CN110174015A - 一种基于分离式热管换热器的风电机组散热装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于分离式热管换热器的风电机组散热装置及方法，属于风力发电机组温度控制技术领域。用分离式热管换热器对风电机组的机舱内部进行散热，对原有的机舱内部结构改动小，便于制造和安装，分离式热管换热器的热管冷凝段和热管蒸发段可以分开设置，将热管蒸发段设在机舱内部需要散热的部位，将热管冷凝段设在机舱顶部，热管蒸发段内部的介质吸热后变为气态介质，通过蒸气上升管流动到设在机舱顶部的热管冷凝段与外界空气换热后凝结成为液态介质，在重力作用下通过液体下降管回流到热管蒸发段，依靠内部介质的连续相变，完成热量的连续转移。散热效率高，可以有效解决机舱内转动部件和电器元件的散热问题，具有极高的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于风力发电机组温度控制技术领域，具体涉及一种基于分离式热管换热器的风电机组散热装置及方法。
背景技术
在风力发电机组实际运行的过程中，部分旋转部件和电器元件会产生大量的热量，若不能够及时的将这些热量传导出去，则会导致旋转部件出现热塑性的缺陷、断裂，引起失效，同时，过度的热量累积也会导致电器元件老化、绝缘性能变差，严重时还会引起火灾。在我国三北地区，夏季炎热干燥，本身外界温度较高，达到40摄氏度左右，而机舱内由于齿轮箱和发电机的产热、太阳辐射等原因，内部温度更是高达60摄氏度以上。更为严重的是，部分老旧机组的电控柜布置于机舱内部，其产生的热量导致机舱内温度进一步升高。过高的机舱温度，迫使风电场运维人员对风电机组进行限功率运行，导致严重发电量和经济损失。现阶段对机舱进行降温的方法主要有两种。其一为被动式散热，即在机舱底部中央靠前的位置开设进风孔，而在机舱后部中央开设出风孔，利用自然来流在机舱内形成空气流动，达到散热的目的，但此方法的缺陷在于气流的组织性差、局部热量聚集、机舱积灰严重。第二种方法为将齿轮箱等设备外壳的冷却油循环至机舱外，然后利用机舱外风冷设备进行冷却，在回送到设备外壳中，该方法的缺陷在于工艺复杂，耗能较高。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于分离式热管换热器的风电机组散热装置及方法，实现了风力发电机组机舱内充分有效、无死角、低耗能的散热降温。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种基于分离式热管换热器的风电机组散热装置，包括介质储存装置、介质输送管、进液单向阀门、泵、回液单向阀门、介质回流管、热管蒸发段、蒸气上升管、热管冷凝段和液体下降管；热管蒸发段的蒸气出口通过蒸气上升管与热管冷凝段的蒸气入口连接，热管冷凝段的液体出口通过液体下降管与热管蒸发段的液体入口连接；热管蒸发段、蒸气上升管、热管冷凝段和液体下降管形成循环回路；热管蒸发段设在风电机组机舱内部，热管冷凝段设在风电机组机舱顶部；液体下降管连接有两条支路，一条支路与介质回流管连接，介质回流管与介质储存装置的入口连接，回液单向阀门设在介质回流管上，介质回流管上设有回流泵；另一条支路与介质输送管连接，介质输送管与介质储存装置的出口连接，进液单向阀门和泵设在介质输送管上。
优选地，热管冷凝段与风电机组机舱顶面的夹角为10～30°且朝向迎风面。
优选地，热管蒸发段液体入口内填充有吸液芯。
优选地，介质输送管上设有止回阀门。
优选地，泵为变频泵。
优选地，蒸气上升管和液体下降管外壁包裹有绝热材料。
进一步优选地，绝热材料为石棉泡发材料。
优选地，介质采用烷烃类混合物。
进一步优选地，介质还包括阻燃剂。
本发明还公开了采用上述基于分离式热管换热器的风电机组散热装置对风电机组进行散热的方法，包括：
当需要对风电机组机舱内部进行散热时，进液单向阀门开启，回液单向阀门关闭，泵开启，介质储存装置内的介质通过介质输送管、液体下降管进入热管蒸发段，达到预定量后泵关闭，进液单向阀门关闭；介质在热管蒸发段内受热气化成为气态介质后沿蒸气上升管进入热管冷凝段，气态介质在热管冷凝段内与外界空气换热后，被冷却成为液态介质，液态介质沿液体下降管进入热管蒸发段，开始下一个蒸发-冷凝循环；
