Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов

Проведено компьютерное моделирование температурных и гидродинамических полей в силовом маслонаполненном трансформаторе с помощью программы ANSYS-FLUENT. Анализ картины течения в системе взаимосвязанных каналов позволил выявить самопроизвольное зигзагообразное течение масла по группам горизонтальных...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Промышленная теплотехника
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Яцевский, В.А., Круковский, П.Г.
Format:	Artikel
Sprache:	Russisch
Veröffentlicht:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2011
Schlagworte:	Тепло- и массообменные аппараты
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60314
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов / В.А. Яцевский, П.Г. Круковский // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 24-34. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859778019000844288
author	Яцевский, В.А. Круковский, П.Г.
author_facet	Яцевский, В.А. Круковский, П.Г.
citation_txt	Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов / В.А. Яцевский, П.Г. Круковский // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 24-34. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Промышленная теплотехника
description	Проведено компьютерное моделирование температурных и гидродинамических полей в силовом маслонаполненном трансформаторе с помощью программы ANSYS-FLUENT. Анализ картины течения в системе взаимосвязанных каналов позволил выявить самопроизвольное зигзагообразное течение масла по группам горизонтальных каналов. Проведено комп'ютерне моделювання температурних і гідродинамічних полів у силовому маслонаповненому трансформаторі за допомогою програми ANSYS-FLUENT. Аналіз картини течії в системі взаємопов'язаних каналів дозволив виявити мимовільну зигзагоподібну течію масла по групам горизонтальних каналів. A computer simulation of temperature and hydrodynamic fields in the power oil filled transformers using ANSYS-FLUENT. Analysis of flow patterns in a system of interconnected channels revealed spontaneous zigzag for oil in groups of horizontal channels.
first_indexed	2025-12-02T09:18:02Z
format	Article
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №224 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 532.542:536.252/255:621.314.212 Яцевский В.А., Круковский П.Г. Институт технической теплофизики НАН Украины ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТЕЧЕНИИ МАСЛА ВО ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ КАНАЛАХ КАТУШЕЧНЫХ ОБМОТОК СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Проведено комп'ютерне моде- лювання температурних і гідро- динамічних полів у силовому мас- лонаповненому трансформаторі за допомогою програми ANSYS- FLUENT. Аналіз картини течії в системі взаємопов'язаних каналів дозволив виявити мимовільну зигзагоподібну течію масла по групам горизонтальних каналів. Проведено компьютерное мо- делирование температурных и ги- дродинамических полей в силовом маслонаполненном трансформато- ре с помощью программы ANSYS- FLUENT. Анализ картины течения в системе взаимосвязанных каналов позволил выявить самопроизволь- ное зигзагообразное течение масла по группам горизонтальных кана- лов. A computer simulation of temperature and hydrodynamic fields in the power oil filled transformers using ANSYS-FLUENT. Analysis of flow patterns in a system of interconnected channels revealed spontaneous zigzag for oil in groups of horizontal channels. cр – теплоёмкость; g – ускорение свободного падения; H – высота обмотки; h – высота горизонтального межкатушечного канала; Р – полное давление; ΔР – перепад давления; Pr – число Прандтля; q – плотность теплового потока; Ra – число Рeлея; Т – температура; α – коэффициент теплоотдачи; β – коэффициент термического расширения масла; Δυс-м – превышение температуры поверхности катушки над температурой масла в горизонтальном канале; λ – коэффициент теплопроводности; ν – кинематический коэффициент вязкости; ρ – плотность; CFD – Computational Fluid Dynamic. Индексы нижние: м – масло; с – стенка. Введение Силовые высоковольтные трансформато- ры повсеместно используются в современных электрических сетях в процессе многократной передачи электрической энергии от генерирую- щего оборудования до конечных потребителей. Основными источниками теплоты в силовых трансформаторах и электрических реакторах являются элементы активной части - обмотки и магнитная система. Активная часть силовых трансформаторов, как правило, помещается в бак, заполненный трансформаторным мас- лом или другой диэлектрической жидкостью. Поэтому достоверная детальная информация о тепломассообменных процессах между твёр- дотельными деталями трансформаторного обо- рудования и маслом позволяет конструировать и эксплуатировать это оборудование с высокой степенью надёжности, а также оптимизировать срок его эксплуатации. Современные мощные высоковольтные маслонаполненные силовые трансформаторы представляют собой значительные по габарит- ным размерам и весу (достигают нескольких сотен тон) сооружения, со сложноорганизован- ной