Дніпродзержинський державний технічний університет

УДК 621.314.213.1.001.5

ОДАРЕНКО Юрій Миколайович

РОЗВИТОК МЕТОДІВ ПОДІБНОСТІ ПРИ ТЕПЛООБМІНІ В

ОХОЛОДЖУЮЧИХ КАНАЛАХ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРІВ

ДЛЯ УДОСКОНАЛЕННЯ ЇХ ТЕПЛОВОГО ЗАХИСТУ

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпродзержинськ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі теплоенергетики Запорізької державної інженерної академії Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя.

Науковий - доктор технічних наук, професор

керівник: Яковлєва Ірина Геннадіївна

Запорізька державна інженерна академія,

завідувач кафедрою теплоенергетики.

Офіційні - доктор технічних наук, професор

опоненти: Павленко Анатолій Михайлович,

Дніпродзержинський державний технічний

університет, декан енергетичного факультету;

- кандидат технічних наук, доцент

Ерьомін Олександр Олегович

Національна металургійна академія України,

доцент кафедри теплотехніки та екології

металургійних печей.

Провідна - Інститут технічної теплофізики

установа: НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться 06.02.2007 р. о 12 год. __ хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К09.091.01 при Дніпродзержинському державному технічному університеті за адресою: 51918, м. Дніпродзержинськ, вул. Дніпробудівська, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпродзержинського державного технічного університету (51918, м. Дніпродзержинськ, вул. Дніпробудівська, 2).

Автореферат розісланий 03.01.2007 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради К09.091.01,

кандидат технічних наук, доцент О.С. Косухіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У ряді найважливіших проблем, поставлених перед наукою й практикою, є поліпшення існуючих і розробка нових більш досконалих енергетичних систем. Важливими критеріями ефективності роботи енергосистем є матеріалоємність і надійність силового трансформаторного обладнання.

У більшості випадків для створення конкурентоспроможного трансформаторного обладнання застосовуються ефективні методи охолодження обмоток. Одним з таких методів є примусова циркуляція охолоджувальної рідини в горизонтальних і вертикальних каналах обмоток із застосуванням напрямних перегородок. Реалізація такого виду охолодження дозволяє знизити перевищення температури обмоток трансформатора над середньою температурою оливи в трансформаторі, зменшити необхідну кількість охолоджувачів і насосів, зменшити масу й розміри трансформатора, що знижує витрати на транспортування.

У зв'язку із цим, необхідно точно визначати температурне поле таких обмоток для забезпечення їх надійного теплового захисту. Існуючі методи розрахунку теплового стану даного виду обмоток можуть мати похибку до декількох десятків відсотків. Тому теоретичне й експериментальне дослідження тепловіддачі й гідродинаміки в охолоджуваних каналах обмоток є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до визначеного законодавством України пріоритетним напрямком розвитку науки та техніки, зокрема програмою “Нові технології й ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і аграрному комплексі”, затвердженої Законом України “Про пріоритетні напрямки розвитку науки та техніки” № 2623 - III від 11 липня 2001 р. Крім того, робота виконана в рамках НДР Українського інституту трансформаторобудування (ВАТ “ВІТ”) № 20200550 і № 20201550.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є вдосконалення теплового захисту обмоток з напрямними перегородками в трансформаторах при спрямованій циркуляції охолоджувальних в'язких рідин на основі досліджень локальної тепловіддачі й гідродинаміки в їхніх каналах.

Для досягнення мети в роботі вирішені наступні задачі:

- проаналізовані відомі методи розрахунку охолодження обмоток із застосуванням напрямних перегородок при спрямованій циркуляції охолоджувальних рідин у трансформаторах;

- розроблені критеріальні рівняння примусової складової локальної тепловіддачі поверхні обмоток за допомогою чисельних вісьосиметричних термогідравлічних моделей, реалізованих у пакеті програми на основі методу скінчених елементів;

- за допомогою чисельних вісьосиметричних гідравлічних моделей обмоток, реалізованих у пакеті програми на основі методу скінчених елементів, визначені поправочні коефіцієнти впливу параметрів колекторів і нестандартні гідравлічні опори, обумовлені зазорами між напрямними перегородками та циліндрами;

- розроблений одномірний термогідравлічний метод розрахунку температурних полів провідників обмотки та гідравлічного опору каналів обмоток з напрямними перегородками та, на основі результатів розрахунку, запропоновані рекомендації із проектування таких обмоток відносно теплових параметрів.

