CN201556505U

CN201556505U - 新型变压器散热器

Info

Publication number: CN201556505U
Application number: CN2009202018273U
Authority: CN
Inventors: 章有虎; 阎振贵
Original assignee: HANGZHOU ZHONGTAI PROCESS EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: Hangzhou Zhongtai Cryogenic Technology Co., Ltd.
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2019-12-07

Abstract

本实用新型涉及一种新型变压器散热器，包括多个间隔设置的油通路和空气通路，隔板设置在油通路和空气通路之间，油侧翅片和空气侧翅片分别设置在油通路和空气通路中，空气侧翅片的换热面面积大于油侧翅片的换热面面积。本实用新型通过在油通道和空气通道中设置翅片，利用翅片来使空气换热面积大于油换热面积以达到各介质对整体换热面积的要求，能提高变压器散热器的散热效率。

Description

新型变压器散热器

技术领域

本实用新型涉及油浸式变压器用热交换装置，尤其涉及一种变压器散热器。

背景技术

油浸式变压器运行时，内部绕组、铁心等部件产生能量损耗。损耗转换为热量，通过变压器油的热传导和对流作用传递到油箱壁，并使绕组、铁心、油箱壁和油温度上升。而油温的升高直接影响到绕组绝缘材料的绝缘性能和使用寿命，因此必须把油温控制在一定的范围内。采用油的散热器进行散热把油温降低并维持在一定的水平上，是变压器行业中通常采用的方式。

利用空气的自然对流方式对变压器油进行散热的片式油散热器，是目前在居民区中的中小型变压器及一些对噪音、能耗有特殊要求而不能采用强迫冷却方式的大型变压器通常采用的主流散热器形式。在这类散热器中，油和空气的传热全部是利用自然对流的方式进行的。流动的动力即是各自的温度差(热油冷却后自然下降，空气被加热后自然上升，由此形成了各自的自然对流)。散热器总传热系数的大小，完全取决于这两种散热介质各自的散热能力。因此要提高散热器总传热系数，达到降低片式油散热器的体积、重量和制造成本的目的，必须从提高变压器油和空气这两种散热介质各自的散热能力入手。

为了提高变压器油和空气这两种散热介质各自的散热能力，首先从两种散热介质各自的自然对流散热系数的分析入手：由于两种介质都是自然对流放热，其放热系数的表达式是一致的，即公认的：Nus s e l t方程式：Nu＝a(Gr·Pr)^m，Nu＝αL/λ，Pr＝Cp·μ/λ，Gr＝L³ρ²gβΔt/μ²。其中：L(m)为传热面长度，ρ(Kg/m³)为流体密度，β(1/℃)为流体的体积膨胀系数，Δt(℃)为传热面与流体之间的温度差，λ(w/mk)为导热系数，Cp(KJ/Kg℃)为比热，μ(N·s/m²)为粘度系数，系数a和指数m与散热器的几何尺寸及Gr·Pr值有关。

由于在变压器中，油的温度一般在30～90℃范围内，而空气的温度范围一般在10～40℃之间。两种介质在上述温度范围内的平均物性数据为：

变压器油：ρ＝842Kg/m³，β＝0.70×10^-31/℃，λ＝0.122w/mk，Cp＝2.0934KJ/Kg·℃，μ＝73.18×10^-4N·s/m²，Pr＝126，Gr＝272726710，Gr×Pr＝3.436×10¹⁰，令Δt＝3℃，L＝1m，则a＝0.13，m＝1/3，α_油＝51.56w/m²·k；

空气：ρ＝1.122Kg/m³，β＝3.336×10^-31/℃，λ＝0.0263w/mk，Cp＝1.007KJ/Kg·℃，μ＝18.46×10^-6N·s/m²，Pr＝0.7068，Gr＝36.269×10⁷，Gr×Pr＝25.635×10⁷，令Δt＝3℃，L＝1m，则a＝0.13，m＝1/3，α_空＝4.68w/m²·k。很显然，空气的放热能力要比油的放热能力低很多。

