CN101857794B - 一种电机用蒸发冷却介质 - Google Patents
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Abstract
一种电机用蒸发冷却介质，其特征在于所述蒸发冷却介质由十氟戊烷(HFC-4310)、1，1，1，3，3-五氟丁烷(HFC-365fa)、三氟二氯乙烷(HCFC-123)组成；所述HFC-4310、HFC-365fa、HCFC-123的质量百分比为：HFC-4310：50％-90％，HFC-365fa：10％-30％，HCFC-123：0％-15％。
Description
技术领域
本发明涉及一种蒸发冷却介质，特别涉及用于电机的蒸发冷却介质。
背景技术
水轮发电机定子蒸发冷却，是将蒸发冷却介质灌入电机定子冷却系统内，利用水轮发电机立式结构的形式，结合蒸发冷却技术的特点，实现无泵密闭自循环。由于蒸发冷却是利用合适沸点的液体介质的气化潜热吸热来冷却电机的，比常规的空冷和水内冷利用介质比热吸热冷却，具有所需的流量小、温度分布均匀及冷却效率高的特点。另外，由于是无泵密闭自循环，冷却循环系统的运行压力低，且采用的介质绝缘性能高，所以相比空冷和水内冷不仅冷却效果好，而且运行更安全可靠。
蒸发冷却介质的选用对于蒸发冷却电机的设计至关重要，原选用的介质为氟利昂CFC-113已经成熟应用，所需的参数都已获取，但是由于面临蒙特利尔议定书的规定，我国于2006年1月1日起禁用，目前国内除特殊用途经国家环保部门特批之外，禁止一切商用氟利昂CFC-113的生产、销售、使用。在现有技术中，替代蒸发冷却水轮发电机选用的冷却介质为十氟戊烷(HFC-4310)，属于环保型的介质，各种性能参数也适用于电机的蒸发冷却，但其沸点为55℃，比氟利昂CFC-113高8℃，导致电机的温升也相应提高；另外，目前市场上HFC-4310的价格还很昂贵，是氟利昂CFC-113的十五倍之多，增加了电机的成本，制约了蒸发冷却电机的市场使用前景。
中国专利200510086702.7提出一种用于电工设备的蒸发冷却混合介质，在已有的蒸发冷却介质中加入天然的成本较低的固体或液体介质，目的是利用混入介质填充设备中的空间，减少蒸发冷却介质的实际用量，从而降低了经济成本，这种方法对于采用浸润式具有大空间的蒸发冷却设备，如全浸式的蒸发冷却变压器，由于使用的蒸发冷却介质较多，采用这种方法，可以减少蒸发冷却介质的实际用量，可以降低经济成本，但对于采用管道内冷式的蒸发冷却设备，其冷却系统结构紧凑，如水轮发电机定子蒸发冷却系统中，冷却介质充在定子绕组微小的空心导线(每根空心导线的截面积仅为20m m2左右)内，这种混合介质的方法不再适用。而且由于加入了混合介质，减少蒸发冷却介质的实际用量，改变了蒸发冷却介质循环流动和传热的条件，使得设备的温升水平提高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种基于十氟戊烷(HFC-4310)的电机蒸发冷却用的三元混合介质。本发明可进一步降低蒸发冷却设备的温升水平，同时能够减少蒸发冷却介质的经济成本。
本发明的电机用蒸发冷却介质是基于十氟戊烷(HFC-4310)的三元混合介质，其主要成份是十氟戊烷(HFC-4310)，在十氟戊烷(HFC-4310)中加入1，1，1，2，2-五氟丁烷(HFC-365fa)与三氟二氯乙烷(HCFC-123)。
所述十氟戊烷(HFC-4310)、1，1，1，2，2-五氟丁烷(HFC-365fa)与三氟二氯乙烷(HCFC-123)的质量百分含量为：
HFC-4310：60％-90％
HFC-365fa：10％-30％
HCFC-123：0％-15％
进一步，各组分优选的质量百分含量为：
HFC-4310：70％-80％
HFC-365fa：15％-25％
HCFC-123：0％-10％
