CN103437964B - 风力发电机组机舱冷却用换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组机舱冷却用换热器，包括扁平机壳。在机壳内部设置有两列平行的热交换机芯，每列热交换机芯的数量大于等于两个，每列热交换机芯沿机壳的长度方向设置，构成一条串行的内循环风道；在同排的两个热交换机芯之间设置有外循环风机，从而在机壳内部构成多道并行的外循环风道，并且，不同的外循环风机之间使用隔板分离。该风力发电机组机舱冷却用换热器通过使用并行的外循环风道对串行的内循环风道进行多级冷却，可以扩展风冷方式对于风力发电机组冷却的适用范围。根据不同的机舱外部温度条件，在不同的风力发电机组机舱冷却用换热器中，每列热交换机芯的数量可以不同，从而满足风力发电机组的冷却需求。

Description

风力发电机组机舱冷却用换热器

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组机舱冷却用换热器，适用于利用机舱外部的低温空气对机舱内部的风力发电设备进行冷却，属于热交换技术领域。

背景技术

在全世界范围内，风力发电正迅速并持续地发展着。当今世界风力发电技术的发展趋势表现为单机容量大、风机桨叶的变化、塔架高度上升、控制技术的进步以及海上风力发电的发展。其中，单机容量的逐步增大，将会直接导致发电机组内各部件的散热量大大增加，如何有效解决发电机组的温升瓶颈，已成为风力发电进一步发展的关键问题之一。

早期的风力发电机由于功率较小，其发热量也不大，只需通过自然通风就可以满足冷却要求。随着风力发电机的功率逐步增大，自然通风已经无法满足机组的冷却需求，目前运行的风力发电机组普遍采用强制风冷或液冷的冷却方式。其中，功率低于750kW的发电机组多采用强制风冷方式，而对于功率大于750kW的中大型风电机组，则需采用循环液冷的方式才能满足冷却要求。

虽然液冷系统能为齿轮箱、发电机、控制系统降温冷却，但是由于增加了换热器与冷却介质管道，结构复杂，占用了风力发电机机舱内部的空间，使对机座的焊接安装难度增大，且费用较高，维护也更加复杂。与液冷方式相比，风冷系统只需在发电机组的机舱或者发电机组外部的机壳上开设进风口和回风口，并通过风管与外部的热交换器连接构成内循环风道，通过内循环风道和外循环风道进行热交换，即可实现冷却发电机组的目的。由此可知，风冷方式不会增加风力发电机机舱内部的管道设置，使得风力发电机机舱内部的结构简单，具有广阔的空气流通空间，如果风冷设备设置得当的话，将会是一种安装便捷、结构简单且行之有效的冷却方式。

用于风力发电机组冷却的风冷系统的设置方式可以参考专利号为ZL201120165607.7的中国实用新型中记载的内容。具体而言，该风冷系统包括永磁发电机壳、高效换热装置、机舱、风管、风机控制器，机舱前端配合设置永磁发电机壳，后端配合设置高效换热装置，永磁发电机壳与高效换热装置通过风管连接，高效换热装置上配合设置用于调节其风扇转速的风机控制器，风机控制器的测温探头处于高效换热装置的内外循环的进风口处，通过内外循环的进风口温度的变化来调节高效换热装置的风扇转速。

上述风冷系统对不同机舱内部环境都有很好的适用性；机舱内部采用独立换热，无漏电、漏水隐患，可靠性高；而且安装形式灵活，整体系统制造组装简单，根据不同的散热量来替换使用的换热芯体，对不同的散热量有良好的适用性。然而，由于受限于现有换热装置，这种风冷系统并没有在风力发电机组中得到很好的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种风力发电机组机舱冷却用换热器。使用该换热器可以很好地满足发电机组的冷却需求。

为了实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种风力发电机组机舱冷却用换热器，包括扁平机壳，在所述机壳内部设置有两列平行的热交换机芯，每列热交换机芯的数量大于等于两个，每列热交换机芯沿所述机壳的长度方向设置，构成一条串行的内循环风道；在同排的两个热交换机芯之间设置有外循环风机，从而在机壳内部构成多道并行的外循环风道，并且，不同的所述外循环风机之间使用隔板分离。

