DE2844884A1

DE2844884A1 - Verfahren zur kuehlung eines eigenerwaermten elektrischen geraetes, insbesondere eines transformators und eigengetriebenes fluessigkeitskuehlsystem zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2844884A1
Application number: DE19782844884
Authority: DE
Inventors: Robert Ellis Gearhart; Thomas Green Nichols; Linden Wayne Pierce
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-10-19
Filing date: 1978-10-14
Publication date: 1979-04-26
Also published as: ES473807A1; FR2406877A1; SE7810863L; GB1595094A; CA1119682A; JPS5475033A; SE419486B

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady,

New York 12305 (USA)

Verfahren zur Kühlung eines eigenerwärmten elektrischen Gerätes, insbesondere eines Transformators und eigengetriebenes Flüssigkeitskühlsystem zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung eines eigenerwärmten elektrischen Gerätes, insbesondere eines Transformators sowie ein eigengetriebenes Flüssigkeitskühlsystem für ein elektrisches Gerät, insbesondere einen Transformator.

Die Tendenz, die Verwendung polychlorierter ßiphenole als Kühlmittel für mittlere und große Leistungstransformatoren zu verbieten, macht den Einsatz von teueren, auf Silikonen basierenden ölen zum Zwecke der Transformatorkühlung notwendig. Da die Menge des für die Ganzirnmersionskühlung erforderlichen Öles in der Größenordnung von hunderten von Litern liegt, wurden alternative Lösungen zur Transformatorkühlung vorgeschlagen. Bei einem bekannten Verfahren wird eine kondensierbare Flüssigkeit verwendet und der Verdampfungs- und Kondensationszyklus ausgenutzt, um während der Verdampfungsphase des Verfahrenszyklus die Wärme von der Transformatoroberfläche abzuführen und dann während der Kondensationsphase des Verfahrenszyklus die Wärme über einen Viärme tauscher wegzuschaffen. In der US-PS 3 024 298 ist ein Kühlsystem, das mit Hilfe von Verdampfung und Schwerkraft arbeitet, beschrieben, in dem als Kühlmittel für die elektronischen Geräte eine kondensierbare Fluorver-

909817/0782

bindung verwendet ist. In Fig. 1 ist 284 4OÖ*» ein bekanntes Kühlsystem 10 dargestellt, das in einem Tank ein kondensierbares,flüssiges Kühlmittel 11 enthält, das einen zu kühlenden Transformator 13 umgibt. Der Transformator 13 wird durch das Aufheizen des Kühlmittels 11 auf seine Verdampfungstemperatur gekühlt und bewirkt somit den Übergang des Kühlmittels 11 in einen zwangsgekühlten Wärmetauscher 14. In dem Wärmetauscher 14 kondensiert das Kühlmittel umgehend und gibt seine Energie als Kondensationswärme ab.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur Kühlung elektrischer Geräte verwendet eine Flüssigkeitsfilmkühlung,um während des Betriebes des elektrischen Gerätes die Wärme von diesem abzuführen und sie auf ein Wärmetauschermedium zu überführen. In der US-PS 2 924 6 35 ist ein elektrisches Gerät beschrieben, bei dem eine flüssige dielektrische Umgebung sowohl zur elektrischen Isolation als auch zu Kühlungszwecken verwendet wird, um die während des Betriebs des Gerätes entwickelte Wärme abzuführen. In Fig. 2 ist eine Flüssigkeitskühleinrichtung 15 mit einem Tank 16 und einem ein flüssiges Kühlmittel 18 enthaltenden Reservoir 17 dargestellt. Weiterhin enthält die Einrichtung 15 eine Pumpe 19 und eine Anzahl von Sprühdüsen 19, um das Kühlmittel 18 in Form von Flüssigkeitströpfchen über die Oberfläche eines Transformators zu versprühen. Das Kühlmittel 18 bildet auf der Oberfläche des Transformators 20 einen dünnen Flüssigkeitsfilm, der beim Berühren der heißen Transformatorober fläche umgehend verdampft, so daß das Kühlmittel 18 in gasförmigen Zustand in einen Kondensator 21 einströmt, um dort die von dem Transformator 20 aufgenommene Wärme als Kondensationswärme an den Kondensator 21 abzugeben. Bei derartigen Kühlsystemen ist