当需要停止对风电机组机舱内部的散热时，回液单向阀门开启，回流泵开启，液体下降管中的液态介质通过介质回流管回流至介质储存装置内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种基于分离式热管换热器的风电机组散热装置，采用分离式热管换热器对风电机组的机舱内部进行散热，对原有的机舱内部结构改动小，便于制造和安装，分离式热管换热器的热管冷凝段和热管蒸发段可以分开设置，将热管蒸发段设在机舱内部需要散热的部位，将热管冷凝段设在机舱顶部，热管蒸发段内部的介质吸热后变为气态介质，通过蒸气上升管流动到设在机舱顶部的热管冷凝段与外界空气换热后凝结成为液态介质，在重力作用下通过液体下降管回流到热管蒸发段，依靠内部介质的连续相变，完成热量的连续转移。散热效率高，可以有效解决机舱内转动部件和电器元件的散热问题，实现了点对点热交换，无换热死角，方便快捷，能耗较低，具有极高的实用价值。
进一步地，热管冷凝段与风电机组机舱顶面的夹角为10～30°且朝向迎风面设置，一方面使与外界空气换热后凝结成的液态介质能够顺利进入液体下降管，另一方面，能够增加热管冷凝段的迎风面积，增加与外界空气的换热能力。
进一步地，热管蒸发段液体入口内填充有吸液芯，能够加强热管蒸发段前段的换热能力和介质气化，提高装置的散热效果。
进一步地，介质输送管上除设有进液单向阀门外，还设有止回阀门，止回阀门与进液单向阀门组合使用，能够进一步防止液态介质回流，起到安全隔离的作用。
进一步地，变频泵能够方便调节装置内的工作压力。
进一步地，蒸气上升管和液体下降管外壁包裹有绝热材料，能够减少管内热量的散逸。
更进一步地，绝热材料采用石棉泡发材料，一方面可以有效绝热，另一方面还起到阻燃的作用，增加装置的安全性。
进一步地，介质采用烷烃类混合物，兼顾了能够满足风电机组的工作温度区间和环境友好因素。
更进一步地，烷烃类混合物具有易燃的特点，介质内加入阻燃剂能够保障机舱的安全运行。
本发明公开的采用上述基于分离式热管换热器的风电机组散热装置对风电机组进行散热的方法，克服了现有技术中被动式散热效果差和机舱外循环冷却工艺复杂的缺点，本方法操作简便，实用性强，无需对机舱内部结构进行改动，实现了风力发电机组机舱内充分有效、无死角、低耗能的散热降温。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明对齿轮箱冷却方案中热管蒸发段的结构示意图；
图3为本发明的热管冷凝段的剖面结构示意图。
图中：1-介质储存装置，2-介质输送管，3-进液单向阀门，4-泵，5-止回阀门，6-回液单向阀门，7-介质回流管，8-热管蒸发段，9-蒸气上升管，10-热管冷凝段，11-液体下降管，12-风电机组机舱，13-吸液芯，14-冷却油输送管，15-冷却油回送管，16-翅片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
图1为本发明的基于分离式热管换热器的风电机组散热装置的整体结构示意图，包括介质储存装置1、介质输送管2、进液单向阀门3、泵4、回液单向阀门6、介质回流管7、热管蒸发段8、蒸气上升管9、热管冷凝段10和液体下降管11；
热管蒸发段8的蒸气出口通过蒸气上升管9与热管冷凝段10的蒸气入口连接，热管冷凝段10的液体出口通过液体下降管11与热管蒸发段8的液体入口连接，热管蒸发段8的前段即液体入口附近的管道内填充有吸液芯，填充的长度根据实际需要而定。热管蒸发段8、蒸气上升管9、热管冷凝段10和液体下降管11形成循环回路，循环回路内的介质循环进行蒸发-冷凝，给机舱进行散热，介质采用烷烃类混合物，可以加入阻燃剂，提高安全性。蒸气上升管9和液体下降管11外壁包裹有绝热材料，优选石棉泡发材料；热管蒸发段8设在风电机组机舱12内部，热管冷凝段10设在风电机组机舱12顶部，热管冷凝段10与风电机组机舱12顶面的夹角为10～30°且朝向迎风面。
液体下降管11连接有两条支路，一条支路与介质回流管7连接，介质回流管7与介质储存装置1的入口连接，回液单向阀门6设在介质回流管7上，介质回流管7上还设有回流泵；另一条支路与介质输送管2连接，介质输送管2与介质储存装置1的出口连接，进液单向阀门3和泵4设在介质输送管2上，泵4优选变频泵，还可以设置止回阀门5，与进液单向阀门3组合使用。
上述基于分离式热管换热器的风电机组散热装置的工作原理如下：