其中较优地，所述热交换机芯采用叉流板式的显热交换器。

其中较优地，所述外循环风道的进风口设置在所述机壳的侧面，所述外循环风道的出风口设置在所述机壳的正面或者背面；所述内循环风道的进风口和出风口分别设置在所述机壳的顶部和底部。

其中较优地，在所述内循环风道中，在同一列热交换机芯的顶部或者底部设置有内循环风机。

其中较优地，所述内循环风机设置在所述机壳的外部。

其中较优地，所述内循环风机的进风口与设置在所述机壳上的所述内循环风道的出风口连接。

其中较优地，所述外循环风机是双侧进风风机，并且，所述外循环风机的两个进风面分别正对两侧热交换机芯的外循环风道的出风面。

其中较优地，在最下层的外循环风道中，所述外循环风机的出风口设置在本层风道的上侧位置。

其中较优地，在每个外循环风道中，所述外循环风机的出风口分别独立连接至外循环管道中。

其中较优地，在每个外循环风道中，所述外循环风机的下侧设置有接水盘，并设置有与所述接水盘连接的排水管。

本发明提供的风力发电机组机舱冷却用换热器，通过使用并行的外循环风道对串行的内循环风道进行多级冷却，可以扩展风冷方式对于风力发电机组冷却的适用范围。例如，通过在机壳内部，使用二级冷却，在夏季，使用30℃的外循环冷风可以将内循环热风的温度从60℃降低至35℃左右，与发电机组机舱外部的温度接近；而在冬季，使用0℃的冷风可以将内循环热风的温度从60℃降低至7℃左右。由此可见，通过在串行的内循环风道中设置两个热交换机芯，并使用两个并行的外循环风道对其进行冷却；可以满足兆瓦级风力发电设备的冷却需求。而针对不同容量的发电机组，在不同的风力发电机组机舱冷却用换热器中，每列热交换机芯的数量可以不同，以便于满足风力发电机组的冷却需求。

附图说明

图1是本发明所提供的风力发电机组机舱冷却用换热器的立体结构示意图；

图2是图1所示风力发电机组机舱冷却用换热器的后视结构示意图

图3是图1所示风力发电机组机舱冷却用换热器的右视结构示意图；

图4是图1所示风力发电机组机舱冷却用换热器的俯视结构示意图；

图5是图1所示风力发电机组机舱冷却用换热器的仰视结构示意图；

图6是图1所示风力发电机组机舱冷却用换热器中，串行的内循环风道的示意图；

图7是图1所示风力发电机组机舱冷却用换热器中，单一外循环风道的示意图；

图8是图1所示风力发电机组机舱冷却用换热器的内部结构示意图；

图9是图1所示风力发电机组机舱冷却用换热器的热交换原理示意图；

图10是图1所示风力发电机组机舱冷却用换热器的外循环风道中，蜗壳风机的安装位置示意图；

图11是图1所示风力发电机组机舱冷却用换热器中，接水盘、排水管及检修口的安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细说明。

本发明提供的风力发电机组机舱冷却用换热器，包括竖直的扁平机壳，机壳的竖直高度方向和水平长度方向为长边，机壳的水平厚度方向为短边。在扁平机壳的内部设置有两列平行的热交换机芯，每列热交换机芯的数量为两个或多个，每列热交换机芯沿机壳的高度方向排列，构成一条串行的内循环风道；在同排的两个热交换机芯之间设置外循环风道使用的风机（简称外循环风机），从而在机壳内部构成多道并行的外循环风道，通过并行的外循环风道对串行的内循环风道进行多级冷却。在串行的内循环风道中，通过多个热交换机芯依次排列，使得热交换面积成倍增加，从而使得内循环风道中的热风最终被冷却至一个恰当的温度。

在图1和图2所示的实施例中，在扁平机壳的内部设置有两列平行的热交换机芯，每列热交换机芯的数量为两个。参考图1的方向，在机壳的左侧通过支架竖直安装有热交换机芯1和3，在机壳的右侧通过支架竖直安装有热交换机芯2和4。热交换机芯1、2、3和4靠近机壳的侧边直接与机壳的内壁固定。其中，热交换机芯采用叉流板式的显热交换器，热交换机芯的厚度方向与机壳的厚度方向一致，热交换机芯的出风面和进风面分别与机壳的侧壁平行或垂直，热交换机芯中贯穿上下的风道为内循环风道，贯穿左右的风道为外循环风道。

