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蒸发冷却技术发展和现存的技术难点

蒸发冷却的原理

原理

电机以往所使用的冷却方式(包括空冷、氢冷和水冷)从热学原理上来讲

都是利用介质的比热吸热从而带走热量。而蒸发冷却从热学原理上是利用流体

沸腾时的汽化潜热带走热量。这种利用流体沸腾时的汽化潜热的冷却方式就叫

做“蒸发冷却”。由于流体的汽化潜热要比流体的比热大很多，所以蒸发冷却

的冷却效果更为显著。其中管道内冷式蒸发冷却的基本原理是：当电机绕组空

心导体内部通以冷却液体，液体进入导体后，吸收损耗产生的热量，温度逐渐

升高。当液体的温度达到压力所对应的饱和温度时，就改变其物理状态而沸腾汽

化，带走热量，冷却电机。定子自循环蒸发冷却系统如图1，它利用立式水轮

机本身的结构特点在存在密度差的情况下可以实现无泵自循环。其原理是：当

空心导体内的冷却介质吸收空心导线损耗所发散的热量逐渐汽化形成汽液混合

物，其密度低于回液管中的单相液体密度，在重力加速度的作用下产生流动压

头，克服整个冷却回路的阻力损失，维持系统循环。

图1

优缺点

当电机采用蒸发冷却方式后，由于蒸发冷却的冷却效果显著，使得整个

电机的温升降低，电机的温度分布均匀。特别是内冷方式的使用极大地降低了

定子绕组温升，从而降低绕组与铁心间的温差，提高运行稳定性等优点。它的

主要优点表现在以下几个方面：1)蒸发冷却继承了水内冷的优点，同时克服了

水介质的缺点，极大地提高了运行可靠性。2)蒸发冷却方式使用的介质是沸点

在50～60℃的氟碳化合物，无毒，无污染，不腐蚀金属。3)采用的介质具有很

高的绝缘性，克服了介质导电的危险，同时介质具有灭火和灭弧能力，能够抑制

其他电气事故的发生。4)可以利用液相和气液双相的比重差实现无泵自循环。

减小了泄漏点，不会失去循环。5)蒸发冷却的气侧压力可以设计为运行时低于

正压，停机时成负压，减小泄漏的可能性，克服了水冷方式水泄漏的

本质弱点。6)由于温升分布均匀，定子线棒各部分的温差较小(小于10℃)从而

克服了定子线棒的热变形问题。7)由于蒸发冷却介质的高绝缘性，使得对电机

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绕组本身绝缘的要求降低了，绝缘费用降低而使电机经济性能有所提高。蒸发

冷却技术唯一需要解决的问题是以往蒸发冷却所使用的氟利昂介质中的cl元素

对大气的臭氧层有破坏作用。但是这并非本质性的弱点，因为新型无污染的冷却

介质研究已取得进展，并已经过了实际机组的使用，可以替换。

二、蒸发冷却技术的研究背景及成果

由于蒸发冷却技术无以伦比的优越性，引起了各国科学家对蒸发冷却技

术研究工作的关注。

国外的研究情况

美国、日本、英国、俄罗斯和加拿大等国相继开展了将相变原理应用到

大型发电设备中的研究，已取得一定的成果，这些研究成果只是处在一种试验

研究的阶段，至今没有成熟产品批量生产。国外对蒸发冷却电机的一些主要研

制成果如下：

1949年，荷兰人首先提出了“喷雾式蒸发外冷”技术，其电

机结构为在电机的端部装有横向的细管，水雾直接落在绕组、铁心和转子表面

上吸热而汽化，生成的水蒸汽在电机的另一端冷凝，由泵送入储液箱，再循环

使用。这种冷却方式制造和使用都很不方便，且因水具有导电性而对电机绝缘

的要求严格，不适合大型发电机冷却的要求，仅在特种电机上使用。

1962年，苏联基辅工学院开始研究“直接膜状蒸发冷却”。

这种冷却系统的基本原理是带有空心导体的定转子绕组作为冷冻机中的蒸发

器。他们在静止和旋转条件下对一根空心导体的蒸发内冷做了不少的原理试验

和理论分析。介质采用氟里昂—12和氟里昂—22，整个系统的运行温度低于室

温。这种冷却方式在汽轮发电机上使用可使其单机容量比用氢冷时提高一倍，

且工作温度低，温度梯度极小，热损耗少。无化学腐蚀，无爆炸，燃烧等危险。

但是，这种冷却系统中冷冻的功率很大，循环系统复杂，操作维护不方便。尤