实验证明在HFC-4310、HFC-365fa与HCFC-123按下述质量百分含量混合时，其环境性能和热力性能更为优异：
HFC-4310：75％-80％
HFC-365fa：15％-20％
HCFC-123：0％-5％。
所述的HFC-365fa沸点是40.2℃，存在可燃比例为3.8％～13.3％，若单独用作蒸发冷却介质存在可燃性，即有安全隐患。所述的HCFC-123的沸点是27.85℃，由于沸点相对较低，单独用作蒸发冷却介质时不易冷凝，较难实现无泵密闭自循环，但混入HFC-365fa中具有阻燃作用，使得混合介质在用作电机蒸发冷却时不存在闪点和可燃范围。
本发明蒸发冷却介质，在电机正常工作状态下，三种组分是按配方均匀互溶的，均匀分布在电机蒸发冷却系统内。
本发明的蒸发冷却介质，其制备方法是在常温常压下，将十氟戊烷(HFC-4310)、1，1，1，2，2-五氟丁烷(HFC-365fa)与三氟二氯乙烷(HCFC-123)，共三种组分按照其相应的配比在液相状态下进行物理混合。
本发明蒸发冷却介质的三种组分的比例应使得组成的混合介质具有所要求的适宜的沸点，且在用作蒸发冷却技术条件下，混合介质不可燃。
本发明蒸发冷却介的三种组分不是共沸物，没有一个固定的沸点，而是存在一段沸程，由于加入的组分HFC-365fa和HCFC-123沸点相对较低，因此本发明蒸发冷却介质的沸程比HFC-4310的沸点低，作为电机蒸发冷却介质时，电机的温升水平下降。
由于加入的组分HFC-365fa和HCFC-123的经济成本相对较低，因此本发明蒸发冷却介质的经济成本与采用单一的HFC-4310相比有所下降。
本发明可以应用于大容器浸润式的蒸发冷却系统中，如汽轮发电机定子蒸发冷却、风力发电机定子蒸发冷却、变压器、除铁器及磁分离器等机械设备，尤其适用于冷却系统结构紧凑，如采用管道内冷式的水轮发电机定子蒸发冷却系统中。
附图说明
图1所示的水轮发电机定子蒸发冷却系统循环原理示意图是本发明的实施例。图中：
1回液管，2冷凝器，3压力表4二次冷却水管，5上进气管，6上集气环管，7上绝缘引管，8冷却介质气液两相，9电机线棒空心导体(发热体)，10冷却介质液相，11下绝缘引管，12下集液环管。
具体实施方式
图1所示的水轮发电机定子蒸发冷却系统循环原理示意图，下集液环管12在整个循环系统中处在最低位置，冷凝器2在整个循环系统中处在最高位置，冷凝器2上装有监视系统运行压力的压力表3，下集液环管12与冷凝器2通过两个支路并联组成循环回路，其中一个支路由回液管1连接；另一支路从下集液环管12往上连接依次是下绝缘引管11、电机线棒空心导体9、上绝缘引管7、上集气环管6，然后通过上进气管5连接到冷凝器2上。在循环系统内部空间下部是冷却介质单相液体10，上部空间是冷却介质气液两相8。电机停止运行时，冷却介质的充液的静态液位可以在电机线棒空心导体9距底部从线棒直线高度的1/3以上至上集气环管6以下的范围内，根据电机的具体热负荷决定。
冷却介质在水轮发电机蒸发冷却系统内的循环方式：当充在系统内的冷却介质吸收电机线棒空心导体9发出的热量，温度上升，密度变小，与回液管内的介质形成密度差，由于重力的作用，根据受力平衡原理，回液管1内的液位逐渐下降，电机线棒空心导体9内的液体液位逐渐升高，当介质继续吸收热量，温度继续升高，当达到当地所在压力下的饱和温度，介质开始沸腾气化，于是介质液位上升，到达上绝缘引管7及上集气环管6，经过上进气管5进入冷凝器中2中，由于冷凝器2中的二次冷却水管4中通有温度较低的冷却水，因此气相的介质在冷凝器2中进行热交换，气相的介质冷凝成液相的介质，热量通过二次冷却水管中的水带走，而液相的介质在重力的作用下通过回液管1流回到下集液管环管12及下绝缘引管11再进入电机线棒空心导体9内，进行下一个循环，以此往复循环。