在同排的两个热交换机芯1和2，3和4之间分别安装有外循环风机5和6。外循环风机5和6是双侧进风风机，并且，外循环风机5的两个进风面分别正对两侧热交换机芯1和2的外循环风道的出风面；外循环风机6的两个进风面分别正对两侧热交换机芯3和4的外循环风道的出风面。在外循环风机5和6之间使用隔板分离，从而在机壳内部形成两个并行的外循环风道。其中，外循环风机5和6在机壳内部的安装方式可以参见图3所示的右视图和图10所示的剖视图。

从图4所示的俯视图和图5所示的仰视图中可以看出，在每列热交换机芯的底部设置有一个内循环风机7、8。内循环风机7和8可以如附图所示，设置在机壳的外部，并将内循环风机的进风口与机壳上设置的内循环风道的出风口连接。内循环风机7和8也可以设置在机壳内部，设置于每列热交换机芯的顶部或者底部。只是，当内循环风机7和8设置在机壳内部，并设置于每列热交换机芯的底部时，需要在最下层的热交换机芯的内循环风道的出风口位置设置相应的隔板，用于将机壳内分割出独立的内循环风道，内循环风机7或8设置在相应的内循环风道中。当内循环风机7和8设置在机壳内部，并设置于每列热交换机芯的顶部时，机壳内挡板的设置与之类似，在此不再详述。此外，内循环风机7和8可以使用变频风机。

如图1所示，为了适应机壳内部四个热交换机芯的设置，本实施例中，将内循环风道的进风口11和21设置在机壳的顶部，内循环风道的进风口11和21分别与热交换机芯1和2的内循环风道的进风口贯通；内循环风道的出风口33和43设置在机壳的底部，内循环风道的出风口33和43分别与热交换机芯3和4的内循环风道的出风口贯通。内循环风道的进风口和出风口也可以相反设置。

在本实施例中，外循环风道的进风口12，22，32和42分别设置在机壳竖直的侧壁上，并分别与热交换机芯1、2、3和4的外循环风道的进风口贯通，热交换机芯1、2、3和4的外循环风道的进风口是热交换机芯靠近机壳一侧的进风口。热交换机芯1、2、3和4中，与外循环风道的进风口12，22，32和42贯通的出风口14，24，34和44位于远离机壳的一侧。外循环风机5和6分别设置在两个同排的热交换机芯之间。外循环风机5和6是双侧进风风机，其两个进风面分别正对两侧热交换机芯的外循环风道的出风面。

舱外低温空气从机壳外侧水平进入热交换机芯的外循环风道，并经过热交换机芯，进入外循环风机所在的排风区域。当舱外低温空气进入排风区域时，在外循环风机的作用下，从两侧进入外循环风机内部，并在离心力的作用下从外循环风机5和6的排风口50和60排出。外循环风机5和6的排风口50和60，即外循环风道的出风口设置在图1所示的背面，当然，外循环风道的出风口也可以设置在图1所示的正面。

下面结合图6至图9对本发明所提供的风力发电机组冷却用的换热器的热交换原理进行说明。其中，图6是串行的内循环风道的示意图；图7是单一外循环风道的示意图；图8是该风力发电机组机舱冷却用换热器的内部结构示意图；图9是与之对应的热交换原理示意图。

结合图6和图8可知，在机壳的右侧，内循环热风从机壳上侧的进风口21（即热交换机芯2的内循环风道进风口21）进入热交换机芯2的内循环风道内，并经过热交换机芯2和热交换机芯4的内循环风道从位于机壳下侧的出风口43（即热交换机芯4的内循环风道进风口43）进入内循环风机8，并在内循环风机8的作用下，从与内循环风机8的出风口连接的内循环管道回到发电机组的机壳内。其中，热交换机芯2的内循环风道出风口23与热交换机芯4的内循环风道的进风口41正对，内循环热风可以近似无阻力地从热交换机芯2进入热交换机芯4。在机壳的左侧，热交换机芯1和3构成了另一条内循环风道，两条内循环风道的结构设置完全相同。在两条内循环风道中，串接的两个热交换机芯的规格尺寸可以有所区别，具体体现在机芯的尺寸大小、板厚、板间距可以不同。