当需要对风电机组机舱内部进行散热时，进液单向阀门3开启，回液单向阀门6关闭，泵4开启，介质储存装置1内的介质通过介质输送管2、液体下降管11进入热管蒸发段8，达到预定量后泵4关闭，进液单向阀门3关闭；介质在热管蒸发段8内受热气化成为气态介质后沿蒸气上升管9进入热管冷凝段10，气态介质在热管冷凝段10内与外界空气换热后，被冷却成为液态介质，液态介质沿液体下降管11进入热管蒸发段8，开始下一个蒸发-冷凝循环；
当需要停止对风电机组机舱内部的散热时，回液单向阀门6开启，回流泵开启，液体下降管11中的液态介质通过介质回流管7回流至介质储存装置1内。
下面以采用本装置对某型号风力发电机组机舱内的齿轮箱进行冷却为例，对本装置进行进一步地说明：
该型机组塔筒高度70m，风轮直径77m，额定满发功率1.5MW，该机组位于三北地区某地荒漠中，夏季炎热干燥，太阳辐射强烈，夏季白天极端高温达40摄氏度以上，机舱温度更可达到65摄氏度以上。与目前绝大部分设备不同，该型风电机组的电控柜位于机舱内部，进一步增加了机舱内的发热量。按照从前至后的顺序，该型风电机组机舱内的主要发热部件包含齿轮箱、发电机和电控柜，其中，电控柜和发电机距离较近，极易产生热量的聚集。目前，该型风电机组机舱的散热方式为被动式，即发热部件通过冷却油或者冷却风扇将热量排放至机舱内，然后再通过机舱内的被动气流组织，利用自然风，将机舱内热量排除。这种方法的缺点在于流动不可控、容易在机舱后部形成回流区，导致热量局部富集，引起线路老化和设备损坏，严重时可能导致火灾。针对上述问题，本发明基于分离式热管换热器，利用相变传热的原理，加强了机舱内外的热量交换，有效的解决了机舱温度过高的问题。具体工作流程介绍如下：
本装置由机舱内的温度传感器控制开启，温度传感器与中控系统连接，由于机组所在地区夏季长期炎热干燥，但夜晚温度较低，为避免频繁启停设备，由温度传感器控制系统开闭的逻辑为：连续3天内探测到机舱最高温度高于40摄氏度时，系统开启，进液单向阀门3开启，止回阀门5开启，变频泵开启，回液单向阀门6关闭，将介质储存装置1内的介质通过介质输送管2输送到热管蒸发段8中，当介质输送到额定水平后，关闭变频泵，关闭止回阀门5，关闭进液单向阀门3，使热管系统封闭；当连续三天探测到机舱最高温度低于40时，系统关闭，开启回液单向阀门6，开启回流泵，使热管蒸发段8中的介质通过介质回流管7回流至介质储存装置1内，待介质回流完毕，关闭回液单向阀门6，使热管系统内不再填充介质，以防止冬季低温带来的损害。
该系统所用的介质为烷烃类混合物，值得注意的是，需根据当地内外温度区间的需求，调整烷烃类混合物的比例。在本实施例中，由于发热部件夏季温度变化范围为30～50摄氏度，故选择添加质量之比为，正戊烷：异戊烷：新戊烷＝5：3：2。由于烷烃类混合物具有易燃的特点，在烷烃混合物中添加阻燃剂，防止介质温度过高导致的火灾事故。
由于机舱内发热部件包含齿轮箱、发电机和电控柜，故需要在每个发热部件上均布置热管蒸发段8，所以，整个机舱的散热方案就可以分为两种。其一为整体式，即使用同一套系统，只在齿轮箱、发电机和电控柜这三个主要产热部件上分别布置热管蒸发段8，然后将热管蒸发段8受热气化得到的气态介质合并到一条蒸气上升管9中，然后再输送到同一热管冷凝段10中。另一方案为分体式，即针对每一个发热部件，均布置一套分体式热管系统，每套系统间无介质和能量的输送。由于分体式系统的材料用量和能量消耗较大，故本实施例使用整体式系统。
整个分离式热管系统的工作流程包含，介质在热管蒸发段8受热气化，成为气态介质，气态介质由于蒸气压力较大，自动沿蒸气上升管9上升，进入热管冷凝段10中，气态介质在热管冷凝段10中与外界空气换热被冷却，重新成为液态介质，由于重力因素，沿液体下降管11回流至热管蒸发段中，完成循环。
在本实施例中，热管蒸发段8的具体结构如图2所示，整体结构为板式换热器，介质与齿轮箱冷却油为逆向交叉流动。介质由液体下降管11进入热管蒸发段8中，流经热管蒸发段8，与齿轮箱冷却油充分换热并气化，形成的气态介质通过气体出口进入蒸气上升管9中；另一方向，高温的齿轮箱冷却油从冷却油输送管14进入热管蒸发段8中，经过与介质的充分换热后被冷却，并通过冷却油回送管15重新送入齿轮箱中。为保障液态介质在热管蒸发段8前部管段的蒸发和换热效率，在前部管段中央添加吸液芯13。
