t ym e a s u r i n gs y s t e mf o re v a p o r a t i o n - c o o l i n gc o o l a n ta n dc o n c e r n i n g e x p e r i m e n t s r e s e a r c ho nh e a tt r a n s f e r p r o p e r t ym e a s u r i n gs y s t e m f o r e v a p o r a t i o n - c o o l i n g c o o l a n ta n d c o n c e r n i n ge x p e r i m e n t s a b s t r a c t l is h i q i n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yx i o n gn a n e v a p o r a t i o n - c o o l i n gi se f f e c t i v ea n ds a f ea sg e n e r a t o rc o o l i n gt e c h n o l o g y c o n d e n s e r i s o n eo ft h ei m p o r t a n t p a r t si nae v a p o r a t i o n - c o o l i n gs y s t e m ，w h i c hc o n d e n s a t i o np r o c e s si ni t t a k e sai m p o r t a n tr o l et ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ee v a p o r a t i o n - c o o l i n gs y s t e m t h e r e f o r e t h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rp r o p e r t yb e t w e e nd i f f e r e n tc o o l a n ta n dd i f f e r e n tc o n d e n s i n g t u b e s ，w i t hd i f f e r e n tm a t e r i a la n d d i f f e r e n te n h a n c i n gh e a tt r a n s f e rs t r u c t u r e ，i st h eb a s eo f t h e c o n d e n s e rd e s i g n i n gi ne v a p o r a t i o n c o o l i n gs y s t e m ，a n di ti sa l s oo n eo fp r e r e q u i s i t e sf o r o p t i m i z i n g t h ew h o l e e v a p o r a t i o n - c o o l i n gs y s t e m i nt h i s p a p e r , i no r d e rt o m e e tt h ed e m a n d so nt h er e s e a r c ho fe v a p o r a t i o n - c o o l i n g t e c h n o l o g y , am e a s u r i n gs y s t e m i sb u i l tt om e a s u r et h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ， t h es y s t e mc o n s i s t so ft h e b o i l e r , t h ec o n d e n s e r , t h ec o o l i n g w a t e r s y s t e m a n dt h e m e a s u r e m e n ts y s t e m g e n e r a l i t yi st h ek e yp r o b l e mi nt h i ss y s t e m f o re x a m p l e ，t h et u b e s s h o u l db ec h a n g e de a s i l yw h e no t h e rc o n d e n s i n gt u b e sw o u l db em e a s u r e d ，w h i l eo t h e rp a r t s o ft h es y s t e md o n tn e e dt ob ea l t e r e d ，a f t e