專利名稱：新型變壓器散熱器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及油浸式變壓器用熱交換裝置，尤其涉及一種變壓器散熱器。
背景技術：
油浸式變壓器運行時，內部繞組、鐵心等部件產生能量損耗。損耗轉換為熱量，通過變壓器油的熱傳導和對流作用傳遞到油箱壁，并使繞組、鐵心、油箱壁和油溫度上升。而 油溫的升高直接影響到繞組絕緣材料的絕緣性能和使用壽命，因此必須把油溫控制在一定 的范圍內。采用油的散熱器進行散熱把油溫降低并維持在一定的水平上，是變壓器行業中 通常采用的方式。利用空氣的自然對流方式對變壓器油進行散熱的片式油散熱器，是目前在居民區 中的中小型變壓器及一些對噪音、能耗有特殊要求而不能采用強迫冷卻方式的大型變壓器 通常采用的主流散熱器形式。在這類散熱器中，油和空氣的傳熱全部是利用自然對流的方 式進行的。流動的動力即是各自的溫度差(熱油冷卻后自然下降，空氣被加熱后自然上升， 由此形成了各自的自然對流)。散熱器總傳熱系數的大小，完全取決于這兩種散熱介質各自 的散熱能力。因此要提高散熱器總傳熱系數，達到降低片式油散熱器的體積、重量和制造成 本的目的，必須從提高變壓器油和空氣這兩種散熱介質各自的散熱能力入手。為了提高變壓器油和空氣這兩種散熱介質各自的散熱能力，首先從兩種散熱介質 各自的自然對流散熱系數的分析入手由于兩種介質都是自然對流放熱，其放熱系數的表 達式是一致的，即公認的Nus s e 1 t 方程式Nu = a(Gr .PiO^Nu= α L/λ，Pr = Cp · μ / λ ,Gr = L3 P2g β At/μ2。其中:L(m)為傳熱面長度，P (Kg/m3)為流體密度，β (1,C )為流 體的體積膨脹系數，At(°C )為傳熱面與流體之間的溫度差，λ (w/mk)為導熱系數，Cp (KJ/ Kg0C)為比熱，μ (N · s/m2)為粘度系數，系數a和指數m與散熱器的幾何尺寸及Gr · Pr值 有關。由于在變壓器中，油的溫度一般在30 90°C范圍內，而空氣的溫度范圍一般在 10 40°C之間。兩種介質在上述溫度范圍內的平均物性數據為變壓器油P= 842Kg/m3，β = 0· 70 X 1(T31/°C，λ = 0. 122w/mk, Cp = 2. 0934KJ/ Kg · °C, μ = 73. 18X IO-4N · s/m2, Pr = 126，Gr = 272726710，GrXPr = 3. 436X IOici，令 At = 3°C, L = lm，則 a = 0· 13，m = 1/3，α 油=51. 56w/m2 · k ；空氣ρ= 1. 122Kg/m3，β = 3. 336 X 1(T31/°C，λ = 0. 0263w/mk,Cp = 1. 007KJ/ Kg · °C, μ = 18. 46 X ICT6N .s/m2，Pr = 0.7068，Gr = 36. 269 X 107，Gr X Pr = 25. 635 X 107， 令 At = 3°C，L= lm，則 a = O. 13，m = 1/3，α fi= 4. 68w/m2 · k。很顯然，空氣的放熱能 力要比油的放熱能力低很多。參見圖1和圖2，目前正在大量使用的片式油散熱器由若干對散熱片組按規定的 間距排列固定，每對散熱片組由兩片沖壓成型的鋼板10焊合在一起，兩片鋼板10焊合后在 其內部形成若干個流道11。這種片式油散熱器油側和空氣側的放熱面積是相等的，XA 平均=K油XAii= Kfi XAfi= 4. 29w/k，整臺散熱器的散熱能力與空氣側的放熱能力相等，因此空氣側的放熱能力大大制約了整臺散熱器的散熱能力。從某種意義上講，現在使用的散 熱器大大浪費了變壓器油的放熱能力。
