转角遇上一生所爱:蒸发冷却

文摘   2024-11-23 08:58   英国  
多年前在工作中接触到“蒸发冷却”,是调研一种用于三峡水轮发电机组的“新型”冷却技术。之所以给新型打上引号,自然是因为太阳底下无新事。
立式水轮发电机的定子绕组
这就是那个冷却技术的原理图。
当发电机负载运行时,由于定子铜损耗的产生使得定子线棒发热,空心导线当中充满的冷却介质吸收损耗所发散的热量,温度逐渐升高,当温度达到压力所对应的饱和温度时冷却介质就会发生相变,沸腾汽化,利用介质较高的汽化潜热带走热量。
阮琳,大型水轮发电机蒸发内冷系统的基础理论研究及自循环系统的仿真计算
本质上,这与我们本科时候学习的自然循环锅炉原理并无二致:利用工质受热后汽液密度的不同,形成了汽柱和液柱之间的压力差,从而驱动工质克服流动阻力自然流动。

那么问题来了,一个很成熟很古老的技术,怎么就被说成了”蒸发冷却”?
蒸发冷却是什么?
严格来讲,“蒸发冷却”这个称谓是不恰当或不准确的,因为在传热的学科领域中,蒸发冷却是利用液体的蒸发带走周围环境或液体本身的热量,这是一种很常见的现象,例如人体出汗、湿衣降温、蒸发式冷风扇。
从这些例子可以知道,蒸发这一现象可以发生在常温下,而不一定要到液体的沸点。当火锅还没有沸腾前,我们已经可以看见蒸腾的热气,那就是蒸发的可视化(蒸发水分被冷凝形成的雾气)。
蒸发是无时无刻不在进行的,而沸腾是一种剧烈的蒸发现象,后者需要在液体本身温度达到沸点才存在。
三峡电机中的散热,是采用了一种常压下低沸点的冷却介质,当电机绕组发热时,会加热介质使其发生剧烈的沸腾,从而高效地带走热量。
显然,更符合物理本质的叫法应该是“重力回路热管”或“自循环相变换热”,它已被广泛应用到航天器热控、核反应堆热管理、高性能芯片散热等诸多应用场景。
蒸发冷却的用武之地
当然,也有恰当使用“蒸发冷却”的例子。
最近看到一种很有意思的应用场景——氢燃料电池的散热,蒸发冷却可以在大功率高密度模组中大显神威,通过更高效的散热方式,可以大大减小多层堆叠结构的组装间隙。
氢燃料电池模组
因为氢燃料电池反应的产物便是纯水,利用固有的纯水(去离子的)蒸发强化散热成为了一种很自然的选择。就像格力的中央空调变频器采用冷媒直冷,也是因为空调系统自带了充足的制冷剂(也称为冷媒)。
燃料电池的蒸发冷却是冷却液和空气一起从阴极侧进入系统,所选用的冷却液一般为去离子水。冷却液可以加湿空气,提升质子交换膜含水量,提升燃料电池性能;同时,大部分冷却液会被空气带入反应热源核心区域被蒸发掉,带走反应生成的热量。蒸发冷却的燃料电池系统无需加湿器,蒸发和冷凝换热比单相对流换热更高效,大幅度降低冷却水泵和散热器的负荷。
氢燃料电池热管理技术浅析 https://www.htech360.com/a/4647
由于氢燃料电池工作温度并不高,通常在75~80℃,因此冷却水不可能达到沸点,故并不是沸腾相变换热,而是蒸发冷却。
多年之后,在转角遇上,莫非是一生所爱?

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