rc o m p a r i n gt h r e e s t r u c t u r em o d e l so ft h e c o n d e n s e r , t h em o d e l i sa d o p t e di nt h i ss y s t e m ，w h o s es e a ls t r u c t u r e sa n dc o n s t r u c t i o na r ea l l s i m p l e ，a n dt h et u b e sc a nb ec h a n g e de a s i l y i nt h i ss y s t e map i e c eo fa p p a r a t u sp e r f e c t st h e m e a s u r i n gs y s t e mw h i c h c a nm e a s u r ef l o wr a t ea u t o m a t i c a l l y t h e nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo n t h er - 1 1 3f i l mc o n d e n s m i o nh e a tt r a n s f e ro nh o r i z o n t a l s m o o t hp u r e c o p p e rt u b e s i s p e r f o r m e d w i t ht h i s s y s t e m t h e c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s a r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt o t h e e x p e r i m e n t a l d a t a a f t e ra n a l y z i n gs o m ee r r o r si nt h ee x p e r i m e n t s ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tr e d u c e sw h e nt h e r e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s e s f i n a l l ys o m ea d v i c e sf o ri m p r o v i n g t h es y s t e m sp e r f o r m a n c e i n 垒! 墅型 a n dt h ef u r t h e rs t u d yo nt h es u b j e c ta r es u g g e s t e d a tt h ee n do ft h ep a p e r , a c c o r d i n g t ot h ec o o l i n gr e q u i r e m e n t so fas h i pp r o p u l s i o nm o t o r , d o u b l ee 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 yi sp r e s e n t e da n dt e s t e dw i t ht h em o d e lo f t h es h i p p r o p u l s i o nm o t o lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a td o u b l ee v a p o r a t i o n c o o l i n gi sa c t a b l e a n dc a i lt a k ea w a yt h es a m ea m o u n to fh e a tj u s tl i k en o r m a le v a p o r a t i o n c o o l i n g ，a n dt h a t d o u b l ee v a p o r a t i o n c o o l i n gc a nm e e tt h ec o o l i n gr e q u i r e m e n t so f t h es h i pp r o p u l s i o nm o t o r a f t e ro p t i m i z i n gt h ed e s i g no f t h ec o o l i n gs y s t e m k e y w o r d s ：c o n d e n s a t i o nh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t - m e a s u r i n gs y s t e m ，s h i pp r o p u l 8 1 0 n m o t o r , d o u b l ee 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 蒸发冷却介质凝结传热特性测试平台的研制及相关实验研究 a表面积，叶 c 。