CN101093948A - 大中型电机专用的空-水复合冷却管 - Google Patents

大中型电机专用的空-水复合冷却管 Download PDF

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CN101093948A CN 200710043485 CN200710043485A CN101093948A CN 101093948 A CN101093948 A CN 101093948A CN 200710043485 CN200710043485 CN 200710043485 CN 200710043485 A CN200710043485 A CN 200710043485A CN 101093948 A CN101093948 A CN 101093948A
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董卫龙
庄萍
魏安林
肖良
宋文清
戎春流
董如君
徐佩敏
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Abstract

本发明公开一种大中型电机专用的空—水复合冷却管,包括基管和套在基管外的散热管,散热管外表面制成环状的翅片,翅片呈下粗上细的锲形结构,翅片之间的槽底面呈弧形,所述的翅片宽度为8-20毫米。本发明其优点是冷却效果好,节水、节电,且强度高、低成本。与其它冷却管比较,同体积单位温差散热功率好,管材复合的公差小,二种管的接触充分,传热效果好,换热性能的大大提高,与国内同类产品比较,其复合性能上要提高30%,换热性能上要提高10%以上,因此,既省电又节水;由于在翅片的结构上作了较大的改进,将翅片制成下粗上细的锲形结构,有效地提高了抗高压风的冲击能力和使用寿命。

Description

大中型电机专用的空—水复合冷却管
技术领域
本发明涉及一种散热管,尤其涉及一种电机用的冷却管,系采用空—水冷却模式对大中型电机进行冷却的大中型电机专用的空—水复合冷却管。
背景技术
早期电机所采用冷却形式是通风管道式的,热风直接排到大气中,对环境造成了一定程度的污染。上世纪八十年代后,采用背包式空气冷却器替代,采用的换热管是绕片式换热管、绕簧式换热管以及穿片式换热管,但这三种管型都不甚理想,绕片式换热管质量不稳定、传热效果差,绕簧式换热管因为散热部分材料是铜,造价高,而且此种管型风阻大。
为了克服上述三种管型的缺陷,有必要开发一种传热效果好、强度高的冷却管。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种传热性能好、强度高的冷却管。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种大中型电机专用空—水复合冷却管,包括基管和套在基管外的散热管,散热管外表面制成环状的翅片,翅片呈下粗上细的锲形结构,翅片之间的槽底面呈弧形,翅片高度为8-20毫米。基管和散热管充分接触,便于传热,并且其也结构稳定。将翅片之间的槽底面设置为弧形有三个作用:一、使得翅片的根部强度更高,能够承受更大的外压;二、提高锲合力,受力更加均匀;三、增大表面积,提高散热能力。
在上述技术方案基础上,所述的基管为铜管或钢管。
在上述技术方案基础上,为了使散热管容易挤压成型,所述的散热管为铝质材料。由于铝的可塑性好,容易挤压成型,方便加工制造。
翅片的形状是采用刀具挤压方法成型的,在挤压过程中,由于晶粒受挤压,其晶粒间距变小,晶相发生变化,晶体结构变得更稳定,翅片强度大大提高。虽然翅片厚度并不大,但是由于翅片的强度、硬度等物理性能指标的大大提高,使得翅片具有很好的支撑能力,因此,翅片不会在摆放和安装的过程中发生变形。前述事实说明,挤压之后的冷却管取得了预料不到的技术效果,在大大提高翅片强度和硬度的同时仍然保持良好的传热性能。
在上述技术方案基础上,所述的翅片高度最好为8-13毫米。
本发明优点如下:
一、二种管材复合的公差小,二种管的接触充分,传热效果好,与国内同类产品比较,其复合性能上要提高30%,换热性能上要提高10%以上,因此,既省电又节水;
