a* =  ;
Була вирiшена задача про теплообмiн мiж бульбашками пари i навколишнiм середовищєм (маслом).
Рiвняння теплового балансу для процесу теплообмiну мiж бульбашками хладону i оточуючим середовищєм має вигляд:
 . (17)
Пiсля розподiлу змiнних за методом Фур'є рiвняння (21), з якого можна знайти температуру нагрiву бульбашок, має вигляд:
T2 = ехр ( -НО σ2 t) [ С3 ехр Р1 r1 + C4 exp P2 r1]; (18)
де: Р1 =  ; Р2 =  ;
НО = aT τО/rО2 ; Ре = vОT rО/aT ; rО = НМ / vО,
vОT = v2 - v1.
С3 й С4 - константи iнтегрування, що визначаються рiшенням рiвняння (18) та граничними умовами:
t = 0; r1 = 0; Т2 = ТКИП; (19)
t = 0; r1 = 0,9; Т2 = ТН;
t = 1; r1 = 1; Т2 =ТК.
σ2 - параметр розподiлу змiнних, який можна знайти з розв'язання рiвняння:
TK = exp (-σ2 HO) [ C3 exp P1 + C4 exp P2 ]; (20)
З умови досягнення Т2 = 0,95 ТК знайдено час нагрiвання бульбашок хладону:
τ = τО ln [ ( С3 exp P1 + C4 exp P2) / 0,95 ТК ] / НО σ2. (21)
Для основного режиму роботи силових трансформаторiв, що характеризується стабiлiзацiєю температури масла у верхнiх шарах, були визначенi температурнi поля масла, яке рухається у теплопередавальному каналi трансформатора ТСМА 100/6 i спливаючих в ньому бульбашок хладону (див. рис. 2,3). Виконано також розрахунок часу нагрiвання бульбашок хладону за допомогою рiвняння (21) i шляху, який вони проходять за цей час при використаннi запропонованої системи охолодження, з якого зроблено висновок, що бульбашки вiдбирають тепло вiд масла на шляху, що дорiвнює 7/10 висоти масляного каналу, решту шляху вони проходять без теплозйому, тому висоту масляного каналу й трансформатора з даною системою охолодження можна зменшити на 1/3 у порiвняннi з iснуючою.
Рис. 2. Зростання температури масла Рис. 3. Розподiл температури залежно від кординати Х уздовж всерединi бульбашки пари
бака трансформатора (при Х=О, Н = хладагента залежно вiд часу
300мм; при Х=1, Н = 930мм. часу сплиття t (Розрахунок Розрахунок здiйснено за /11/) здiйснено за /19/).
Було зроблено порiвняння графiка, наведеного на рис.2 з графiком зростання температури масла уздовж висоти бака трансформатора такої ж номiнальної потужностi з iснуючою масляною системою охолодження, наведеного в лiтературi, з якого було зроблено висновок, що впровадження запропонованої комбiнованої масляно-випарної системи охолодження трансформаторiв дозволяє знизити температуру масла у верхнiй частинi бака на 20-25О С i, як результат цього, зменшити втрати потужностi, що дає можливiсть пiдвищити номiнальну потужнiсть трансформатора; а також дозволяє знизити прирiст температури масла уздовж висоти бака трансформатора на 15-20О С , що знижує знос iзоляцiї i збiльшує термiн її служби. З аналiзу графiка, наведеного на рис.3 можна зробити висновок, що, розподiл температури всерединi бульбашки пари хладагента залежить вiд часу сплиття несуттєво, тому у подальших дослiдженнях не використовувался.
Четвертий роздiл присвячений експериментальному дослiдженню роботи запропонованої системи охолодження. Мета дослiджень - пiдтвердження прийнятих припущень i зроблених на їх основi теоретичних висновкiв, а також вивчення особливостей роботи й ефективностi цiєї системи охолодження. Описана дослiдна установка та контрольно-вимiрювальнi прилади, наведена методика проведення експерименту. Визначено розподiл температури масла за висотою бака та довжиною радiатора, тобто охолоджуючих труб, змiну температури масла в характерних точках трансформатора при нагрiваннi його обмоток протягом певного часу, величину електричних характеристик для встановлення потужностi трансформатора.
Для дослiджень була разроблена установка, схема якої наведена на рис. 1. Вона складається з серiйного трансформатора ТСМА 100/6, на верхньої кришцi бака якого встановлено конденсатор, що являє собою двi паралельно пiдключенi мiднi трубки, кожна довжиною 0,5 м i дiаметром 20 мм з петльовим оребренням, дiаметр ребра 0,65 • 10-3 м; гольчастий вентиль i латунна паровiдвiдна труба дiаметром 1,9 • 10-2 м. Конденсатор з'єднан з баком за допомогою мiдних опускних трубок дiаметром 6 мм подачi рiдкого хладону. Мiж котушкою i стiнкою бака, а також в однiй з тепловiддаючих трубок радiатора встановленi мiдно-константановi термопари, об'єднанi в два термоблоки, показання яких реєструються потенцiометром ЕПП-09. Як хладагент використано фреон - 113 з температурою кипiння tS = 47,68О С при Р = 1 атм.
Трансформатор випробували в режимi короткого замикання. За результатами дослiджень одержано графiки (див. рис. 4,5,6), з аналiзу яких можна зробити такi висновки:
Рис. 4 - Зростання температури масла за висотою бака трансформатора за результатами дослiджень: Δ - iснуюча (заводська) система охолодження; * - запропонована система охолодження.
Рис. 5. Зростання температури масла Рис. 6. Втрати потужностi трансфор-
за довжиною охолоджуючої труби матора залежно вiд температури у йо
iз запропонованою ( ) та iснуючою го бацi iз запропонованою( ) та iс-
(*) системами охолодження. нуючою(*) системами охолодження.
1) введення запропонованої хладонової системи охолодження дозволя? при постiйному тепловому навантаженнi знизити температуру масла у верхнiй частинi бака на 20-25О С i, як результат цього, зменшити втрати потужностi на 19 % (0,53 кВА), що сприяє пiдвищенню номiнальної потужностi трансформатора до 105 кВА без збiльшення кiлькостi фреону;
2) розрахунком встановлено, що впровадження запропонованої системи охолодження дозволяє знизити прирiст температури масла уздовж висоти бака трансформатора, що, в свою чергу, як вiдомо з лiтератури, знижує знос iзоляцiї i збiльшує термiн її служби;
3) за допомогою графiка, наведеного на рис. 4, можна визначити густину теплового потока на поверхнi обмотки по всiй її довжинi, а не брати його усереднену величину, як це тепер робиться, i знайти розмiр поперечного перерiзу витка проводу обмотки;
4) пiд час використання додаткової фреонової системи охолодження створюється гiдродинамiчна ситуацiя, що сприяє iнтенсифiкацiї тепломасопереносу як у бацi трансформатора, так i в охолоджуючих трубках радiатора, в яких при цьому, як видно з рис. 5, вiдбува?ться бiльш повне й рiвномiрне по всiєї довжини трубок охолодження масла. Охолодження трансформатора здiйснюється в основному в бацi, а не в охолоджуючих трубках, як це спостерiгається з iснуючою (масляною) системою охолодження;
5) слiд вiдзначити добру вiдповiднiсть (у межах 5%) одержаних теоретичних та експериментальних даних, що пiдтверджує зробленi розрахунковi припущення.
У п'ятому роздiлi розроблено схему системи гарячого водопостачання, де комбiнована масляно-випарна система охолодження трансформаторiв використана як джерело теплоти (див. рис. 1).
Метою розрахунку запропонованої системи гарячого водопостачання є теплотехнiчний розрахунок, а також визначення ємкостi й розмiрiв бака-акумулятора. Розрахунки виконували для силових трансформаторiв рiзної потужностi, на пiдставi яких створено графiк для пiдбору ємкостi бака-акумулятора, наведений на рис. 7.
Рис. 7 Графiк для пiдбору ємкостi бака-акумулятора
З графiка видно, що ємкiсть бака-акумулятора i , як результат цього, його габаритнi розмiри зменшуються iз збiльшенням потужностi трансформатора.
У цьому роздiлi також викладено iнженерний метод розрахунку запропонованої системи гарячого водопостачання на прикладi каналiзацiйної насосної станцiї продуктивнiсттю 400-2000 м3/годину з трансформаторами ТМ 400/6 кВА. При використаннi даної системи стає можливим у лiтньому режимi вимикати iснуючi теплопроводи, що приводить до економiї палива за рахунок вторинних енергоресурсiв, яке необхiдно було б спалити для покриття теплового навантаження на 454,3 кг / рiк, i досягається екологiчний ефект, що виявляється у зниженнi викидiв в атмосферу золи - 122,7 кг/рiк; окису сiрки - 23,6 кг/рiк; окису вуглецю - 5,5 кг/рiк.
Розробленi рекомендацiї по конструюванню запропонованої системи гарячого водопостачання та охолодження трансформаторiв.
ВИСНОВКИ
1. Запропоновано новий ефективний спосiб охолодження масла, заснований на комбiнуваннi двох способiв: звичайного конвективного та випарного, що дає можливiсть значно iнтенсифiкувати тепломасообмiн у контурi циркуляцiї масла i таким чином знизити температуру масла у порiвняннi з iншими способами охолодження ( авт. свiд.СРСР № 1262219 вiд 8.06.1986 р.).
2. Розроблено математичну модель тепломасообмiну при двофазному потоцi у каналi мiж обмоткою (джерелом теплоти) та стiнкою трансформатора. Запропоновано метод розрахунку руху дисперсного потоку, на пiдставi якого розв'язано системи диференцiйних рiвнянь, що описують рух дисперсiйного двофазного потоку та процеси тепломасопереносу в ньому з граничними умовами 3-го роду, що дає змогу визначити швидкiсний коефiцiєнт, який розраховується пiд час встановлення перепаду на поверхнi обмотки та масла, а також розподiл температури уздовж висоти масляного теплопередавального каналу..
3. При моделюваннi двокомпонентного двофазного потоку уздовж висоти теплопередавального каналу встановлена залежнiсть температури суцiльного середовища вiд висоти каналу та часу прогрiву дисперсної фази (бульбашок) вiд часу сплиття, а також залежнiсть швидкостi суцiльного середовища вiд геометричних розмiрiв теплопередавального каналу. Розроблений на пiдставi математичної моделi алгоритм дозволяє розрахувати поля температур та швидкостей середовищ двофазного потоку.
4. Розроблено схему системи гарячого водопостачання, де комбiнована масляно-випарна система охолодження енергетичних апаратiв використовується як джерело теплоти; кiлькiсть теплоти, що вiдводиться вiд масла складає близько 2 % вiд потужностi апарату. Здiйснено розрахунок запропонованої cистеми гарячого водопостачання, на базi якого одержано графiк для пiдбору ємкостi бака-акумулятора задля силових трансформаторiв рiзної потужностi.
5. На пiдставi запропонованого способу розроблено, а також теоретичними та експериментальними дослiдженнями обгрунтовано охолоджуючий пристрiй для трансформаторiв малої та середньої потужностi, тобто комбiновану масляно - випарну систему охолодження, що дозволяє бiльш ефективно ( близько 40 %) охолоджувати порiвняно з iснуючими системами трансформаторне масло i , як наслiдок цього, пiдвищити номiнальну потужнiсть трансформатора.
6. За результатами обробки експериментальних даних одержано графiки залежностi температури масла вiд висоти теплопередавального каналу та охолоджуючої труби, а також залежностi втрат потужностi трансформатора вiд температури масла, що пiдтверджують ефективнiсть запропонованої системи охолодження, яка виявляється у зниженнi температури масла у верхнiй частини баку на 20-25О С та пiдвищеннi номiнальної потужностi з 100 до 105 кВА для трансформатора типа ТСМА 100/6 без збiльшення кiлькостi хладагента, а також у зменшеннi приросту температури масла уздовж висоти бака трансформатора, що знижує знос iзоляцiї i продовжує термiн її служби.
7. Одержано графiк, за допомогою якого можна визначити густину теплового потоку на поверхнi обмотки по всiєї її довжини, а не брати усереднену величину, як це робиться сьогоднi, i знайти розмiр перерiзу витка проводу обмотки.
8. Даються рекомендацiї по конструюванню запропонованих систем гарячого водопостачання та охолодження трансформаторiв.
9. Результати дослiджень використано при створеннi промислового дослiдного зразка комбiнованої масляно-випарної системи охолодження трансформатора ТСМА 100/6 , який пройшов промисловi випробування та прийнятий в експлуатацiю на Харкiвському пiдприємствi мiських електричних мереж, а також використовуються у навчальному процесi в Харкiвськiй державнiй академiї мiського господарства.
ОСНОВНI ПОЗНАЧЕННЯ
Х,У.Z - координати; V - швидкiсть, м/с; Р - тиск, Н/м2; i - одиничний орт; d - дiаметр, м; n - кiлькiсть бульбашок в одиницi об'єму; Qh - секундна витрата пари хладагента, м3/с; g - прискорення сили тяжiння, м/с2; qп - секундна витрата пари на одиницю довжини колектора, м2/с; Н - висота напору рiдкого хладагента, м; РО - атмосферний тиск, Н/м2; L - висота стовпа масла у трансформаторi, м; l - товщина шару, що бере участь у теплообмiну iз стiнкою, а також довжина, м; Т - температура, К; а- коефiцiєнт температуропровiдностi, м2/с; G - маса, кг; W - теплова потужнiсть, що йде на пароутворення хладагента, Вт/годину; сР - теплоємкiсть, кДж/(кг • ОС); F - поверхня, м2; t - час спливання бульбашок, с; rО - радiус бульбашки пари, м; НО - критерiй гомохронностi; Ре - критерiй Пекле.
Грецькi символи
ρ - щiльнiсть, кг/м3; φ - об'ємний вмiст пари в рiдинi; ∇ - оператор Гамiльтона; μ - коефiцiєнт динамiчної в'язкостi, Н• с/м2; τ - час прогрiвання бульбашок, с; τ1 - тензор турбулентних напружень, кг/м2; λ - коефiцi?нт теплопровiдностi, Вт/(м•К); σ - параметр розподiлу змiнних; ξ - коефiцiєнт мiсцевого опору.
Нижнi iндекси
т - турбулентний; max - максимальний; ст-стiнка; н - початкове значення; к - кiнцеве значення; о - усереднене значення; р - рiдина; п - пара; м – масло;
кип – кипiння.
Основний змiст роботи вiдображено у таких публiкацiях:
1. Колесник Н.Ю. Использование низкопотенциальных ТВЭР в системе горячего водоснабжения. // Научн.- техн. сб. “Коммунальное хозяйство городов”, вып.22, сер.:Технич. науки. - К: Технiка, 2000, с.152-154.
2. Колесник Н.Ю. Система горячего водоснабжения с источником теплоты от комбинированной масляно-испарительной системы охлаждения силовых трансформаторов. // Вестник Харьковского государственного политехнического университета, вып.79, сер.: Новые решения в современных технологиях . – Х: ХГПУ, 2000, с. 7-8.
3. Успенский В.А., Колесник Н.Ю. Теплообмен в рабочей полости трансформатора с испарительным охлаждением // Республ. межвед.научн.-техн. сб. “Коммунальное хозяйство городов”.-К.: Техника, 1992, с.70-78.
4. Колесник Н.Ю. Экспериментальное исследование работы силового трансформатора ТСМА 100/6 с комбинированным масляно- испарительным охлаждением //Республ. межвед. научн.-техн. сб. “Коммунальное хозяйство городов”. - К: Техника, 1993, с.100-103.
5. Новохацкий Е.М., Колесник Н.Ю. Охлаждающее устройство. Ав. свид. СССР № 1262219 от 8.06.1986 г.
6. Успенский В.А., Колесник Н.Ю. Охлаждающее устройство. Ав. свид. СССР № 1784803 от 1.09.1992 г.
7. Успенский В.А., Колесник Н.Ю. Устройство для охлаждения. Ав. свид. СССР № 1815545 от 11.10.1992 г.
8. Успенский В.А., Колесник Н.Ю. Дисперсный поток в рабочей полости трансформатора // Сб. научн. тр. Развитие и совершенствование городского хозяйства.-К.: УМК ВО, 1991, с. 23-25.
9. Колесник Н.Ю. Использование низкопотенциальных тепловых вторичных энергоресурсов в коммунальном хозяйстве городов. // Тезисы докладов ХХХ научно-технической конференции преподавателей, аспирантов и сотрудников Харьковской государственной академии городского хозяйства.-Х.:ХГАГХ.-2000.-С.55-56.
10. Колесник Н.Ю. Экспериментальное исследование работы силового трансформатора типа ТСМА 100/6. // Тезисы докладов ХХV1 научно-технич. конфер. преподавателей, аспирантов и сотрудников ХИИГХ.-Х.: ХИИГХ.-1992.-С.91-92.
АНОТАЦIЯ
Колеснiк Н.Ю. Використання низькопотенцiйних теплових вторинних енергоресурсiв масляних систем охолодження енергетичних апаратiв. Рукопис. Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за фахом 05.23.03 - Вентиляцiя, освiтлення та теплогазопостачання - Харкiвський державний технiчний унiверситет будiвництва та архiтектури, м. Харкiв, 2000.
Захищається система використання низькопотенцiйних теплових вторинних енергоресурсiв для гарячого водопостачання на прикладi комбiнованої масляно-випарної системи охолодження трансформаторiв.
Встановлено, що використання системи охолодження знижує температуру масла в бацi трансформатора, збiльшує номiнальну потужнiсть на 5-10 %, зменшує рiзницю температур мiж верхнiми та нижнiми шарами масла, що скоротчує знос iзоляцiї та збiльшує термiн її служби.
Отриманi теоретичнi та експериментальнi залежностi дозволяють точно розрахувати густину теплового потоку на поверхнi обмотки та знайти розмiр поперечного перерiзу витка проводу обмотки.
Розроблено, запроектовано та впроваджено дослiдний промисловий зразок комбiнованої масляно-випарної системи охолодження трансформатора ТСМА 100 / 6.
Ключовi слова: охолодження, гаряче водопостачання, випаровування, iнтенсифiкацiя, тепло- й масоперенос, хладагент, двофазна дисперсна система, трансформатор, рiдина, пара.
АННОТАЦИЯ
Колесник Н.Ю. Использование низкопотенциальных тепловых вторичных энергоресурсов масляных систем охлаждения энергетических аппаратов. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03. - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, г. Харьков, 2000 .
Защищается система использования низкопотенциальных тепловых вторичных энергоресурсов для нужд горячего водоснабжения на примере комбинированной масляно-испарительной системы охлаждения силовых трансформаторов малой и средней мощности. Также защищаются 3 авторских свидетельства СССР и 4 научные работы, которые содержат способ испарительного охлаждения рабочей жидкости (масла), способ комбинированного масляно-испарительного охлаждения силовых трансформаторов, устройство (аппарат) для охлаждения силовых трансформаторов, математическую модель теплообмена при двухфазном течении в канале между обмотками (источником тепла) и стенкою трансформатора, метод расчета движения дисперсного потока, теоретическое и экспериментальное исследование работы предложенной системы охлаждения.
Предложен метод расчета движения дисперсного потока, на основании которого решена система дифференциальных уравнений, которые описывают движение дисперсного потока и процессы тепломассопереноса с граничными условиями 3-го рода, что дает возможность определить скоростной коэффициент, который учитывается при определении температурного перепада между поверхностью обмотки и маслом, а также распределение температуры по высоте масляного теплопередающего канала.
При моделировании двухкомпонентного двухфазного потока по высоте теплопередающего канала установлена зависимость температуры сплошной среды (масла) от высоты канала и времени прогрева дисперсной фазы (пузырьков хладагента) от времени всплытия, а также зависимость скорости сплошной среды от геометрических размеров теплопередающего канала.
На основании математической модели разработан алгоритм расчета полей температур и скоростей сред двухфазного потока.
Экспериментально получены графики зависимости температуры масла от высоты теплопередающего канала и длины охлаждающей трубы, а также график потерь мощности трансформатора в зависимости от температуры масла, подтверждающие эффективность предложенной системы охлаждения.
Установлено, что применение предложенной системы охлаждения позволяет за счет интенсификации процессов теплообмена и гидродинамики в баке трансформатора снизить температуру масла в баке на 20-25 % , что дает возможность увеличить номинальную мощность трансформатора на 5-10 % и уменьшить высоту бака, снизить перепад температуры между верхними и нижними слоями в баке, что позволяет сократить износ изоляции и увеличить срок ее службы.
Полученные теоретические и экспериментальные зависимости позволяют провести точный расчет плотности теплового потока на поверхности обмотки и найти размер поперечного сечения витка провода обмотки.
Разработаны методики теплового и гидродинамического расчетов вертикального теплопередающего канала при двухфазном течении “трансформаторное масло - пузырьки хладагента”.
Создана инженерная методика теплового и гидродинамического расчетов теплового контура, а также рекомендаций по его конструированию и разработан опытный промышленный образец комбинированной масляно-испарительной системы охлаждения трансформатора ТСМА 100/6, который прошел промышленные испытания и сдан в эксплуатацию на Харьковское предприятие городских электрических сетей.
Разработана система горячего водоснабжения канализационной насосной станции производительностью 400-2000 м3/ч с источником теплоти от комбинированной масляно-испарительной системы охлаждения трансформаторов ТМ 400/6 кВА. Предложенная система горячего водоснабжения трансформаторов обеспечивает экономию топливно-энергетических ресурсов и снижает уровень загрязнения воздушного бассейна.
Ключевые слова: охлаждение, горячее водоснабжение, испарение, интенсификация, тепло- и массоперенос, хладагент, теплопередающий канал, двухфазная дисперсная система, трансформатор, жидкость, пар.
ABSTRACT
Kolesnik N.Y. The use of the low- potential heating secondary power resources of the oil cooling sisterms of the power apparatuses. - Manuscript. The dissertation work for Candidates Degree Engineering Sciences. Speciality 05.23.03 - Ventilation, Lighting, Heating and Gassuply. - The Kharkov State Technical University of Construction and Architecture, Kharkov, 2000.
The system of the use of the low- potential heating secondary power resources for hot - wаter supply on the example of the combined oil- evaporation cooling system for a small and middle power transformers is defended.
It has been determined, that the use of the cooling system diminishes the temperature of the oil in the transformer's container and increases the nominal power of the transformer per 5-10 %, decreases the difference of the temperatures between upper and under layers of the oil and abridges the wear of the insulation and increases the service life.
The received the theoretical and experimental dependencies allows to exactly calculate of the heat flow density on the winding surface and to find the size cross-section of winding wire whipping.
The experimental industrial model of the combined oil - evaporation cooling system of the transformer OA 100 / 6 is designed and is embedded.
Key words: cooling, hot-water supply, evaporation, intensification, heat exchange, coolant, dispersing two-phase system, transformer, liquid, vapour.
| 