геометрической структурой внутри бака. Количество отдельных узлов и конструктив- ных элементов в них достигает ста, при этом многие конструктивные элементы имеют слож- ную геометрическую конфигурацию, а их ко- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №2 25 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ эффициенты теплопроводности отличаются на несколько порядков. При численном моде- лировании тепломассообменных процессов в трансформаторном оборудовании эти обстоя- тельства приводят к принципиальным труд- ностям построения оптимальной разностной сетки, так как высота обмоток и магнитной си- стемы исчисляется метрами, высота вертикаль- ных и горизонтальных каналов – миллиметра- ми, а толщина изоляции обмоточных проводов – десятыми долями миллиметра [1-5]. Тепло- выделения в основных деталях активной части (рис. 1) (обмотках низшего и высшего напряже- ния и магнитной системе) сильно неоднородно по пространственным координатам вследствие зависимости омических потерь от локальной температуры, а также дополнительного вклада в основные потери за счёт вихревых токов и ги- стерезисных потерь. Процессы теплопередачи в силовых маслонаполненных трансформато- рах неразрывно связаны с условиями и харак- тером движения масла в системе, особенно в вертикальных и горизонтальных каналах кату- шек. Иными словами, поле температур и поле гидродинамических переменных (компонентов скорости и давления) сильно взаимосвязаны [1]. В силовых трансформаторах довольно ча- сто применяются системы охлаждения М и Д, при использовании которых в маслонаполнен- ном баке силовых трансформаторов теплоотвод от тепловыделяющих элементов конструкции осуществляется за счёт естественной тепловой гравитационной конвекции, и система охлаж- дения ДЦ (принудительное охлаждение) – с теплоотводом внутри бака за счёт смешанной (естественной и вынужденной) конвекции. При этом в силовых трансформаторах действие естественной и вынужденной конвекции име- ет одинаковое направление – снизу-вверх. Ско- рость движения масла в вертикальных каналах (ширина канала по обыкновению составляет 7...14 мм) даже при использовании системы охлаждения ДЦ не превышает 0,8 м/с. В гори- зонтальных межкатушечных каналах обмоток (как правило, высота горизонтальных кана- лов 3…12 мм) скорость движения масла, даже при направленной циркуляции, не превышает 0,1 м/с, а в большинстве случаев при естествен- ной конвекции ~ 10-3 м/с. Экспериментальное определение теплового состояния элементов активной части силовых трансформаторов (в первую очередь обмоток) может производиться на дорогих эксперимен- тальных физических моделях и, в большинстве случаев вследствие специфики исследуемых объектов, находящихся при напряжениях в не- сколько сотен тысяч вольт, не отличается высо- кой точностью. Всё же производители силовых трансформаторов и электрических реакторов на этапе расчётного проектирования в значи- тельной мере используют результаты экспери- ментальных исследований физических моде- лей и натурных испытаний трансформаторов. Однако область применения таких инженерных методик существенно ограничивается только диапазонами ранее изученных геометрических и режимных параметров, что определяет не- прерывную потребность в совершенствовании инженерных методик расчётов и, для универ- сализации, максимальном исключении из них эмпирических данных. Поэтому в последнее время исследователи и разработчики всё чаще пользуются инструментарием так называемо- го CFD-моделирования, основанного на чис- ленном решении полной системы уравнений Навье-Стокса, уравнений сохранения массы и энергии, позволяющем в максимальной мере учитывать реальную геометрию отдельных конструкционных деталей трансформатора и в минимальной мере использовать эмпириче- ские данные о теплообмене и гидродинамике в системе каналов охлаждения исследуемого трансформатора [1,3-5]. Детальный анализ при- меняемых в настоящее время подходов, мето- дов и моделей для расчёта теплового состояния силового трансформаторного оборудования, их преимуществ и недостатков приведён в работе [3]. Для детальной проработки инновационных конструкторских решений и технических пред- ложений, оценки от внедрения тех или иных ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №226 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Рис. 1. Схема силового трансформатора, включающая активные части и систему внешнего охлаждения: 1 – ось симметрии; 2 – стержень магнитной системы; 3 – обмотка низшего напряжения (НН); 4 – прессующее кольцо над обмоткой НН; 5 – обмотка высшего напряжения (ВН); 6 – прессующее кольцо над обмоткой ВН; 7 – радиатор системы внешнего охлаждения; 8 – шунт под обмоткой ВН; 9 – шунт под обмоткой НН. инноваций по интенсификации процессов теп- ломассообмена в трансформаторном оборудо- вании большое значение имеет достоверная информация по локальным характеристикам течения и теплопереноса, которые довольно сложно получить классическими упрощённы- ми интегральными методами расчёта или экс- периментальными методами [1, 3-5]. При таком проектировании особый инте- рес представляет анализ особенностей тече- ния масла в