DE3045042A1

DE3045042A1 - Electric machine gas or liquid cooling arrangement - has primary coolant initially passed across heat exchanger directly impinged by outer loop cooling medium

Info

Publication number: DE3045042A1
Application number: DE19803045042
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl.-Ing. Schneider; Franz 1000 Berlin Spirk
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1980-11-27
Filing date: 1980-11-27
Publication date: 1982-06-16

Abstract

The arrangement is for cooling an electric machine by gas or liquid coolant, wherein the primary coolant of the inner cooling loop stands in direct or indirect heat exchange relationship with the condenser of a closed heat pump circuit, which is designed to increase the utilisation of the electric machine by use of a heat pump loop during re-cooling the primary coolant, without incurring high additional expense. The primary coolant is initially passed across a heat exchanger directly impinged by the outer loop medium and then across the heat exchanger containing the condenser of the heat pump loop.

Description

Anordnung zur Kühlung einer gas- oder flüssigkeits-Arrangement for cooling a gas or liquid

gekühlten elektrIschen Maschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kühlung einer gas- oder flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine, deren Primärkühlmittel des Innenkühlkreises in unmittelbarem oder mittelbarem Wärmeaustausch mit dem Verdampfer eines geschlossenen Wärmepumpenkreises steht, bestehend aus Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Drossel, wobei der Kondensator in einem Wärmeaustausch mit dem Medium eines Außenkreises liegt.COOLED ELECTRICAL MACHINE The invention relates to a Arrangement for cooling a gas or liquid-cooled electrical machine, their primary coolant of the internal cooling circuit in direct or indirect heat exchange with the evaporator of a closed heat pump circuit, consisting of evaporator, Compressor, condenser and throttle, the condenser in a heat exchange lies with the medium of an outer circle.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE-PS 954 818 bekannt. In dieser ist die Kopplung eines Wärmepumpenkreises mit dem Innenkühlkreis der elektrischen Maschine vorgenommen, um die Verlustwärme der Maschine durch Speisung eines Verbrauchers zwecks Raumheizung oder Warmwasserversorgung auszunutzen. Das Kühlmedium des Wärmepumpenkreises nimmt in der Maschine aus dem erwärmten Primärkühlmittel die zu seiner Verdampfung notwendige Wärme auf.Such an arrangement is known from DE-PS 954 818. In this is the coupling of a heat pump circuit with the internal cooling circuit of the electrical Machine made to the heat loss of the machine by feeding a consumer to use for space heating or hot water supply. The cooling medium of the heat pump circuit takes from the heated primary coolant in the machine the amount needed for its evaporation necessary warmth.

Das gasförmige Kühlmedium wird dann von dem Verdichter angesaugt und verdichtet und somit auf eine im Vergleich zur Verdampfungstemperatur höhere Temperatur gebracht.The gaseous cooling medium is then sucked in by the compressor and compressed and thus to a higher temperature compared to the evaporation temperature brought.

Im Kondensator wird es dann unter Abgabe seiner Verdampfungs- und Kompressionswärme wieder verflüssigt, wodurch das Kühlmedium des Außenkreises auf das gewünschte Temperaturniveau zur Versorgung des Verbrauchers gehoben wird.In the condenser it is then giving up its evaporation and Compression heat is liquefied again, whereby the cooling medium of the external circuit on the desired temperature level for supplying the consumer is raised.

Es ist weiterhin bereits vorgeschlagen (DE-ANM P 30 31 422.8), mit Hilfe des Wärmepumpenkreises eine Intensivierung der Kühlung der elektrischen Maschine zu erhalten, wobei das Primärkühlmittel der Maschine einen Wärmetauscher durchfließt, in dem der Verdichter des Wärmepumpenkreises angeordnet ist, so daß die gc.samLc' RUckkühlung des Primärkühlmittels über den Wärmepumpenkreis erfolgt. Damit eine funktionsmäßige Kopplung zwischen dem Betrieb der elektrischen Maschine und dem Betrieb des Wärmepumpenkreises hergestellt ist, wird der Verdichter des Wärmepumpenkreises direkt oder indirekt von der elektrischen Maschine angetrieben. Da der Betrieb eines Wärmepumpenkreises verlustbehaftet ist, ergibt sich bei dieser Anordnung ein Vorteil erst dann, wenn ein wesentlich tieferes Absenken des Temperaturniveaus des Prinäri:ühlmittels durch den Wärmepumpenkreis erzielt wird, so daß infolge der besseren Wärmeübergangsverhältnisse die Maschine höher ausgenutzt werden kann Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, die Ausnutzung einer gas- oder flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine durch den Einsatz eines Wärmepumpenkreises bei der Rückkühlung des Primärkühlmittels zu erhöhen, wobei aber der Aufwand hinsichtlich des Wärmepumpenkreises klein gehalten werden soll.It is also already proposed (DE-ANM P 30 31 422.8), with With the help of the heat pump circuit, the cooling of the electrical machine is intensified with the primary coolant of the machine flowing through a heat exchanger, in which the compressor of the heat pump circuit is arranged so that the gc.samLc 'recooling of the primary coolant takes place via the heat pump circuit. Thus a functional coupling between the operation of the electrical machine and the operation of the heat pump circuit is established, the compressor of the Heat pump circuit driven directly or indirectly by the electrical machine. Since the operation of a heat pump circuit is lossy, this results in Arrangement is only an advantage if the temperature level is significantly lower des Prinäri: is achieved by the heat pump circuit, so that as a result of the better heat transfer conditions, the machine can be used to a higher degree The invention is also based on the task of utilizing a gas or liquid-cooled electrical machine through the use of a heat pump circuit for recooling to increase the primary coolant, but the effort in terms of the heat pump circuit should be kept small.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung eine Anordnung zur Kühlung einer gas- oder flüssigkeitsgeRühlten elektrischen Maschine der eingangs beschriebenen Art so ausgebildet, daß das PrimärkUhlmittel zunächst über zinken direkt mit dem Medium des Außentreines beaufschlagten Wärmetauscher geleitet ist und darm über den den Vtra'npfer des Wärmepumpenkreises enthaltenden Wärmetauscher und daß der Wärmepumpenkreis für eine einen Teil der Gesamtkühlleistung betragende Leistung ausgelegt ist.To solve this problem is according to the invention an arrangement for Cooling of a gas- or liquid-cooled electrical machine of the input described type designed so that the primary coolant initially prongs is fed directly to the medium of the external cleansed heat exchanger and then via the heat exchanger containing the heat pump circuit and that the heat pump circuit for a part of the total cooling capacity Performance is designed.

