闫 静，余顺周，陈 彪

（中国科学院电工研究所，北京 100190）

0 前言

蒸发冷却技术因为其独特的优势，受到越来越多的关注。随着蒸发冷却技术在三峡工程水轮发电机上的成功应用，蒸发冷却技术的应用领域日益广泛。相应地，蒸发冷却技术的应用形式也不再单一。 传统的冷却方式一般都利用介质的比热带走热量，而蒸发冷却技术是利用潜热吸热。介质沿程吸热后发生相变，通过沸腾换热带走电机内部因损耗产生的热量，从而达到冷却电机的效果。

在工程实际中，由于被冷却对象各自的结构特点和应用环境，应用于水轮发电机的蒸发冷却系统，一般采用自循环方式；而应用于汽轮发电机的蒸发冷却系统则倾向于采用强迫循环方式。

目前，随着风力发电的飞速发展，蒸发冷却技术在风力发电机上的应用也受到关注。风力发电机在运行过程中，为了避免叶片扫到塔筒，通常将整个风机的机头上仰 3–5°倾角。小倾角的应用环境介于水轮发电机与汽轮发电机之间，对于它的研究是一个新的课题。

在蒸发冷却技术的研究中，压降始终是人们关心的核心问题之一。因此本文以风力发电机的倾斜蒸发内冷系统为研究对象，对其强迫循环系统和自循环系统的压降进行了对比研究，为今后在风力发电机上的应用提供依据。

1 循环机理对比

图1所示为倾斜蒸发冷却自循环系统的循环机理示意简图；图2所示是倾斜蒸发冷却强迫循环系统的循环机理示意简图。

在图1所示的系统中，空心导线向上倾斜3°～5°，空心导线内部的介质发生相变后密度变小，倾斜的空心导线为汽化后的冷却介质提供了上升通道，从而沿集气管上升进入冷凝器。两相介质在冷凝器中冷凝为液体，沿回液管流回。这样，回液管内的液相介质和集气管、空心导线内的汽液两相介质产生密度差，在重力的作用下，为系统形成自循环提供了循环动力。

然而具有 3°～5°小倾角的管路接近于水平，使得受热相变之后的汽化介质容易集结于管路上壁，从而形成较明显的分层，破坏传热效果，也不利于循环的建立。不仅如此，倾斜蒸发内冷系统不同于立式系统，受热段与上升段相互独立。因此为了产生足够的密度差以提供循环动力，需要人为设置上升回路，并对冷凝器的安装高度等提出相应的要求。分离的加热回路与上升回路同时也将会为系统带来各种不稳定的因素。所以这种情况下，采用强迫循环方式也成为一种选择。

在图2所示的系统中，泵提供循环动力。在泵的驱动下，冷却介质经由集液环进入空心导线内部，受热汽化的介质经过集气环进入冷凝器，冷凝后的液体介质流回泵，开始下一次的循环。在强迫循环系统中，泵提供了循环动力，解决了倾斜系统采用自循环方式时动力不足的问题，消除了对冷凝器安装高度的依赖。同时，在泵的驱动下，空心导线内部由于汽化介质自然上升而造成的分层现象也将被减弱。

自然循环系统固然有其特有的优势，但是倘若因为应用条件的限制，自然循环系统的优势不能完全发挥，那么对自循环方式与强迫循环方式的取舍就有待进一步的研究。

图1 自循环蒸发冷却系统循环机理示意简图

2 两相流摩擦压降研究方法

自循环系统具有一定的自调节能力。在系统设计容量内，随着热负荷的变化，介质循环流量也会发生相应的变化，从而保证沿程温度在一定的范围内。因此在自循环系统的仿真计算中，循环流量和压力分布都是未知量，需要依据热平衡和压力平衡关系进行迭代计算。而强迫循环系统在一定程度上是可控的，通过对泵的调节，可以控制介质流量。因此，在强迫循环的仿真计算中，只有压力分布是未知量。这也是两者研究方法不同的根本原因。