参见图1和图2，目前正在大量使用的片式油散热器由若干对散热片组按规定的间距排列固定，每对散热片组由两片冲压成型的钢板10焊合在一起，两片钢板10焊合后在其内部形成若干个流道11。这种片式油散热器油侧和空气侧的放热面积是相等的，K_总×A_平均＝K_油×A_油＝K_空×A_空＝4.29w/k，整台散热器的散热能力与空气侧的放热能力相等，因此空气侧的放热能力大大制约了整台散热器的散热能力。从某种意义上讲，现在使用的散热器大大浪费了变压器油的放热能力。

发明内容

本实用新型的目的在于，提出一种能够充分发挥油和空气这两种介质的放热能力、提高散热效率的新型变压器散热器。

为实现上述主要目的，本实用新型采用的技术方案为：新型变压器散热器，包括多个间隔设置的油通路和空气通路，隔板设置油通路和空气通路之间，油侧翅片和空气侧翅片分别设置在油通路和空气通路中，空气侧翅片的换热面积大于油侧翅片的换热面积。

本实用新型通过在油通道和空气通道中设置翅片，在现有片式散热器一次换热面的基础上，增加了二次换热面，利用翅片来使空气换热面积大于油换热面积以达到各介质对整体换热面积的要求，从而使整台散热器在体积不变的情况下提高单台散热器的散热能力，或在散热量不变的情况下减少整台散热器的有效体积。

附图说明

图1为现有片式油散热器的主视图；

图2为现有片式油散热器的左视图；

图3为本实用新型变压器油散热器的一个基本组合体截面示意图；

图4为两个图3所示的基本组合体组合图。

下面结合附图对本实用新型作详细描述。

具体实施方式

如在本申请背景技术部分所述，油和空气这两种介质的放热能力分别是α_油＝51.56w/m²·k和α_空＝4.68w/m²·k。如果变压器散热器使得两种介质的换热面积和介质本身的放热能力相适应，则能够在保持体积不变的前提下提高单台散热器的散热能力或在保持散热能力的前提下减小散热器的体积。在理想状态下油换热面积和空气换热面积应该分别是A_油＝4.68m²和A_空＝51.56m²，此时整台散热器的放热系数是：K_总×A_平均＝127.67w/k，A_平均＝(A_油+A_空)/2＝28.12m²，比现有的油换热面积与空气换热面积相等的片式油散热器的放热能力提高了6.5倍以上，K_总＝4.54w/m²k也提高了6％左右。由于在结构设计时，两种介质的换热面积比例不可能正好设计成达到A_油＝4.68m²和A_空＝51.56m²的要求，如设计成A_油＝5m²、A_空＝50m²时，K_总×A_平均＝122.662w/k，A_平均＝(A_油+A_空)/2＝27.5m²，K_总＝4.46w/m²k，有些变化但变化不大。无论两种介质的换热面积之比设计到和放热能力之比的符合程度如何，只要符合两种介质的换热面积和介质本身的放热能力相适应的原则，其最终结果都可以实现比现在广泛使用的片式油散热器提高效率的目的。

本实用新型的新型变压器散热器包括由如图3所示的基本组合体构成的芯体和连通该芯体的油通路的油进出口结构，变压器散热器的油介质从油进出口结构进入芯体的油通路，在油通路中进行热交换后流回油进出口结构。油进出口结构与现有的片式油散热器相同，在本实用新型中不作详细描述。

参见图3，基本组合体包括一层油通路和在油通路两侧的空气通路，在油通路和空气通路之间设置1mm厚的隔板3。因此一个基本组合体包括两块隔板3、三层通路(一层油通路和两层空气通路)。油侧翅片1设置在油通路中，空气侧翅片2设置在空气通路中，油侧翅片1和空气侧翅片2为无孔的平直翅片。参见图4，基本组合体和基本组合体之间使用第二隔板4来连接，第二隔板4厚度为0.5mm，比分隔油通路和空气通路的隔板3更薄。隔板和翅片间采用钎焊的工艺方法焊接一起，可以最大限度的减少隔板和翅片之间的导热热阻。

由于在变压器散热器中，空气的放热能力要比油的放热能力低很多，因此本实用新型采用的介质换热面积和放热能力相适应的主要措施是，通过在油通道和空气通道中设置翅片，在现有片式散热器一次换热面的基础上，增加了二次换热面，提高了单位体积内的换热表面积，利用翅片来使空气换热面积大于油换热面积以达到各介质对整体换热面积的要求，充分发挥两种散热介质的放热能力，从而使整台散热器在体积不变的情况下提高单台散热器的散热能力，或在散热量不变的情况下减少整台散热器的有效体积。