如图7和图8所示，在机壳的上侧，外循环冷风分别从设置在机壳的左右侧的外循环进风口12和22（即热交换器1的外循环风道进风口12和热交换器2的外循环风道进风口22）进入热交换机芯1和2的外循环风道，并从热交换机芯1和2的外循环风道的出风口14和24进入外循环风机5所在的排风区域，并在外循环风机5的作用下，从与出风口50连接的排风管道排出机舱。

在机壳的下侧，存在另一条与上述外循环风道平行的外循环风道，两条外循环风道的风道流向完全相同。外循环冷风分别从机壳的左右侧的外循环进风口32和42（即热交换器3的外循环风道进风口32和热交换器4的外循环风道进风口42）进入热交换机芯3和4的外循环风道，并从热交换机芯3和4的外循环风道的出风口34和44进入外循环风机6所在的排风区域，并在外循环风机6的作用下，从与出风口60连接的排风管道排出机舱。

上述两条并行的外循环风道的区别在于外循环风机5和6的出风口50和60的出风口位置的设置方式可以有所差别，出风口50和60可以设置在本层通道的上侧，也可以设置在下侧。为了便于工人检修和节约下层空间，最下层的外循环风机（即本实施例中外循环风机6）的出风口应设置在本层通道上侧较佳。

图9所示是该风力发电冷却用换热器中，内循环风道和外循环风道的热交换原理示意图。其中，水平的实心箭头代表外循环风道的流向，竖直的空心箭头代表内循环风道的流向。从图9中可以看出，上层的外循环风道对内循环风道进行一次冷却，下层的外循环风道对内循环风道进行二次冷却。在本实施例中，使用30℃的外循环冷风可以将内循环热风的温度从60℃降低至35℃左右，使发电机组机舱内外的温度接近。

在图9中，两个内循环风道的进风口、出风口分别通过通风管道10软连接至相应的内循环回路中，两个内循环风道彼此隔绝，不会产生相互影响。两个外循环风道的出风口也相互隔绝，并分别通过通风管道软连接至机舱外部。由于，外循环回路中，冷风在未进入机壳内部时并无区别，冷风压力恒定，所以在机壳同侧的两个外循环风道的进风口之间可以不做隔绝处理，使用同一通风管道软连接至机舱外部；而在外循环风道的出风口位置的隔绝处理可以避免上下层外循环风机吹出的风混在一起，造成风机压力不平衡，电机有损坏的可能。

结合图9、图10和图11可知，为了避免室外雨水及换热器芯体所产生冷凝水进入外循环送风机侧，在该风力发电机组机舱冷却用换热器中增设了集中排水功能。通过在每个外循环风机的下侧设置接水盘9，并设置与接水盘9连接的排水管90，实现集中排水，从而有效解决了可能存在的长期使用后造成积水无法排除及腐蚀风机的隐患。接水盘可以使用316不锈钢水盘。为了便于检修，在每个外循环风机的后侧设置检修口95。

在该实施例中，通过在机壳内部，使用二级冷却，在夏季，使用30℃的外循环冷风可以将内循环热风的温度从60℃降低至35℃左右，与发电机组机舱外部的温度接近；而在冬季，使用0℃的冷风可以将内循环热风的温度从60℃降低至7℃左右。由此可见，通过在串行的内循环风道中设置两个热交换机芯，并使用两个并行的外循环风道对其进行冷却；可以满足兆瓦级风力发电设备的冷却需求。而针对不同容量的发电机组，在不同的风力发电机组机舱冷却用换热器中，每列热交换机芯的数量可以不同，以便于满足风力发电机组的冷却需求。

上述实施例中，以每条串行的内循环风道具有两个热交换机芯为例进行了说明。在串行的内循环风道中，热交换机芯的数量可以不同，可以为多于两个的多个，其目的为实现内循环风道的多级冷却。在针对不同容量的发电机组设计风力发电机组机舱冷却用换热器时，当风量按设计要求确定后，热交换机芯的效率直接影响换热器内循环排到机舱内的温度。而影响热交换机芯的效率的因素包括：机芯的有效迎风面积S,机芯的面风速v，以及整个机芯的有效换热面积。机芯的有效换热面积越大，冷热空气在通过机芯时，交换的时间就越长，交换的效率就越高。而机芯有效换热面积由机器的高度和机芯的边长确定，如果机芯高度是固定的，则影响热交换效率的主要因素就为机芯的边长，机芯的边长越大，机芯的换热面积就越大，换热效率就越大。在本发明提供的风力发电机组机舱冷却用换热器中，机芯的边长主要体现在串行的内循环风道的热交换长度上，也就体现在每列热交换机芯的数量及总体长度上。

