1 引言
目前,煤炭行業(yè)復(fù)蘇給低迷的煤礦井下輔助運輸設(shè)備市場帶來了一片生機,而現(xiàn)有的巷道掘進(jìn)多采用沿煤層方式,使長距離大坡度的蓄電池機車頗受歡迎。為了適用長距離大坡度的路況要求,現(xiàn)大多采用膠套輪、齒軌以及增大功率等方式來滿足與之對應(yīng)的大牽引力的要求,而人們最擔(dān)心的制動問題一直沒找到比較合適的方式,其中機械和液壓等制動方式均不可能滿足煤礦井下輔助運輸設(shè)備限制表面溫度不超過150℃的基本要求,只能采用下坡發(fā)電制動的方式。因此,機車啟動和電氣制動的重要器件—牽引用隔爆電阻器就需要很大容量,以便放出機車制動時產(chǎn)生的熱量,同時又不使其表面溫度超過規(guī)定要求?，F(xiàn)有牽引用隔爆電阻器因為只考慮平道啟動時使用,故其容量偏小。其主要結(jié)構(gòu)形式為有骨架的螺旋式電阻器、外加隔爆外殼且隔爆外殼上裝有散熱片。電阻器產(chǎn)生的熱量一部分由電阻器本身吸收,另一部分利用了輻射和電阻器內(nèi)部的空氣對流,使熱量通過電阻器外殼及其散熱片向周圍空氣散發(fā),因此傳熱效率較低。這種結(jié)構(gòu)方式,使單位體積的電阻器容量受到了極大的限制。而機車所能提供給電阻器的空間是有限的,不可能通過增加隔爆電阻器體積和重量來解決其容量問題,這樣必須另辟蹊徑才能解決這種問題。基于以上原因,對牽引用隔爆電阻器重新進(jìn)行了分析和研究,研制了新型的隔爆電阻器,并從結(jié)構(gòu)和原理上進(jìn)行了根本性的改進(jìn),突破了現(xiàn)有隔爆電阻器的容量瓶頸。
2 工作原理
通過研究歸納了影響電阻器容量的因素:(1)熱的傳遞方式。熱傳遞方式有3種:傳導(dǎo)、對流和輻射,而其中熱傳導(dǎo)方式導(dǎo)熱效率是最高。(2)電阻元件本身熱容量限制。電阻器的作用是限制電流,一般根據(jù)機車啟制動要求和牽引電機參數(shù)來確定電阻值。即電阻值
R=ρLPS
式中ρ——電阻元件電阻率;
S——電阻元件截面積。
所以必須通過同時增加其長度和截面積來增加電阻元件熱容量,但這種方式受電阻器體積的限制。(3)電阻帶的單位載流量與熱的傳導(dǎo)率成正比。理論上講,如果電阻帶產(chǎn)生的熱量能及時全部地傳導(dǎo)出去,電阻帶的載流量可以達(dá)到無限大,但要受到工藝、材料等因素的影響和限制。綜上所述,牽引用隔爆電阻器提高容量的最佳途徑是用可靠有效的熱傳導(dǎo)方式。
在現(xiàn)有的熱傳導(dǎo)器件中,一種新型高效的傳熱元件—熱管日漸成熟。熱管是一種傳熱性極好的人工構(gòu)件。常用的熱管由三部分組成:主體為封閉的金屬管,內(nèi)部有少量工作介質(zhì)和毛細(xì)結(jié)構(gòu)。熱管工作時利用了3種物理學(xué)原理:(1)在真空狀態(tài)下,液體的沸點降低; (2)同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高得多;(3)多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)對液體的抽吸力可使液體流動。
熱管工作時與熱源靠近的一段(蒸發(fā)段)內(nèi)的液體吸熱而蒸發(fā),蒸汽攜帶汽化潛熱經(jīng)空腔流向另一段(冷凝段),汽體經(jīng)管壁與外界冷媒體換熱放出潛熱而完成了傳熱任務(wù),冷凝成液體,經(jīng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的抽吸力量或重力回流到蒸發(fā)段進(jìn)入下一個工作循環(huán)。熱管利用與金屬銅、鋁等實體材料的天然傳熱方式完全不同的”相變”傳熱的原理,它的有效導(dǎo)熱性是銅、鋁等有色金屬的成百上千倍,其熱傳導(dǎo)效率在99%以上;25°時,5s內(nèi)啟動傳熱,單向傳熱。所以熱管是傳熱領(lǐng)域的重大發(fā)明和科技成果,給人類社會帶來巨大的實用價值,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力電子器件散熱、太陽能熱水器、空調(diào)等多種領(lǐng)域。
由以上分析,采用了下面的解決方案。將電阻帶設(shè)計成平面柵狀,下襯導(dǎo)熱絕緣層,導(dǎo)熱絕緣層下面為不銹鋼板,起固定和傳熱的作用。不銹鋼板上安裝熱管,熱管的熱端與鋼板鑄成一體,熱管的冷端置于水箱內(nèi)。這樣,電阻產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱絕緣層傳導(dǎo)至不銹鋼板,然后通過鋼板上的熱管將熱量傳遞給水箱內(nèi)的水,熱量使水箱內(nèi)的水溫度升高,溫度升到水的沸點時轉(zhuǎn)化為汽化熱,散發(fā)到大氣中。單位體積水的汽化熱是2258kJPkg,是同體積水溫度升高1°所吸收的熱量的80倍左右。這樣,用水汽化來吸收的熱量就不用過多的水作冷卻,從而減小電阻器的體積,同時又保證了隔爆電阻器的外殼溫度不超過150℃。由于熱的傳導(dǎo)方式主要通過熱傳導(dǎo)并利用了性能優(yōu)良的熱管使導(dǎo)熱效率大為提高,可以大幅度提高單位體積內(nèi)電阻器的容量。電阻器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
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