二、由于翅片的结构上作了较大的改进,将翅片制成下粗上细的锲形结构,有效地提高了抗高压风的冲击能力和使用寿命;
三、使用合适的润滑和冷却液。翅片管轧制过程中需要不断进行冷却和润滑,以保护刀具和翅片管;
四、由于换热性能的大大提高,还能节约材料,降低原料成本,如按国内每年需求500万米,按每米45元材料成本,性能提高10%,材料成本就能节省约10%核算,则每年能节省成本500万米×45元/米×10%=2250万元。
附图说明
图1为绕片式气体复合冷却管结构示意图;
图2为绕簧式气体复合冷却管结构示意图;
图3为轧片式气体复合冷却管结构示意图;
图4为穿片式气体复合冷却管结构示意图;
图5为本发明的剖面结构示意图。
图中标号说明
1-散热管    11-翅片
12-槽       2-基管
具体实施方式
如图1本发明的剖面结构示意图所示,本发明采用如下实施方式实施:
一种大中型电机专用空—水复合冷却管,包括基管2和套在基管外的散热管1,散热管1外表面制成环状的翅片11,翅片11呈下粗上细的锲形结构,翅片之间的槽12的底面呈弧形。基管2和散热管1充分接触,便于传热,并且其也结构稳定。将翅片11之间的槽12的底面设置为弧形有三个作用:一、使得翅片11的根部强度更高,能够承受更大的外压;二、提高锲合力,受力更加均匀;三、增大表面积,提高散热能力。
本实施例中,所述的基管2为铜管或钢管。
本实施例中,为了使散热管1容易挤压成型,所述的散热管1为铝质材料。由于铝的可塑性好,容易挤压成型,方便加工制造。
翅片11的形状是采用刀具挤压方法成型的,在挤压过程中,由于晶粒受挤压,其晶粒间距变小,晶相发生变化,晶体结构变得更稳定,翅片11的强度大大提高。虽然翅片11厚度并不大,但是由于翅片11的强度、硬度等物理性能指标的大大提高,使得翅片11具有很好的支撑能力,因此,翅片11不会在摆放和安装的过程中发生变形。前述事实说明,挤压之后的冷却管取得了预料不到的技术效果,在大大提高翅片11强度和硬度的同时仍然保持良好的传热性能。
本实施例中,所述的翅片11高度为8-20毫米。最常用的翅片11高度为8-13毫米。
证明实验
1、实验目的:
通过Ф44铜-铝轧片式冷却器、Ф34铜-铝轧片式冷却器、Ф44铜丝绕簧冷却器、Ф34绕片式冷却器、5排和7排穿片式冷却器冷却能力的比较,证明本发明具有更好的冷却效果。
2、实验内容:
在“闭路循环中速风洞”装置上进行同体积Ф44铜-铝轧片式冷却器、Ф34铜-铝轧片式冷却器、Ф44铜丝绕簧冷却器、Ф34绕片式冷却器、5排和7排穿片式冷却器的传热性能和风阻性能试验。
通过试验几种不同结构型式的冷却器传热特性和风阻特性,求取几种冷却器的传热系数和风阻系数,为冷却器设计、生产、制造和运行提供依据。
3、实验方法:
采用模型试验法测试出冷却器的传热性能与风阻性能,把冷却器制造成符合风洞截面尺寸,其排数、管束排列方式都和实际在电机中运行的冷却器相同,把这样的冷却器模型安装在闭路循环中速风洞试验段上,分别调整不同的加热功率、风速和水速,以满足试验的要求。
通过冷却器的风量是由鼓风机供给的,在试验段内最大风量可达8640m3/h。
通过冷却器的水量是由水箱经过水泵供给的,水泵最大流量为45m3/h,水箱为圆柱型,尺寸为φ2.3×2.5,可容纳10m3水。
通过冷却器的气体温度是由加热元件加热气体温度至需要值,其加热功率可达55kW。
传热系数K=f(Va)的关系是在保持一定常水速Vw状态下,调节鼓风机转数,使风速达到不同的数值,而求得K值与风速Va之间的关系。
风阻特性是在分别调节不同的风速状态下,测试冷却器前后的压力差而得到的。
风速的测量是由“毕托管”取得动、静压,再送至“差压变送器”,最后经“控制台”风速仪显示的。
Va=√ΔH×2g/λ    m/s
ΔH     动压差      Pa
g       重力加速度9.81m2/s
λ      空气的比重  kg/m3
气体温度是以铜丝电阻网根据电阻值的变化测量的。
冷却器进、出水温度是用两支铂薄膜热电阻分别安装在冷却器的进水管和出水管测量的。
为保证水温测量的准确,还在进、出水阀门处安装了热电偶直接测量水温差,做对比校验。