горизонтальных межкатушечных каналах обмоток трансформатора и связанных с ними особенностей теплообмена катушек с маслом. Детальное CFD-моделирование по- зволяет проводить такой анализ, в частности выявление возможных гидродинамических конвективных структур и связанных с ними распределений температурного поля. Это опре- деляется локально-неоднородным движением высоковязкой жидкости (Pr = 50...500) вслед- ствие тепловой гравитационной конвекции, со- провождающееся рециркуляцией и вихревыми течениями, в результате которых в объёме бака трансформатора, а также в горизонтальных и вертикальных каналах обмоток образуются устойчивые структуры в виде зигзагообразного и/или петлеобразного движения масла по груп- пам горизонтальных каналов. Большой интерес представляет анализ причин образования и раз- вития таких структур. Целью настоящей работы и является про- ведение такого исследования и анализ особен- ностей течения трансформаторного масла и его влияния на теплообмен в межкатушечных каналах силовых трансформаторов с помощью двухмерных детальных численных моделей, разработанных в среде программы ANSYS- FLUENT. Для достижения этой цели были выполнены следующие работы, традиционные для числен- ного моделирования процессов гидродинамики и тепломассообмена: • создана детальная двухмерная компью- терная CFD-модель выбранного трансформато- ра (рис. 1) мощностью порядка 140 МВ·А для анализа тепломассообменных процессов, про- исходящих в нём; • получено численное решение модели от- носительно полей температур, скоростей и дав- лений; • с помощью постпроцессорной обработки визуализирован и описан характер циркуляции масла, а также найдены численные значения тепловых характеристик (температур, тепло- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №2 27 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ вых потоков и коэффициентов теплоотдачи) на поверхностях катушек и скоростей и давлений в межкатушечных каналах. Естественная тепловая гравитационная конвекция в объёме бака и присоединённой к нему системе внешнего охлаждения (как пра- вило, совокупности пластинчатых радиаторов) осуществляется под действием массовых сил, обусловленных температурным расширени- ем жидкости (трансформаторного масла), т.е. вследствие температурных неоднородностей. Температурная неоднородность, в свою оче- редь, приводит к неоднородности плотности масла и давления и приводит к образованию градиента плотности, направленного противо- положно массовой силе (силе тяжести) [6-7]. В результате в системе инициируются архимедо- вы силы, возникают восходящие и нисходящие потоки жидкости, но при этом возникают и про- тиводействующие архимедовым внутренние силы трения, направленные против движения. После установления динамического равновесия (баланса) этих сил, – в рассматриваемом объ- екте возникает циркуляция жидкости, – иными словами сложное поведение жидкости в систе- ме, с помощью которого физическая система приспосабливается к внешним воздействиям (подводу тепловой энергии внутри неё и тепло- сбросу тепловой энергии на внешних границах системы). По-другому, это можно определить как возникновение упорядочённости и согла- сованности системы, т.е. возникновение в ней самоорганизации [6, 10-11]. Сложность геоме- трии совокупности реальных вертикальных и горизонтальных каналов, по которым движет- ся охлаждающая жидкость, приводит в итоге к сложным картинам конвективных течений, за- трудняющим их анализ и систематизацию по причине разномасштабности определяющих критериев в разных частях системы. К тому же, как свидетельствуют достоверные эксперимен- тальные данные и многочисленные результаты теоретических исследований, в ряде случаев при естественной тепловой гравитационной конвекции возможны (и реально наблюдаются) ситуации, в которых существует возможность реализации нескольких режимов течения при одном и том же наборе режимных и геометри- ческих параметров [6]. Основные особенности конвекции в сило- вых трансформаторах обусловлены наличием двух обстоятельств, определяющих конкрет- ную реализацию эффектов плавучести в рас- сматриваемой системе (рис. 1): 1. Сильно неоднородное объёмное тепловыде- ление по высоте и радиусу; 2. Наличие в системе качественно различных по геометрии и масштабам взаимосвязанных подобластей, которые можно объединить в пять подобластей (классов, кластеров): 2.1 Подобласть межкатушечных горизонталь- ных каналов, которых в сумме для нескольких обмоток (концентров) силового трансформато- ра или электрического реактора может быть не- сколько сотен; 2.2 Подобласть вертикальных каналов, образо- ванных деталями изоляционной системы; 2.3 Подобласть между активной частью (об- мотками, вертикальными ярмами магнитной системы) и боковой стенкой бака; 2.4 Подобласть от верхнего горизонтального ярма до крышки бака; 2.5 Подобласть от нижнего горизонтального ярма до дна бака. Конкретная картина течения масла возле охлаждаемых элементов внутри бака зависит от конструкторского варианта решения вну- треннего пространства бака (соотношения раз- меров охлаждающих вертикальных и горизон- тальных межкатушечных каналов), величины и пространственного