Об'єктом дослідження є обмотка трансформатора із напрямними перегородками при примусовому русі охолоджувальної рідини (трансформаторної оливи) в її каналах.

Предмет дослідження - процеси теплообміну та гідродинаміки при примусовому русі охолоджувальної рідини в обмотках трансформаторів з напрямними перегородками.

Методи дослідження базуються на чисельному методі кінцевих елементів, класичній теорії гідродинаміки та теплообміну.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- уперше отримані критеріальні рівняння для визначення локальної примусової складової тепловіддачі поверхні обмоток трансформаторів з напрямними перегородками;

- уперше отримані поправочні коефіцієнти впливу параметрів колекторів на стандартні місцеві гідравлічні опори в каналах обмоток трансформаторів;

- уперше отримані коефіцієнти місцевих гідравлічних опорів, обумовені зазорами між напрямними перегородками та циліндрами обмоток трансформаторів;

- уперше запропонована й обґрунтована фізична модель струйного руху охолоджуючої рідини в каналах обмоток, при котром струмки не перемішуються в вертикальних каналах.

Вірогідність отриманих у роботі результатів, висновків і рекомендацій підтверджується адекватністю результатів розрахунку розробленим методом, з експериментальними даними, отриманими іншими авторами при теплових випробуваннях обмоток трансформаторів і на натурних фізичних моделях, які повністю відповідають геометричній і тепловій подібності реальних обмоток.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

- запропоновано новий підхід для визначення примусової складової тепловіддачі та гідравлічних опорів у каналах обмоток, заснований на методиках обробки результатів розрахунку гідродинаміки та тепловіддачі вісьосиметричних чисельних моделей обмоток;

- проведені дослідження дозволили розробити метод визначення температурних полів обмоток з напрямними перегородками в трансформаторах при направленій циркуляції охолоджувальної рідини з похибкою до ±5 % і гідравлічного опору в каналах обмоток з похибкою до ±10 %;

- сформульовано обґрунтовані рекомендації відносно теплових параметрів обмоток по зниженню маси, середньої температури обмоток і температури найбільш нагрітої точки обмоток з напрямними перегородками при примусовій циркуляції охолоджувальної рідини в каналах.

Очікуваний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи складе до 5 % від обсягу капіталовкладень на виробництво трансформаторів зі спрямованою циркуляцією охолоджувальної рідини.

Одномірний термогідравлічний метод розрахунку, запропонований у даній дисертації, рекомендовано використати у вигляді програми розрахунку температурних полів і гідравлічних опорів обмоток з напрямними перегородками у ВАТ “ВІТ” (м. Запоріжжя) і ТОВ “СТРУМТЕХ, ЛТД” (м. Запоріжжя).

Особистий внесок здобувача. У роботі [1, 6] автором запропоновано визначати тепловіддачу в складних каналах за допомогою розроблених їм критеріальних рівнянь; в [2, 4] - проведений огляд досліджень тепловіддачі в каналах обмоток і в подібних їм каналах; в [3, 5, 7 - 10, 11] - запропоновані підхід і основні допущення при дослідженні локальної тепловіддачі та гідродинаміки за допомогою чисельного моделювання, розроблені чисельні моделі, методики обробки даних, проаналізовані результати моделювання й узагальнені у вигляді критеріальних залежностей локальної тепловіддачі, а також коефіцієнтів гідравлічних опорів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи були повідомлені, обговорені й одержали позитивну оцінку на: XXIX міжнародній науково-технічній конференції “Запоріжсталь -2002” (Запоріжжя, 2002 р.); Х, XI науково-технічних конференціях студентів, аспірантів і викладачів ЗДІА (Запоріжжя, 2005-2006 р.р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Трансформаторобудування-2005” (м. Запоріжжя, 2005 р.); конференції трансформаторних технологій СІГРЕ (Сідней, Австралія, 2006 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Молода академія-2006” (Дніпропетровськ, 2006 р.); обговорювалася на засіданнях робочих груп СІГРЕ та МЕК, членом яких є автор дисертації.

Публікації. Основний зміст дисертації відображено в 11-и публікаціях, з яких: 5 статей у спеціалізованих наукових журналах, 6 матеріалів і тез доповідей науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних першоджерел з 157 найменувань та 2 додатків. Загальний обсяг роботи становить 132 сторінки основного тексту і містить 49 малюнків і 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета й задачі дослідження. Наведено нові наукові результати, отримані в роботі, показана їхня практична цінність, визначений особистий внесок здобувача, представлені відомості про апробації роботи.