本发明提供的电机用蒸发冷却介质，其制备方法是将十氟戊烷(HFC-4310)、1，1，1，2，2-五氟丁烷(HFC-365fa)与三氟二氯乙烷(HCFC-123)，共三种组分按照其相应的配比在液相状态下进行物理混合。
本发明的电机用蒸发冷却介质，三种组元在电机内部是均相且按配比共存的。
下面的实施例用来说明本发明的具体实施方式，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
实施例1：将HFC-4310、HFC-365fa、HFC-123在液相下按90∶10∶0的质量百分含量进行物理混合。其基本性能参数如表1所示。
表1基本性能参数
| 性能 | 无色均相液体 |
| 分子量 | 235.5 |
| 沸程，℃ | 51～53 |
| 表面张力，dyn/cm | 14.2 |
| 液体密度，g/cc | 1.55 |
| 凝固点，℃ | -35 |
| 水中溶解度，ppm | 261 |
| 水的溶解度，ppm | 555 |
| 临界温度，℃ | 182 |
| 临界压力，Kpa | 2339 |
| 酸度 | 中性 |
| 热分解温度，℃ | 300 |
| 闪点 | 无 |
| 燃点 | 无 |
| 空气中燃程 | 无 |
| 大气寿命，年 | 23.1 |
| 臭氧损害潜值(ODP) | 0 |
| 全球变暖潜值(GWP) | 1439 |
| 蒸发潜值(沸点下)，J/g | 135 |
| 比热(20℃)，J/g.℃ | 1.23 |
| 蒸汽压，Kpa(20℃) | 32.48 |
| 粘度，cPs | 0.64 |
注：除非标明，所有性能都在25℃条件下得到。
实施例2：将HFC-4310、HFC-365fa、HFC-123在液相下按80∶19∶1的质量百分含量进行物理混合。其基本性能参数如表2所示。
表2基本性能参数
| 性能 | 无色均相液体 |
| 分子量 | 221 |
| 沸程，℃ | 47～52 |
| 表面张力，dyn/cm | 14.4 |
| 液体密度，g/cc | 1.52 |
| 凝固点，℃ | -35 |
| 水中溶解度，ppm | 408 |
| 水的溶解度，ppm | 611 |
| 临界温度，℃ | 182 |
| 临界压力，Kpa | 2425 |
| 酸度 | 中性 |
| 热分解温度，℃ | 300 |
| 闪点 | 无 |
| 燃点 | 无 |
| 空气中燃程 | 无 |
| 大气寿命，年 | 23.1 |
| 臭氧损害潜值(ODP) | 0.0002 |
| 全球变暖潜值(GWP) | 1370 |
| 蒸发潜值(沸点下)，J/g | 139.5 |
| 比热(20℃)，J/g.℃ | 1.31 |
| 蒸汽压，Kpa(20℃) | 35.50 |
| 粘度，cPs | 0.62 |
注：除非标明，所有性能都在25℃条件下得到。
实施例3：将HFC-4310、HFC-365fa、HFC-123在液相下按76∶19∶5的质量百分含量进行物理混合。其基本性能参数如表3所示。
表3基本性能参数
| 性能 | 无色均相液体 |
| 分子量 | 219 |
| 沸程，℃ | 45～51 |
| 表面张力，dyn/cm | 14.6 |
| 液体密度，g/cc | 1.51 |
| 凝固点，℃ | -35 |
| 水中溶解度，ppm | 684 |
| 水的溶解度，ppm | 639 |
| 临界温度，℃ | 186 |
| 临界压力，Kpa | 2575 |
| 酸度 | 中性 |
| 热分解温度，℃ | 300 |
| 闪点 | 无 |
| 燃点 | 无 |
| 空气中燃程 | 无 |
| 大气寿命，年 | 23.1 |
| 臭氧损害潜值(ODP) | 0.001 |
| 全球变暖潜值(GWP) | 1313 |
| 蒸发潜值(沸点下)，J/g | 138 |
| 比热(20℃)，J/g.℃ | 1.30 |
| 蒸汽压，Kpa(20℃) | 36.10 |