水速是用涡轮流量计—频率计测量的。
试验中气体的流速、温度和冷却水的流速都要保持稳定。
4、测量冷却管的几何尺寸
4.1.Ф34绕片式冷却器
绕片式冷却器是由绕片式冷却元件组成的,而绕片式冷却元件是由铜带折成L型后经轧片后按螺旋状绕于铜管上并焊牢所形成的绕片管。其结构如图1所示。
1’铜管  2’翅片  C翅片距2.3mm  D翅片外径34±1
冷却器长    lL=0.4m
冷却器宽    bL=0.4m
水管内径    d1=0.017m
水管外径    d2=0.019m
绕片外径    d=0.034m
片间距      Δδ=0.0023m
每米长冷却管的散热面积  fa=0.61m2
每根冷却管的散热面积    Fa=0.244m2
总散热面积              Sa=13.9m2
水管排数                Zs=6
水管总数                Z=57
水管间距                a=0.037m
水管排距                b=0.032m
水管有效长              l=0.4m
水路数                  nw=4
一根水管的水路截面积    Fw=0.000227m2
一个水路截面积          Sw=0.0032m2
4.2.Ф44铜丝绕簧冷却器
绕簧式冷却器是由绕簧式冷却元件组成的,而绕簧式冷却元件是由铜线绕成的绕簧圈2”按螺旋状绕于铜管1”上并焊牢所形成的绕簧管,其结构如图2所示。
1”铜管  2”绕簧圈    L簧距  L1簧圈宽    D外径
冷却器长    lL=0.4m
冷却器宽    bL=0.4m
水管内径    d1=0.017m
水管外径    d2=0.019m
绕簧外径    d=0.044m
每米长冷却管的散热面积fa=0.616m2
每根冷却管的散热面积Fa=0.2464m2
总散热面积    Sa=11.1m2
水管排数      Zs=6
水管总数      Z=45
水管间距      a=0.05m
水管排距      b=0.037m
水管有效长    l=0.4m
水路数        nw=4
一根水管的水路截面积Fw=0.000227m2
一个水路截面积      Sw=0.002554m2
4.3.不同厂家生产的铜-铝轧片式冷却器几何尺寸有所差异
4.3.1.Ф34铜-铝轧片式冷却器(哈尔滨冷却器厂)
轧片式冷却器是由轧片式冷却元件组成的,而轧片式冷却元件翅片是采用刀具挤压方法成型的,其结构如图3所示。
D外径  Df翅片高度  Dr翅片根径
冷却器长    lL=0.4m
冷却器宽    bL=0.4m
水管内径    d1=0.017m
水管外径    d2=0.019m
翅片外径    d=0.034m
片间距      Δδ=0.0024m
每米长冷却管的散热面积fa=0.607m2
每根冷却管的散热面积  Fa=0.2428m2
总散热面积            Sa=13.84m2
水管排数    Zs=6
水管总数    Z=57
水管间距    a=0.037m
水管排距    b=0.032m
水管有效长    l=0.4m
水路数        nw=4
一根水管的水路截面积  Fw=0.000227m2
一个水路截面积        Sw=0.0032m2
4.3.2.Ф34铜-铝轧片式冷却器(本发明),其结构如图5所示。
冷却器长    lL=0.4m
冷却器宽    bL=0.4m
水管内径    d1=0.014m
水管外径    d2=0.016m
翅片外径    d=0.034m
片间距      Δδ=0.0024m
每米长冷却管的散热面积  fa=0.678m2
每根冷却管的散热面积    Fa=0.2712m2
总散热面积              Sa=21.61m2
水管排数            Zs=8
水管总数            Z=76
水管间距            a=0.037m
水管排距            b=0.032m
水管有效长          l=0.4m
