摘要:发电机在运行中能否得到高效可靠的冷却对发电机的安全运行至关重要。本文建立了发电机冷却过程的数学模型，通过对采用不同的冷却介质时熵产的比较来评价发电机冷却的效果，并为发电机选择较为理想的冷却介质。结果表明，采用气体冷却时不可逆因素引起的熵产远小于液体。传热温差对熵产的影响是非常显著的，温差的微小增加都会使熵产显著增加；由流体粘性耗散引起的熵产可忽略不计。氢气与空气的冷却效果大体相当。
关键词;发电机；冷却；评价
0 引言
发电机在运行中能否得到高效可靠的冷却对发电机的安全运行是至关重要的，发电机的冷却方式对发电机长期安全可靠运行和其使用寿命有着重要的影响[1]。大型发动机采用的冷却方式有全空气冷却方式、定子绕组水内冷方式和蒸发冷却方式[2]。发电机采用的冷却介质通常包括水、氢气、空气。由于氢具有优越的热物理性质，在相同条件下采用氢冷时可从发电机带走更多的热量，从热力学第一定律的角度来考虑，通常氢冷较其他介质冷却效果好。针对发电机的冷却技术及评价方式开展了大量研究[3-6]，但是，对发电机冷却的评价多基于热力学第一定律。本文从热力学第二定律的角度来讨论发电机的冷却效果，并对不同介质的冷却效果进行评价。
1发电机冷却评价模型
将发电机的冷却过程简化成如下的一维稳态、常物性、常热流边界条件下直径为D的圆管对流换热问题，简化物理模型见图1。
图1：简化的对流换热物理模型
沿流动方向取一微元体dx，该微元从壁面吸收的热量为，质量流量为 ，壁面温度为 ，则流体微元的熵产为：
其中Cp为比热，αp为热膨胀系数，ρ为密度；根据流体力学，有：
可以看出熵产由两部分组成，第一部分即公式中的第一项，代表了由于传热引起的熵产，而第二部分即公式中的第二项，代表了由于流体的粘性耗散引起的熵产。对液体，由于其热膨胀系数αp很小，其粘性耗散引起的熵产也很小，可以忽略不计。
对于层流：Re<2200，f=64/Re,St=Nu/RePr=4.36Re-1Pr-1
对于紊流：Re>10000，f=0.184/ Re0.2 ,St=Nu/RePr=0.664Re-0.2Pr-0.6
2发电机冷却评价算例
利用式(11)分别计算了流体为空气、氢气与水时的熵产。表1列出了算例计算参数。
表1 算例计算参数
图2给出了三种介质沿流动方向熵产变化，从中可以看出：液体的熵产沿流动方向几乎不发生变化，气体的熵产沿流动方向不断减小，熵产主要发生在进口处，这是由于该处温度差较大的原因引起的；对空气和氢气，其熵产几乎相同，氢气的熵产比空气的略大一点。这主要是由于液体在流动过程中，其与壁面间的温度差较大，而气体在流动过程中，其与壁面间的温度差较小。
图2 不同介质内的熵产图3 传热与流动引起熵产的比较
图3给出了以氢气为冷却介质时传热引起的熵产与流体的粘性耗散引起的熵产的对比，从中可以看出：由于传热引起的熵产要远大于粘性耗散引起的熵产，并且传热引起的熵产沿流动方向不断减小，这主要是由于在流动过程中，其与壁面间的温度差不断减小所致。
图4给出了以氢气为冷却介质时壁面与流体间温度差变化对氢气的熵产的影响，从中可以看出：壁面与流体间温度差对熵产有非常明显的影响，温度差减小，熵产迅速减小。
图4 壁面与流体间温差对熵产的影响
3 结论
本文建立了发电机冷却过程的数学模型，通过对采用不同的冷却介质时熵产的比较来评价发电机冷却的效果，并为发电机选择较为理想的冷却介质。通过分析得到以下结论：采用液体冷却时，熵产远大于气体的；传热温差对熵产的影响是非常显著的，温差的微小增加都会使熵产显著增加；流体粘性耗散引起的熵产非常小，可以忽略不计。氢气与空气的冷却效果大体相当；综合热力学第一定律，氢气是理想的冷却介质。
参考文献:
[1] 阎永忠.特大型水轮发电机冷却方式研究. 人民长江，2009年02期.
[2] 袁达夫，梁波.大型水轮发电机冷却方式．大电机技术，2008年01期.
[3] 刘平安，付元初，李广德．全空冷巨型水轮发电机冷却技术研究．水电站机电技术，2008年02期．
[4] 李伟力，杨雪峰，顾德宝.空冷汽轮发电机冷却气流风量对定子内流体的影响．中国电机工程学报，2009年21期.
[5] 张伟军. 浅析汽轮发电机冷却系统的技术处理.机电信息, 2011年33期.
[6] 王树清. 对三峡电站水轮发电机冷却方式的评介.人民长江，1999年10期.
论文作者:周建辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：发电机论文; 氢气论文; 介质论文; 流体论文; 粘性论文; 评价论文; 方式论文; 《电力设备》2018年第24期论文;