909817/0782

häufig ein Ausdehnungsgefäß 22 mit einem nichtkondensierbaren Gas eingesetzt, ebenso wie ein Hilfswärmetauseher 23 erforderlich sein kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges Durchlauf-Verdampfungsverfahren zur Verdampfungskühlung von Transformatoren zu schaffen, das ohne eine Pumpe zur Flüssigkeitsverteilung in dem Reservoir für das flüssige Kühlmittel arbeitet und das keine Zwangskühlung des Wärmetauschers erfordert, wie dies oben für die bekannten Verfahren beschrieben ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren zur Kühlung eines eigenerwärmten elektrischen Gerätes, insbesondere eines Transformators, dadurch gekennzeichnet, daß ein luftdichter Behälter teilweise mit einer Menge eines kondensierbaren Kühlmittels gefüllt wird und dieses Kühlmittel durch wenigstens einen Kanal, der durch das in den Behälter eingesetzte elektrische Gerät hindurchführt, welches teilweise von dem Kühlmittel bedeckt ist, strömt/ daß zum Entfernen von Feuchtigkeit aus dem Kühlmittel in den Behälter Molekular-Siebmaterial-" eingefüllt wird, und daß das eigengetriebene Flüssigkeitskühlsystem für ein elektrisches Gerät, insbesondere einen Transformator, dadurch gekennzeichnet ist, daß sich in einem luftdichten Behälter das elektrische Gerät und das dieses wenigstens teilweise bedeckende Kühlmittel befinden, daß zur Aufnahme von verdampftem Kühlmittel und zu seiner Rückführung in kondensierter Form ein Wärmetauscher vorgesehen ist, daß wenigstens ein Kühlkanal durch das Gerät führt, in den das Kühlmittel auf der einen Seite in flüssiger Form einströmt und aus dessen anderer Seite das Kühlmittel in dampfförmiger Form ausstrpmt, und daß zur Entfernung von Wasserdampf aus dem Kühlmittel in.dem Flüssigkeitskühlsystem Molekular-Siebmaterial enthalten ist.

909817/Ö7Ö2

In der Zeichnung sind bekannte Kühlvorrichtungen sowie Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Kühleinrichtung, in teilweise geschnittener Darstellung,

Fig. 2 ein weiteres bekanntes Kühlsystem in einer Frontalansicht und in teilweise geschnittener Darstellung,

Fig. 3 ein Kühlsystem gemäß der Erfindung in einer Frontalansicht und in einer teilweise geschnittenen Darstellung,

Fig. 4 einen Molekularsiebabscheider für das Kühlsystem nach Fig. 3 in einer vergrößerten, seitlichen Teilansicht,

Fig.4a einen Molekularsiebabscheider in einer anderen Anordnung in vergrößerter Ausschnittsdarstellung, teilweise geschnitten,

Fig. 5 eine neuartige Wärmepumpe zur Anwendung in dem Kühlsystem nach Fig. 3 in geschnittener Darstellung,

Fig. 6 ein Profil der Temperaturverteilung in den Kühlkanälen eines Transformators bei unterschiedlichen Kühlmitteln, in einer grafischen Darstellung,

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Kühlrate als Funktion des Flüssigkeitsstandes des Kühlmittels bei einem Durchlauf-Verdampfungskühlsystem gemäß der Erfindung,

909817/0782 -10-

Fig. 8 die Wärmepumpe nach Fig. 5 in einem weiteren Ausführungsbeispiel in geschnittener Darstellung,

Fig. 9 die Wärmepumpe nach Fig. 8 in einer vergrößerten, geschnittenen Darstellung,

Fig.10 einen Transformator zum Einsatz in dem neuartigen Durchlauf-Verdampfungskühlsystem gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Draufsicht,

Fig.11 das Kühlsystem nach Fig. 3 in einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer seitlichen Darstellung und

Fig.12 das Kühlsystem nach Fig. 3 in einem anderen Ausführungsbeispiel in einer seitlichen Darstellung.

In Fig. 3 enthält die Durchlauf-Verdampfungskühlereinrichtung 2 4 einen Verdampfer 25, der aus einem Tank 26 besteht, einen Teil einer elektrischen Anlage, wie eine während seines Betriebes wärmeerzeugenden Transformators 27 und ein kondensierfähiges Kühlmittel 28. Die Einrichtung 24 enthält weiterhin einen Wärmetauscher 29, ein oberes Gehäuseteil 30, ein unteres Gehäuseteil 31, zueinander parallele Sammler 40 sowie eine Anzahl diese Sammler 40 verbindende Kühlrohre 32. Häufig ist , wenn das Kühlmittel 28 zwei Funktionen erfüllen soll, nämlich zur Durchlaufkühlung und gleichzeitig als Dielektrikum für das eingebaute elektrische Gerät dient, ein mit einem nichtkondensierbaren Gas gefülltes Ausdehungsgefäß 33 eingebaut. Das nichtkondensierbare Gas stellt (falls die Temperatur nicht ausreicht, um das Kühlmittel 28 zu verdampfen und so das elektrische Gerät 27 vollständig einzuhüllen) für die elektrische Isolation

909817/0782

des Transformators 2 7 das Dielektrikum dar. Das Ausdehungsgefäß 33 ist sowohl an dem oberen Gehäuseteil 30 als auch an dem unteren Gehäuseteil 31 mit dem Wärmetauscher 29 und mittels eines Kanals 34 mit dem Verdampfer 25 verbunden. In dsm Kanal 34 ist ein Behälter 35 mit einer Molekular-Siebsubstanz 36, deren Zweck weiter unten beschrieben ist, angeordnet. Der Transformator 27 weist eine Durchführungsbuchse auf, die zum elektrischen Anschluß des Transformators angebracht ist, wie dies bei mittleren und großen Leistungstransformatoren üblich ist.