發明內容本實用新型的目的在于，提出一種能夠充分發揮油和空氣這兩種介質的放熱能 力、提高散熱效率的新型變壓器散熱器。為實現上述主要目的，本實用新型采用的技術方案為新型變壓器散熱器，包括多 個間隔設置的油通路和空氣通路，隔板設置油通路和空氣通路之間，油側翅片和空氣側翅 片分別設置在油通路和空氣通路中，空氣側翅片的換熱面積大于油側翅片的換熱面積。本實用新型通過在油通道和空氣通道中設置翅片，在現有片式散熱器一次換熱面 的基礎上，增加了二次換熱面，利用翅片來使空氣換熱面積大于油換熱面積以達到各介質 對整體換熱面積的要求，從而使整臺散熱器在體積不變的情況下提高單臺散熱器的散熱能 力，或在散熱量不變的情況下減少整臺散熱器的有效體積。
圖1為現有片式油散熱器的主視圖；圖2為現有片式油散熱器的左視圖；圖3為本實用新型變壓器油散熱器的一個基本組合體截面示意圖；圖4為兩個圖3所示的基本組合體組合圖。
以下結合附圖對本實用新型作詳細描述。
具體實施方式
如在本申請背景技術部分所述，油和空氣這兩種介質的放熱能力分別是α Λ = 51. 56w/m2 · k和α 4. 68w/m2 · k。如果變壓器散熱器使得兩種介質的換熱面積和介質 本身的放熱能力相適應，則能夠在保持體積不變的前提下提高單臺散熱器的散熱能力或在 保持散熱能力的前提下減小散熱器的體積。在理想狀態下油換熱面積和空氣換熱面積應該 分別是Att= 4. 68m2和Afi= 51. 56m2，此時整臺散熱器的放熱系數是K總XAto= 127. 67w/ k，Ato= (Α油+Afi)/2 = 28. 12m2，比現有的油換熱面積與空氣換熱面積相等的片式油散熱 器的放熱能力提高了 6. 5倍以上，K總=4. 54w/m2k也提高了 6%左右。由于在結構設計時， 兩種介質的換熱面積比例不可能正好設計成達到Αλ= 4. 68m2和As= 51. 56m2的要求，如 設計成 A油=5m2、As= 50m2 時，K總 XA平均=122. 662w/k, A平均=(A油+A空)/2 = 27. 5m2, K 總=4.46w/m2k，有些變化但變化不大。無論兩種介質的換熱面積之比設計到和放熱能力之 比的符合程度如何，只要符合兩種介質的換熱面積和介質本身的放熱能力相適應的原則， 其最終結果都可以實現比現在廣泛使用的片式油散熱器提高效率的目的。本實用新型的新型變壓器散熱器包括由如圖3所示的基本組合體構成的芯體和 連通該芯體的油通路的油進出口結構，變壓器散熱器的油介質從油進出口結構進入芯體的 油通路，在油通路中進行熱交換后流回油進出口結構。油進出口結構與現有的片式油散熱 器相同，在本實用新型中不作詳細描述。參見圖3，基本組合體包括一層油通路和在油通路兩側的空氣通路，在油通路和空氣通路之間設置Imm厚的隔板3。因此一個基本組合體包括兩塊隔板3、三層通路(一層油 通路和兩層空氣通路)。油側翅片1設置在油通路中，空氣側翅片2設置在空氣通路中，油 側翅片1和空氣側翅片2為無孔的平直翅片。參見圖4，基本組合體和基本組合體之間使用 第二隔板4來連接，第二隔板4厚度為0. 5mm,比分隔油通路和空氣通路的隔板3更薄。隔 板和翅片間采用釬焊的工藝方法焊接一起，可以最大限度的減少隔板和翅片之間的導熱熱 阻。由于在變壓器散熱器中，空氣的放熱能力要比油的放熱能力低很多，因此本實用 新型采用的介質換熱面積和放熱能力相適應的主要措施是，通過在油通道和空氣通道中設 置翅片，在現有片式散熱器一次換熱面的基礎上，增加了二次換熱面，提高了單位體積內的 換熱表面積，利用翅片來使空氣換熱面積大于油換熱面積以達到各介質對整體換熱面積的 要求，充分發揮兩種散熱介質的放熱能力，從而使整臺散熱器在體積不變的情況下提高單 臺散熱器的散熱能力，或在散熱量不變的情況下減少整臺散熱器的有效體積。在本實施例中，變壓器散熱器為自冷式散熱器，油通路中的油側翅片1規格為高 度H = 9. 5mm、節距P = 9. 5mm、翅片材料厚度t = 0. 4mm、當量直徑De = 9. Imm, 一平方米翅 片內有換熱面積As = 3. 83m2/m2, 一米寬的翅片有自由流通通道面積Af = 0. 0087m2/m。該 翅片使用鋁合金材料制造，一平方米翅片的翅片重量是W = 2. llKg/m2。空氣通路中的空氣側翅片2規格為高度H = 22mm、節距P = 2. 