Gemäß der Erfindung wird also die normale bekannte Rückkühlung des Primärkühlmittels in der Maschine durch ein Medium des Außenkreises in einem Wärmetauscher kombiniert mit einem anderen Wärmetauscher, der den Verdampfer des Wärmepumpenkreises enthält, wobei der letztere für einen Teil der Gesamtleistung ausgelegt ist. Da eine elektrische Maschine so ausgelegt werden muß, daß eine bestimmte vorgegebene maximale Temperatur des Primärkühlmittels nicht überschritten wird, kann man mit dieser Kombination die Ausnutzung der Maschine erhöhen. Hierbei übernimmt das Medium des Außenkreises allein die Kühlung während der normalen Betriebszustände der Maschine und bei eigener niedriger Temperatur. Der Warmepumpenkreis wird nur bei hoher Belastung der Maschine und/oder bei hoher Temperatur des Mediums des Außenkreises zusätzlich eingeschaltet.According to the invention, the normal known recooling of the Primary coolant in the machine through a medium in the external circuit in a heat exchanger combined with another heat exchanger, the evaporator of the heat pump circuit contains, the latter for one Part of the overall performance is. Since an electrical machine must be designed so that a certain predetermined maximum temperature of the primary coolant is not exceeded, one can use this combination increases the utilization of the machine. The medium takes over here of the external circuit only provides cooling during the normal operating conditions of the machine and at its own low temperature. The heat pump circuit is only activated when the load is high of the machine and / or in the case of a high temperature of the medium in the external circuit switched on.

Es empfiehlt sich, den Wärmepumpenkreis für angenähert 50 % der Gesamtkühlleistung auszulegen, da dann bereits alle ungünstigen Betriebsfälle wie z. B. Maximal- oder Uberlast oder hohe Temperatur des Mediums des Außenkreises durch die zusätzliche Kühlung über den Wärmepumpenkreis ausgeglichen werden.It is advisable to use the heat pump circuit for approximately 50% of the total cooling capacity to be interpreted, since then all unfavorable operating cases such. B. Maximum or Overload or high temperature of the medium of the outer circuit due to the additional Cooling can be compensated for via the heat pump circuit.

Im folgenden sei die Erfindung noch anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, die schematisch den Aufbau der Maschine und ihrer Kühlung zeigt.In the following the invention is still based on that shown in the figure Embodiment explained in more detail, the schematically the structure of the machine and their cooling shows.