水路数              nw=4
一根水管的水路截面积Fw=0.000154m2
一个水路截面积      Sw=0.00292m2
4.3.3.Ф44铜-铝轧片式冷却器(本发明),结构如图5所示。
冷却器长    lL=0.4m
冷却器宽    bL=0.4m
水管内径    d1=0.017m
水管外径    d2=0.019m
翅片外径        d=0.044m
片间距          Δδ=0.00235m
每米长冷却管的散热面积  fa=1.09m2
每根冷却管的散热面积  Fa=0.436m2
总散热面积            Sa=19.62m2
水管排数              Zs=6
水管总数              Z=45
水管间距              a=0.05m
水管排距              b=0.037m
水管有效长            l=0.4m
水路数                nw=4
一根水管的水路截面积  Fw=0.000227m2
一个水路截面积        Sw=0.002554m2
4.3.4.Ф44铜-铝轧片式冷却器(无锡普惠)
冷却器长        lL=0.4m
冷却器宽        bL=0.4m
水管内径        d1=0.017m
水管外径        d2=0.019m
翅片外径        d=0.044m
片间距          Δδ=0.0024m
每米长冷却管的散热面积  fa=0.8m2
每根冷却管的散热面积  Fa=0.32m2
总散热面积    Sa=14.4m2
水管排数      Zs=6
水管总数      Z=45
水管间距      a=0.05m
水管排距      b=0.037m
水管有效长            l=0.4m
水路数                nw=4
一根水管的水路截面积  Fw=0.000227m2
一个水路截面积        Sw=0.002554m2
4.4. 5排穿片式冷却器
穿片式冷却器的冷却元件是由铜管1穿入冲有凸缘的多孔冷却翼片2内,然后采用胀接方法结合固定而组成的冷却元件,其结构如图4所示。
冷却器长    lL=0.4m
冷却器宽    bL=0.442m
水管内径    d1=0.017m
水管外径    d2=0.019m
穿片长      A=0.442m
穿片宽      B=0.202m
穿片间距    Δδ=0.0033m
穿片数      C=120
每米长冷却管的散热面积fa=1.224 m2
每根冷却管的散热面积 Fa=0.49 m2
总散热面积           Sa=22.52 m2
水管排数             Zs=5
水管总数             Z=46
水管间距             a=0.037m
水管排距             b=0.038m
水管有效长           l=0.4m
水路数               nw=4
一根水管的水路截面积 Fw=0.000227m2
一个水路截面积    Sw=0.00261m2
4.5.7排穿片式冷却器
冷却器长    lL=0.4m
冷却器宽    bL=0.35m
水管内径    d1=0.017m
水管外径    d2=0.019m
穿片长      A=0.35m
穿片宽      B=0.202m
穿片间距    Δδ=0.0033m
穿片数      C=120
每米长冷却管的散热面积fa=1.189 m2
每根冷却管的散热面积  Fa=0.475 m2
总散热面积            Sa=23.78 m2
水管排数             Zs=7
水管总数             Z=50
水管间距             a=0.043m
水管排距             b=0.037m
水管有效长           l=0.4m
水路数               nw=4
一根水管的水路截面积 Fw=0.000227m2
一个水路截面积       Sw=0.002838m2