本发明提供的风力发电机组机舱冷却用换热器，通过使用并行的外循环风道对串行的内循环风道进行多级冷却，扩展了风冷方式对于风力发电机组冷却的适用范围。本发明所提供的风力发电机组机舱冷却用换热器，适用于海上、内陆风力发电机组机舱内搭配安装。将该换热器安装于机舱尾部，将内循环风道的进风口和出风口通过软连接与机舱顶部发电机等部件散热通风管道相连接，将外循环风道的进风口和出风口通过软连接与机舱外部连接，实现风力发电机组的冷却。跟外界相通的外循环冷空气与来自发电机内的内循环热空气在换热器芯体内，进行交叉对流换热。被冷却的内循环空气再排到机舱中，然后被发电机处的离心风机再次推入发电机内，用来带走发电机内的热量，以防止发电机定子线圈、磁钢等部件温度过高，对风电机组正常运行起着重要的作用，

在冷却过程中，因为内循环风机吹出的风被来自安装在发电机上的2个主要风扇吸入并吹进发电机，到达内循环进风口处时正压为零，从而不会对舱内设备形成负压，保证了内循环风道的稳定。同时，在该风力发电机组机舱冷却用换热器中，热交换机芯使用显热交换机芯，使得内循环风道和外循环风道之间只换热不换风，进一步保证了机舱内发电设备的使用寿命。

在本发明所提供的风力发电机组机舱冷却用换热器中，创造性地将双进风风机置于两换热器芯体中间，保证各换热风路层风量均衡，有效的降低换热风路压力损失，提高换热风量的有效性。并且，创造性地将采用双进风和双出风结构，即换热器芯体装配设计为上下两层左右对称结构，从而充分提高热交换效率，满足了送风温度要求。

上面对本发明所提供的风力发电机组机舱冷却用换热器进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种风力发电机组机舱冷却用换热器，包括扁平机壳，其特征在于：

在所述机壳内部设置有两列平行的热交换机芯，每列热交换机芯的数量大于等于两个，每列热交换机芯沿所述机壳的长度方向设置，构成一条串行的内循环风道；在同排的两个热交换机芯之间设置有外循环风机，从而在机壳内部构成多道并行的外循环风道，并且，不同的所述外循环风机之间使用隔板分离；

通过并行的外循环风道对串行的内循环风道进行多级冷却。

2.如权利要求1所述的风力发电机组机舱冷却用换热器，其特征在于：

所述热交换机芯采用叉流板式的显热交换器。

3.如权利要求1所述的风力发电机组机舱冷却用换热器，其特征在于：

所述外循环风道的进风口设置在所述机壳的侧面，所述外循环风道的出风口设置在所述机壳的正面或者背面；

所述内循环风道的进风口和出风口分别设置在所述机壳的顶部和底部。

4.如权利要求1所述的风力发电机组机舱冷却用换热器，其特征在于：

在所述内循环风道中，在同一列热交换机芯的顶部或者底部设置有内循环风机。

5.如权利要求4所述的风力发电机组机舱冷却用换热器，其特征在于：

所述内循环风机设置在所述机壳的外部。

6.如权利要求5所述的风力发电机组机舱冷却用换热器，其特征在于：

所述内循环风机的进风口与设置在所述机壳上的所述内循环风道的出风口连接。

7.如权利要求1所述的风力发电机组机舱冷却用换热器，其特征在于：

所述外循环风机是双侧进风风机，并且，所述外循环风机的两个进风面分别正对两侧热交换机芯的外循环风道的出风面。

8.如权利要求1所述的风力发电机组机舱冷却用换热器，其特征在于：

在最下层的外循环风道中，所述外循环风机的出风口设置在本层风道的上侧位置。

9.如权利要求1所述的风力发电机组机舱冷却用换热器，其特征在于：

在每个外循环风道中，所述外循环风机的出风口分别独立连接至外循环管道中。

10.如权利要求1所述的风力发电机组机舱冷却用换热器，其特征在于：

在每个外循环风道中，所述外循环风机的下侧设置有接水盘，并设置有与所述接水盘连接的排水管。