定压比热，j ( k g k ) d 内直径，m d 。 外直径，m g 重力加速度，r n s 2 h 凝结传热系数，w ( m 2 k ) ，长度，m g 热流密度，w m 2 q热量，j t温度， t 。 饱和温度 f 。 管壁温度， v体积流量，m 3 s 五 导热系数，w ( m k ) y 潜热，j ，蚝 p 密度，k g m 3 口动力粘度，p a s r e雷诺数 m 努塞尔数 p r 普朗特数 主要符号表 v i i 第一章引言 第一章引言 1 1 研究背景 电机的冷却方式分为气冷和液冷两大类。气冷的冷却介质包括空气和氢气。液冷的 介质有水、油、及蒸发冷却所使用的氟利昂类介质及新型无污染化合物类氟碳介质。发 电机所采用的冷却方式较为多样，包括空冷、氢冷、水冷、油冷、蒸发冷。其中空冷的 结构最为简单，但通风损耗大，与同容量氢冷机组相比较效率较低；同时，出于风路复 杂，风量分布不均造成整个电机温度分布不均，容易因热变形不均匀而导致各种问题。 氢冷效率较空冷有所提高，然而氢气介质的密封防爆问题始终是氢冷系统在安全方面的 关键问题。水内冷的效果很好，但“堵”和“漏”两大问题却成为电机安全运行的潜在 危险。与其它冷却方式所面临的问题相比，蒸发冷却技术具有极大的优势。蒸发冷却从 原理上说是一种高效的冷却方式，气化热大，所需流量小，绕组各部分之间温差小。采 用蒸发冷却的电机冷却效果很好，且运行安全可靠。 蒸发冷却的研究经历了从低温蒸发冷却到常温蒸发冷却再到常温自循环蒸发冷却 的过程。低温蒸发冷却技术使用沸点较低的介质，气化后的饱和蒸气温度低于二次冷却 介质温度，必须经过压缩，使其饱和温度高于二次冷却介质温度，才能进行热交换，冷 凝为液体。在电机的允许温升范围内，冷却介质沸点太低没必要。而且温度低也容易造 成热量逆流，外部热量往电机内部传递。因此考虑用常温蒸发冷却技术，去掉压缩机， 用泵来替换，提供压头克服各种阻力损失。以上两种均属于强迫循环方式。后来的研究 发现。利用电机结构的特点( 例如：立式水轮发电机的定子绕组) ，以及液体气化后密 度发生变化而引起压差变化，可以形成自然循环。蒸发冷却的显著特点是蒸发介质具有 极强的电绝缘性，与其它冷却方式配合时能够扬长避短，特别是采用浸泡式蒸发冷却后 加强了端部的冷却效果，改善了电晕和电磁屏蔽问题，使电机运行可靠。因此是一种极 具前途的冷却方式。 1 2 蒸发冷却技术的国内外研究情况及成果 1 国外的研究情况 二十世纪四十年代以来，美国、日本、英国、俄罗斯、加拿大等国相继开展了将相 变冷却原理应用到大型发电设备中的研究，并已取得一定成果。但这些研究成果均处于 蒸发冷却介质凝结传热特性铡试平台的研制及相关实验研究 实验研究阶段，至今没有成熟产品进入工业应用。他们的主要研究成果f 2 1 查l l 下： 1 9 4 9 年荷兰人t d e k o n i n g 首先提出了“喷雾式蒸发外冷”技术，其电机结构为在 电机的端部装有幅向的细管，水雾直接落在绕组、铁心和转子表面上吸热而气化，生成 的水蒸气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，仅在特种电机上使用。 1 9 6 2 年苏联基辅工学院开始研究“直接膜状蒸发冷却”。其基本原理是用带有空心 导体的定转子绕组作为冷冻机的蒸发器。这种冷却方式在汽轮发电机上使用可使单机容 量比用氢冷时提高一倍，但冷冻功率大、循环系统复杂、操作维护不方便。 1 9 6 9 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。 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，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， 多余的水流入收集器。一个绝缘套筒套在转子周围，筒内的蒸气吸入冷凝器进行冷凝， 再送回转子，压力控制阀自动保持筒内压力，可控制沸腾温度。此种方式需要很多外部 管路和冷却装置，同时水对轴及绝缘材料有腐蚀性。 1 9 7 0 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 - 1 1 3 、r 1 1 4 、r c 一7 5 等。 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，冷却液体吸收热量后蒸 发气化，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。