Значение определяется из петли давления по уравнению

(3-5)

Параметр представляет собой изменение плотности масла, вызванное изменением температуры на и отнесенное к средней температуре масла .

Упрощенная температурная петля изображена на рис. 3-1,б. На участке A-B в обмотке высотой масло нагревается, на участке C-D в радиаторах высотой (расстояние между осями присоединительных патрубков) масло охлаждается. Принято, что на участке А-В температура изменяется по линейному закону, т. е. предполагается, что количество теплоты, передаваемое маслу в единицу времени с единицы длины пути (Вт/м), не изменяется с изменением температуры и что удельная теплоемкость масла также остается постоянной.

Характерной точкой участка А-В является точка Е, называемая центром нагрева, которая соответствует середине высоты обмотки и в которой циркулирующее в обмотке масло имеет превышение температуры, равное превышению средней температуры масла над температурой воздуха Форма кривой участка С-D соответствует конденсаторному распределению температуры, т. е. такому температурному распределению, которое возникает в том случае, когда теплоемкость одной из участвующих в теплообмене сред, в данном случае воздуха, принимается равной бесконечности. Характерной точкой этом кривой является точка F, называемая центром охлаждения, в которой температура масла отличается от температуры воздуха в радиаторе, принимаемой постоянной во всем радиаторе и равной , на логарифмическую разность температур (См. рис. 3-19)

(3-6)

Точка F: находится выше середины высоты радиаторов на размер . Расстояние между серединами высот обмотки и радиатора обозначается через . Разность высот точек E: и F

(3-7)

Площадь температурной петли (см. рис. 3-1,6):

(3-8)

Определим размер . Для этого найдем площадь фигуры CDGC (Здесь учтено, что при конденсационном распределении температуры ):

(3-9)

Поскольку

можно написать:

Так как площадь петли CDGC равна площади прямоугольника, имеющего основание и высоту , то

(3-10)

Найдем отсюда :

(3-11)

Площадь температурной петли

(3-12)

Тогда согласно уравнению (3-5) гравитационное давление

(3-13)

Пример 3-1. Трансформатор мощностью с сочетанием напряжении имеет масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла. При нагрузке до 70% номинального тока циркуляция воздуха также естественная. При нагрузке 70% потери короткого замыкания в процентах номинальных потерь короткого замыкания составляют . Охлаждение осуществляется радиаторами, присоединенными к стенке бака. Вентиляторы размещены под радиаторами. Необходимо определить напор, возникающий в контуре циркуляции масла.

По данным чертежей . По результатам измерений при нагрузке 70% и естественном охлаждении получены следующие данные: . На рис. 3-2 приведены диаграммы распределения температуры и удельного веса в контуре циркуляции, которые позволяют найти гравитационное давление, поддерживающее циркуляцию масла. Из данных измерений находим:

Рис. 3-2. К. определению гравитационного давления, поддерживающего циркуляцию масла, в трансформаторе мощностью с естественным масляным охлаждением.

Определяем логарифмическую разность температур по формуле (3-6):

Определяем расстояние необходимое для построения диаграммы распределения температур, по формуле (3-11):

Определяем площадь температурной петли по формуле (3-12):

При и искомое гравитационное давление

Контур циркуляции масла

Контур циркуляции масла с точки зрения происходящих в нем тепловых процессов можно разделить на три характерных участка (см. рис. 3-1,а):

1)  участок нагревания А–В;

2)  приближенно изотермические участки В-С и В-A;

3)  участок охлаждения С-D.

На участке А–В тепло от обмотки передается маслу. Холодное масло через каналы нижней изоляции входит в обмотку, соприкасается с поверхностью обмотки, имеющей более высокую, чем масло, температуру на размер перепада температуры , нагревается, снижает свой удельный вес и перемещается вверх. Пути движения масла по обмотке определяются вертикальными и горизонтальными масляными каналами, образованными рейками и прокладками. Соответствующим расположением вертикальных масляных каналов можно обеспечить имеющее определенное направление движения масла и в горизонтальных каналах между катушками. Выше было показано, что движение масла в обмотке носит пограничный характер.

Определенная часть нагретого масла охлаждается у стенки бака. Движением масла поэтому параллельному контуру в дальнейшем пренебрегаем, так как размер отводимых здесь потерь составляет всего несколько процентов от потерь, отдаваемых охлаждающей среде через радиаторы. Этот параллельный контур показан на рис. 3-3.

a)  Горизонтальные каналы обмоток имеют четыре особенности:

b)  катушки, образующие горизонтальные каналы, имеют вдоль канала практически постоянную на единице радиального размера поверхностную плотность теплового потока и равномерно подогревают движущееся вдоль канала масло;

c)  температура находящихся в масле и расположенных друг над другом катушек тем больше, чем выше расположена катушка, а температура их поверхности выше температуры окружающего масла на размер перепада температуры ;

d)  средняя температура пограничного слоя масла у поверхности катушки больше температуры масла, циркулирующего в каналах, на . Поскольку массовый расход масла в пограничном слое потока масла, движущегося в каналах внутри обмотки, большой, средняя температура этого слоя оказывает существенное влияние на температуру всего циркулирующего в каналах потока масла;

e)  хотя движение масла носит пограничный характер, но благодаря расчлененности масляных каналов и частому изменению направления движения распределение температуры масла у выхода из обмотки в точке В можно считать близким к равномерному.