5.试验数据整理及其结果
风阻性能试验及其结果见下表1、表2、表3、表4、表5、表6、表
7、表8。
表1  Ф34绕片式冷却器风阻性能试验数据及结果
风速 1.7  3.6  5.7  7.9  10
风压降 68.6  245  549  941  1391
表2  Ф44铜丝绕簧冷却器风阻性能试验数据及结果
风速 1.7  3.2  5.2  7.2  8.8
风压降 68  240  598  1117  1627
表3  Ф34铜-铝轧片式冷却器风阻性能试验数据及结果(哈尔滨冷却器厂)
风速 1.5  3  4.9  6.7  8.3
风压降 59  294  596  1245  1735
表4 5排穿片式冷却器风阻性能试验数据及结果
风速 2.2  2.7  4.4  5.8  7.4  9.2
风压降 39.2  58.8  127.6  205.8  315  450.8
表5 7排穿片式冷却器风阻性能试验数据及结果
风速 1.8  3.1  5.1  6.8  8.6
风压降 58.8 156.8 362.8 620 941
表6  Ф34铜-铝轧片式冷却器风阻性能试验数据及结果(本发明)
风速 1.72  3.43  5.4  7.35  9.3
风压降 90  270  570  980  1510
表7  Ф44铜-铝轧片式冷却器风阻性能试验数据及结果(本发明)
风速 2.13  4.0  6.19  8.47  10.76
风压降 80  240  470  777  1180
表8  Ф44铜-铝轧片式冷却器风阻性能试验数据及结果(无锡普惠)
风速 2.08  4.09  6.19  8.55  9.91
风压降 80  240  450  770  1000
6.求取冷却器传热系数K=a(Va)n的关系方程式
利用一元非线性回归分析,得出传热系数与进风速度的关系
6.1.Ф34绕片式
当Vw=2 m/s时
K=0.0329Va0.521(kw/m2·℃)    R=0.988
当Vw=1.5m/s时
K=0.0309Va0.527(kw/m2·℃)    R=0.989
当Vw=1m/s时
K=0.0304Va0.499(kw/m2·℃)    R=0.982
6.2.Ф44绕簧式
当Vw=2m/s时
K=0.0482Va0.528(kw/m2·℃)    R=0.985
当Vw=1.5m/s时
K=0.0473Va0.506(kw/m2·℃)    R=0.982
当Vw=1m/s时
K=0.0442Va0.485(kw/m2·℃)    R=0.988
6.3.Ф34轧片式(哈尔滨冷却器厂)
当Vw=2m/s时
K=0.0286Va0.590(kw/m2·℃)    R=0.988
当Vw=1.5m/s时
K=0.0284Va0.574(kw/m2·℃)    R=0.986
当Vw=1m/s时
K=0.0276Va0.550(kw/m2·℃)    R=0.988
6.4.5排穿片式
当Vw=2m/s时
K=0.0241Va0.414(kw/m2·℃)    R=0.975
当Vw=1.5m/s时
K=0.0236Va0.404(kw/m2·℃)    R=0.984
当Vw=1m/s时
K=0.0225Va0.405(kw/m2·℃)    R=0.982
6.5.7排穿片式
当Vw=2m/s时
K=0.0229Va0.435(kw/m2·℃)    R=0.977
当Vw=1.5m/s时
K=0.0214Va0.451(kw/m2·℃)    R=0.980
当Vw=1m/s时
K=0.0208Va0.425(kw/m2·℃)    R=0.977
 6.6.Ф34轧片式(本发明)
当Vw=2m/s时
K=0.0416Va0.470(kw/m2·℃)    R=0.997
当Vw=1.5m/s时
K=0.042Va0.435(kw/m2·℃)     R=0.992
当Vw=1m/s时
K=0.0377Va0.450(kw/m2·℃)    R=0.992
 6.7.Ф44轧片式(本发明)
当Vw=2m/s时