在本实施例中，热管冷凝段10的具体剖面结构如图3所示，热管冷凝段10分为四个相同且独立的部分，蒸气上升管9穿过机舱顶部后，经由四通分流器与热管冷凝段10相连接，使高温气体介质进入四条分管中进行冷却。四条分管成正菱形排列，沿机舱迎风方向排列分管外侧有8组与分管走向成平行方向的翅片16，每组翅片间距相同，将分管截面形成的圆形八等分。每个翅片长5cm，宽2.5cm。每组翅片的数量由分管的长度决定，组内翅片间相距2cm。翅片可以焊接到分管上，也可以直接采购市售翅片管。考虑到室外环境较为恶劣，热管冷凝段10及翅片16均需经过防锈蚀处理。为保障冷却后的液态介质能够进入液体下降管11，热管冷凝段10迎风面稍微抬起，底部与机舱顶部呈15度夹角。
为确保整个换热过程中热量不被散逸，蒸气上升管9和液体下降管11均需包裹石棉泡发材料。此外，蒸气上升管9和液体下降管11穿越机舱顶部的时，采用与机舱软性连接的方式，如金属软连接或橡胶软连接，一方面防止机舱振动带来的不利影响，另一方面，防止外界尘土和雨水等进入机舱，对机舱设备造成损坏。
以上实施例为解决齿轮箱散热的具体方案，发电机和电控柜的热管蒸发段与图示热管蒸发段8类似，热管蒸发段8设在发电机和电控柜热量聚集最为严重的部位，热管蒸发段8带走该部位的热量，从而起到散热作用。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于分离式热管换热器的风电机组散热装置，其特征在于，包括介质储存装置(1)、介质输送管(2)、进液单向阀门(3)、泵(4)、回液单向阀门(6)、介质回流管(7)、热管蒸发段(8)、蒸气上升管(9)、热管冷凝段(10)和液体下降管(11)；
热管蒸发段(8)的蒸气出口通过蒸气上升管(9)与热管冷凝段(10)的蒸气入口连接，热管冷凝段(10)的液体出口通过液体下降管(11)与热管蒸发段(8)的液体入口连接；热管蒸发段(8)、蒸气上升管(9)、热管冷凝段(10)和液体下降管(11)形成循环回路；热管蒸发段(8)设在风电机组机舱(12)内部，热管冷凝段(10)设在风电机组机舱(12)顶部；
液体下降管(11)连接有两条支路，一条支路与介质回流管(7)连接，介质回流管(7)与介质储存装置(1)的入口连接，回液单向阀门(6)设在介质回流管(7)上，介质回流管(7)上设有回流泵；另一条支路与介质输送管(2)连接，介质输送管(2)与介质储存装置(1)的出口连接，进液单向阀门(3)和泵(4)设在介质输送管(2)上。
2.根据权利要求1所述的基于分离式热管换热器的风电机组散热装置，其特征在于，热管冷凝段(10)与风电机组机舱(12)顶面的夹角为10～30°且朝向迎风面。
3.根据权利要求1所述的基于分离式热管换热器的风电机组散热装置，其特征在于，热管蒸发段(8)液体入口内填充有吸液芯。
4.根据权利要求1所述的基于分离式热管换热器的风电机组散热装置，其特征在于，介质输送管(2)上设有止回阀门(5)。
5.根据权利要求1所述的基于分离式热管换热器的风电机组散热装置，其特征在于，泵(4)为变频泵。
6.根据权利要求1所述的基于分离式热管换热器的风电机组散热装置，其特征在于，蒸气上升管(9)和液体下降管(11)外壁包裹有绝热材料。
7.根据权利要求6所述的基于分离式热管换热器的风电机组散热装置，其特征在于，绝热材料为石棉泡发材料。
8.根据权利要求1所述的基于分离式热管换热器的风电机组散热装置，其特征在于，介质采用烷烃类混合物。
9.根据权利要求8所述的基于分离式热管换热器的风电机组散热装置，其特征在于，介质还包括阻燃剂。
10.采用权利要求1～9任意一项所述基于分离式热管换热器的风电机组散热装置对风电机组进行散热的方法，其特征在于，包括：
当需要对风电机组机舱内部进行散热时，进液单向阀门(3)开启，回液单向阀门(6)关闭，泵(4)开启，介质储存装置(1)内的介质通过介质输送管(2)、液体下降管(11)进入热管蒸发段(8)，达到预定量后泵(4)关闭，进液单向阀门(3)关闭；介质在热管蒸发段(8)内受热气化成为气态介质后沿蒸气上升管(9)进入热管冷凝段(10)，气态介质在热管冷凝段(10)内与外界空气换热后，被冷却成为液态介质，液态介质沿液体下降管(11)进入热管蒸发段(8)，开始下一个蒸发-冷凝循环；
当需要停止对风电机组机舱内部的散热时，回液单向阀门(6)开启，回流泵开启，液体下降管(11)中的液态介质通过介质回流管(7)回流至介质储存装置(1)内。
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