Масло, движущееся в вертикальных каналах стержня магнитопровода, подогревается с двух сторон. Хотя выделение тепла в стержне со стороны торцевых и со стороны боковых поверхностей листов не одинаковое, все же благодаря хорошей теплопроводности листов стали температуру стенок вертикальных охлаждающих каналов стержня можно принять постоянной. Циркуляция и в этих каналах носит пограничный характер.

Рис. 3-3. Основной и параллельный контуры циркуляции масла в трансформаторе с естественным масляным охлаждением.

Потери Р, передаваемые через поверхность теплоотдачи площадью при поверхностной плотности теплового потока q, повышают температуру циркулирующего масла, имеющего массовый расход Go и среднюю удельную теплоемкость с0, на .

.(3-14)

Величину обозначим через . Тогда

(3-15)

С учетом формул (3-7), (3-8) и (3-13) действующий при гравитационном механизме циркуляции масла напор определяется выражением

(3-16)

Пусть . Тогда

.(3-17)

Если в это уравнение подставить значение из формулы (3-15) и принять, что то получим:

(3-18)

Это гравитационное давление покрывает потери давления, возникающие при движении масла и обусловленные гидравлическими сопротивлениями в контуре циркуляции масла. Если режим движения ламинарный, то возникающие при циркуляции потери давления пропорциональны массовому расходу масла:

(3-19)

Приравнивая два последних выражения для получаем, что

(3-20)

где

Подставляя в формулу (3-15) значение Go по формуле (3-20), определяем осевой перепад температуры масла в обмотке:

, (3-21)

где .

Тогда по формуле (3-17)

,(3-22)

где .

Существование этих зависимостей подтверждено экспериментально. На рис. приведены семейства различных кривых, построенных по данным экспериментов. Первое семейство представляет собой зависимость (рис. 3-4). Измерения были проведены на моделях обмотки. Для изменения гидравлического сопротивления контура циркуляции в модель была встроена регулировочная задвижка. Степень закрытия задвижки регулировалась числом оборотов рукоятки: Последнее число соответствовало полному открытию задвижки.

На рис. 3-5 и 3-6 приведены зависимости и , построенные для различных значений гидравлического сопротивления контура циркуляции.

Рис. 3-4. Зависимость полученная экспериментальным путем.

Рис. 3-5. Зависимость , полученная экспериментальным путем.

Из дополнительных кривых, приведенных на рис. , видно, что при открытой задвижке и значениях q около 1000 Вт/м2 коэффициенты С5, С6 и С7 могут быть приняты постоянными.

Рис. 3-6. Зависимость , полученная экспериментальным путем.

Измерения были проведены для трех моделей обмоток (рис. 3-7), имеющих следующие размеры:

На рис. 3-8 показано изменение площади петли давления в зависимости от поверхностной плотности теплового потока q для модели обмотки с размерами: . Кривые построены для следующих семи значений q: 73,8; 163; 227; 377; 638; 1020; 1245 Вт/м2.

Рис. 3-7. Размеры модели обмотки, используемой при эксперимнтах.

На рис. 3-9 для той же модели обмотки показано изменение площади петли давления в зависимости от положения задвижки при . Из диаграммы видно, что увеличение гидравлического сопротивления контура циркуляции приводит к увеличению площади петли и перепада температуры .

Последнее семейство диаграмм распределения удельного веса масла ясно показывает, что увеличение гидравлического сопротивления контура циркуляции, в первую очередь гидравлического сопротивления радиаторов, существенно влияет на перепад температуры . Добиться значительного уменьшения гидравлического сопротивления обмотки нельзя однако при ошибке в конструкции (при очень малых каналах в обмотке или в концевой изоляции, через которую поступает масло) сопротивление обмотки может оказаться большим. При хорошей конструкции гидравлическое сопротивление обмотки так мало, что им по сравнению с остальным сопротивлением контура можно пренебречь.

Рис. 3-8. Изменение площади петли давления в зависимости от поверхностной плотности теплового потока.

1 - уровень верхнего патрубка радиатора;2 - уровень верхнего края обмотки; 3- уровень нижнего патрубка радиатора; 4 - уровень нижнего края обмотки; 5 - уровень входа масла в бак.