这种自循环蒸发冷却系统冷却效率高，结构简单，操作维护方便，运行安 全可靠，是一种很有发展前途的冷却方案。 2 国内的研究情况 国内对蒸发冷却的研究是以中科院电工所为代表的，其它一些制造厂及研究单位也 曾做过尝试，但都没能取得良好效果。只有电工所将这项工作开展了下来，并已投入了 工业应用。中国科学院电工所在看到了内冷技术优越性的同时，为了解决水内冷电机的 水系统故障问题，于1 9 5 8 年开始从事蒸发冷却技术的研究。最早开展的是“低温冷冻 强迫循环方式1 3 】”。这种冷却方式使用沸点较低的介质，气化后的饱和蒸气温度低于二次 冷却介质温度，必须经过压缩，使其饱和温度高于二次冷却介质温度，才能进行热交换， 冷凝为液体，再次循环使用。1 9 5 8 年在全国第一次三峡科研工作会议上讨论了如何研究 第一章引言 采用先进技术来设计制造三峡巨型发f 乜机问题。t p 科院i 乜工所承担了此项课题后，经过 调查和试验研究提出了利用氟利昂作为介质的自循环蒸发冷却方式。这种冷却方式利用 电机结构的特点( 例如：立式水轮发电机的定子绕组) ，以及液体气化后密度发生变化 而引起压差变化，可以形成自然循环。当时，这在国内外是最早提出的。其原理如下： 绕组空心导体内的冷却液体吸收了热量，在常温下气化，通道内形成气液两相的混合物， 其混合密度小于回液管中未受热的液体密度。在重力加速度作用下，两管中的静压头不 同就产生了压差，这就是自循环的动力，成为流动压头。它是利用介质吸收的热量做功， 推动流体循环，无需外加动力。流动压头克服循环回路中的各种阻力损失，保持正常循 环；压头与总阻力相平衡。随着电机负荷的变化，损耗发生变化，流体的流量发生变化 从而介质的流动速度发生相应的变化，流动压头和总阻力损失在新的条件下达到新的平 衡，可以自动适应电机冷却的需要。这个自循环的原理同样适用于转予，由于离心加速 度比重力加速度大很多，因此循环的动力也大很多，从而使转子实现多匝自循环。电工 所为了进一步研究蒸发冷却原理和设计计算方法，先后建立了“气液两相原理模拟”、“定 子模型”和“旋转模型”等实验室及相应的实验装置，对管道内蒸发冷却的基本规律进 行研究，获得了大量的实验数据，为后来的工业应用积累的大量的实验研究基础。电工 所老一辈科学家经过4 0 多年的艰苦研究，从1 万k w 的小机组到4 0 0 m w 的大型水轮 发电机，已积累了总容量达5 7 0 m v a 的运行经验，为我国大型电机冷却方式寻找新的出 路做出了极大的贡献。目前不论是在基础试验研究或是机组运行经验，还是在蒸发冷却 电机方面，均处于世界领先地位。 中国科学院电工所与东方电机厂及上海电机厂等生产制造单位合作，先后将蒸发冷 却技术应用于汽轮发电机和水轮发电机上，取得了良好的工业应用效果。主要的成果包 括： 1 9 7 5 年与北京电力设备厂联合研制了一台1 2 0 0 k w 全蒸发冷却汽轮发电机。 1 9 8 3 年与东方电机股份有限公司合作，在云南省大寨电站将世界上首台蒸发冷却水 轮发电机投入工业运行。机组容量为1 0 m w ，该电站先后安装两台该型机组，机组正常 运行至今。 1 9 9 2 年与上海电机厂联合研制了一台5 0 m w 汽轮发电机，该机在上海西郊变电站 作调相机运行至今。 1 9 9 2 年与东方电机股份有限公司合作，研制成功一台5 0 m w 蒸发冷却水轮发电机， 蒸发冷却介质凝结传热特性测试平台的研制及相关实验研究 该机在陕西省安康电站正常运行至今。 1 9 9 9 年1 2 月9 日，与东方电机股份有限公司合作，在青海省李家峡电站将一台 4 0 0 m w 蒸发冷却水轮发电机投入运行【4 】0 1 3 课题分析 中科院电工所蒸发冷却研究中心受委托对船舶推进用电机进行预研。由于是船用电 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 电机体积小，则单位体积的能量密度和损耗密度都大，迫切需要采用加强冷却技术。采 用定子浸泡式蒸发冷却利用液体相变后密度发生变化从而引起压差变化形成自循环，不 用另加动力设备，减少了噪声源。液体相变潜热大，单位质量介质带走热量多，从而同 等质量介质带走热量多，能够带走电机发出的全部热量。 本课题研究的二次蒸发冷凝器是对此电机蒸发冷却的关键一环。不仅此冷凝器要带 走定子发出的全部的热量，而且由于结构上的特点。还要带走转子发出的一部分热量。 由于受船舶使用环境的限制最终的冷却介质只能是海水，海水中含有电介质，并且具有 腐蚀性，长时间对冷凝铜管的冲刷腐蚀将会蚀穿冷凝管，如果只采用一级冷却的方式， 海水将直接由蚀漏的冷凝管进入电机定子腔体，产生严重的安全事故。因此考虑采用双 蒸发冷却即二级冷却的方式：在冷凝器和电机定子之间加一个蒸发器，电机定子绕组产 生的热量使浸泡它的介质气化，此蒸气把热量传递给蒸发器中二次介质，使自己冷凝回 液体状态，完成一个自循环；而同时蒸发器中的二次液体介质受热相变为气体，此气体 再把热量传递给冷凝器中的海水从而最终把电机产生的热量传递出去，二次介质的蒸气 在冷凝管上凝结为液体完成一个自循环。 