图2 自循环蒸发冷却系统循环机理示意简图

如果不考虑过热现象，运行中的空心导线内部可以简单地认为由单相流体段、两相流体段两部分构成。相应地，空心导线的压降也由单相压降和两相流压降两部分组成。

其中，两相流压降的研究是重点。依据对动量守恒方程的推导可以得出，两相流压降分为三部分：加速度压降、摩擦压降和重力压降，可以针对具体情况对其进行分项计算。依据分相模型，加速度压降和重力压降可按式（1）、（2）进行计算。各参数定义见文献[1]。

对于两相流摩擦压降，常用计算式有：均相模型计算式、L-M计算式、L-M-N计算式、Chisholm-B计算式和Friedel计算式等。但是这些均为半理论半经验公式，各自的得出都基于有限的实验条件，适用的场合也各不相同。

2.1 倾斜强迫循环系统中两相流摩擦压降的研究

强迫循环系统由泵提供循环动力，泵可以持续地提供所需要的动力，而基本不受系统运行情况的影响。也就是说，在强迫循环系统中，需要系统来适应外部驱动力。系统的内部特性曲线（阻力特性曲线）与泵的外部特性曲线（压头-流量曲线）相交，得到系统的稳定运行点。通过对泵的调节，可以控制系统的运行状态。

基于此，为了更有效准确地研究强迫循环系统中的两相流摩擦压降，搭建实验平台，图3为近似的示意图。期望通过独立控制两根空心导线的热负荷，最终控制蒸发点，即饱和沸腾起始点的位置，以便直接得到两相流实验数据，避免因为计算蒸发点位置而引入的误差。

实验系统如图3所示，包含泵、储液罐、稳压器、矩形空心铜导线和冷凝器。两根空心铜导线（a-b）和（c-d）截面尺寸一致，中间用一段玻璃管连接，以便实时观察流体状态，并使得两根空心导线彼此绝缘。通过加载电流，模拟实际电机运行过程中因损耗而产生的发热。

实验过程中，通过调节泵，使系统的循环流量稳定在目标值，实验的流量范围为：2.8～6L/h。两根空心铜导线用玻璃管相连，彼此绝缘。首先控制加载在空心铜导线（a-b）上的热负荷，使得空心导线（c-d）的入口处为蒸发冷却起始点。然后，保持空心导线（a-b）上的热负荷不变，控制空心导线（c-d）上的热负荷从零开始慢慢增加，直至发生过热，从而直接获得两相流实验数据。流量计置于回液管段，并在空心导线沿程及其进出口处分别安放热电偶和压力传感器。

表1所示为随着热负荷的增加，该系统中c点处压力Pc、c点处温度Tc以及c点处压力所对应的饱和温度Ts之间的对应关系。从该表可以看出，当系统流量稳定在6L/h，如果保持空心导线（a-b）上的加载电流I1不变，随着空心导线（c-d）上的加载电流I2的增加，尽管出口干度不断变化，但Tc与Ts基本保持一致。也就是说，在整个实验过程中，可以近似认为 c点始终为蒸发冷却的起始点。那么，就可以认为（c-d）段两相流体的入口干度为 0，而出口干度记为xe。本文中所提到的干度都不是指流体的实际干度，而是指热平衡干度。