Рис. 3-9. Изменение площади петли давления от гидравлического сопротивления при постоянной поверхностной плотности теплового потока (высоты патрубков радиаторов и краев обмотки см. на рис. 3-8).

Рис. 3-10. Зависимость , полученная экспериментальным путем».

Возникающее гравитационное давление расходуется главным образом на преодоление сопротивления радиаторов.

На рис. 3-10 изображены кривые зависимости , полученные на основании экспериментов. Из этих кривых видно, что каждому положению задвижки f и значению поверхностной плотности теплового потока q соответствует одна рабочая точка. Рабочая точка является точкой пересечения кривых, построенных при и . Соответствующие этим точкам значения Go и однозначно определяют гравитационный процесс циркуляции масла.

3-2. Циркуляция масла в радиаторе и расчет перепада температуры между маслом и стенкой радиатора

Скорость масла в радиаторе при естественной циркуляции масла и воздуха

Прежде чем определить действительные картины распределения скорости движения и температуры масла, рассмотрим пример расчета.

Пример.

Задан радиатор высотой 2440 мм. Секция радиатора имеет семь масляных каналов, поперечное сечение которых представляет собой удвоенную трапецию (рис. 3-11). Площадь сечения каждого канала Полная площадь сечения всех каналов

Рис. 3-11. Сечение секции радиатора (характеристики - см. табл. 3-1).

секции Смоченный периметр одного канала

Гидравлический диаметр по формуле (2-28а) :

Площадь внутренней поверхности секции радиатора (со стороны масла)

Площадь наружной поверхности секции (со стороны воздуха) . Пусть поверхностная плотность теплового потока со стороны воздуха при конвективном теплообмене

Потери, отводимые путем конвекции со стороны воздуха,

Такие же потери должны быть переданы и со стороны масла:

Отсюда видно, что поверхностная плотность теплового потока со стороны масла равна поверхностной плотности теплового потока со стороны воздуха, умноженной на отношение площадей наружной и внутренней поверхности радиатора.

Разность теплосодержаний масла на входе и выходе радиатора численно равна потерям, переданным со стороны масла стенкам радиатора и далее через них охлаждающему воздуху. Пусть , плотность масла , удельная теплоемкость . Обозначим скорость масла в радиаторах через .

По уравнению теплового баланса находим:

Отсюда скорость масла

Крайние секции радиаторов с половины своей поверхности со стороны, обращенной к воздуху, отдают тепло охлаждающему воздуху также путем излучения, в результате чего увеличивается средняя плотность теплового потока. Если поверхностная плотность теплового потока при излучении , то средняя плотность теплового потока крайней секции увеличится на . В рассматриваемом примере наибольшее среднее значение плотности теплового потока равно , т. е. на 70% больше, чем плотность теплового потока при только конвективном теплообмене. Поэтому скорость масла при неизменном перепаде температуры увеличится в крайней секции до . Увеличение теплового потока крайней секции приводит к усилению циркуляции масла. Однако увеличение расхода масла в крайних секциях радиаторов практически не окажет влияния на значения и трансформатора в целом. Если между секциями радиаторов установить излучатели, то тепловой поток внутренней поверхности радиатора также увеличится на 40% по сравнению с тепловым потоком при только конвективном теплообмене. Это означает, что результирующая плотность теплового потока крайней секции увеличится еще на и достигнет значения , которое на 90% больше, чем плотность теплового потока при только конвективном теплообмене. Таким образом, возможное наибольшее значение скорости масла не превысит .

Из рассмотренного примера следует, что скорость циркуляции масла в радиаторах очень мала. Определим коэффициент теплоотдачи со стороны масла и перепад температуры между маслом и стенкой радиатора, исходя из условий конвективного теплообмена и соответствующей ему скорости масла .

Коэффициент теплоотдачи радиатора со стороны масла и перепад температуры между маслом и стенкой радиатора

Режим течения масла в масляных каналах радиатора - ламинарный. Как уже было показано, круговое движение масла поддерживается той разностью давлений, которая возникает в связи с изменением удельного веса благодаря теплообмену между частицами масла и равна площади петли давления на диаграмме распределения удельных весов. В этом случае движение масла можно рассматривать как принудительное движение и поэтому можно воспользоваться известным по [9] критериальным уравнением

(3-23)

С помощью этого уравнения можно определить коэффициент теплоотдачи радиатора со стороны масла. В это уравнение необходимо подставлять физические характеристики масла, соответствующие средней температуре пограничного слоя масла.

Предположим, что перепад температуры между маслом и стенкой . В этом случае средняя температура пограничного слоя масла

.

Соответствующие этой температуре физические характеристики масла находим по табл. 1-1: Скорость масла гидравлический диаметр .

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8