从所查阅的国内外大量文献和专利看，电机上的冷凝器国内外还没有采用过类似的 二次蒸发冷凝方式，此设计从原理和结构上都具有创新性。 冷凝器作为蒸发冷却系统向外界( 冷却水) 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的工作状态起着至关重要的作用。因此不同蒸发冷却介质对不同 材质、不同强化传热结构冷凝管的凝结传热特性，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一。 本课题的任务就是设计一套测量凝结传热系数测量实验平台，并通过紫铜光管与 r 1 1 3 凝结传热系数的测量实验提出砖该平台的改进意见；最后用实验验e - - 次蒸发冷 4 第一章引言 却技术的可行性。 1 4 凝结传热的有关实验研究 蒸发冷却电机的运行优点与可靠性，需要多项技术给予保证。其中之一就是冷凝传 热环节。电机定子采用浸润式蒸发冷却方式后，机组运行时的定子损耗热量均由系统中 的冷凝器进行热交换。因此传热学方面的研究就成为蒸发冷却电机技术中的很重要的部 分。 传热学多采用实验的方法研究。因此本文首先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。 1 静止蒸汽在单管外表面上凝结时的换热的研究1 5 】 在压力接近于大气压的条件下，静止蒸汽在单管外表面上凝结时的换热的研究用的 实验装置的测试段如图卜l 所示。实验管1 放在带蒸汽套3 的外壳套2 中。带有蒸汽套 可以消除对环境的散热损失。和外壳套的中部相连按的汽管，供蒸汽输入和排出之用。 它同时也起转动支架的作用。转动支架机构可以把实验管安霉在垂直的、水平的以及任 何中间的位置上。经过蒸汽套后，蒸汽进入实验管的工作空间，在和实验管的冷表面接 触后，就开始凝结并最后排走。冷凝液从蒸汽套和从实验管的工作空间中排出是分开进 行的。为了观察实验管中的凝结特性设有观察窗。冷却水经过稳压水箱进入实验管。蒸 汽和水的流量用阀门调节。实验管工作空间中生成的冷凝液的流量用秤量的方法测定； 水的流量用孔板测定。进入实验管工作空间的蒸汽的温度和从工作空间出来的冷凝液的 温度用热电偶测量，这些热电偶的热接点安装在适当的套管5 里面。过余蒸汽压可用u 形水银压力计测量。进、出口的水温也用安装在套管里的热电偶测量。为了测量实验管 外表面的温度，在管壁里面埋设了一些热电偶的热接点。启动实验装置后经过1 5 2 0 分钟就建立起稳态热工况。每次实验开始之前都要吹除蒸汽套，之后就把排除冷凝液的 管路上的阀门关上。实验管有保温设施，因而向环境的热损失很小，并且在蒸汽套里形 成的冷凝液的量也很少。 2 蒸汽一水换热器的实验研究5 】 连续运转的蒸汽一水换热器是双程的，每一流程中有两根管子3 ，管子直径为 蒸发冷却介质凝结传热特性测试平台的研制及相关实验研究 1 一实验管；2 一外壳套；3 一蒸汽套：4 一水平放置的转动支架；5 一热电偶套管 6 一填料函密封：7 一吹除汽套的接管；8 一热电偶的热电极 图1 1 研究单管换热用的测试段 1 一换热嚣外壳：2 一稳压水箱；3 一管子；4 一孔板； 5 ，6 ，7 一热电偶：8 一测静压用的取压接管 图1 2 蒸汽一水换热器简图 6 第一章弓l 著 1 0 x 1 m m 、长度为4 0 0 m m ( 图l 一2 ) 。采用水蒸汽作为加热液体的热源( 释热介质) ， 水蒸汽在管子的外表面上凝结：而采用水作为热汇( 被加热的介质) ，水在管内流动。 为了减少向周围环境的热损失，换热器包覆有保温层。蒸汽由上部流进换热器，而冷凝 水则从换热器的下部排走。冷却水经过稳压水箱2 流进换热器。蒸汽和水的流量用阀门 进行调节。所生成的冷凝水用秤重法测量。孔板4 用于测量冷却水的流量。蒸汽和冷凝 水的温度用热电偶5 和6 测量，它们的热接点安装在相应的接管中。水的进出口温差用 多热接点的差动热电偶测量。管子表面温度用四副热电偶7 测量，这四副热电偶敷设在 换热器四根管子的每一根上。用实验室用的电位差计测量热电偶的热电势。冷却水通过 换热器时的静压降用差压计测量，差压计接在进、出口管道的接管8 上。 3 r - 1 5 2 a 在水平单圆管上的膜状凝结实验研究6 1 一燕电偶；2 一压力表；3 一冷凝器；4 一加热沸腾器：5 一冷凝液流量测量筒： 6 一混合气体冷凝器：7 一放气阀；8 一过热器；9 一水流量测量筒；1 0 一水冷却筒 1 1 一水存储罐；1 2 一泵 图l 一3r - 1 5 2 a 膜状凝结实验研究系统流程图 蒸发冷却介质凝结传燕特性潢4 试平台的研制及相关实验研究 图1 3 是b c h e n g 等在研究r - 1 5 2 a 在水平单圆管上的膜状凝结的实验流程图。该 系统由加热沸腾器、冷凝器、介质蒸气和空气混合气体的冷凝器、冷却水系统和测量系 统组成。介质的饱和蒸气在加热沸腾器4 内形成，通过管道进入冷凝器3 的上部，在进 入冷凝器前的入口处设有一个过热器8 排除蒸气中夹带的微小液滴。