5mm、厚度t = 0. 3mm、當量直徑06 = 3. 995mm，一平方米翅片內有換熱面積As = 19. 12m2/m2，一米寬的翅片 有自由流通通道面Af = 0. 019096m2/m。該翅片使用鋁合金材料制造，一平方米翅片的翅片 重量是 W = 0. 891Kg/m2。在一平方米基本組合體內，As= 19. 12X2 = 38. 24m2、A油=3. 83m2、基本組合體的 厚度 B = 2X22+9. 5+1X2 = 55. 5mm、重量 W = 11. 18Kg，體積 V = 1X0. 0555 = 0. 0555m3。 因此比重 P = 11. 18/0. 0555 = 201. 5Kg/m3，空氣側的換熱面積比 afi= 38. 42m2/0. 0555m3 =692. 2ΠΓ1，油側 a油=3· 83/0. 0555 = 69m_1, A 空/A油=38. 24/3. 83 = 9. 984334。使用前 面計算得到的放熱系數α油=51. 56w/m2 · k^P α fi= 4. 68w/m2 · k，則以空氣側為基礎的 傳熱系數 Ks= 1/(1/4. 68+1/51. 56X9. 984334) = 2. 455w/m2。對上述計算數據和現有片式油散熱器(如PG3000-10/535規格)進行比較，可以 得到如下結果。片式油散熱器PG3000-10/535的技術數據有效自冷換熱面積為18. 097m2， 重量為277. 74Kg，體積近似V^= 0. 045X3X0. 535 = 0. 722m3(實際要更大些)，按行業慣 例估算可以放熱Q = 0. 5X18. 097 = 9. 048KW。如果在同樣的體積內，使用本實用新型的 技術組合，則可以達到的效果為Afi= afiXV^= 692. 2X0. 722 = 499. 77Hi2,可以放走熱量 Q = Kfi XAfi X At = 2. 455X499. 77 X At = 1226. 935 At。At 為空氣和油之間的傳熱 溫度差。按油的最高進口溫度90°C和空氣升溫后的最高溫度60°C作為熱端溫差，按油冷卻 后的溫度和空氣進口溫度的差值為10°C計算，則空氣和油之間的傳熱溫度差大體在18度 左右。因此空氣可以放走的熱量Q在22KW左右，比現有片式油散熱器PG3000-10/535提高 了 2. 4倍。而該基本組合體的重量僅僅為W = 201. 5Kg/m3X0. 722m3 = 145. 5Kg，僅為片式 油散熱器PG3000-10/535重量的52. 4%。以上的對比數據雖然是有些粗，不太精確，但完全 可以說明問題。利用本實用新型可以大大提高現有片式散熱器的技術水平，把變壓器散熱 器推廣到更廣泛的使用范圍和領域。[0025]由于變壓器油的粘度系數比較大，如果油側翅片換熱表面(二次換熱表面)的當量直徑太小，有可能由于油的邊界層很厚，而使油的自然流動受到影響甚至無法進行。現有 設備的運行經驗和針對有二次換熱表面的油散熱進行的工業試驗表明，變壓器油的二次換 熱表面的最小當量直徑在8 12mm之間。而空氣側翅片換熱表面(二次換熱表面)的最 小當量直徑在3. 5 5mm之間。由于翅片的當量直徑De與翅片的高度H、節距P、厚度t有 關，可通過改變翅片的高度、節距和厚度來適應對當量直徑和翅片換熱面積的要求。變壓器散熱器中的翅片(油側翅片或空氣側翅片)的形狀，可以隨介質(油或空 氣)的流動方式(例如由自然對流改為強制對流)的改變來更改，從而可以進一步提高油 側或空氣側的放熱能力。翅片可以是有孔或無孔的平直翅片、波紋翅片、鋸齒翅片、有孔或 無孔的百葉窗式翅片等中的一種。翅片的高度在3 22mm之間、節距在2. 5 IOmm之間、 厚度在0. 2 0. 6mm之間，翅片的材料可以是鋁合金、鋼或其他金屬。而現有的片式油散熱 器，即使改變了油和空氣的流動方式，其放熱能力的提高也很有限。油側和空氣側的換熱面積的改變，除了利用翅片換熱表面進行調節外，還可以利 用在油通路或空氣通路的翅片數量來進一步調節。