浅谈空-空冷却器结构设计及应用

浅谈空-空冷却器结构设计及应用

 田浩辰,薛雄博,杨怡乐

中车永济电机有限公司   山西 永济      044502

摘要本文主要介绍了风力发电机用空-空冷却器的应用前景、结构型式和工作原理等基本内容，同时根据自身从事空冷器设计工作的经验，将整体结构设计中所涉及的关键结构参数等主要数据作出指导性建议，为今后对空-空冷却器感兴趣的同志提供一定的数据支持。

关键词空气冷却 热交换 传热系数

0  引言

随着石油、煤炭等化石燃料带来的环境负面影响日益严重，风能、太阳能和氢能等清洁能源的发展将逐渐取代传统能源。依据国家“十四·五”战略规划，要求“实现生态环境持续改善，能源配置更加合理，大力发展绿色能源”等目标有利于推动清洁能源的高速发展。

根据相关数据统计：清洁能源中水力发电比例为14.1%，风力发电比例为6.8%。通过调查表明：水力发电虽占比较高，但一般的水电系统工程较为庞大，在不包含耗时更久的前期规划、选址迁移和建造筹备等环节，单是水电站建设周期至少需要7-10年。而风力发电技术及系统工程基本成熟，国内陆上、近海风场资源较为丰富，建设周期一般在1-2年，因此风力发电的发展趋势有望得到更快的提升。

风电发展趋势的加快也意味着风电技术的提升，最主要的提升趋势是风电机组大型化，即风机单机功率大型化以及叶轮直径大型化。而风机单机功率提高必然需要更高效的冷却系统，因此由此介绍下空冷器的主要内容。

1  空冷器冷却方式

风力发电机（双馈型）的冷却系统常采用强迫通风直接冷却和强迫通风间壁式冷却两种方式，强迫通风直接冷却一般称为空气直冷式冷却器,其工作原理：电机启动后绕组铜损加热周围空气，热空气通过顶驱风机排到大气环境，大气环境的冷空气经过冷却器窗口过滤棉被吸入电机进而对电机内部进行冷却。

强迫通风间壁式冷却分为空-空冷却器和空-液冷却器，其中空-空冷却器工作原理：整个换热过程分为内风路循环和外风路循环，当风力发电机启动后，电机内部绕组铜损加热周围空气，通过转子旋转将热空气由下而上输送至空空冷却器内部，热空气通过管壁与多层冷却管中的冷空气进行热交换后温度降低，由于冷却器内部空间导流和电机内部负压的存在，使得降温后的冷空气由上而下被转子吸入并加热，周而复始形成内风路循环；与此同时，冷却器的进风口风机不断往冷却管中吹入大气环境冷空气，冷空气与冷却管侧的内部热空气进行热交换后温度升高，再经冷却器的出风口排到大气环境，从而形成外风路循环。

对于空-液冷却器而言，其工作原理与空-空冷却器相似，不同处在于换热介质由空气替换为传热系数更佳的液体，单从冷却性能考虑，液体中水的比热容约为空气的4倍，在相同的体积以及温升情况下，液体带走的热量远高于空气。另外，空气侧传热系数较低，约为40-60W/(m2 ·K)，而冷却液体的传热系数约为400-600W/(m2 ·K)，一般来说空-液冷却器的冷却性能是空-空冷却器的10-30倍以上，所以风电冷却系统的第一选择必然是空-液冷却器。

但由于空-液冷却器确实存在制造成本过高，维护过程复杂的不利因素，不适合大规模风电装机，因此一般情况下选择使用空-空冷却器作为主要的风电冷却系统。

2 空-空冷却器设计关键项点

2.1空-空冷却器冷却管排布

冷却管的排布对冷却性能的影响主要在传热系数K与管外压降ΔPo，排布方案需要遵循一定的规律。

在局部排列形式上大体分为顺排和错排，细化可分为正方形排列、转角正三角形排列、正三角排列和转角正方形排列四种形式。

a）采用正方形排列，在一定的管排面积上可排列的数量最少，散热面积小，热空气主要为层流运动，接触冷却管表面的时间短，传热系数较低，但此形式便于对管壳进行清洗除垢处理，适用于易结垢的流体结构。