在冷凝器内部，蒸 气在内部通有冷却水的冷凝管外表面上凝结成液体，汇流后靠重力作用经过冷凝器下部 的回流管道流回加热器。为了从冷凝器内排除非凝结的气体( 一般是空气) 特地设计了 混合气体的冷凝器6 ，非凝结气体从放气阀7 排出，混杂的介质蒸气在冷凝器6 内冷凝 后回流到加热器。冷凝液的流量用体积一时间法测量，而冷却水的流量用重量时间法 测量。经过一次循环后的冷却水进入到冷却器1 0 内进行冷却后才能进入到储水罐l l 中。 1 5 论文主要内容 ( 1 ) 蒸发冷却一些相关技术和理论基础。 ( z ) 设计一套相交传热实验平台，为研究组以后进行冷凝器的继续研究提供一套实验平 台。 ( 3 ) 在设计的实验平台上进行水平光滑圆管凝结实验，得出一些数据，为研究组设计冷 凝器提供可靠的参数。 ( 4 ) 实验结果分析。 ( 5 ) 新型结构冷凝器在电机模型上的整体实验。 ( 6 ) 对实验平台提出改进意见并展望以后应继续深化研究的问题。 第_ f 二章蒸发冷却相关技术和理论皋础 第二章蒸发冷却相关技术和理论基础 2 1 浸润式蒸发冷却原理 从电机冷却需要看，定转予绕组属于“集中式”发热部件，采用“集中”的冷却虽 属必要，但是电机大量的金属部件在交变电磁场内均要产生损耗；例如铁心的涡流、磁 滞损耗；铁心压指、压扳在端部漏磁作用下的附加损耗；转子表面受高次谐波及负序磁 场作用产生的附加损耗等，仅仅依靠“集中”的散热方式( 例如管内冷) 是难以奏效的。 如果考虑电机内的机械损耗，则情况更为复杂。蒸发冷却可以选择具有较好的绝缘及传 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，无论从蒸发冷却所需要的空间或从分散结构部件的冷却需要看均是合适的。 本研究中采用常温密闭自循环方式，它是将定子作成完全密封的舱体，内部充放低 沸点、高绝缘、不燃烧、无毒、化学性能稳定的介质。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温度升高，当达 到了与压力相对应的饱和温度就开始沸腾，吸收热量而变成蒸气，使发热部件得到充分 冷却。因为蒸气密度小于液体密度，产生浮力而向上浮升。在定子顶部放置冷凝管，浮 升上去的蒸气遇到冷凝管，将热量传给二次冷凝水后，冷凝成液体又滴流回到定子腔内。 这样周而复始地运动，就是密闭浸润式蒸发冷却的工作方式。 2 2 沸腾与凝结换热 沸腾是通过大量气泡的形成、成长、上升而将工质从液念变成气态的一种过程。此 时伴随有液气相变的热传递。反之，蒸气和低于其饱和温度t ，的壁面接触而冷凝成液体 的过程，称之为凝结【7 】。 蒸气与低于饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结形式。如果凝结液体能很好地 润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜。这种凝结形式称为膜状凝结。膜状凝结时，壁面总 是被一层膜状覆盖着，凝结放出的相变热( 潜热) 必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去。 这时，液膜层就成为换燕的主要热阻。当凝结液体不能很好地润湿壁面时，凝结液体在 壁面形成一个个的小液珠，称为珠状凝结。 实验证明，几乎所有的常用蒸气，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面 上得到膜状凝结。在大多数工业冷凝器中，例如动力与制冷装置的冷凝器上，实际上都 9 蒸发冷却介质凝结传热特性测试平台的研制及相关实验研究 得到膜状凝结。至于珠状凝结，虽然其表面传热系数要比其它条件相同的膜状凝结大几 倍甚至大一个数量级，但困难在于不能长久地保持。虽然近年来珠状凝结的工作取得了 不少进展，但是，要在工业冷凝器中实现珠状凝结，尚有待做更多的工作。鉴于实际工 业应用上都只能实现膜状凝结，所以从设计的观点出发，为保证凝结效果，只能用膜状 凝结的计算式作为依据。 1 9 1 6 年，努赛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，长期来被公认为运用理论分析求解换热问题的一个典范。 在分析中，努赛尔作了若干合理的简化假定以忽略次要因素，除了上面已明确的纯 净饱和蒸气层流液膜的假定外，还有：( 1 ) 物性为常数；( 2 ) 蒸气是静止的。气液界面上无 对液膜的粘滞应力；( 3 ) 液膜的惯性力可以忽略；( 4 ) 气液界面上无温差，界面上液膜温度 等于饱和温度；( 5 ) 膜内的温度分布是线性的，即认为液膜内的热量转移只有导热，而无 对流作用：( 6 ) 液膜的过冷度可以忽略；( 7 ) a 1 0 4 和 p r = 0 6 1 7 0 0 0 的范围内，上式可以应用。 上列诸式定性温度取流体的平均温度l ，定性尺寸取管子的内直径d ，适用于管长 ， 5 0 d 。如对于管长， 5 0 d 的短管，上列公式之值应乘以短管校正系数1 。 