例如，在如圖4所示的實施例中，在油通 路中的翅片為一個，而在空氣通路中的翅片為兩個。本實用新型在油通路或空氣通路中的 翅片數量不限于一個或兩個，還可以是二個以上。當為兩個以上時，在同一個通道中的翅片 通過隔板來連接。變壓器散熱器的空氣通路可以是敞開的，即在隔板的寬度方向上翅片不是用封條 進行封閉構成一個空氣流道，而是和大氣直接流通。而油側因有壓力及封閉的要求，所以需 要在隔板的寬度方向上翅片的兩邊，用封條進行封閉構成一個封閉流道。封條的形式可以 是單獨的零件結構，也可以是隔板的延續部分構成。當空氣側的流路是敞開時，變壓器散熱 器的支座可設置在組合體的厚度方向上的兩個側面上；當空氣流路設計成封閉結構時，變 壓器散熱器的支座可以設置在隔板寬度方向的兩個側面上。變壓器換熱器的進油口和出油口可設置在隔板寬度方向的側面，可以在同一側面 也可以分別在兩個側面上。進油口和出油口可以按用戶要求進行布置。當空氣和油的流動形式發生改變時，空氣和油的放熱能力也很難達到相等。因此 除自然流動進行散熱外，在其他的散熱形式(如強制對流)下，空氣側和油側的換熱面積也 有和放熱能力相適應的問題。因此本實用新型也可以適用于僅僅在空氣側采用強制流動或 兩側全部采用強制流動的散熱器中，從而得到最優化的散熱器產品設計。由于國家對電力行業的大量投入，一些超大容量的變壓器也急需合適的散熱器配 套使用，這些對于散熱器的研究提出了更高的要求。尤其在居民區及一些對噪音、能耗有特 殊要求而不能采用強迫冷卻方式的地方，如何提高散熱器自冷的效果，擴大自冷散熱器的 應用范圍，降低散熱器的體積、重量、成本是一個很現實的問題。本實用新型為擴大自冷式 變壓器油散熱器的使用范圍創造了條件，使自冷式變壓器油散熱器的技術水平提高了一個 檔次，也為其他型式的散熱器設計水平的提高提供了方法。
權利要求新型變壓器散熱器，包括多個間隔設置的油通路和空氣通路，其特征在于，隔板設置所述油通路和所述空氣通路之間，油側翅片和空氣側翅片分別設置在所述油通路和空氣通路中，所述空氣側翅片的換熱面積大于所述油側翅片的換熱面積。
2.根據權利要求1所述的新型變壓器散熱器，其特征在于，所述油通路具有兩個油側 翅片和設置在所述兩個油側翅片間的第二隔板。
3.根據權利要求2所述的新型變壓器散熱器，其特征在于，所述第二隔板比設置在油 通路和空氣通路之間的隔板薄。
4.根據權利要求2所述的新型變壓器散熱器，其特征在于，所述油側翅片的最小當量 直徑為8 12mm。
5.根據權利要求2所述的新型變壓器散熱器，其特征在于，所述空氣側翅片的最小當 量直徑為3. 5 5mmο
6.根據權利要求4或5所述的新型變壓器散熱器，其特征在于，所述油側翅片或空氣側 翅片的高度為3 22mm、節距為2. 5 10_、厚度為0. 2 0. 6_。
7.根據權利要求6所述的新型變壓器散熱器，其特征在于，所述油側翅片的高度為 9. 5mm、節距為9. 5mm、厚度為0. 4mm，所述空氣側翅片的高度為22mm、節距為2. 5mm、厚度為 0. 3mm。
8.根據權利要求2所述的新型變壓器散熱器，其特征在于，所述油側翅片或空氣側翅 片為有孔或無孔的平直翅片、波紋翅片、鋸齒翅片、有孔或無孔的百葉窗式翅片中的一種。
9.根據權利要求8所述的新型變壓器散熱器，其特征在于，所述油側翅片或空氣側翅 片的材料為鋁合金或鋼。
專利摘要本實用新型涉及一種新型變壓器散熱器，包括多個間隔設置的油通路和空氣通路，隔板設置在油通路和空氣通路之間，油側翅片和空氣側翅片分別設置在油通路和空氣通路中，空氣側翅片的換熱面面積大于油側翅片的換熱面面積。本實用新型通過在油通道和空氣通道中設置翅片，利用翅片來使空氣換熱面積大于油換熱面積以達到各介質對整體換熱面積的要求，能提高變壓器散熱器的散熱效率。
文檔編號H01F27/08GK201556505SQ20092020182
公開日2010年8月18日 申請日期2009年12月7日 優先權日2009年12月7日
發明者章有虎, 閻振貴 申請人:杭州中泰過程設備有限公司