ХАРКIВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ
ХАРКIВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ
БУДIВНИЦТВА ТА АРХIТЕКТУРИ
КОЛЕСНІК Наталiя Юрiївна
УДК 697.34
ВИКОРИСТАННЯ НИЗЬКОПОТЕНЦIЙНИХ ТЕПЛОВИХ
ВТОРИННИХ ЕНЕРГОРЕСУРСIВ МАСЛЯНИХ СИСТЕМ
ОХОЛОДЖЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ АПАРАТIВ
05.23.03 - Вентиляцiя, освiтлення та теплогазопостачання
Автореферат
дисертацiї на здобуття наукового ступеня
кандидата технiчних наук
Харкiв – 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Редько Олександр
Федорович, завідувач кафедри теплогазопостачання,
вентиляції та теплових вторинних енергоресурсів
Харківського державного технічного університету
будівництва та архітектури, Міністерство освіти і
науки України
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Губар Валентин Федорович завідувач кафедрою теплотехніки, теплогазопостачання і вентиляції Донбаської державної академії будівництва і архітектури, Міністерство освіти і науки України
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Немировський Ілля Абрамович начальник відділу
Харківської державної інспекції з енергозбереження
Провідна установа: Харківський державний політехнічний університет, кафедра
теплотехніки, Міністерство освіти і науки України
Захист відбудеться 4 жовтня 2000 року об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002., м. Харків, вул. Сумська, 40.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.
Автореферат розісланий 2 вересня 2000 року.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради,
к.т.н., професор Колотило М.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальнiсть роботи. В умовах гострої нестачi природних ресурсiв для України актуальним є завдання використання теплових вторинних енергетичних ресурсiв / ТВЕР/.
Згiдно наявних даних, у малiй енергетицi споживається близько 50 % усiх енергоресурсiв України. Загальна ефективнiсть використання природного газу у централiзованих системах теплопостачання складає бiля 40 %. Крiм того, обєкти комунальної енергетики є значними джерелами забруднення повiтряного басейну.
Нарiвнi iз загальновiдомими джерелами високопотенцiйних ТВЕР варто звернути увагу на низькопотенцiйнi, що максимально наближенi до споживачiв i досi не використовуються. Таким джерелом є системи водяного й масляного охолодження енергетичних апаратiв, наприклад, охолодження силових трансформаторiв, якi є на всiх промислових пiдприємствах, обєктах iнфраструктури комунального господарства, в житлових комплексах. Iснуючi системи охолодження трансформаторiв не придатнi для цiєї мети у звязку з низьким коефiцiєнтом тепловiддачi вiд масла до теплосприймального середовища, який не можна пiдвищити навiть при вимушеному руховi середовищ.
Мета роботи. Створення способу та схеми використання низькопотенцiйних ТВЕР для потреб гарячого водопостачання на базi пiдвищення ефективностi систем охолодження силових трансформаторiв та розробка методик їх розрахунку.
Завдання дослiдження. Створення системи охолодження трансформаторiв нового типу з використанням двокомпонентного двофазного потоку “рiдина – пара легкиплячої рiдини”. Розробка схеми гарячого водопостачання з використанням теплоти цiєї системи охолодження. Теоретичне та експериментальне вивчення роботи запропонованої системи охолодження, її особливостей та ефективностi використання. Розробка методики теплового й гiдродинамичного розрахунку масляного вертикального теплопередавального каналу при двофазному потоцi “трансформаторне масло - бульбашки пари”. Розробка iнженерної методики теплового й гiдродинамiчного розрахунку теплового контура, а також рекомендацiй по його конструюванню.
Наукова новизна. Розробленi комбiнована масляно-випарна дисперсна система охолодження силових трансформаторiв i схема гарячого водопостачання з використанням тепла вiд цiєї системи. Розроблена iнженерна методика розрахунку системи гарячого водопостачання з джерелом теплоти вiд систем охолодження енергетичних апаратiв.
Запропонована методика теплового й гiдродинамiчного розрахунку вертикального теплопередавального каналу при двофазному потоцi “трансформаторне масло - бульбашки пари”. Створено методику iнженерного розрахунку теплового контура запропонованої системи охолодження силових масляних трансформаторiв. Одержано експериментальнi данi щодо визначення стацiонарного температурного поля в масляному каналi мiж обмоткою та стiнкою бака трансформатора i в охолоджуючих трубах при використаннi масляно-випарної системи охолодження.