In Fig. 4 ist der Kanal 34 in einem vergrößerten Ausschnitt dargestellt, wobei das Oberteil des Tanks 26 mit dem unteren Gehäuseteil 31 mittels des Kanals 34 verbunden ist. Der Behälter 35 für das Molekular-Siebmaterial 36 weist in seinem Bodenbereich einen Abscheider 37 für Verunreinigungen auf. Der Dampfströmungsweg des Kühlmittels 28 ist durch Pfeile angedeutet und sieht wie folgt aus: Nachdem das Kühlmittel aufgeheizt und verdampft ist, gelangt es durch einen Einlaß 38 in einen oberen Teil 39 des Kanals 34, strömt dann abwärts durch das Molekular-Siebmaterial 36 und über einen Einlaß 31' in das untere Gehäuseteil 31. Das Kühlmittel 28 besteht aus einem verdampfungsfähigen Fluorchlorkohlenstoff, beispielsweise Trichlortrifluoräthyl, der mit Wasserdampf reagieren kann und im Betrieb dissoziiert. Diese Art eines zu kühlenden Transformators weist im allgemeinen eine Bewicklung von Isolationspapier auf, das bei den auftretenden Betriebstemperaturen eine gewisse Menge von Wasserdampf abzugeben vermag, der während des ersten thermischen Behandlungsprozesses nicht vollständig entfernt werden kann. Es ist deshalb der Zweck des Molekular-Siebmaterials 36, den gesammelten Wasserdampf oder andere gefährliche flüssige Substanzen, die von dem Transformatorpapier eingeschlos-

909817/078 2

sen und von dem Kühlmittel 28 während seines Verdampfungsvorganges aufgenommen werden können, zu entfernen. Ein besonders wirksames, gekörntes Molekularsiebmaterial 36 ist ein Zeolit des Typs 4 A, wie er von der Linde Division der Union Carbide Corporation hergestellt wird. Es wurde festgestellt, daß dfeses Molekularsiebmaterial 36 wirksam alle Spuren von Wasserdampf aus dem Kühlmittel 28 entfernt und daß andere flüssige Verunreinigungen in dem in dem Bodenbereich des Kanals 34 angeordneten Abscheider 37 zurückbleiben. Wenn, kein Molekularsiebmaterial 36 vorhanden ist, kann das Kühlmittel 28 (Trichlortrifluoräthy1) trübe werden. Wenn das Kühlmittel 28 mit dem Siebmaterial 36 verwendet wird, bleibt es jedoch während des gesamten Betriebes klar. Nach dem Durchströmen durch das Molekular-Siebmaterial 36 gelangt das verdampfte Kühlmittel 28 durch den Einlaß 31' in das untere Gehäuseteil 31 und strömt von dort aus über die Sammler 40 durch die Kühlrohre 32. Das verdampfte Kühlmittel 28 kondensiert sogleich in den Kühlrohren 32 und kehrt in flüssiger Form durch das untere Gehäuseteil 31 und über eine Kondensat-Rückführleitung 41 in den Tank 26 zurück.

In Fig. 4a ist eine andere Anordnung des Molekularsiebs 36 dargestellt. Der in Fig. 4 dargestellte Kanal 34 ist weggelassen, und das Molekularsieb 36 ist in dem unteren Gehäuseteil 31 angeordnet. Der Dampfströmungsweg des Kühlmittels 28 ist durch Pfeile angedeutet und sieht

nunmehr folgendermaßen aus: Nach dem Aufheizen und Verdampfen strömt das Kühlmittel 28 in einen in dem unteren Gehäuseteil 31 vorgesehenen Einlaß 38, strömt von dort aus abwärts durch das Molekularsiebmaterial 36 in die Sammler 40 und anschließend in die Kühlrohre 32. Das verdampfte Kühlmittel 28 kondensiert umgehend in den Rohren 32 und kehrt in flüssiger Form durch eine getrennte Rückführungsleitung 41 in den Tank 26 zurück. Die Rück-

909817/0782

- 13 -

führungsleitung 41 ragt über den Boden des Gehäuseteiles 31 hinaus, so daß sich für andere flüssige Verunreinigungen ein Abscheider 37 ergibt.

In den Fig. 4 und 4a reicht die Kondensat-Rückführleitung 41 bis unter den Stand des Kühlmittels 28 in dem Tank 26, so daß hierdurch die Dampfphase des Kühlmittels 28 in den Einlaß 38 (oberhalb des Flüssigkeitsstandes) und zu dem Molekularsieb 36 strömen muß. Das Molekularsieb 36 kann jedoch auch durch geeignete Bemessung der Leitungen 51 und 38 wirksam werden. Wenn die Rückführungsleitung 41 oberhalb des Flüssigkeitsstandes des Kühlmittels 28 endet, gelangt die Dampfphase des Kühlmittels 28 sowohl in die Rückführungsleitung 41 als auch in den Einlaß 38. Durch geeignete, in der Strömungsmechanik hinreichend bekannte Bemessung der Leitungen 41 und 38 kann dafür gesorgt werden, daß genügend Dampf durch den Einlaß 38 und damit zur Wasserentfernung durch das Molekularsieb 36 strömt. Da andauernd Dampf gebildet, kondensiert und wiedererzeugt wird, ist es nicht notwendig, immer 100% der Dampfströmung durch das Molekularsieb 36 hindurchzuleiten. Bei geeigneter Bemessung der Rückfülirungs leitung 41 wird auch der durch die Rückführungsleitung 41 aufwärtsströmende Dampf nicht mit dem abwärts durch die Rückführungsleitung 41 zurückfließenden Kondensat interferieren.

Eine neuartige Anordnung 41 der Wärmeleitungen nach Fig. 5 ist im folgenden beschrieben: Der Tank 26 mit dem Transformator 2 7 und das einen Flüssigkeitsstand 43 aufweisende flüssige Kühlmittel 28, sind insbesondere folgendermaßen angeordnet: Der Transformator 27 weist eine Anzahl von Transformatorwicklungen 45 mit einer Serie von Durchlässen, beispielsweise von unten bei nach oben bei ·47 durch den Transformator führende Kühlkanäle 44 und einen konzentrisch angeordneten Trans-

909817/0782

- 14 -

formatorkern. 48 auf. Die wärmepumpende Anordnung 42 des Transformators 27 ist so ausgelegt, daß«das Kühlmittel 28 aus dem unteren Bereich 46 des Transformators 26 mittels des innerhalb der Vielzahl der Kühlkanäle 44 bestehenden Wärmegradienten durch die Kühlkanäle 44 wegebefördert wird. Die Kühlkanäle 44 ergeben eine Führung für das Kühlmittel 28, das beim Durchströmen aufgeheizt wird und somit den Transformator 2 7 durch die Zustandsänderung aus der flüssigen in die dampfförmige Phase kühlt. Das Temperaturverteilungsprofil innerhalb der Kühlkanäle 44 sieht für den dargestellten Flüssigkeitsstand 43 so aus, daß die Temperatur des Kühlmittels 28 im unteren Bereich 46 des Transformators 2 7 niedriger ist als die Temperatur an einem dem Flüssigkeitsstand 43 entsprechenden Punkt P, da die Heizwirkung von der durch den Transformator 2 erzeugten Leistung abhängig ist und der Punkt P eine kleinere Transformator-Kühloberfläche aufweist als beispielsweise ein Punkt P¹ in der Nähe des unteren Bereichs 46 des Transformators 27. Die Temperatur an dem Punkt P ist auch höher als die Temperatur an einem Punkt P¹¹ im oberen Bereich 47 des Transformators 27, für den die neue Wärmepumpe wirksam werden soll. Der Punkt P¹' weist eine niedrigere Temperatur als der Punkt P auf, da der Punkt P¹¹ mit einer größeren Kühl-oberfläche beaufschlagt ist als der Punkt P, vorausgesetzt, daß der geeignete Flüssigkeitsstand aufrechterhalten ist.,,

Wenn dem Transformator 27 Leistung zugeführt ist, fangen eine Anzahl von Blasen 49 an, sich innerhalb der Kühlkanäle 44 aufwärts zu bewegen, und werden bei ihrem weiteren Aufsteigen innerhalb des Transformators 27 auf einen immer höheren Wert aufgeheizt, da der Bereich am Punkt P eine höhere Temperatur aufweist, wie schon oben beschrieben. Beim fortdauernden Aufsteigen der

909817/0782 - is -

Blasen 49 in die Nähe des oberen Bereichs 47 des Transformators 27 nehmen die Blasen 49 genügend thermische Energie auf, um in der Nähe des Punktes P'¹ den Transformator 27 in der durch Pfeile angedeuteten Richtung als Dampftröpfchen 49' zu verlassen. Da die Tröpfchen 49' das Kühlmittel 28 durch die Kühlkanäle 44 in den oberen Bereich 47 des Transformators 27 mitreißen, wird auch der obere Bereich 47 durch den Verdampfungsprozeß des Kühlmittels 28 gekühlt. In die Kühlkanäle 4 4 gelangen weitere Blasen 49 und steigen in einem während des Transformatorbetriebs fortdauernden Prozeß durch die bei den Punkten P¹ und P¹¹ angedeuteten Bereiche hindurch auf. Dieser Vorgang ähnelt in gewisser Weise dem Durchlaufpumpeffekt, der zur kontinuierlichen Wasserförderung bei einer Kaffeemaschine angewendet ist.

Die Temperatürverteilung innerhalb der Kühlkanäle 44 wird für den Transformator 2 7 in Fig. 6 dargestellt. Für denselben Transformator ist die Temperatur in Grad-Celsius als eine Funktion der relativen Länge der Kühlkanäle 4 4 dargestellt, wenn dieser A luftgekühlt, B ölgekühlt und C durchlauf verdampf ungsgekülilt ist. Der Temperaturgradient A bei Luftkühlung zeigt, daß die Temperatur ausgehend von dem unteren Bereich des Transformators über den mittleren Bereich bis zu dem oberen Bereich des Transformators kontinuierlich ansteigt, da der Transformator selber seine eigene Wärmequelle ist und der Wärmeübertragungsmechanismus bei Luftkühlung nicht ausreicht, um den gesamten Transformator einheitlich zu kühlen. Der Temperaturgradient B bei einem ölgekühlten Transformator zeigt, daß der Temperaturgradient ausgehend von dem unteren Bereich bis zu dem oberen Bereich des Transformators in einem geringeren Maß als der des bei A luftgekühlten Transformators zunimmt. Die be.i öl- und Luftkühlung auftretenden Temperaturen liegen bei diesem Transformator höher, als es

909817/0782

- 16 -

für die üblicherweise verwendete Isolation zulässig ist. Um Öl- oder Luftkühlung anzuwenden, müßten zusätzliche Kühlkanäle vorgesehen sein, um die Temperaturen hinreichend zu erniedrigen. Demgemäß ist für die Öl- oder Luftkühlung verglichen mit der Durchlauf-Verdampfungskühlung zusätzliches Führungsmaterial notwendig. Der Temperaturgradient für den durchlaufverdampfungsgekühlten Transformator C sieht folgendermaßen aus:

Im unteren Bereich 46 des Transformators 47 sind am Punkt P¹ die Enden der Wicklungen 45 dem Kühlmittel 28 ausgesetzt, das wegen der durch die Leiter der Wicklungen 45 erzeugten Wärme verdampft und so den unteren Bereich 46 der Wicklung 45 kühlt. Das Kühlmittel 28 gelangt in die Kühlkanäle 44 und verdampft auch dort wegen des Kontaktes mit dem dem Kühlkanal 44 am nächsten liegenden Teil der Wicklung 45. Da der untere Bereich 46 der Wicklung 45 eine größere, dem Kühlmittel 28 ausgesetzte Oberfläche aufweist, ist seine Temperatur niedriger als die der inneren Teile der Wicklung 45. Die inneren Teile der Wicklung 45 sind durch Verdampfung des Kühlmittels 28 in den Kühlkanälen 44 und durch Wärmeleitung zu den kälteren Enden der Wicklung 45 gekühlt. Bei der Verdampfung bildet das Kühlmittel 28 Blasen 49, die schnell durch die Kühlkanäle 44 aufwärts steigen, wobei ein Teil der flüssigen Phase des Kühlmittels 28 zu dem oberen Teil der Kühlkanäle 44 und somit an das obere Ende der Wicklung 45 mitgerissen wird. Beim Kontakt mit dem oberen Bereich der Oberfläche der Kühlkanäle 4 4 und dem oberen Ende der Wicklung 45 wird weiteres flüssiges Kühlmittel 28 verdampft. Es ist demzufolge festgestellt worden, daß bei dem Mechanismus der Durchlauf-Verdampr

fungskühlung, d.h., wenn innerhalb der Kühlkanäle 44 Kühlmittel 28 vorhanden ist und an der oberen Oberfläche 47 des Transformators 27 eine schnelle Verdampfung stattfindet, die Wärmeübertragungsrate aus dem Transformator

909817/0782

27 ausreicht, die obere Fläche 47 des Transformators 27 zu kühlen, und zwar mit einer Rate, die gleich der Rate ist, mit der der Transformator 2 7 während des normalen Betriebes aufgeheizt wird. Die Temperatur am Punkt P'¹ in dem oberen Bereich 47 kann genauso niedrig sein, wie die für den Punkt P¹ in dem unteren Bereich

46 des Transformators 27 angegebene Temperatur, und zwar abhängig von dem Siedepunkt des Kühlmittels 28, dem Flüssigkeitsstand 43 und den Abmessungen der Kühlkanäle 44.

In Fig. 7 ist die Kühlrate für eine Anzahl von Wärmepumpen 42 mit unterschiedlichem Flüssigkeitsständen 43 jedoch bei konstanter Kühlmittelbeschaffenheit gezeigt. Es wurde festgestellt, daß der Flüssigkeitsstand 43, dessen Höhe in Prozent bezogen auf den oberen Bereich

47 des Transformators 27 in Fig. 5 ausgedrückt ist, ohne bedeutende Auswirkungen auf die Wirksamkeit der Kühlungsrate des Transformators 27 auf Flüssigkeitsstände von weniger als 75% des maximal gezeigten Wertes erniedrigt werden könnte. Die Kurve R der in Wärmeeinheiten pro Zeiteinheit beschriebenen Kühlungsrate bleibt bis zu einem Flüssigkeitsstand von unter 75% verhältnismäßig konstant und fängt erst bei Flüssigkeitsständen von weniger als ungefähr 60% an abzufallen. Bei Flüssigkeitsständen zwischen 60% und 50% nimmt die Kühlungsrate erheblich ab und unterhalb von 50% ist die Kühlungsrate nicht mehr ausreichend. Dieses Phänomen ist bis jetzt nicht ganz verstanden worden, jedoch nimmt man an, daß das Phänomen von den Wärmeübertragungseigenschaften des Kühlmittels 28 ebenso wie von der Geometrie und der Anzahl der Kühlkanäle 44 in dem Transformator 2 7 sowie der Leistungsrate des Transformators 2 7 abhängt. Fig. 6 zeigt, daß die Temperatur für jede Kühlkanallänge in dem durchlauf-verdampfungs-gekühlten Transformator C niedriger ist als die Temperaturen in dem ölgekühlten

909817/0782

- 18 -

Transformator B und dem luftgekühlen Transformator A.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Transformatorwärmepumpe 42 nach Fig. 5. In dem Ausführungsbeispiel· nach Fig. 8 ist der die Anzahl der Kühlkanäle 44'und Dampfblasen 49 aufweisende Transformator 2 7 durch Kanalverlängerungen 50 verändert, die auf den Enden der Kühlkanäle 44 an dem oberen Bereich 47 des Transformators 2 7 in deren Verlängerung angeordnet sind. Die Verlängerungen 50 bringen die Dampfblasen 49 bis .auf eine größere Höhe oberhalb des oberen Bereichs 47 und scheiden das flüssige Kühlmittel 28 in einer besonders ausgelegten Auffangschale 51 ab, die eine Anzahl von im Abstand zueinander angeordneten Lochungen 52 aufweist. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 verbindet die Methode der erfindungsgemäßen Durchlauf-Verdarapfungskühlung mit der bekannten Verdampfungskühlung eines Flüssigkeitsoberflächenfilms, um so die Kühlwirkung weiter zu steigern. Die Auffangschale 51 sammelt das in flüssiger Form vorliegende Kühlmittel 28 und fängt das in Form von Tröpfchen 49' vorliegende Kühlmittel 28 auf, das anschließend durch die Lochungen auf dem oberen Bereich 47 des Transformators heruntertropft. Um einen andauernden Fluß von Kühlmittel 28 auf den oberen Bereich 47 der Transformatorspulen 45 zu erhalten, ist an dem oberen Bereich 47 des Transformators 27 ein, wie in Fig. 8 gezeigt, aufwärtsragender Rand 52 vorgesehen.

Fig. 9 stellt eine weitere Anwendung der Verlängerung der Kühlkanäle 44 dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Verlängerung 50 sehr dicht an eine Sammelschiene herangeführt, so daß die Flussigkeitströpfchen 49 die Sammelschiene 54 berühren und kühlen können.

909317/0782

In Fig. 10 ist der Transformator 27, mit dem die erfindungsgemäße Wärmepumpe 42 geschaffen wird, in einer vergrößerten perspektivischen Draufsicht gezeigt. Die Kühlkanäle 44 zwischen den Transformatorspulen 45 haben am oberen Bereich 47 des Transformators 2 7, wie angegeben, eine Weite "W" und eine Länge "L". Die erforderliche Zahl von Kühlkanälen 44 ist notwendig, um die Arbeitstemperatur unterhalb des erlaubten Maximalwertes zu halten. Die Weite "Vi" ist näherungsweise 4,76 mm, während die Länge "L" näherungsweise 38,1 mm beträgt. Der Transformatorkern 48 ist, wie dies bei Transformatoren mittlerer und großer Leistung üblich ist, zentral angeordnet. Die Abmessungen, die Zahl und die Anordnung der Transformator-Kühlkanäle 44 sind, um die erfindungsgemäße Wärmepumpe zu erzeugen, bestimmend für die verwendete Kühlmittelmenge, und es ist anzunehmen, daß eine wesentliche Einsparung von Transformatorkühlflüssigkeit durch eine geeignete Auslegung der Wärmepumpe erreicht werden kann. Bei ölgekühlten Transformatoren mit einem bei B in Fig. 6 angegebenen Temperaturgradienten sind im allgemeinen angefähr 586 1 Kühlöl erforderlich, wohingegen für einen Transformator der gleichen Größe 189 1 Kühlmittel erforderlich sind, um einen Temperaturgradienten zu erzeugen, wie er bei C für ein durchlauf-verdampfungsgekühltes Gerät dargestellt ist. Die neuartige Wärmepumpenanordnung ergibt deshalb einen besseren Kühlungswirkungsgrad bei einer wesentlichen Einsparung von Materialkosten als die üblichen bekannten Anordnungen mit Ganzimmersionsölkühlung.

In den Fig. 11 und 12 sind weitere Ausführungsbeispiele des durchlauf-verdampfungsgekülilten Transformators dargestellt. Wie bereits oben beschrieben, wird häufig ein nichtkondensierbares Gas, beispielsweise Stickstoff, C₀F,-, C-ClFr oder SF,, als Dielektrikum verwendet, um die Isolation zwischen den Transformatorwicklungen zu er-

909817/0782

- 20 -

zeugen, wenn die Transformatorkühlflüssigkeit eine niedrigere Temperatur aufweist. Der Druck des nichtkondensierbaren Gases bestimmt auch die Siedetemperatur des kondensierbaren Kühlmittels und ist so eingestellt, daß das kondensierbare Kühlmittel innerhalb des Temperaturarbeitsbereiches des Transformators siedet. Als Trichlortrifluoräthyl kann beispielsweise das von Du Pont unter dem Handelsnamen Freon 113 vertriebene Kühlmittel in der Wärmepumpe 42 nach Fig. 5 verwendet werden. Ein mittlerer Dreiphasentransformator mit 180. kW arbeitet ständig bei der Siedetemperatur von 6 7° C, wenn d<=r Druck der Stickstoff-Füllung so eingestellt ist, daß sich ein Kondensationsdampfdruck von 0,82 Bar ergibt. Es wird erwartet, daß die Betriebstemperatur durch die Abmessungen der Kühlkanäle und die durch den Druck der Stickstoff-Füllung vorbestimmte Siedetemperatur des Kühlmittels gesteuert werden kann, vorausgesetzt, daß ein Teil des Kühlmittels ständig in der flüssigen Phase bleibt. Falls jedoch die gesamte Kühlmittelmenge verdampft ist, würde sich der Druck in der Anordnung wie bei einem idealen Gas verhalten und proportional mit der Temperatur ansteigen. Im wesentlichen erfordert die Verwendung des nichtkondensierbaren Gases aus den folgenden Gründen das in den Fig. 3 und 11 dargestellte obere Gehäuseteil 30 und das Ausdehnungsgefäß 33. Das Ausdehnungsgefäß 33 stellt einen Behälter für das nichtkondensierbare Gas dar, nachdem das kondensierbare Gas genügend verdampft ist. das nichtkondensierbare Gas ersetzt und es aus der Umgebung der Transformatorwicklungen verdrängt. Das obere Gehäuseteil 30 ist im wesentlichen erforderlich, wenn das flüssige Kühlmittel 2 8 zum Austreiben der restlichen, nichtkondensierbaren Gase, beispielsweise von durch das Kühlmittel während des Transportes und der Lagerung .absorbierter Luft, wärmebehandelt wird. Um das Kühlmittel 28 zu entgasen, wird der Transfor-

909817/0782

- 21 -

mator 2 7 kurzgeschlossen, wodurch ein Aufheizen des Transformators und eine Trennung der absorbierten Luft von dem Kühlmittel 28 bewirkt wird. Beim Entgasungsvorgang wird die aufgeheizte Luft von dem Kühlmittel 2 8 abgetrennt und gelangt nach dem Durchströmen durch die Kondensationsrohre 32 in das Ausdehungsgefäß 33.

Die Luft strömt dann sofort in den oberen Gehäuseteil 31 über, der mittels einer Verbindungsleitung 55 und eines Verbindungsventils.56 mit dem Ausdehnungsgefäß 33 verbunden ist. Sobald das Transformatorkühlmittel vollständig von restlicher Luft befreit und die ausgetriebene Luft in dem Ausdehnungsgefäß 33 enthalten ist, wird das obere Gehäuseteil 30 durch Schließen des Ventils 56 von dem Ausdehnungsgefäß 33 strömungsmäßig isoliert. Durch Evakuierung mittels einer Vakuumpumpe wird dann die Luft aus dem Ausdehnungsgefäß 33 entfernt. Eine bekannte Menge eines gewünschten nichtkondensierbaren Gases, wie Stickstoff, SF_C/ C_nF, oder C₂ClFj. wird dann durch ein Füllventil 59 in das Ausdehnungsgefäß 33 eingefüllt. Die Ventile 56 und 58 werden anschließend geöffnet, womit das nichtkondensierbare Gas durch das gesamte System strömen kann. Während des Betriebes dient die Leitung 57 dazu, das Kondensat des Kühlmittels 28 aus dem Ausdehnungsgefäß 33 in den Hauptflüssigkeitsvorratsbehälter zurückzuführen. Wegen der Änderungen der Umgebungstemperatur kann sich nämlich in dem Ausdehnungsgefäß 33 ein Kondensat des Kühlmittels 28 bilden. Die Leitung 57 ist mit dem niedrigsten Punkt des Ausdehungsgefäßes 33 verbunden, womit das Zurückhalten von Kondensat in dem Ausdehnungsgefäß minimiert ist. '

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 ist dem Ausführungsbeispiel nach..Fig. 11 ähnlich, abgesehen davon, daß das obere Gehäuseteil 30, die Verbindungsleitung 55, das

909817/0782 -22-

Verbindungsventil 56 und das Abflußventil 58 entbehrlich sein können. Es wurde festgestellt, daß das Transfοrmatorkühlmittel vor dem Abfüllen in den Transformator durch Aufheizen und Entgasen vorevakuiert werden kann, so daß die oben für Fig. 11 dargestellten Schritte nicht mehr erforderlich sind. Sobald das Transformatorkühlmittel vollständig entgast ist, sind besondere Maßnahmen getroffen, um sicherzustellen, daß das entgaste Kühlmittel in der letzten Stufe der Transformatorfüllung nicht wieder Luft absorbiert.

Obwohl das die neuartige Wärmepumpe verwendende"System einer Durchlauf-Verdampfungskühlung auf Anwendungen bei mittleren und großen Leistungstransformatoren ausgerichtet ist, handelt es sich hierbei nur um ein Beispiel. Das Verfahren und das Gerät, die bei den gezeigten Beispielen verwendet sind, können zur Kühlung von anderen Arten elektrischer Geräte angewendet werden, vorausgesetzt, daß die Anordnung der neuen Wärmepumpen-Übertragung in das in Betracht kommende elektrische Gerät eingebaut werden kann.

909817/0782

Leerseite

Claims

Patentanwalt Dipl-Ing.W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Rüger

7300 Esslingen (Neckar). Webergasse 3, Postfach 348

,2si¹⁹⁷⁸ SrUuJa⁰

PA 150 baeh

Telex

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Patentansprüche

/ 1.]Verfahren zur Kühlung eines eigenerwärraten elektrisehen Gerätes, insbesondere eines Transformators, dadurch gekennzeichnet, daß ein luftdichter Behälter teilweise mit einer Menge eines kondensierbaren Kühlmittels gefüllt wird und dieses Kühlmittel durch wenigstens einen Kanal, der durch das in den Behälter eingesetzte elektrische Gerät hindurchführt, welches teilweise von dem Kühlmittel bedeckt ist, strömt und daß zum Entfernen von Feuchtigkeit aus dem Kühlmittel in den Behälter MoIekular-Siebmaterial eingefüllt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Behälter eine Menge eines nichtkondensierbaren Gases eingefüllt wird, das einen solchen vorbestimmten Druck aufweist, daß das kondensierbare Kühlmittel innerhalb des Arbeitstemperaturbereiches des elektrischen Gerätes siedet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel vor dem Einfüllen in den Behälter zur Entfernung absorbierter Luft thermisch entgast wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel aus einer Gruppe chemischer Verbindungen, wie fluoriertem Kohlenwasserstoff,

909817/0782 -2-

fluoriertem Wasserchlorkohlenstoff und Chlorfluorpropan ausgewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Gerät mit 50% bis 100% seiner Höhe in das Kühlmittel eintaucht.
6. Eigengetriebenes Flüssigkeitskühlsystem für ein elektrisches Gerät, insbesondereeinen Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem luftdichten Behälter (26) das elektrische Gerät (27) und ein dieses wenigstens teilweise bedeckendes Kühlmittel (28) befinden, daß zur Aufnahme von verdampf tera Kühlmittel (28) und zu seiner Rückführung in kondensierter Form ein Wärmetauscher (29) vorgesehen ist, daß wenigstens ein Kühlkanal (44) durch das Gerät (27) führt, in den das Kühlmittel (28) auf der einen Seite in flüssiger Form einströmt und aus dessen anderer Seite das Kühlmittel (28) in dampfförmiger Form ausströmt, und daß zur Entfernung von Wasserdampf aus dem Kühlmittel (28) in dem Flüssigkeitskühlsystem Molekular-Siebmaterial (36) enthalten ist.
7. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Behälters (26) mit einem nichtkondensierbaren Gas gefüllt ist, dessen Druck diei Siedetemperatur des Kühlmittels (28) auf die Arbeitstemperatur des zu kühlenden Gerätes

(27) festlegt.
8. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des nichtkondensierbaren Gases während des Betriebes des Gerätes (27) ein Ausdehnungsgefäß (33) vorgesehen ist, das mit dem Behälter (26) verbunden ist.

909817/0782 _₃_

2544884
9. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entfernung von Wasserdampf und zum Schutz gegen Wassereintritt in einen Einlaß (38) zwischen diesem und einem Auslaß (41) das Molekular-Siebmaterial (36) angeordnet ist.
10. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (28) aus einer Gruppe chemischer Verbindungen, wie fluoriertem Kohlenwasserstoff, fluoriertem Wasserchlorkohlenstoff und_Chlorfluorpropan ausgewählt ist.
11. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (28) Chlorfluorpropan enthält.
12. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtkondensierbare Gas C₂F--, C₂ClF₅, SF_ß oder Stickstoff ist.
13. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von durch das Kühlmittel (28) führenden Kühlkanälen (44) von einem Ende einer konzentrisch um den Transformatorkern angeordneten Wicklung (45) bis zu dem anderen Ende der Wicklung (47) reichen und daß die Weite und die Länge der Kühlkanäle (44) so bemessen ist, daß während des Betriebes des Transformators (27) die Temperatur in einem Zwischenbereich zwischen den beiden Endbereichen (47 bzw. 46) höher ist als an einem der Endbereiche (46 oder 47).
14. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (28) beim Durchströmen des Kühlkanals (44) von einem Bereich (46)

109817/0782

zu dem anderen Bereich (47), den es in dampfförmiger Form verläßt, in einem Zwischenbereich auf seine Verdampfungstemperatur aufheizbar ist.
15. Flüssigkeitskuhlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (44) zum Sammeln des Kühlmittels oberhalb des oberen Bereiches (47) des Transformators (2 7) über diesen Bereich des Transformators (27) hinausragen.
16. Flüssigkeitskuhlsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator an seinem oberen Bereich (47) entlang der Umfangsfläche zum Sammeln und Zurückhalten des Kühlmittels (28) auf seiner Oberfläche von einem Rand (53) zusätzlich umgeben ist.
17. Flüssigkeitskuhlsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des Kühlmittels (28) aus den Kühlkanälen (44) und zur erneuten Rückführung des Kühlmittels (28) in der Nähe eines Endes der Verlängerungen (50) der Kühlkanäle (44) zusätzlich eine Auffangschale (51) angeordnet ist.
18. Flüssigkeitskuhlsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangschale (51) zur Aufnahme des Kühlmittels (28) in Dampfform eine erste Anzahl von Löchern aufweist, die genauso groß sind wie die Kühlkanäle (44) und daß zur Zurückführung des Kühlmittels (28) in flüssiger Form neben den Kühlkanälen (44) eine zweite Anzahl von Löchern (52) angeordnet ist.
19. Flüssigkeitskuhlsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Transformator (27) wenigstens eine Sammelschiene.(54) angeordnet ist, die

809817/070-2

-ο-

sich zur Aufnahme von Kühlmittel (28) aus den Kühlkanälen (44) in der Nähe der Verlängerungen (50)
der Kühlkanäle (44) befindet.
20. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Arbeitstemperatur von
67° C des Kühlmittels (28) der Kondensationsdampfdruck 0,82 Bar beträgt.

909817/0782