| 粘度，cPs | 0.61 |
注：除非标明，所有性能都在25℃条件下得到。
实施例4：将HFC-4310、HFC-365fa、HFC-123在液相下按70∶20∶10的质量百分含量进行物理混合。其基本性能参数如表4所示。
表4基本性能参数
| 性能 | 无色均相液体 |
| 分子量 | 209 |
| 沸程，℃ | 45～49 |
| 表面张力，dyn/cm | 15.25 |
| 液体密度，g/cc | 1.50 |
| 凝固点，℃ | -35 |
| 水中溶解度，ppm | 668 |
| 水的溶解度，ppm | 603 |
| 临界温度，℃ | 183 |
| 临界压力，Kpa | 2592 |
| 酸度 | 中性 |
| 热分解温度，℃ | 300 |
| 闪点 | 无 |
| 燃点 | 无 |
| 空气中燃程 | 无 |
| 大气寿命，年 | 23.1 |
| 臭氧损害潜值(ODP) | 0.002 |
| 全球变暖潜值(GWP) | 1236 |
| 蒸发潜值(沸点下)，J/g | 143.5 |
| 比热(20℃)，J/g.℃ | 1.30 |
| 蒸汽压，Kpa(20℃) | 43.03 |
| 粘度，cPs | 0.59 |
注：除非标明，所有性能都在25℃条件下得到。
实施例5：将HFC-4310、HFC-365fa、HFC-123在液相下按63∶30∶7的质量百分含量进行物理混合。其基本性能参数如表5所示。
表5基本性能参数
| 性能 | 无色均相液体 |
| 分子量 | 200.5 |
| 沸程，℃ | 44～49 |
| 表面张力，dyn/cm | 15.1 |
| 液体密度，g/cc | 1.48 |
| 凝固点，℃ | -35 |
| 水中溶解度，ppm | 631 |
| 水的溶解度，ppm | 635 |
| 临界温度，℃ | 184 |
| 临界压力，Kpa | 2591 |
| 酸度 | 中性 |
| 热分解温度，℃ | 300 |
| 闪点 | 无 |
| 燃点 | 无 |
| 空气中燃程 | 无 |
| 大气寿命，年 | 23.1 |
| 臭氧损害潜值(ODP) | 0.0014 |
| 全球变暖潜值(GWP) | 1217 |
| 蒸发潜值(沸点下)，J/g | 147 |
| 比热(20℃)，J/g.℃ | 1.40 |
| 蒸汽压，Kpa(20℃) | 42.43 |
| 粘度，cPs | 0.57 |
注：除非标明，所有性能都在25℃条件下得到。
实施例6：将HFC-4310、HFC-365fa、HFC-123在液相下按60∶30∶10的质量百分含量进行物理混合。其基本性能参数如表6所示。
表6基本性能参数
| 性能 | 无色均相液体 |
| 分子量 | 197.5 |
| 沸程，℃ | 44～47 |
| 表面张力，dyn/cm | 15.3 |
| 液体密度，g/cc | 1.47 |
| 凝固点，℃ | -35 |
| 水中溶解度，ppm | 744 |
| 水的溶解度，ppm | 644 |
| 临界温度，℃ | 184 |
| 临界压力，Kpa | 2641 |
| 酸度 | 中性 |
| 热分解温度，℃ | 300 |
| 闪点 | 无 |
| 燃点 | 无 |
| 空气中燃程 | 无 |
| 大气寿命，年 | 23.1 |
| 臭氧损害潜值(ODP) | 0.002 |
| 全球变暖潜值(GWP) | 1175 |
| 蒸发潜值(沸点下)，J/g | 148 |
| 比热(20℃)，J/g.℃ | 1.39 |
| 蒸汽压，Kpa(20℃) | 44.65 |
| 粘度，cPs | 0.57 |
注：除非标明，所有性能都在25℃条件下得到。
实施例7：将HFC-4310、HFC-365fa、HFC-123在液相下按60∶25∶15的质量百分含量进行物理混合。其基本性能参数如表7所示。