b）采用转角正三角形排列，在一定的管排面积上可排列的数量较多，散热面积增大，但热空气有一部分仍为层流运动，不利于传热，相比于正方形排列传热系数较高，此形式亦适用于易结垢的流体结构。

c）采用正三角形排列，在一定的管排面积上可排列的数量最多，散热面积大，气体湍流扰动程度大，热空气与冷却管表面接触时间长，传热系数较高，但此形式不利于对管壳进行清洗，适用于无需除垢的流体结构。

d）采用转角正方形排列，在一定的管排面积上可排列的数量较少，散热面积小，但其排列与正三角形相似，气体湍流扰动程度较大，传热系数相对较高，同样适用于无需除垢的流体结构。

在整体排列方式上主要应用矩形排列和M形排列。

a）矩形排列：冷却管按照一定的管间距错排布满整个空冷器管板，从截面方向形成一个矩形，是最常用的排列方式。但由于壳体内布有十几排冷却管，热空气需全部通过才能返回，管外风阻较大，对传热系数有一定的影响。

b）M形排列：将冷却管分为4组以一定的角度错排形成一个“M”形，虽然冷却管数量较少，但在热空气流动方向上通过的管排数较少，管外风阻较小，有利于提高传热系数，此形式一般常用于径向通风的电机。

此外，管排布的管间距也会对传热系数有一定的影响，管间距过大，湍流扰动程度小，传热系数降低；管间距过小，管外风阻大，传热系数降低，一般管心距应大于管外径的1.25倍。

2.2空-空冷却器冷却折流板设置

空-空冷却器结构设计中除了整体强度需满足要求外，最关键的结构部分在于壳程内风路中折流板的结构型式以及分布位置。折流板的作用在于改变热空气流动方向，增加空气流速，加强湍流扰动，迫使热空气能够多次通过冷却管以提高传热效果。同时，折流板可以起到对管材的支撑、定位作用。

一般情况下折流板的高度应为冷却器壳体高度的75%—80%，计算过程中应将折流板缺口处空气流速与热空气进风风速进行匹配，可有效避免内风路不畅的问题。

2.3空-空冷却器冷却管选择

冷却管作为传热的主要导体，对其外形尺寸及材质都有一定的要求，一般应当从空冷器使用的环境要求、重量限制以及成本等多方面因素去选择适合的管材。目前常用的管材从外形上有圆形、椭圆形以及U型，材质上以碳钢和铝管为主，其中最广泛使用的是3A21铝管，该材料为铝锰合金，重量轻、防腐蚀性能优良。

2.4空-空冷却器冷却管固定方式

空-空冷却器中的冷却管需要与多层折流板以及两端的固定管板连接起来，可选用强度焊接、强度胀接、胀焊并用以及粘接的方式，不同的条件下选择相应的方式。

a）强度焊接：适用于设计压力不大于35MPa，振动幅度较小的场合，一般用于管材数量较少、管排布简单、管心距较大的冷却器型式。

b）强度胀接：适用于设计压力4MPa，设计温度不高于250℃的场合，一般不受限于管材数量、管排布以及管心距。

c）胀焊并用：适用于密封性要求较高且振动幅度较大的场合，主要分为强度胀+密封焊和强度焊+贴胀两种方式。

d）粘接：主要通过胶粘剂使得冷却管与板材表面、冷却管与板材安装缝隙之间形成面连接，从而起到固定作用。相比于胀接和焊接而言，粘接方式的密封、绝缘、减震以及耐腐蚀性能较好，连接材料范围广，但由于粘接过程工艺复杂，胶粘剂的分布离散性大，其抗冲击韧度与弯曲强度不如上述两种方式。

3总结

经过近一年的设计研究，对空-空冷却器的工作原理、热工计算、结构型式以及关键项点都有一定的理解和掌握，按照上述设计思路开发出几款风电产品用空冷器，经过试验检测各项指标均符合要求。今后将在结合公司风电产品的基础上，深入开展对空-空冷却系统中管排方案、传热效率提升以及风路结构优化的研究，为今后开展其他冷却系统奠定理论基础和实践经验，最终为公司创造更多的效益。

参考文献

［1］空气冷却器 赖周平 中国石化出版社 第1版.

［2］机械工程材料手册非金属材第四章 机械工业出版社 第7版.

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