Die elektrische Maschine 1, z. B. ein Wasserkraftgenerator, weist einen durch Pfeile angedeuteten Innenkühikreislauf 2 auf, in dem Luft oder Wasser als Primärkühlmittel umläuft. Dieses Primärkühlmittel durchfließt zur Rückkühlung das Rohrsystem 3 eines aus zwei einfachen Wärmetauschern kombinierten Warmetauschers 4. Dieser kombinierte Wärmetauscher 4 enthält die berippten Kühlrohre 5, die von dem Medium, z. B. Wasser, eines durch Pfeile angedeuteten Außenkreises 6 durchflossen werden. Dieser Außenkreis 6 ist so ausgelegt, daß mittels der Kühlrohre 5 für normale Betriebszustände der elektrischen Maschine 1 5 - rimärkühlmittels ohne - -Uberschreitung der zulässigen Grenztemperatur erzielt wird. Außerdem befindet sich im kombinierten Wärmetauscher 4 der Verdampfer 7 eines Wärmepumpenkreises 8, der aus dem Verdampfer 7, dem Verdichter 9, dem Kondensator 10 und der Drossel 11 besteht. Der Kondensator 10 liegt in einem weiteren Wärmetauscher 12, dessen zweites --Rohrsystem 13 von dem Kühlmittel eines durch Pfeile angedeuteten Außenkreises 14 durchflossen ist Das Kwhlmittel des Außenkreises 14 kann in gleicher Weise wie das Medium des Außenkreises 6 aus Wasser bestehen, wobei beide Außenkreise 6 und 14 auch kombiniert sein können.The electric machine 1, e.g. B. a hydropower generator has an inner cooling circuit 2 indicated by arrows, in which air or water circulates as the primary coolant. This primary coolant flows through for recooling the pipe system 3 of a heat exchanger combined from two simple heat exchangers 4. This combined heat exchanger 4 contains the finned cooling tubes 5, which of the medium, e.g. B. water, an outer circle 6 indicated by arrows flows through will. This outer circle 6 is designed so that by means of the cooling tubes 5 for normal Operating states of the electrical machine 1 5 - primary coolant without - -exceeding the permissible limit temperature is achieved will. There is also in the combined heat exchanger 4 of the evaporator 7 of a heat pump circuit 8, the consists of the evaporator 7, the compressor 9, the condenser 10 and the throttle 11. The condenser 10 is located in a further heat exchanger 12, its second pipe system 13 through which the coolant of an outer circle 14 indicated by arrows flows The coolant of the outer circle 14 can be used in the same way as the medium of the Outer circle 6 consist of water, both outer circles 6 and 14 also combined could be.

Der Wärmepumpenkreis 8 ist für angenähert 50 % der für die Gesamtkühlung der elektrischen Maschine 1 notwendigen Leistung ausgelegt. Der Wärmepumpenkreis 8 tritt deshalb nur zusätzlich bei hohen Belastungen der elektrischen Ma-Maschine 1 und/oder hohen Temperaturen des Mediums des Außenkreises 6 in Betrieb, bei denen eine alleinige Rückkuhlung des Primärkühlmittels über die Kühlrohre 5 des Außenkreises 6 ein Uberschreiten der zulässigen Grenztemperatur zur Folge haben würde. Der Wärmepumpenkreis 8 bringt bei diesen Betriebszuständen die erforderliche zusätzliche Kühlleistung auf. Die elektrische Maschine 1 ist aber insgesamt so ausgelegt, daß für normale Betriebszustände der Maschine die Rückkühlung über den Außenkreis 6 ausreicht.The heat pump circuit 8 is for approximately 50% of the total cooling the electrical machine 1 designed power required. The heat pump circuit 8 therefore only occurs additionally when the electrical Ma machine is subjected to high loads 1 and / or high temperatures of the medium of the outer circuit 6 in operation, in which sole recooling of the primary coolant via the cooling tubes 5 of the outer circuit 6 would result in the permissible limit temperature being exceeded. The heat pump circuit 8 brings the required additional cooling capacity in these operating states on. The electrical machine 1 is designed overall so that for normal Operating states of the machine the recooling via the external circuit 6 is sufficient.

Der durch den Antrieb des Verdichters 9 verlustbehaftete Wärmepumpenkreis 8 wird also nur zusätzlich eingesetzt.The heat pump circuit, which is lossy due to the drive of the compressor 9 8 is only used additionally.

Der Antrieb des Verdichters 9 erfolgt über einen Elektromotor 15, der über den Schalter 16 bedarfsweise über einen zwischengeschalteten Transformator 17 an die Außenklemmen der Ständerwicklung 18 der elektrischen Maschine 1 angeschaltet wird. Die Ständerwicklung 18 der elektrischen Maschine 1 ist außerdem über den Schalter 19, den Transformator 20 und einen weiteren Schalter 21 mit dem Netz 22 verbunden.The compressor 9 is driven by an electric motor 15, via the switch 16, if necessary, via an interposed transformer 17 connected to the external terminals of the stator winding 18 of the electrical machine 1 will. The stator winding 18 of the electrical machine 1 is also via the switch 19, the transformer 20 and a further switch 21 are connected to the network 22.

1 Figur 3 Ansprüche Leerseite1 Figure 3 claims Blank page

Claims

Claims disorder for cooling a gas or liquid-cooled electrical machine whose primary coolant of the inner cooling circuit in the immediate or indirect heat exchange with the evaporator of a closed heat pump circuit stands, consisting of evaporator, compressor, condenser and throttle, whereby the Condenser is in a heat exchange with the medium of an external circuit, d a D u r c h g e k e nn n n e i c h e t that the primary coolant is initially via a directly with the medium of the external circuit (6) acted upon heat exchanger and then via the evaporator (7) of the heat pump circuit (8) containing Heat exchanger and that the heat pump circuit (8) for a part of the total cooling capacity amount of power is designed.

2. Arrangement according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the evaporator (7) of a heat exchanger and that of the medium of the outer circle (6) through which the cooling pipes (5) of the other heat exchanger flowed jointly are arranged in a combined heat exchanger (4).

3. Arrangement according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the heat pump circuit (8) for approximately 50% of the total cooling capacity is designed.