表7基本性能参数
| 性能 | 无色均相液体 |
| 分子量 | 197.8 |
| 沸程，℃ | 43～46.5 |
| 表面张力，dyn/cm | 15.7 |
| 液体密度，g/cc | 1.48 |
| 凝固点，℃ | -35 |
| 水中溶解度，ppm | 894 |
| 水的溶解度，ppm | 639 |
| 临界温度，℃ | 184 |
| 临界压力，Kpa | 2696 |
| 酸度 | 中性 |
| 热分解温度，℃ | 300 |
| 闪点 | 无 |
| 燃点 | 无 |
| 空气中燃程 | 无 |
| 大气寿命，年 | 23.1 |
| 臭氧损害潜值(ODP) | 0.003 |
| 全球变暖潜值(GWP) | 1134 |
| 蒸发潜值(沸点下)，J/g | 148 |
| 比热(20℃)，J/g.℃ | 1.34 |
| 蒸汽压，Kpa(20℃) | 47.42 |
| 粘度，cPs | 0.57 |
注：除非标明，所有性能都在25℃条件下得到。
在以上实施例及所限定的含量范围内，所有不同配比的组合均能够具有蒸发冷却介质所需的性质和应用效果。
本发明的电机用蒸发冷却介质，经过国家有关部门根据《化学品毒性鉴定技术规范》进行试验，并出具检验报告，结论为：该蒸发冷却介质对家兔眼睛无刺激性；该蒸发冷却介质对家兔皮肤无刺激性；该蒸发冷却介质对雌雄大鼠急性经口毒性，LD50＞5000mg/kg，属微毒；该蒸发冷却介质对雌雄大鼠急性吸入毒性，LC50＞5000mg/kg，属微毒。
本发明的电机用蒸发冷却介质，经过与电机材料相容性试验，试验证明与电机所用材料相容。
本发明的电机用蒸发冷却介质，经过耐电压试验，在标准电极间隙下，该介质耐电压在30KV以上。
对于本具体实施方式：水轮发电机蒸发冷却系统，运行效果主要体现在温度水平及运行压力上，通常情况下，在额定的热负荷时，运行压力稳定在表压的零压附近(稍微负压或稍微正压)，温度水平越低，电机冷却效果越好。表7是各种配比方案在水轮发电机蒸发冷却系统的试验对比。实施例1的温度水平和经济成本都较高，实施例4、实施例5、实施例6和实施例7虽然经济成本较低，但在额定热负荷时，运行表压力均大于零，即使在高于零压的某个压力稳定时，其系统的温度水平也相应升高了，因此从试验效果及经济成本综合分析来看，实施例2和实施例3的效果最佳，为优选方案。
表8各种配比方案在水轮发电机蒸发冷却系统的试验对比(额定热负荷)
本发明的一种电机用蒸发冷却介质，经过各种试验验证，符合作为电机用蒸发冷却介质的各种性能要求，而且在温升水平和经济成本上，比现有的HFC-4310更具有优越性。
Claims (3)
1.一种电机用蒸发冷却介质，其特征在于所述蒸发冷却介质由十氟戊烷（HFC-4310）、1，1，1，3，3-五氟丁烷（HFC-365mfc）、三氟二氯乙烷（HCFC-123）组成；所述HFC-4310、HFC-365mfc、HCFC-123的质量百分含量为：
HFC-4310：60%-90%,
HFC-365mfc：10%-30%,
HCFC-123：大于0至小于等于15%；
各组分含量之和为100%。
2.根据权利要求1所述的电机用蒸发冷却介质，其特征在于所述的HFC-4310、HFC-365mfc、HCFC-123的质量百分含量为：
HFC-4310：70%-80%,
HFC-365mfc：15%-25%,
HCFC-123：大于0至小于等于10%。
3.根据权利要求1所述的电机用蒸发冷却介质，其特征在于所述的HFC-4310、HFC-365mfc、HCFC-123的质量百分比为：
HFC-4310：75%-80%,
HFC-365mfc：15%-20%,
HCFC-123：大于0至小于等于5%。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |