閆 靜，余順周，陳 彪

（中國科學院電工研究所，北京 100190）

0 前言

蒸發(fā)冷卻技術(shù)因為其獨特的優(yōu)勢，受到越來越多的關(guān)注。隨著蒸發(fā)冷卻技術(shù)在三峽工程水輪發(fā)電機上的成功應用，蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應用領(lǐng)域日益廣泛。相應地，蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應用形式也不再單一。 傳統(tǒng)的冷卻方式一般都利用介質(zhì)的比熱帶走熱量，而蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用潛熱吸熱。介質(zhì)沿程吸熱后發(fā)生相變，通過沸騰換熱帶走電機內(nèi)部因損耗產(chǎn)生的熱量，從而達到冷卻電機的效果。

在工程實際中，由于被冷卻對象各自的結(jié)構(gòu)特點和應用環(huán)境，應用于水輪發(fā)電機的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，一般采用自循環(huán)方式；而應用于汽輪發(fā)電機的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)則傾向于采用強迫循環(huán)方式。

目前，隨著風力發(fā)電的飛速發(fā)展，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在風力發(fā)電機上的應用也受到關(guān)注。風力發(fā)電機在運行過程中，為了避免葉片掃到塔筒，通常將整個風機的機頭上仰 3–5°傾角。小傾角的應用環(huán)境介于水輪發(fā)電機與汽輪發(fā)電機之間，對于它的研究是一個新的課題。

在蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究中，壓降始終是人們關(guān)心的核心問題之一。因此本文以風力發(fā)電機的傾斜蒸發(fā)內(nèi)冷系統(tǒng)為研究對象，對其強迫循環(huán)系統(tǒng)和自循環(huán)系統(tǒng)的壓降進行了對比研究，為今后在風力發(fā)電機上的應用提供依據(jù)。

1 循環(huán)機理對比

圖1所示為傾斜蒸發(fā)冷卻自循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)機理示意簡圖；圖2所示是傾斜蒸發(fā)冷卻強迫循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)機理示意簡圖。

在圖1所示的系統(tǒng)中，空心導線向上傾斜3°～5°，空心導線內(nèi)部的介質(zhì)發(fā)生相變后密度變小，傾斜的空心導線為汽化后的冷卻介質(zhì)提供了上升通道，從而沿集氣管上升進入冷凝器。兩相介質(zhì)在冷凝器中冷凝為液體，沿回液管流回。這樣，回液管內(nèi)的液相介質(zhì)和集氣管、空心導線內(nèi)的汽液兩相介質(zhì)產(chǎn)生密度差，在重力的作用下，為系統(tǒng)形成自循環(huán)提供了循環(huán)動力。

然而具有 3°～5°小傾角的管路接近于水平，使得受熱相變之后的汽化介質(zhì)容易集結(jié)于管路上壁，從而形成較明顯的分層，破壞傳熱效果，也不利于循環(huán)的建立。不僅如此，傾斜蒸發(fā)內(nèi)冷系統(tǒng)不同于立式系統(tǒng)，受熱段與上升段相互獨立。因此為了產(chǎn)生足夠的密度差以提供循環(huán)動力，需要人為設置上升回路，并對冷凝器的安裝高度等提出相應的要求。分離的加熱回路與上升回路同時也將會為系統(tǒng)帶來各種不穩(wěn)定的因素。所以這種情況下，采用強迫循環(huán)方式也成為一種選擇。

在圖2所示的系統(tǒng)中，泵提供循環(huán)動力。在泵的驅(qū)動下，冷卻介質(zhì)經(jīng)由集液環(huán)進入空心導線內(nèi)部，受熱汽化的介質(zhì)經(jīng)過集氣環(huán)進入冷凝器，冷凝后的液體介質(zhì)流回泵，開始下一次的循環(huán)。在強迫循環(huán)系統(tǒng)中，泵提供了循環(huán)動力，解決了傾斜系統(tǒng)采用自循環(huán)方式時動力不足的問題，消除了對冷凝器安裝高度的依賴。同時，在泵的驅(qū)動下，空心導線內(nèi)部由于汽化介質(zhì)自然上升而造成的分層現(xiàn)象也將被減弱。

自然循環(huán)系統(tǒng)固然有其特有的優(yōu)勢，但是倘若因為應用條件的限制，自然循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢不能完全發(fā)揮，那么對自循環(huán)方式與強迫循環(huán)方式的取舍就有待進一步的研究。

圖1 自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)循環(huán)機理示意簡圖

2 兩相流摩擦壓降研究方法

自循環(huán)系統(tǒng)具有一定的自調(diào)節(jié)能力。在系統(tǒng)設計容量內(nèi)，隨著熱負荷的變化，介質(zhì)循環(huán)流量也會發(fā)生相應的變化，從而保證沿程溫度在一定的范圍內(nèi)。因此在自循環(huán)系統(tǒng)的仿真計算中，循環(huán)流量和壓力分布都是未知量，需要依據(jù)熱平衡和壓力平衡關(guān)系進行迭代計算。而強迫循環(huán)系統(tǒng)在一定程度上是可控的，通過對泵的調(diào)節(jié)，可以控制介質(zhì)流量。因此，在強迫循環(huán)的仿真計算中，只有壓力分布是未知量。這也是兩者研究方法不同的根本原因。

圖2 自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)循環(huán)機理示意簡圖

如果不考慮過熱現(xiàn)象，運行中的空心導線內(nèi)部可以簡單地認為由單相流體段、兩相流體段兩部分構(gòu)成。相應地，空心導線的壓降也由單相壓降和兩相流壓降兩部分組成。

其中，兩相流壓降的研究是重點。依據(jù)對動量守恒方程的推導可以得出，兩相流壓降分為三部分：加速度壓降、摩擦壓降和重力壓降，可以針對具體情況對其進行分項計算。依據(jù)分相模型，加速度壓降和重力壓降可按式（1）、（2）進行計算。各參數(shù)定義見文獻[1]。

對于兩相流摩擦壓降，常用計算式有：均相模型計算式、L-M計算式、L-M-N計算式、Chisholm-B計算式和Friedel計算式等。但是這些均為半理論半經(jīng)驗公式，各自的得出都基于有限的實驗條件，適用的場合也各不相同。

2.1 傾斜強迫循環(huán)系統(tǒng)中兩相流摩擦壓降的研究

強迫循環(huán)系統(tǒng)由泵提供循環(huán)動力，泵可以持續(xù)地提供所需要的動力，而基本不受系統(tǒng)運行情況的影響。也就是說，在強迫循環(huán)系統(tǒng)中，需要系統(tǒng)來適應外部驅(qū)動力。系統(tǒng)的內(nèi)部特性曲線（阻力特性曲線）與泵的外部特性曲線（壓頭-流量曲線）相交，得到系統(tǒng)的穩(wěn)定運行點。通過對泵的調(diào)節(jié)，可以控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

基于此，為了更有效準確地研究強迫循環(huán)系統(tǒng)中的兩相流摩擦壓降，搭建實驗平臺，圖3為近似的示意圖。期望通過獨立控制兩根空心導線的熱負荷，最終控制蒸發(fā)點，即飽和沸騰起始點的位置，以便直接得到兩相流實驗數(shù)據(jù)，避免因為計算蒸發(fā)點位置而引入的誤差。

實驗系統(tǒng)如圖3所示，包含泵、儲液罐、穩(wěn)壓器、矩形空心銅導線和冷凝器。兩根空心銅導線（a-b）和（c-d）截面尺寸一致，中間用一段玻璃管連接，以便實時觀察流體狀態(tài)，并使得兩根空心導線彼此絕緣。通過加載電流，模擬實際電機運行過程中因損耗而產(chǎn)生的發(fā)熱。

實驗過程中，通過調(diào)節(jié)泵，使系統(tǒng)的循環(huán)流量穩(wěn)定在目標值，實驗的流量范圍為：2.8～6L/h。兩根空心銅導線用玻璃管相連，彼此絕緣。首先控制加載在空心銅導線（a-b）上的熱負荷，使得空心導線（c-d）的入口處為蒸發(fā)冷卻起始點。然后，保持空心導線（a-b）上的熱負荷不變，控制空心導線（c-d）上的熱負荷從零開始慢慢增加，直至發(fā)生過熱，從而直接獲得兩相流實驗數(shù)據(jù)。流量計置于回液管段，并在空心導線沿程及其進出口處分別安放熱電偶和壓力傳感器。

表1所示為隨著熱負荷的增加，該系統(tǒng)中c點處壓力Pc、c點處溫度Tc以及c點處壓力所對應的飽和溫度Ts之間的對應關(guān)系。從該表可以看出，當系統(tǒng)流量穩(wěn)定在6L/h，如果保持空心導線（a-b）上的加載電流I1不變，隨著空心導線（c-d）上的加載電流I2的增加，盡管出口干度不斷變化，但Tc與Ts基本保持一致。也就是說，在整個實驗過程中，可以近似認為 c點始終為蒸發(fā)冷卻的起始點。那么，就可以認為（c-d）段兩相流體的入口干度為 0，而出口干度記為xe。本文中所提到的干度都不是指流體的實際干度，而是指熱平衡干度。

圖3 傾斜強迫循環(huán)系統(tǒng)兩相流摩擦壓降研究實驗平臺

表1 傾斜強迫循環(huán)系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)（蒸發(fā)點位置）

依據(jù)計算式（3）、（4）就可以獲得兩相流摩擦壓降的實驗數(shù)據(jù)，避免了由于計算蒸發(fā)冷卻起始點位置而帶來的誤差，也使得對兩相流摩擦壓降的研究更加直接。

其中，ΔPa與ΔPg可分別由式（1）、（2）得到。

經(jīng)過計算比較，選用Friedel計算模型進行修正，對計算得到的兩相流摩擦壓降放大倍數(shù)引入修正系數(shù)ε，其表達式如下：

修正之后的計算誤差不超過 8%，滿足工程實際的需要，也證明了該研究方法可行。

2.2 傾斜自循環(huán)系統(tǒng)中兩相流摩擦壓降的研究

蒸發(fā)冷卻自循環(huán)系統(tǒng)不同于強迫循環(huán)系統(tǒng)，它的循環(huán)動力由系統(tǒng)自身提供。因此，自循環(huán)系統(tǒng)的運行狀態(tài)取決于系統(tǒng)中動力與阻力的平衡。

為了研究自循環(huán)系統(tǒng)中的兩相流摩擦壓降，搭建如圖5所示的實驗平臺。實驗系統(tǒng)包含矩形空心銅導線、冷凝器和流量計。兩根空心銅導線（a-b）和（c-d）截面尺寸一致，中間用一段玻璃管連接。實驗開始前預先給系統(tǒng)中灌入蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，并記錄下液位。實驗過程中，空心銅導線內(nèi)部的介質(zhì)受熱后發(fā)生相變，上升進入冷凝器。經(jīng)冷凝器冷凝后的液體介質(zhì)重新流回空心導線內(nèi)部。通過加載電流，模擬實際電機運行過程中因損耗而產(chǎn)生的發(fā)熱。鑒于對強迫循環(huán)系統(tǒng)的研究，同樣也期望能夠直接得到兩相流實驗數(shù)據(jù)。因此參照強迫循環(huán)的實驗流程，先控制加載在空心銅導線（a-b）上的電流，使得c點為蒸發(fā)冷卻起始點，然后保持該電流不變，不斷增大空心銅導線（c-d）上的加載電流。

表2所示為隨著熱負荷的增加，該系統(tǒng)中c點處壓力Pc、c點處溫度Tc以及c點處壓力所對應的飽和溫度Ts的對應關(guān)系。從表2可以看出在自循環(huán)系統(tǒng)中，如果保持I1不變，隨著I2的不斷增大，系統(tǒng)的循環(huán)流量也在相應地發(fā)生變化，無法保證Tc與Ts始終基本相等。這是因為，自循環(huán)系統(tǒng)具有一定的自調(diào)節(jié)能力。當系統(tǒng)熱負荷增加，發(fā)生相變的介質(zhì)量就增加。相應地，由密度差而產(chǎn)生的壓頭也增加。這樣，在增大的動力驅(qū)動下，流量就會增加。流量增加，介質(zhì)可以帶走的熱量就會增加，從而保證了管壁沿程的溫度保持在一定的范圍內(nèi)。而伴隨著流量的變化，c點的溫度也在不斷變化，Tc與Ts就無法保持近似一致。因此，在自循環(huán)系統(tǒng)中，無法繼續(xù)沿用強迫循環(huán)的研究方法直接從圖5所示的實驗平臺上獲取兩相流數(shù)據(jù)。

圖5 傾斜自循環(huán)系統(tǒng)兩相流摩擦壓降研究實驗平臺

表2 傾斜自循環(huán)系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)（蒸發(fā)點位置）

因此，在對風力發(fā)電機傾斜自循環(huán)內(nèi)冷系統(tǒng)的研究中，結(jié)合自循環(huán)系統(tǒng)實際仿真的流程，提出了新的思路和方法。

通過對實驗數(shù)據(jù)的初步計算分析，在圖 5所示的實驗系統(tǒng)中，當自循環(huán)建立，c點之前的流體就已經(jīng)發(fā)生了相變。也就是說，空心銅導線（a-b）不僅包含單相流體段，也包含了一部分兩相流體段，而空心銅導線（c-d）內(nèi)部則全部為兩相流體。將b點和d點的干度分別記為xi和xe。即，可以認為：空心銅導線（a-b）包含了單相段和兩相段，其中兩相段流體的入口干度為0，出口干度為xi；而空心銅導線（c-d）中的兩相段流體，其入口干度為xi，出口干度為xe。依據(jù)這兩組實驗數(shù)據(jù)分別進行研究。

由空心導線（c-d）得到進口干度、出口干度分別為xi和xe的兩相流數(shù)據(jù)，ΔPa與ΔPf可由式（6）和（7）得到：

進而可得到該段兩相流體兩相流摩擦壓降的實際值，將其與各計算模型的計算結(jié)果進行比較，最終選用Friedel計算模型進行修正，對兩相流摩擦壓降放大倍數(shù)引入修正系數(shù)ε，其表達式如下：

應用該修正后的計算式對空心導線（a-b）的壓降進行仿真，空心導線（a-b）包含了單相流體段和兩相流體段，因此首先需要計算蒸發(fā)冷卻起始點的位置。計入了確定蒸發(fā)起始點位置引入的誤差，因而計算流程更貼近對實際系統(tǒng)的仿真。

結(jié)果表明，利用修正之后計算式得到的結(jié)果與實驗值的最大誤差不超過10%，證明了該研究方法的可行性。

3 結(jié)論

本文以內(nèi)冷式蒸發(fā)冷卻技術(shù)在風力發(fā)電機上的應用為背景，從循環(huán)機理的不同出發(fā)，對傾斜蒸發(fā)冷卻自循環(huán)系統(tǒng)和強迫循環(huán)系統(tǒng)中的壓降分別進行了研究，提出了各自適用的研究方法。盡管文中以應用于風力發(fā)電機的傾斜內(nèi)冷系統(tǒng)為研究對象，但是研究方法是通用的。這將為后續(xù)開展的研究工作提供系統(tǒng)化的指導。以對傾斜自循環(huán)系統(tǒng)、強迫循環(huán)系統(tǒng)的壓降研究為基礎，就可以在后續(xù)的研究過程中總結(jié)其各自在風力發(fā)電機上應用的優(yōu)勢與不足，從而為蒸發(fā)冷卻技術(shù)在風力發(fā)電機上的應用提供指導。

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