在本实施例中，变压器散热器为自冷式散热器，油通路中的油侧翅片1规格为：高度H＝9.5mm、节距P＝9.5mm、翅片材料厚度t＝0.4mm、当量直径D_e＝9.1mm，一平方米翅片内有换热面积A_s＝3.83m²/m²，一米宽的翅片有自由流通通道面积A_f＝0.0087m²/m。该翅片使用铝合金材料制造，一平方米翅片的翅片重量是W＝2.11Kg/m²。

空气通路中的空气侧翅片2规格为：高度H＝22mm、节距P＝2.5mm、厚度t＝0.3mm、当量直径D_e＝3.995mm，一平方米翅片内有换热面积A_s＝19.12m²/m²，一米宽的翅片有自由流通通道面A_f＝0.019096m²/m。该翅片使用铝合金材料制造，一平方米翅片的翅片重量是W＝0.891Kg/m²。

在一平方米基本组合体内，A_空＝19.12×2＝38.24m²、A_油＝3.83m²、基本组合体的厚度B＝2×22+9.5+1×2＝55.5mm、重量W＝11.18Kg，体积V＝1×0.0555＝0.0555m³。因此比重ρ＝11.18/0.0555＝201.5Kg/m³，空气侧的换热面积比a_空＝38.42m²/0.0555m³＝692.2m^-1，油侧a_油＝3.83/0.0555＝69m^-1，A_空/A_油＝38.24/3.83＝9.984334。使用前面计算得到的放热系数α_油＝51.56w/m²·k和α_空＝4.68w/m²·k，则以空气侧为基础的传热系数K_空＝1/(1/4.68+1/51.56×9.984334)＝2.455w/m²。

对上述计算数据和现有片式油散热器(如PG3000-10/535规格)进行比较，可以得到如下结果。片式油散热器PG3000-10/535的技术数据：有效自冷换热面积为18.097m²，重量为277.74Kg，体积近似V_片＝0.045×3×0.535＝0.722m³(实际要更大些)，按行业惯例估算可以放热：Q＝0.5×18.097＝9.048KW。如果在同样的体积内，使用本实用新型的技术组合，则可以达到的效果为：A_空＝a_空×V_片＝692.2×0.722＝499.77m²，可以放走热量Q＝K_空×A_空×Δt＝2.455×499.77×Δt＝1226.935Δt。Δt为空气和油之间的传热温度差。按油的最高进口温度90℃和空气升温后的最高温度60℃作为热端温差，按油冷却后的温度和空气进口温度的差值为10℃计算，则空气和油之间的传热温度差大体在18度左右。因此空气可以放走的热量Q在22KW左右，比现有片式油散热器PG3000-10/535提高了2.4倍。而该基本组合体的重量仅仅为W＝201.5Kg/m³×0.722m³＝145.5Kg，仅为片式油散热器PG3000-10/535重量的52.4％。以上的对比数据虽然是有些粗，不太精确，但完全可以说明问题。利用本实用新型可以大大提高现有片式散热器的技术水平，把变压器散热器推广到更广泛的使用范围和领域。

由于变压器油的粘度系数比较大，如果油侧翅片换热表面(二次换热表面)的当量直径太小，有可能由于油的边界层很厚，而使油的自然流动受到影响甚至无法进行。现有设备的运行经验和针对有二次换热表面的油散热进行的工业试验表明，变压器油的二次换热表面的最小当量直径在8～12mm之间。而空气侧翅片换热表面(二次换热表面)的最小当量直径在3.5～5mm之间。由于翅片的当量直径D_e与翅片的高度H、节距P、厚度t有关，可通过改变翅片的高度、节距和厚度来适应对当量直径和翅片换热面积的要求。

变压器散热器中的翅片(油侧翅片或空气侧翅片)的形状，可以随介质(油或空气)的流动方式(例如由自然对流改为强制对流)的改变来更改，从而可以进一步提高油侧或空气侧的放热能力。翅片可以是有孔或无孔的平直翅片、波纹翅片、锯齿翅片、有孔或无孔的百叶窗式翅片等中的一种。翅片的高度在3～22mm之间、节距在2.5～10mm之间、厚度在0.2～0.6mm之间，翅片的材料可以是铝合金、钢或其他金属。而现有的片式油散热器，即使改变了油和空气的流动方式，其放热能力的提高也很有限。

油侧和空气侧的换热面积的改变，除了利用翅片换热表面进行调节外，还可以利用在油通路或空气通路的翅片数量来进一步调节。例如，在如图4所示的实施例中，在油通路中的翅片为一个，而在空气通路中的翅片为两个。本实用新型在油通路或空气通路中的翅片数量不限于一个或两个，还可以是二个以上。当为两个以上时，在同一个通道中的翅片通过隔板来连接。

变压器散热器的空气通路可以是敞开的，即在隔板的宽度方向上翅片不是用封条进行封闭构成一个空气流道，而是和大气直接流通。而油侧因有压力及封闭的要求，所以需要在隔板的宽度方向上翅片的两边，用封条进行封闭构成一个封闭流道。封条的形式可以是单独的零件结构，也可以是隔板的延续部分构成。当空气侧的流路是敞开时，变压器散热器的支座可设置在组合体的厚度方向上的两个侧面上；当空气流路设计成封闭结构时，变压器散热器的支座可以设置在隔板宽度方向的两个侧面上。

变压器换热器的进油口和出油口可设置在隔板宽度方向的侧面，可以在同一侧面也可以分别在两个侧面上。进油口和出油口可以按用户要求进行布置。

当空气和油的流动形式发生改变时，空气和油的放热能力也很难达到相等。因此除自然流动进行散热外，在其他的散热形式(如强制对流)下，空气侧和油侧的换热面积也有和放热能力相适应的问题。因此本实用新型也可以适用于仅仅在空气侧采用强制流动或两侧全部采用强制流动的散热器中，从而得到最优化的散热器产品设计。

由于国家对电力行业的大量投入，一些超大容量的变压器也急需合适的散热器配套使用，这些对于散热器的研究提出了更高的要求。尤其在居民区及一些对噪音、能耗有特殊要求而不能采用强迫冷却方式的地方，如何提高散热器自冷的效果，扩大自冷散热器的应用范围，降低散热器的体积、重量、成本是一个很现实的问题。本实用新型为扩大自冷式变压器油散热器的使用范围创造了条件，使自冷式变压器油散热器的技术水平提高了一个档次，也为其他型式的散热器设计水平的提高提供了方法。

Claims

1.新型变压器散热器，包括多个间隔设置的油通路和空气通路，其特征在于，隔板设置所述油通路和所述空气通路之间，油侧翅片和空气侧翅片分别设置在所述油通路和空气通路中，所述空气侧翅片的换热面积大于所述油侧翅片的换热面积。

2.根据权利要求1所述的新型变压器散热器，其特征在于，所述油通路具有两个油侧翅片和设置在所述两个油侧翅片间的第二隔板。

3.根据权利要求2所述的新型变压器散热器，其特征在于，所述第二隔板比设置在油通路和空气通路之间的隔板薄。

4.根据权利要求2所述的新型变压器散热器，其特征在于，所述油侧翅片的最小当量直径为8～12mm。

5.根据权利要求2所述的新型变压器散热器，其特征在于，所述空气侧翅片的最小当量直径为3.5～5mm。

6.根据权利要求4或5所述的新型变压器散热器，其特征在于，所述油侧翅片或空气侧翅片的高度为3～22mm、节距为2.5～10mm、厚度为0.2～0.6mm。

7.根据权利要求6所述的新型变压器散热器，其特征在于，所述油侧翅片的高度为9.5mm、节距为9.5mm、厚度为0.4mm，所述空气侧翅片的高度为22mm、节距为2.5mm、厚度为0.3mm。

8.根据权利要求2所述的新型变压器散热器，其特征在于，所述油侧翅片或空气侧翅片为有孔或无孔的平直翅片、波纹翅片、锯齿翅片、有孔或无孔的百叶窗式翅片中的一种。

9.根据权利要求8所述的新型变压器散热器，其特征在于，所述油侧翅片或空气侧翅片的材料为铝合金或钢。