K=0.035Va0.415(kw/m2·℃)     R=0.987
当Vw=1.5m/s时
K=0.0333Va0.41(kw/m2·℃)     R=0.993
当Vw=1m/s时
K=0.0325Va0.380(kw/m2·℃)    R=0.992
6.8.Ф44轧片式(无锡普惠)
当Vw=2m/s时
K=0.0461Va0.369(kw/m2·℃)    R=0.997
当Vw=1.5m/s时
K=0.0416Va0.384(kw/m2·℃)    R=0.989
当Vw=1m/s时
K=0.0364Va0.404(kw/m2·℃)    R=0.989
注:R-回归分析的相关系数
7.冷却器风阻压降与进风速度的关系方程式:
7.1.Ф34绕片式
ΔH=27.84Va1.7    Pa    R=0.99
7.2.Ф44绕簧式
ΔH=24.85Va1.93   Pa    R=0.986
7.3.Ф34轧片式(哈尔滨冷却器厂)
ΔH=28.915Va1.957 Pa    R=0.984
7.4.5排穿片式
ΔH=10.574Va1.69  Pa    R=0.992
7.5.7排穿片式
ΔH=20.9Va1.76    Pa    R=0.988
7.6.Ф34轧片式(本发明)
ΔH=35.87Va1.66Pa     R=0.987
7.7.Ф44轧片式(本发明)
ΔH=23.785Va1.64Pa    R=0.991
7.8.Ф44轧片式(无锡普惠厂)
ΔH=24.69Va1.61Pa     R=0.991
8.结果分析
8.1.传热系数比较
8台冷却器传热系数比较见表9
表9传热系数比较表    Vw=2m/s时,传热系数K(kw/m2·℃)
Figure A20071004348500181
从表中可看出Ф44绕簧式传热系数为最高,接下来是本发明Ф34轧片式,其它的4台传热系数较为接近,而2台穿片式的传热系数为最低,决定冷却器传热系数大小的主要因素应是:用于传热的材料接触热阻小,材料的导热系数高,翅片形状结构选择合理等等;
8.2.散热能力的比较
散热能力是指在不同结构、不同几何尺寸在同一体积下的冷却器能带走的损耗,它综合地考虑了传热系数K和散热面积S,更具有实际意义。8台冷却器同体积单位温差散热功率比较见表10。
从表中,Ф34轧片式冷却器散热能力为最好的,它采用了小直径的水管,水管内径为14mm,外径为16mm,铝管壁厚只有0.7mm,降低了由于壁厚而引起的热阻,所以才有较高的散热效果。
表10同体积单位温差散热功率比较表    Vw=2m/s 时,单位(kw/℃)
Figure A20071004348500191
8.3.风阻压降比较
8台冷却器风阻压降比较见表11
表11风阻压降比较表    单位(Pa)
Figure A20071004348500192
从热阻大小来看,最优的当属同一材料整体轧制出的冷却元件,它没有二次接触,而我们当前广泛使用的冷却元件,都有实际接触问题,一般来讲,焊接组成的冷却元件比靠机械力挤压或镶嵌或胀接而组成的冷却元件接触热阻要小些。当然,对于电机上使用的冷却器,不但要有高的传热系数,还要有足够大的散热面积,这两者往往是矛盾的,综合的选择好最佳的传热系数和最佳的散热面积,才能为电机冷却器带来最好的散热效果和经济效益。
9.结论
同体积单位温差散热功率最好的为本发明生产的Ф34轧片式冷却器,较好的为Ф44绕簧式冷却器和本发明生产Ф44轧片式冷却器。

Claims (4)

1.一种大中型电机专用的空一水复合冷却管,包括基管和套在基管外的散热管,散热管外表面制成环状的翅片,翅片呈下粗上细的锲形结构,其特征在于:翅片之间的槽底面呈弧形,所述的翅片高度为8-20毫米。
2.根据权利要求1所述的大中型电机专用空一水复合冷却管,其特征在于:所述的基管为铜管或钢管。
3.根据权利要求1或2所述的大中型电机专用空一水复合冷却管,其特征在于:所述的散热管为铝质材料。
4.根据权利要求3所述的大中型电机专用空一水复合冷却管,其特征在于:翅片高度为8-13毫米。
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