2 4 对流换热强化技术 对流强化不是一个新的课题，早在1 9 世纪末，人们就开始关注传热强化的研究， 但是由于当时的工业生产水平对传热强化的要求不是很迫切，所以对于强化传热的研究 基本上属于实验科学，还很不成熟，相应的传热技术属于第一代。但由于各工业领域对 其不断地提出新的要求，传热强化技术变成一个常盛不衰的研究方向。从2 0 世纪7 0 年 代石油危机开始，国际传热界加强了传热传质过程机理研究，发展了第二代传热强化技 术以提高过程效率和节省能耗。美、日等国的学者( 以a e b e r g l e s 等为代表) 着眼于 换热与阻力的联系，也就是将采取强化换热措施后所获得的收益与付出的代价联系起 来，把目光集中于工程应用，提出了对流换热强化的分类方法，即依据该技术是否需要 额外的动力划分为无源技术( 被动技术) 和有源技术( 主动技术) 。顾名恩义，无源技 术不需要额外的功率消耗，而有源技术需要借助于外加动力( 如机械力或电磁力等) 方 可实现。无源技术由于它不需要其他附属设备和消耗额外功率，在工业生产中的应用比 有源技术更为广泛。按照b e r g l e s 的分类，无源技术可分为下列7 种【l l j ： ( 1 ) 表面处理：用机械或化学的方法将换热表面处理成多孔表面或锯齿形表面，多 用于相变换热，可以增加气化中心及气泡脱离速度，或者促进凝结液的迅速排走。 ( 2 ) 粗糙表面：其表面粗糙元的微观结构几何尺寸比表面处理方法的粗糙元大，但 与通道的几何尺寸相比还是十分微小，主要用于增加壁面附近的流体湍流度、减少粘性 底层厚度，对强化湍流换热十分有效。 ( 3 ) 扩展表面：扩展表面的翅片几何尺寸比粗糙元要大得多，目的是增大换热面积， 它广泛应用于各种对流换熟场合，尤其当介质是气体时，由于换热系数较小，通过增加 换热面积来提高换热能力最为有效。 第二章蒸发冷却相关技术和理论基础 ( 4 ) 扰流元件：扰流元件一般是设置在通道中的与介质流动方向垂直的柱体，它不 仅能对介质的流动起到扰动作用，而且还能增加传热面积。燃气轮机涡轮叶片中的扰流 柱是该结构的典型应用。 ( 5 ) 旋流发生器：旋流发生器是在流动通道中放置的扭曲带、螺旋叶片等，目的是 使层流流动中产生强烈的涡动，从而强化换热。但是，它对湍流状态下的传热增强比层 流时要低得多。 ( 6 ) 表面张力器件：换热表面的某些特殊结构，如多孔结构，利用表面张力能够强 化有相变的换热。 ( 7 ) 添加物：向流体中加入特殊的添加物能够在一定条件下有效地提高其换热系 数，或减小流动阻力。 属于有源( 主动) 强化技术的有6 种：机械搅动；表面振动；流体振动：电磁场； 喷注或抽吸；射流冲击。顾名思义，这些有源技术都需要外加的动力。由于有源技术远 不如无源技术应用广泛，对它的研究也远不如无源技术成熟。 所谓第三代传热技术，包括传热传质过程控制和复合强化技术。复合强化技术就是 同时应用两种或两种以上的强化措施以期获得更好的传热强化效果。正在发展的第三代 传热技术，已经取得了可观的节能效益，但存在着的一个普遍问题是传热强化的同时， 阻力损失也增加很多，因此阻碍了很多高效强化技术的实际应用。 2 5 制冷剂的选择2 1 制冷剂的选择是蒸发冷却技术的关键。制冷剂不仅要具有合适的传热特性，较大的 气化潜热，适宜的沸点，化学性能稳定，无毒，不燃，与实验材料相容等特点，还必须 保证具有高电压击穿强度及低介质损耗等优良的电气性能。 2 5 1 制冷剂的一般选择原则 从2 0 世纪8 0 年代后期开始，世界各国的科学家和技术专家就一直在寻找新的制冷 剂。作为制冷剂应该符合如下要求： 1 热力学性质方面 ( 1 ) 在工作温度范围内有合适的压力和压力比，即希望蒸发压力不低于大气压，避免 蒸发冷却介质凝结传热特性铡试平台豹研制及相关实验研究 冷却系统出现负压，使外界空气渗入系统，影响制冷剂的性质或加剧对设备材料的 腐蚀或引起其他一些不良后果( 如燃烧、爆炸等) ；冷凝压力不可过高，以免设备 过分笨重：冷凝压力与蒸发压力之比也不宜过大。 ( 2 ) 通常希望单位制冷量g 。比较大。因为对于总制冷量一定的装置，q 。大，可减少制 冷剂的循环量。 2 迁移性质方面 ( 1 ) 粘度、密度尽量小，这样可减少制冷剂在系统中的流动阻力以及制冷剂的冲注量。 ( 2 ) 热导率大，这样可以提高热交换设备( 如蒸发器、冷凝器、回热器等) 的传热系 数，减少传热面积，使系统结构紧凑。 3 物理、化学性质方面 在选用制冷剂时，除了要考虑热力性质外，还要考虑制冷剂的物理化学性质，例如 毒性、燃烧性、与金属材料的相容性、与大气环境的“友好性”等。有时这些因素是考 虑选择制冷剂的主要因素。 ( 1 ) 安全性 安全性对操作人员是非常重要的，尤其是在制冷剂长期连续循环的情况下，制冷剂 的毒性、燃烧性和爆炸性都是评价制冷剂安全程度的性质，各国都规定了最低安全程度 的标准。 ( 2 ) 对材料的作用 碳氢化合物制冷剂对金属有腐蚀作用。 在正常情况下，卤素化合物制冷剂与大多数常用金属材料不起作用。