图3 倾斜强迫循环系统两相流摩擦压降研究实验平台

表1 倾斜强迫循环系统实验数据（蒸发点位置）

依据计算式（3）、（4）就可以获得两相流摩擦压降的实验数据，避免了由于计算蒸发冷却起始点位置而带来的误差，也使得对两相流摩擦压降的研究更加直接。

其中，ΔPa与ΔPg可分别由式（1）、（2）得到。

经过计算比较，选用Friedel计算模型进行修正，对计算得到的两相流摩擦压降放大倍数引入修正系数ε，其表达式如下：

修正之后的计算误差不超过 8%，满足工程实际的需要，也证明了该研究方法可行。

2.2 倾斜自循环系统中两相流摩擦压降的研究

蒸发冷却自循环系统不同于强迫循环系统，它的循环动力由系统自身提供。因此，自循环系统的运行状态取决于系统中动力与阻力的平衡。

为了研究自循环系统中的两相流摩擦压降，搭建如图5所示的实验平台。实验系统包含矩形空心铜导线、冷凝器和流量计。两根空心铜导线（a-b）和（c-d）截面尺寸一致，中间用一段玻璃管连接。实验开始前预先给系统中灌入蒸发冷却介质，并记录下液位。实验过程中，空心铜导线内部的介质受热后发生相变，上升进入冷凝器。经冷凝器冷凝后的液体介质重新流回空心导线内部。通过加载电流，模拟实际电机运行过程中因损耗而产生的发热。鉴于对强迫循环系统的研究，同样也期望能够直接得到两相流实验数据。因此参照强迫循环的实验流程，先控制加载在空心铜导线（a-b）上的电流，使得c点为蒸发冷却起始点，然后保持该电流不变，不断增大空心铜导线（c-d）上的加载电流。

表2所示为随着热负荷的增加，该系统中c点处压力Pc、c点处温度Tc以及c点处压力所对应的饱和温度Ts的对应关系。从表2可以看出在自循环系统中，如果保持I1不变，随着I2的不断增大，系统的循环流量也在相应地发生变化，无法保证Tc与Ts始终基本相等。这是因为，自循环系统具有一定的自调节能力。当系统热负荷增加，发生相变的介质量就增加。相应地，由密度差而产生的压头也增加。这样，在增大的动力驱动下，流量就会增加。流量增加，介质可以带走的热量就会增加，从而保证了管壁沿程的温度保持在一定的范围内。而伴随着流量的变化，c点的温度也在不断变化，Tc与Ts就无法保持近似一致。因此，在自循环系统中，无法继续沿用强迫循环的研究方法直接从图5所示的实验平台上获取两相流数据。

图5 倾斜自循环系统两相流摩擦压降研究实验平台

表2 倾斜自循环系统实验数据（蒸发点位置）

因此，在对风力发电机倾斜自循环内冷系统的研究中，结合自循环系统实际仿真的流程，提出了新的思路和方法。

通过对实验数据的初步计算分析，在图 5所示的实验系统中，当自循环建立，c点之前的流体就已经发生了相变。也就是说，空心铜导线（a-b）不仅包含单相流体段，也包含了一部分两相流体段，而空心铜导线（c-d）内部则全部为两相流体。将b点和d点的干度分别记为xi和xe。即，可以认为：空心铜导线（a-b）包含了单相段和两相段，其中两相段流体的入口干度为0，出口干度为xi；而空心铜导线（c-d）中的两相段流体，其入口干度为xi，出口干度为xe。依据这两组实验数据分别进行研究。

由空心导线（c-d）得到进口干度、出口干度分别为xi和xe的两相流数据，ΔPa与ΔPf可由式（6）和（7）得到：

进而可得到该段两相流体两相流摩擦压降的实际值，将其与各计算模型的计算结果进行比较，最终选用Friedel计算模型进行修正，对两相流摩擦压降放大倍数引入修正系数ε，其表达式如下：

应用该修正后的计算式对空心导线（a-b）的压降进行仿真，空心导线（a-b）包含了单相流体段和两相流体段，因此首先需要计算蒸发冷却起始点的位置。计入了确定蒸发起始点位置引入的误差，因而计算流程更贴近对实际系统的仿真。

结果表明，利用修正之后计算式得到的结果与实验值的最大误差不超过10%，证明了该研究方法的可行性。

3 结论

本文以内冷式蒸发冷却技术在风力发电机上的应用为背景，从循环机理的不同出发，对倾斜蒸发冷却自循环系统和强迫循环系统中的压降分别进行了研究，提出了各自适用的研究方法。尽管文中以应用于风力发电机的倾斜内冷系统为研究对象，但是研究方法是通用的。这将为后续开展的研究工作提供系统化的指导。以对倾斜自循环系统、强迫循环系统的压降研究为基础，就可以在后续的研究过程中总结其各自在风力发电机上应用的优势与不足，从而为蒸发冷却技术在风力发电机上的应用提供指导。

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