У першому розділі розглянуті проблеми надійності та конкурентоспроможності трансформаторів у світлі нових вимог до експлуатації енергосистем, а також шляхи їхнього вирішення. У якості вирішення існуючої задачі обраний напрямок по розробці ефективного методу охолодження обмоток трансформаторів із спрямованою циркуляцією охолоджувальних середовищ - застосування напрямних перегородок у дискових обмотках, які організують примусовий рух охолоджувальної рідини в горизонтальних каналах. На рис. 1 представлена обмотка з напрямними перегородками (а - натурна фізична модель без зовнішнього циліндра; б - радіальний переріз моделі).

Даний вид обмоток широко використається за кордоном і в Україні як один із найбільш ефективних з погляду компактності обмотки, але застосування таких обмоток веде до підвищеної аварійності за рахунок інтенсивного старіння ізоляції окремих дисків в обмотці.

Виконано аналітичний огляд технічної літератури в обраному напрямку вирішення поставленої задачі, на основі якого зроблений висновок про недостатню вивченість явищ теплообміну та гідродинаміки в каналах обмоток із напрямними перегородками. Відомі методи розрахунку теплового стану обмоток у доступній літературі не забезпечують необхідну точність при визначенні температурного поля та гідравлічного опору цих обмоток. Деякі причини виникнення місцевих перегрівів обмоток і шляхи їхнього зниження не представлені в доступних літературних джерелах. Аналіз відомих методів визначення теплових параметрів і гідравлічного опору дозволив виявити переваги та недоліки експериментальних, аналітичних і чисельних методів для того, щоб ефективно використати їх при вирішенні поставленої задачі.

Аналіз класичних експериментальних і теоретичних досліджень тепловіддачі та гідравлічних опорів у каналах, подібних до каналів у розглянутих обмотках дав можливість визначити напрямок для дослідження явищ теплообміну, а також гідравлічних опорів у каналах складної форми (у каналах обмоток з напрямними перегородками).

У другому розділі представлена математична постановка задачі у вісьосиметричній циліндричній системі координат:

- осьове рівняння Навьє-Стокса для кількості руху:

, (1)

- радіальне рівняння Навьє-Стокса для кількості руху:

, (2)

- рівняння нерозривності:

, (3)

- рівняння енергії для рідини:

, (4)

- рівняння Лапласа для ізоляції:

, (5)

- рівняння Пуассона для міді:

; (6)

і стаціонарні вісьосиметричні термогідравлічні чисельні моделі, у яких рівняння Навьє-Стокса, а також рівняння нерозривності й енергетичних рівнянь розв'язувалися за допомогою методу кінцевих елементів.

Складена матриця моделей дозволяє досліджувати діапазон можливих геометричних розмірів обмоток для більш повного узагальнення результатів чисельного моделювання у вигляді критеріальних рівнянь локальної тепловіддачі. У моделях врахована зміна теплофізичних властивостей трансформаторної оливи, теплопровідності електроізоляційного паперу й тепловиділення в провідниках обмотки залежно від температури відповідних речовин.

У результаті чисельного моделювання теплообміну без урахування гравітаційних сил в обмотках з напрямними перегородками отримані температурні (рис.2 а) і гідродинамічні (рис.2 б) двомірні поля ламінарних зон каналів моделей обмоток при примусовому в'язкому русі рідини.

Для одержання локальних критеріальних рівнянь визначалася середня тепловіддача від кожної поверхні витків моделей обмотки. Для цього:

- рух рідини в каналах моделі розглядався у вигляді струмків, які не перемішуються у вертикальних каналах моделей;

- враховувався теплообмін між витками в радіальному й осьовому напрямку при ідеальному контакті;

- коефіцієнт тепловіддачі від горизонтальної поверхні витка віднесений до середньої температури оливи в каналі, а від вертикальної поверхні - до середньої температури омиваючого її струмка охолодної рідини;

- теплофізичні властивості рідини для критеріїв і віднесені до тієї ж температури оливи, що й коефіцієнт тепловіддачі, а для критерію - до середньої температури рідини в будь-якому каналі.

Для висновку локальних критеріальних рівнянь примусової складової тепловіддачі поверхні дисків у каналах моделі обмотки визначалися:

- для кожної елементарної частини горизонтального каналу значення критерію Гретца щодо входу в канал, представлений у літературі:

, (7)

і - виходу з нього, запропонований автором дисертації:

, (8)

де – координата середини вітка, для якої визнається число Гретца, відносно входу у відповідний канал (виходу з відповідного каналу).

- для кожної елементарної частини вертикальних каналів критерій Гретца щодо входу в розподільний колектор по рівнянню (7) і виходу з колектора, що збирає, по рівнянню (8).

а)

б)

Рис. 2. Температурне поле (а) і поле швидкостей (б) одного ходу чисельної моделі обмотки

Критеріальні залежності для кожної поверхні витків (рис. 3) узагальнені в критеріальні рівняння локальної тепловіддачі:

- для верхньої (рис. 3 в і г) і нижньої (рис. 3 а та б) поверхонь вхідної зони горизонтального конфузорного (рис. 3 а та в) і дифузорного (рис. 3 б і г) каналу:

; (9)

- для верхньої (рис. 3 в і г) і нижньої (рис. 3 а та б) поверхонь вихідної зони горизонтального конфузорного (рис. 3, а та в) і дифузорного (рис. 3 б і г) каналу:

; (10)

- для розподільного колектора вертикального каналу (рис. 3 д) по формулі (9);

- для колектора, що збирає, вертикального каналу (рис. 3 е):

. (11)

а) б)

в) г)

д) е)

Рис. 3. Залежності для певних значень і

Визначається формула залежності коефіцієнта й ступеня від для горизонтальних каналів, а також формула залежності коефіцієнта й ступеня від для вертикальних каналів, де - координата від входу в розподільний колектор (виходу з колектора, що збирає) до середини вертикальної поверхні витка, для якого знаходиться коефіцієнт тепловіддачі; - координата від входу в розподільний колектор (виходу з колектора, що збирає) до середини вертикальної поверхні витка, останнього (першого) диска в ході, що обмиває спрямований рух охолоджувальної рідини.

Виведені локальні критеріальні рівняння використаються для визначення коефіцієнта тепловіддачі в розробленому методі розрахунку двомірного температурного поля обмотки й температури оливи в каналах.

У третьому розділі представлені результати чисельних досліджень місцевих гідравлічних опорів у моделях обмоток з напрямними перегородками. Математична постановка задачі гідродинаміки складається з рівнянь (1-3). Кожна із чисельних моделей розраховувалася при мінімальному, середньому і максимальному масовому розходу рідини (Gmin, Gave і Gmax), а також при температурі трансформаторної оливи, рівної 60 оС. Результат чисельного моделювання - поля швидкостей і статичного тиску в перерізах каналів моделі обмотки.

Гідравлічний контур моделі обмотки умовно розбивається на області, для яких знаходяться коефіцієнти місцевих гідравлічних опорів. Кожний місцевий гідравлічний опір перебуває у відповідному колекторі: розподільному або що збирає, при русі рідини в горизонтальних каналах до або від осі обмотки.

Отримано коефіцієнт впливу параметрів відповідного колектора на стандартний місцевий гідравлічний опір, який перебуває в ньому:

- бічного відгалуження (проходу) трійника залежно від відносного його розташування в колекторі й від критерію на вході в розподільний колектор (рис. 4, а) і виході з колектора, що збирає, (рис. 4 б):

; (12)

- повороту, що є функцією, залежною від критерію на вході в колектор (рис. 4 в, г, д):

. (13)

Для нестандартних місцевих гідравлічних опорів на бічне відгалуження й прохід у трійниках у напрямних перегородок коефіцієнти (рис. 5) визначені із чисельної моделі залежно від стандартних безрозмірних величин і (або) :

1. для бічного відгалуження й проходу витяжного трійника після перегородки (рис. 5 а):

, (14)

2. для бічного відгалуження приточного трійника після перегородки (рис. 5 б):

, (15)

а) б)

в) г) д)

Рис. 4. Залежності та

3. для проходу приточного трійника після перегородки (рис. 5 б):

, (16)

4. для бічного відгалуження приточного трійника до перегородки (рис. 5 в):

, (17)

5. для проходу приточного трійника до перегородки (рис. 5 в):

. (18)

а) б) в)

Рис. 5. Коефіцієнти гідравлічних опорів нестандартних трійників

Отримані коефіцієнти використовуються в одномірному сітьовому методі гідравлічного розрахунку опорів у каналах обмоток з напрямними перегородками.

У четвертому розділі представлений одномірний термогідравлічний метод розрахунку обмоток з напрямними перегородками.

Відповідно до цього методу спочатку провадиться розрахунок “сітки” елементарних гідравлічних опорів, описаних у третьому розділі. У даній моделі враховуються:

- гідравлічні опори на тертя в каналах:

; (19)

- гідравлічні опори на ділянках зі зміною напрямку й (або) величини швидкості (місцеві гідравлічні опори):

; (20)

- піднімальна сила, що діє через різницю густин речовини між сусідніми вузлами гідравлічної сітки:

, (21)

де й - середня густина речовини i-го вузла й наступного вузла i+1 по напрямку руху рідини у вертикальному каналі.

Коефіцієнти та узяті з довідкової літератури й результатів, отриманих у третьому розділі.

Додатковий опір вертикального каналу за рахунок регулярної шорсткості, утвореної виступами прокладок, розраховується за допомогою рівняння:

, (22)

де з довідкової літератури;

– середня довжина виступу прокладки у вертикальний канал;

– гідравлічний діаметр турбулентної зони біля виступів прокладок, з урахуванням захаращення площі перерізу вертикального каналу виступом.

По визначеним у гідравлічному розрахунку масовим витратам елементарних струмків у каналах моделі виконується тепловий розрахунок моделі обмотки за допомогою методу теплового балансу.

У даному методі використається загальне локальне критеріальне рівняння, що має вигляд:

, (23)

де перша складова частина характеризує незмушену конвекцію, а друга складова частина становить змушену конвекцію.

Для горизонтальних і вертикальних каналів число Нуссельта при незмушеній конвекції знаходиться за допомогою відомого в літературі критеріального рівняння:

(24)

Знаходження примусової складової тепловіддачі описано в другому розділі.

Для урахування турбулізуючих потік виступів прокладок у вертикальних каналах використовується залежність коефіцієнта відношення від відношення , узята з довідкової літератури.

За допомогою розробленого методу розраховуються середня температура обмоток (табл. 1), розподіл температури верхнього диску моделі №4 в радіальному напрямку (мал. 6 а) і гідравлічний опір моделі з нішами без витоків (мал. 6 б), які порівнюються з експериментальними даними інших авторів, отриманими на відповідних фізичних натурних моделях, і з результатами розрахунку, у якому застосовані відомі в літературі рівняння.

Таблиця 1

Результати визначення перевищення середньої температури обмотки над середньою температурою оливи в обмотці

Модель | ,

К | по формулі іншого автора | по формулах (23, 24, 9 – 11)

,

К | ,

К | ,

% | ,

К | ,

К | ,

%

1 | Remin | 27,1 | 24,0 | 3,1 | 11,4 | 28 | -0,9 | -3,3

Reave | 24,4 | 19,6 | 4,8 | 19,7 | 25,1 | -0,7 | -2,9

Remax | 21,2 | 14,8 | 6,4 | 30,2 | 21,5 | -0,3 | -1,4

2 | Remin | 24,1 | 20,3 | 3,8 | 15,8 | 25,3 | -1,2 | -5

Reave | 23,1 | 17,1 | 6 | 26 | 24,0 | -0,9 | -3,9

Remax | 21,1 | 13,8 | 7,3 | 34,6 | 21,6 | -0,5 | -2,4

3 | Remin | 24,5 | 21,2 | 3,3 | 13,5 | 25,5 | -1 | -4,1

Reave | 21,3 | 16,3 | 5 | 23,5 | 22,1 | -0,8 | -3,8

Remax | 19,8 | 13,2 | 6,6 | 33,3 | 20,3 | -0,5 | -2,5

4 | Remin | 25,8 | 23,3 | 2,5 | 9,7 | 26,6 | -0,8 | -3,1

Reave | 22,7 | 18,2 | 4,5 | 19,8 | 23,3 | -0,6 | -2,6

Remax | 20,1 | 13,9 | 6,2 | 30,8 | 20,4 | -0,3 | -1,5

5 | Remin | 20,7 | 19,5 | 1,2 | 5,8 | 21,1 | -0,4 | -1,9

Reave | 19,3 | 16,7 | 2,6 | 13,5 | 19,7 | -0,4 | -2,1

Remax | 17,5 | 12,9 | 4,6 | 26,3 | 17,7 | -0,2 | -1,1

а) б)

Рис. 6. Результати порівняння розрахунків з експериментальними даними

Даються рекомендації до проектування обмоток відносно теплових параметрів при примусовій циркуляції рідини в каналах з напрямними перегородками.

Для зниження нерівномірності розподілу температури обмотки необхідно знизити нерівномірність розподілу витрат рідини в одному ході або кількість ходів в обмотці.

Зниження гідравлічного опору можна домогтися такими способами: збільшенням висоти горизонтальних каналів, зменшенням кількості ходів в обмотці, зменшенням радіального розміру обмотки.

Основний критерій стійкості розрахунку - це застосування таких каналів в обмотці, щоб їхній гідравлічний опір на тертя був більше місцевих гідравлічних опорів.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена важлива науково-технічна задача по вдосконаленню теплового захисту обмоток з напрямними перегородками трансформаторів при спрямованій циркуляції охолоджувальної рідини шляхом застосування дослідження тепловіддачі й гідродинаміки в їхніх каналах, який дозволяє знизити матеріалоємність і підвищити надійність трансформаторів.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Розроблені термогідравлічні вісьосиметричні чисельні моделі. Моделі дозволяють одержати двомірні якісні картини теплообміну й гідродинаміки в ламінарній зоні каналів обмоток при примусовому русі рідини у ній, на основі яких визначається примусова складова локального конвекційного теплообміну в таких каналах.

2. Запропонована й обґрунтована фізична модель руху рідини в каналах обмотки у вигляді струмків, які не перемішуються в ламінарній зоні вертикальних каналів обмоток. Це дозволяє збільшити точність розрахунку температурного поля обмотки й оливи в каналах на 3 5 %.

3. Розроблено методику обробки даних за допомогою якісних і кількісних результатів розрахунків термогідравлічних вісьосиметричних чисельних моделей, що дозволила вивести локальні критеріальні рівняння.

4. Запропоновано розглядати локальну тепловіддачу каналів не тільки щодо входу рідини в канал, але й щодо виходу рідини з нього. Це дозволяє врахувати в критеріальному рівнянні локальної тепловіддачі вплив зміни профілю швидкості внаслідок виходу рідини з каналу під кутом до його осі.

5. Розроблені гідравлічні вісьосиметричні чисельні моделі для дослідження гідродинамічної картини в каналах обмоток, які дозволяють урахувати вплив місцевих опорів у сполучених колекторах.

6. Чисельно досліджені місцеві гідравлічні опори у каналах обмоток, а саме:

- отримані поправочні коефіцієнти для урахування впливу відносного розташування трійників у колекторі та числа Re на вході в розподільний і виході з колектора, що збирає, на коефіцієнти місцевих гідравлічних опорів. З урахуванням цих поправочних коефіцієнтів підвищується точність розрахунку розподілу розходів по горизонтальних каналах, у деяких випадках на 40 %;

- отримані коефіцієнти гідравлічних опорів нестандартних трійників, обумовлені втратами охолоджуючої рідини між напрямними перегородками й електроізоляційними циліндрами. Це дозволяє підвищити точність розрахунків розподілу розходів у каналах обмоток на 5 %.

7. Розроблений термогідравлічний метод. Похибка результатів розрахунку запропонованим методом у порівнянні з результатами моделювання на натурних фізичних моделях становить:

- до 10 % для визначення гідравлічного опору каналів;

- до 3 % для визначення середньої температури обмотки;

- до 5 % для визначення температури найбільш нагрітого провідника обмотки.

8. Запропоновані рекомендації зі зниження гідравлічного опору каналів обмотки, середньої температури обмотки й нерівномірності розподілу температури обмотки, що приводить до зниження температури найбільш нагрітого провідника.

9. Основні результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування в програмі теплового розрахунку та рекомендаціях із проектування обмоток трансформаторів зі спрямованою циркуляцією у відношенні їхніх теплових параметрів у ВАТ “ВІТ” і ТОВ “СТРУМТЕХ, ЛТД” . Ці нововведення дозволять знизити масу трансформаторів зі спрямованою циркуляцією до 5 % і підвищити їхню надійність і транспортабельність.

Позначення: n – кількість; – довжина; – висота; d, – діаметр; – тиск; – перепад тиску; – швидкість руху охолоджувальної рідини; – масовий розхід рідини; – коефіцієнт гідравлічного опору; t – температура, оС; Т – температура, К; q – питомі тепловиділення; – густина рідини; µ – динамічна в'язкість; – коефіцієнт, залежний від температури електропровідного матеріалу; Cp – ізобарна теплоємність; – кінематична в'язкість; – теплопровідність; – об'ємний розхід рідини. ? – абсолютна похибка; ц – відносна похибка. Верхні індекси: i – номер горизонтального каналу; о – дослід; р – розрахунок. Нижні індекси: н – ніша, нестандартний; к – колектор, конфузорний, канал; ут – втрати; п – прокладка, прохід трійника; б – бічне відгалуження трійника; пр – провідник; Г – горизонтальний канал; т – турбулентність, точка; кат – диск; пер – напрямна перегородка; г – гідравлічний, без ізоляції; выст – виступ прокладки у вертикальні канали; меди – мідний провідник; ж – рідина; j – номер диску; д –дифузорний, до; вх – вхід; вых – вихід; пов – поворот; с – який збирає; p – розподільний; б – бічне відгалуження; п – прохід, після. Безрозмірні критерії: Re – число Рейнольдса; Pr – число Прандтля; Gz – число Гретца; Nu – число Нуссельта; Rа – число Релея.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гура Ю.Л., Одаренко Ю.Н., Серебрицкая Е.А. Исследование теплоотдачи и аэродинамики обмоток силового трансформатора 20 МВА, 154 кВ с элегазовым заполнением. // Новини енергетики. - Київ: Всеукраїнський енергетичний комітет Всесвітньої Енергетичної Ради. - 2004. - №12 - С. 47 - 51.

2. Одаренко Ю.Н., Яковлева И.Г. Состояние исследований по проблеме расчета температурных полей обмоток силовых трансформаторов с направленным движением масла в каналах // Праці ІЕД НАНУ. – Київ: ІЕД НАНУ. - 2006. - №1(13). - С. 83 - 90.

3. Одаренко Ю.Н., Яковлева И.Г. Исследование теплоотдачи обмоток с направляющими перегородками силовых трансформаторов // Восточно-европейский журнал. - 2006. - № 2/3 (20). -С. 29-32.

4. Одаренко Ю.Н., Яковлева И.Г. Анализ критериальных уравнений теплоотдачи обмоток трансформаторов // Электрический журнал. - Запорожье: НПО “Альфа-Омега”. - 2006. - № 1. - С. 11-15.

5. Одаренко Ю.Н. Влияние перегородок на гидродинамику в каналах обмоток трансформаторов // Электрический журнал. - Запорожье: НПО “Альфа-Омега”. - 2006. - № 2. - С. 21-23.

6. Одаренко Ю.Н. Исследование тепловых, аэродинамических и гидравлических характеристик пластинчато-ребристых теплообменников типа АПРТ (алюминиевый пластинчато-ребристый теплообменник) // XXIX международная научно-техническая конференция “Запорожсталь-2002”. - Запорожье: ОАО Запорожсталь. - 2002. - C. 70.

7. Яковлева И.Г., Одаренко Ю.Н. Новые направления исследования в трансформаторостроении // Х научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и преподавателей ЗГИА. - Часть I. - Запорожье: Издательство ЗГИА. - 2005. - С.133-136.

8. Одаренко Ю.Н. Моделирование термогидравлических процессов в обмотках с направленным движением масла в каналах для исследования локальной теплоотдачи в обмотках // IX международная конференция “Трансформаторостроение - 2005” - Запорожье. - 2005. - С. 42-43.

9. Яковлева И.Г., Одаренко Ю.Н., Байша-Бузовская В.Ю. Исследование локальной теплоотдачи в каналах обмоток трансформаторов с направляющими перегородками при принудительной циркуляции масла // Молодая академия-2006: Тезисы докладов Международной научно-технической конференции. - Днепропетровск. - 2006. -С. 105-106.

10. Яковлева И.Г., Одаренко Ю.Н., Чернышев А.Е. Методы исследования гидродинамических процессов в обмотках трансформаторов с направляющими перегородками // ХI научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и преподавателей ЗГИА. - Часть I. - Запорожье: Издательство ЗГИА - 2006. - С. 19.

11. Odarenko Y. Heat and mass transfer affects in transformers windings under load // CIGRE Trans. Technology Conf. - Sydney (Australia). - 2006. - Р. 1-5.

АНОТАЦІЯ

Одаренко Ю.М. Розвиток методів подібності при теплообміні в охолоджуючих каналах обмоток трансформаторів для удосконалення їх теплового захисту. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – “Технічна теплофізика та промислова теплотехніка”. – Дніпродзержинський державний технічний університет, м. Дніпродзержинськ, 2007.

У роботі приведені результати досліджень гідродинаміки та теплообміну при змушеному руху охолоджуючої рідини в каналах обмоток із напрямними перегородками у вигляді поправочних коефіцієнтів впливу параметрів нестандартних колекторів на розміщені у них стандартні коефіцієнти гідравлічних опорів, коефіцієнтів нестандартних гідравлічних опорів та локальних крітеріальних рівнянь тепловіддачі поверхні обмоток.

Розроблені чисельні моделі гідродинаміки та теплообміну ламінарних зон каналів досліджених обмоток та методики обробки результатів чисельного моделювання.

Розроблений термогідравлічний одномірний метод розрахунку гідравлічних опорів та температурних полів обмоток із напрямними перегородками, на основі отриманих результатів дослідження та класичних рівнянь гідродинаміки та теплообміну.

Проведено порівняння результатів розрахунку розробленим методом із експериментальними даними, отриманими на натурних фізичних моделях та з іншими результатами розрахунку на основі методів із відомої літератури.

Дані рекомендації для конструювання цих обмоток із точки зору їх теплових параметрів.

Ключові слова: спрямована циркуляція, обмотка, направляюча перегородка, гідродинаміка, локальна тепловіддача, коефіцієнт гідравлічного опору, чисельне моделювання.

АННОТАЦИЯ

Одаренко Ю.Н. Развитие методов подобия при теплообмене в охлаждающих каналах обмоток трансформаторов для усовершенствования их тепловой защиты.- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – “Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика”. – Днепродзержинский государственный технический университет, г. Днепродзержинск, 2007.

В работе приведены результаты исследований гидродинамики и теплоотдачи при принудительном движении охлаждающей жидкости в каналах обмоток с направляющими перегородками в виде поправочных коэффициентов влияния параметров нестандартных коллекторов на расположенные в них стандартные коэффициенты гидравлических сопротивлений; коэффициентов нестандартных гидравлических сопротивлений и локальных критериальных уравнений теплоотдачи поверхности обмоток.

Разработаны численные модели гидродинамики и теплообмена ламинарных зон каналов исследуемых обмоток и методики обработки результатов численного моделирования.

Разработан термогидравлический одномерный метод расчета гидравлического сопротивления и температурных полей обмоток с направляющими перегородками, на основе полученных результатов исследований и классических уравнений гидравлики и теплообмена.

Проведено сравнение результатов расчета разработанным методом с экспериментальными данными, полученными на натурных физических моделях и с другими результатами расчета на основе методов из доступной литературы.

Даны рекомендации к проектированию данных обмоток с точки зрения их тепловых параметров.

Ключевые слова: направленная циркуляция, обмотка, направляющая перегородка, гидродинамика, локальная теплоотдача, коэффициент гидравлического сопротивления, численное моделирование.

SUMMARY

Odarenko Y.M. Similarity method development due to heat transfer in the transformer windings cooling ducts for improvement of their thermal protection. – Manuscript.

Thesis for a Degree of “Candidate of Technical Sciences”. Speciality 05.14.06 – “Engineering Thermophysics and Industrial Heat-and-Power Engineering”. –Dnieprodzerzhinsk State Technical University, Dnieprodzerzhinsk, 2007.

In the thesis the results of hydrodynamics and heat transfer investigations at forced cooling fluid movement in winding ducts with fluid flow washers have represented as collectors’ influence corrected factors on standard singular head losses, nonstandard singular head losses and heat transfer criteria equations of winding surface.

Hydrodynamics and heat transfer numerical models of the duct laminar parts and their calculation results of treatment methodology were elaborated.

Thermal-hydraulic one-dimensional method of hydraulic losses and temperature maps of windings with fluid flow washers has developed, on the basis of obtained investigation results and classic hydraulic and heat transfer equations.

Using the developed method there is done the comparison calculation results with experimental data, obtained from full-size physical model as well as with other calculation results on basis of methods, detailed in literature.

The design recommendations for this type of winding in the view of their thermal performance were proposed.

Key words: direct-fluid-flow, winding, fluid flow washer, hydrodynamics, local heat transfer, hydraulic losses coefficient, numerical modeling.