但在某种情况 下，一些材料将会和制冷剂发生作用，例如水解作用、分解作用等。制冷剂与金属材料 接触时发生分解作用强弱程度的次序( 从弱到强) 是铬镍铁、耐热合金、不锈钢、镍、 紫铜、铝、青铜、锌、银( 分解作用最大) 。 含镁量超过约2 的镁锌铝合金不能用在卤素化合物制冷帮的制冷机中，因为若有 微量水份存在时就会引起腐蚀。有水份存在时，氟利昂水解成酸性物质，对金属有腐蚀 作用。氟利昂与润滑油的混合物能够水解铜。所以当制冷剂在系统中与铜或铜合金接触 时，铜便溶解到混合物中，当钢或铸铁部件接触时。被溶解的铜离子又会析出，并沉浸 1 4 第二章蒸发冷却相夭投术辑硅论基础 在钢铁部件上，形成一层铜膜，这就是所谓的“镀铜”现象。这种现象对制冷机的运行 极为不利，因此制冷系统中应尽量避免有水份存在。 当使用氨作为制冷剂时，不适合使用黄铜、紫铜和其他铜合金。因为有水份时会引 起腐蚀。但磷氢铜与氨不起作用。 某些非金属材料，如一般的橡胶、塑料等，与氟利昂制冷剂会起作用。橡胶与氟利 昂相接触会发生溶解；而塑料等高分子化台物则会起“膨润”作用( 变软、膨胀和起泡) ， 在制冷系统中要选用特殊的橡胶或塑料。 ( 3 ) 对润滑油的互溶性 在大多数制冷系统中，工质与润滑油相互溶解是不可避免的。各种工质与润滑油之 间的溶解程度不同。有的完全互溶，有的几乎不溶解，而有的是部分溶解。若制冷工质 与油不相溶解，可以从冷凝器或注液器将油分离出来，避免将油带入蒸发器中，降低传 热效果。制冷工质与油溶解会使油变稀，影响润滑作用，且油将会被带入蒸发器中，影 响到传热效果。 ( 4 ) 对水的溶解性 不同制冷剂溶解水的能力不同。氨可阻溶解比它本身大许多倍的水，生成的溶液冰 点比水的冰点低。因此在运转的制冷系统中不会引起结冰而堵塞管道通路，但会对金属 材料引起腐蚀。氟利昂很难与水溶解，烃类制冷剂也难溶解于水。例如在2 5 。c 时，水在 r - 1 3 4 a 液体中只能溶解0 1 1 ( 质量分数) 。当制冷剂中的水超过上述百分数就会有纯 水存在。当温度降到0 c 以下时，水就会结成冰，堵塞截流阀或毛细管的通道，形成“冰 堵”，致使制冷机不能正常工作。 前面已经提到，水溶解制冷剂后会发生水解作用，生成酸性产物，腐蚀金属材料。 含有氯原子的制冷剂会水解生成盐酸，不但会腐蚀金属材料，而且还会降低电绝缘性能。 因此，制冷系统中不允许有游离的水存在。 ( 5 ) 泄漏性 制冷系统工作时不允许有制冷剂向外泄漏。 ( 6 ) 制冷剂与大气环境 氟利昂类制冷刹中，凡分子内含有氯原子或溴原子的制冷剂对大气臭氧层有潜在的 消耗能力。为描述对臭氧的消耗特征及强度分布，通常使用o d p 值。o d p 值( o z o n e d e p l e t i o n p o t e n t i a l ) 表示对大气臭氧层消耗的潜能值，以r 1 l ( c f c l l ) 作为基准值， 蒸发冷却介质凝结传热特性测试平台的研制及相关实验研究 其值被人为地规定为1 0 。 这些制冷剂不仅要破坏大气臭氧层，还具有全球变暖潜能( g l o b a lw a r m i n g p o t e n t i a l ，简称g w p ) 。作为基准，人们也选用r - 1 1 ( c f c l l ) 的值为1 0 ，其符号为 g w p 。 传统制冷剂r - ll 、r - 1 2 不仅o d p 值很高，g w p 值也很高，是大气环境不友好的 制冷剂，因此要被禁止使用。作为替代r 1 2 的新制冷剂r - 1 3 4 a ，虽然其o d p 已经是0 ， 但仍有较高的g w p 值。一些自然制冷剂如r - 6 0 0 a ，r - 1 7 ，r 2 9 0 等，他们既不破坏大 气臭氧层，又不导致全球变暖，是环境“友好”制冷剂。 4 其他 原料来源充足，制造工艺简单、价格便宜。 实际上，完全满足上述要求的制冷剂是不存在的。各种制冷剂总是在某些方面有其 长处，另一些方面又有其不足。使用要求、机器容量和使用条件不同，对制冷剂性质的 侧重面就不同，应按主要要求选择相应的制冷剂。一旦选定介质后，由于它本身性质上 的特殊性，又反过来要求制冷系统在流程、结构设计及运行操作等方面与之相适应。这 些都必须在充分掌握制冷剂性质的基础上恰当地加以处理。 最早全面地进行c f c 。替代物研究的是美国国家标准与技术研究院( 简称n i s t ) 的 麦克林顿( m c l i n d e n ) 等人。但是到目前为止还没有找到一种可用来替代的理想制冷剂， 各种研究仍然在努力的进行中。 2 5 2 电气设备制冷剂的选择 最近，一些混合工质冷却介质已被研制出来，并获得国际上的认可。但这些混合工 质基本上用于空调及冰箱等设备上，不适宜在高电压、强磁场的大型电气设备上使用。 作为电气设备的冷却介质，除应满足前面提到的性质外，更重要的是要满足电气性能。 常压下常用的冷却介质及新合成的冷却介质的热、电性质的比较见表2 1 。 s f 6 通常为气态，常用作变压器的冷却和绝缘气体，因其换热能力有