Практична цiннiсть. Результати дослiджень застосованi при створеннi дослiдного зразка комбiнованої системи охолодження трансформаторiв типу ТМ, а також при розробцi схеми гарячого водопостачання каналiзацiйної насосної станцiї продуктивнiстю 400- 2000 м3/годину з джерелом теплоти вiд створеної системи охолодження трасформаторiв. Дослiдний зразок комбiнованої масляно-випарної системи охолодження трансформатора ТСМА 100/6 пройшов промисловi випробування i експлуатується на Харкiвському пiдприємствi мiських електричних мереж. Результати дослiджень використовуються у навчальному процесi в Харкiвськiй державнiй академiї мiського господарства.
Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацiйна робота виконувалась в рамках договору про творчу спiвдружнiсть мiж Харкiвським пiдпримством мiських електричних мереж та Харкiвським iнженерно-будiвельним iнститутом з 1984 р. по 1985 р. з метою створення нової, бiльш ефективної, комбiнованої масляно-випарної системи охолодження трансформаторiв малої та середньої потужностi та була продовжена у рамках Госбюджетного договору 0045 Харкiвського Державного технiчного унiверситету будiвництва та архiтектури “Енерго та ресурсосберегаючi технологiї рацiонального використання палива в будiвельному виробництвi” за наказом Мiносвiти України № 37 вiд 13.02.1997 р. з метою використання теплоти створеної системи охолодження енергетичних апаратiв у житлово-комунальному секторi.
Апробацiя роботи. Основнi положення дисертацiї доповiдалися та обговорювалися на науково-технiчних конференцiях Харкiвської державної академїї мiського господарства у 1990 р. та 1992 р., на 51(1996р.)-55(2000р.) щорічних науково-технічних конференціях Харьківського державного технічного університета будівництва та архітектури, а також на 6-й Міжнародній конференції “ Сучасні інформаційні та енергосберігаючі технології життєзабезпечення людини’’, що проходила в Харківській державній академії міського господарства у 1999р.
Публiкацiї. За матерiалами роботи опублiковано 10 статей, з них 1 посiбник i 3 авторских свiдоцтва на винахiд СРСР.
Структура i обсяг роботи. Дисертацiя складається з вступу, 5 роздiлiв, висновкiв, списку використованої лiтератури, що мiстить 131 джерело, додатку. Вона має 205 сторiнок, з них 144 сторiнки машинопiсного тексту, 28 рисункiв та 33 таблицi.
ОСНОВНИЙ ЗМICТ РОБОТИ
У першому роздiлi проведено лiтературний огляд та аналiз використання низькопотенцiйних ТВЕР, пристроїв для застосування масляних трансформаторiв, а також методiв аналiзу двофазних потокiв та теплообмiну в них.
Аналiз показав, що найбiльш перспективною є iдея створення установки, що поєднувала б головнi переваги масляного й випарного охолодження, а теплоту охолодження було використано для гарячого водопостачання.
У другому роздiлi запропоновано спосiб охолодження масла (наприклад, трансформаторного), заснований на комбiнуваннi двох способiв: звичайного конвективного (в радiаторi) i випарного охолодження масла, на основi якого зроблено охолоджуючий пристрiй (авт. свiд. СРСР № 1262219 вiд 8.06.1986 р.).Застосовуючи цю схему до трансформаторiв малої та середньої потужностi, розроблено схему комбiнованої масляно-випарної системи охолодження, поданої на рис. 1.
Рис. 1. Комбiнована масляно-випарна система охолодження
трансформаторiв та система гарячого водопостачання
1- бак трансформатора; 2- джерела теплоти (обмотки, котушки); 3-труба вводу рiдкого хладону; 4- перфорований наконечник; 5- опускна труба подачi рiдкого хладону; 6- конденсатор пари хладону; 7- трансформаторне масло; 8-бульбашки хладону; 9-паровiдводна труба; 10-тепловiддаючi(охолоджуючi) труби радiатора масляної cистеми охолодження; 11, 12- отвори вiдводу в тепловiддаючi труби з баку гарячого i повернення холодного масла; 13 - ванночка збирання хладона в неробочому станi; 14- роздавальний колектор, що розподiля рiдкий хладон по трубах 3; 15 й16-вiдповiдно вентиль i патрубок заливу системи хладоном; 17- бак-акумулятор; 18- трубопровiд холодно води; 19- трубопровiд гарячо води; 20- сигнальний трубопровiд; 21- переливний трубопровiд; 22- зливний трубопровiд; 23- пiддон.
До особливостей роботи системи охолодження вiдносяться:
1) її автоматичне включення в роботу при досягненнi в мiсцi надходження хладону (наприклад, фреону-113) температури масла, що перевищує температуру кипiння хладону. При зниженнi електричного навантаження чи повному вiдключеннi трансформатора вiд мережi вся пара хладону сконденсується, частина рiдкого хладону (його густина вдвiчi бiльша, нiж масла) залишається у трубах 5 i 13, а iнша частина збирається у ванночку 13;
2) час прогрiву краплин хладону до температури насичення значно зменшується при зниженнi вiдривного розмiру краплин, що й стало пiдставою для встановлення на кiнцi труб 5 наконечника 4 iз cоплами;
3) при автоматичному включеннi в роботу цiєї додаткової циркуляцiйної системи, пiдйомна частина масляного циркуляцiйного контура заповнються сумiшшю масла з парою хладагента, густина якої значно меньша за середню густину масла в звичайному контурi циркуляцiї, зроста i рушiйний напiр циркуляцiї, що приводить до рiзкої iнтенсифiкацiї руху масла в контурi 11-10-12-11, режим руху масла уздовж всього масляного каналу стає турбулентним, рiзко зростають коефiцiєнти тепловiддачi в мiсцях пiдведення й вiдведення теплоти, що знижує максимальну температуру обмоток трансформатора i пiдвищує cередню температуру масла у тепловiддаючих трубках радiатора 10;
4) при надходженнi хладагента в гаряче масло, що має температуру кипiння хладону, вiн знаходиться у рiдкому станi й випаровується лише мала його частина завдяки конвекцiї. При подальшому зростаннi температури масла хладон починає iнтенсивно випаровуватися, у процесi чого можливе залучання до руху малої частки рiдкого хладону у виглядi краплин.
У третьому роздiлi розроблена математична модель тепломассообмiну при двофазному потоцi в каналi мiж обмоткою (джерелом теплоти ) та стiнкою трансформатора. Запропоновано метод розрахунку руху дисперсного потоку у цьому каналi.
З огляду лiтератури зроблено висновок, що в масляному каналi мiж обмоткою i стiнкою трансформатора утворюється дисперсна система “рiдина-бульбашки пари легкокиплячої рiдини”, яка за класифiкацiєю дисперсних середовищ є гетерогенним бульбашковим середовищем, що широко використовується в технiчних пристроях. Як вiдомо з робiт по випарному охолодженню, при подачi в перегрiту рiдину рiдини, що має низьку температуру кипiння, вона закипає, утворюючи велику кiлькiсть бульбашок пари. Якщо легкокиплячу рiдину подавати в порожнину наконечника, що має велику кiлькiсть отворiв - сопел i розташований у перегрiтiй рiдинi, частина цiєї рiдини буде закипати безпосередньо в порожнинi наконечника i надходити до перегрiтої рiдини у виглядi пари, а друга частина у виглядi краплин.
Розглянуто рух двофазної cистеми, що є двошвидкiсним двотемпературним контiнуумом взаємопроникаючих середовищ рiзної густини у виглядi системи диференцiйних рiвнянь:
( 1 ) 1 ( v1) v1 = (1 ) P1 + (1 ) i 1 2 v1 + (1 ) 1 1+
+ (1 ) 3 d2 1 (v2 v1 ) n + (1 ) Ф; (1)
2 ( v2 ) v2 = P2 + i 2 2 v2 + 21 3 d2 2 (v2 v1 ) Ф; (2)
де: iндекс “1” ставиться до суцiльного середовища (масла);
“2” - до дисперсної фази (хладагента);
Ф - iмпульс сил, що виникають при обмiнi фаз масою.
Для визначеностi в подальшому побудовано iдеалiзовану картину сформованого в масляному теплопередавальному каналi трансформатора бульбашкового двофазного струму “рiдина-пара”. У данiй ситуацiї доцiльно пiти на такi припущення:
- швидкiсть сплиття бульбашок постiйна як за абсолютною величиною, так i щодо суцiльного середовища;
- щiльнiсть фаз практично не змiнюється;
- фiзичнi параметри фаз, такi як теплоємкiсть, теплопровiднiсть, коэфiцiнти вязкостi, дифузiї постiйнi;
- кiлькiсть пари в рiдинi постiйна у часi по всьому обєму масляного теплопередавального каналу;
- розмiр включень та неоднорiдноcтей в сумiшi бiльший за молекулярно-кiнетичнi розмiри;
- розмiр неоднорiдностей значно менший вiдстаней, на яких мiкроскопiчнi чи усередненi параметри сумiшi фаз змiнюються суттево.
З урахуванням граничних умов
х = у = 0, v1 = 0,
х = у = 1, v1 = v2 = vмах (3)
пiсля ряду перетворень рух двофазної cистеми набуває вигляду:
v1 = , (4)
де - параметр розподiлу змiнних, = ln(v2 / v1) / k1;
3р d2 м1 n (v2/v1 - 1 )
k1 = vО l2 ; k = —————————— ; (5)
( * + Т / *) L с* (н* + м т / с*)
; (6)
*= ; (7)
де: vО- усереднена по всьому обму швидкiсть потоку.
З рiвняння (4) можна визначити швидкiсть руху суцiльного середовища (масла) пiд час руху двофазного потоку у вертикальному теплопередавальному каналi, що дає змогу знайти швидкiсний коефiцiєнт, який розраховується пiд час визначення перепаду температур на поверхнi обмотки й масла.
Розглянуто процеси тепломасопереносу на основнiй дiлянцi струминного потоку в дисперсному двофазному середовищi “газ-рiдина”.
Система рiвнянь енергiї для кожної з фаз має вигляд:
(8)
(9)
де : q1 - змiна енергiї в суцiльному середовищi при його фазовому переходi внаслiдок теплообмiну мiж рiдиною та парою;
q2 - змiна енергiї хладагента внаслiдок випарування рiдини в бульбашки пари.
Пiсля ряду перетворень отримано рiвняння енергiї дисперсного потоку:
Т1 = ехр(1х) С1 I1( 2bу) + С2N1 ( 2bу); (10)
де: b = у1 А1 ;
А
1 - параметр розподiлу змiнних, 1 = ln (Тк / Тн);
А =; (11)
А1 = ; (12)
I1 та N1- функцiї Бесселя i Неймана першого порядку;
С1 та С2 - константи iнтегрування, що визначаються рiшенням рiвняння (10) та граничними умовами:
Х = 0; У = 0; Т1 = ТСТ;
Х = 0; У = 1; Т1 = ТН;
Х = 1; У = 1; Т1 = ТК. (13)
З використанням граничних умов визначено константи iнтегрування та параметр розподiлу змiнних.
Температура стiнки визначається при знiманнi потрiбної кiлькостi теплоти iз стiнки заданої площi, величина якої встановлюється пiд час розрахунку електричної частини трансформатора. Кiнцева температура масла вiдома з умов максимально можливої температури стiнки при нормальнiй експлуатацiї трансформатора. Початкову температуру масла знаходимо з теплотехнiчного розрахунку трансформатора.
Кiлькiсть теплоти, що йде на випаровування легкокиплячої рiдини, практично повинна збiгатися з кiлькостю вiдведеного вiд стiнки теплоти тому, що теплота, вiдведена конвекцiєю крiзь охолоджуючi труби трансформатора, є незначною (близько 17 % вiд теплоти випаровування) . З цiєї умови можна знайти кiлькiсть хладагента, потрiбну для введення в робочу порожнину трансформатора:
W = Gp r2 + Cp(М) GM . (14)
Теплота, яку знiмає дисперсний потiк з охолоджуваної поверхнi:
W = YF ; (15)
де: Y = ; (16)
* = a* cP *; TO = ;
* = ;
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 Фурє рiвняння (21), з якого можна знайти температуру нагрiву бульбашок, має вигляд:
T2 = ехр ( НО 2 t) С3 ехр Р1 r1 + C4 exp P2 r1; (18)
де: Р1 = ; Р2 = ;
НО = T О/rО2 ; Ре = vОT О/T ; О = 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.
2 - параметр розподiлу змiнних, який можна знайти з розвязання рiвняння:
TK = exp (2 HO) C3 exp P1 + C4 exp P2 ; (20)
З умови досягнення Т2 = 0,95 ТК знайдено час нагрiвання бульбашок хладону:
= О ln ( С3 exp P1 + C4 exp P2) / 0,95 ТК / НО 2. (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 зєднан 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, обєднанi 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: - 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, вiдбуваться 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 пятому 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 розвязано 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 обєму; 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
- щiльнiсть, кг/м3; - обємний вмiст пари в рiдинi; - оператор Гамiльтона; - коефiцiєнт динамiчної вязкостi, Н с/м2; - час прогрiвання бульбашок, с; 1 - тензор турбулентних напружень, кг/м2; - коефiцiнт теплопровiдностi, Вт/(мК); - параметр розподiлу змiнних; - 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 transformers 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.