распределения тепловы- делений в объёме и рассматриваемой стадии динамического процесса. В связи с достаточ- но большими линейными размерами реальных силовых трансформаторов (высота бака может находиться в интервале 4…5 м) критерии Ре- лея (или Грасгофа) могут достигать достаточ- но больших величин (~ 1012...1013) при выборе в качестве характерного размера внутренней высоты бака и реального перепада температур (10...30 °C) между верхним и нижним частями масла. Это говорит о возможности существен- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №228 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ной локальной интенсификация конвективного теплообмена. Течение в вертикальных каналах имеет характер обычного течения в кольцевых каналах с формированием пограничных слоёв вдоль ограничивающих твёрдых поверхностей. В относительно больших подобластях возле горизонтальных и вертикальных стенок бака формируются вторичные вихревые структуры, взаимодействующие с пограничными слоями, образовавшимися на стенках бака. При рассмотрении конвекции и теплообме- на в горизонтальных межкатушечных каналах могут формироваться условия преимуществен- ного направления потока теплоты от нижней поверхности канала к верхней, при которых в протяжённых горизонтальных каналах воз- никают конвективные ячейки Релея – Бенара (рис. 2). В случае если нижняя поверхность горизон- тального канала и нижние слои масла нагреты Рис. 2. Линии тока: в межкатушечном горизонтальном канале: а – с образованием в центре канала ячеек Релея-Бенара; б – с петлеобразным характером течения; в – картина течения, приведенная в работе [2]. сильнее, чем верхние, то возникает дестабили- зирующий гидродинамический эффект, кото- рый пытается переместить масло так, чтобы наверху образовались более лёгкие, нагретые слои жидкости. Именно этот эффект вызывает появление вихрей Релея-Бенара, обусловлен- ных естественной конвекцией [6, 7]. В качестве математической модели для чис- ленного исследования ламинарного течения и температурного состояния вязкой несжимае- мой жидкости (трансформаторного масла) ис- пользовались полные уравнения Навье-Стокса [8, 9]. Предполагается, что имеет место осе- вая симметрия течения, а угловая (азимуталь- ная) компонента вектора скорости жидкости относительно оси симметрии равна нулю. Все теплофизические характеристики жидко- сти (вязкость, теплопроводность, плотность и теплоёмкость) являются функциями локаль- ной температуры. На внешних границах бака а) б) в) ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №2 29 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ и системы внешнего охлаждения (радиаторов) задавались нелинейные граничные условия третьего рода, полученные из обобщённых экс- периментальных данных (эмпирических соот- ношений), учитывающих конвективный и лу- чистый теплообмен. Для детального расчёта процессов тепло- массопереноса и течения в баке силового трансформатора требуется построение под- робных адаптивных сеток с максимальным количеством узлов вблизи многочисленных твёрдых поверхностей, на которых в процессе термической конвекции происходит образо- вание и разрушение гидродинамических и те- пловых пограничных слоёв [8, 9]. Поэтому при построении расчётной сетки производилось необходимое сгущение сетки вблизи твёрдых теплообменных поверхностей катушек и дру- гих тепловыделяющих частей трансформатора. Общее количество расчётных ячеек сеточной модели, описывающей тепловое и гидродина- мическое состояние трансформатора (рис. 1) составляло около 300 тыс., при этом минималь- ная площадь ячейки составляла 1,24·10-4 м2, а максимальная – 3,55·10-2 м2, что характеризует степень неравномерности сетки. Известно, что при конвективном тепло- обмене как интегральные, так и локальные характеристики теплообмена определяющим образом зависят от характера и структуры те- чения. Картина температурных и гидродина- мических полей меняется в зависимости от режима охлаждения трансформаторного обору- дования и в течение нестационарного процес- са, при этом на разных этапах нестационарного процесса имеются как количественные, так и качественные отличия. Направление циркуля- ции в отдельных каналах на протяжении не- стационарного процесса может неоднократно изменяться на противоположное. Наибольший интерес результаты численного моделирования представляют на квазистационарной стадии динамического процесса, как наиболее часто встречающиеся в реальной практике эксплуа- тации силовых трансформаторов. Эти резуль- таты приведены в последующем тексте. Численное решение даёт весьма сложную структуру течения [3-5]. Основной особенно- стью конвективных течений при термической гравитационной конвекции в распределённой взаимосвязанной системе каналов является одновременное присутствие зон с различной картиной течения. Детальный характер и кар- тина течения, его интенсивность определяются совокупностью конструктивных и режимных параметров, иными словами картина течения определяется процессом нелинейного взаимо- действия скалярных полей температур, дав- лений и векторного поля скоростей. Допол- нительным осложняющим фактором является наличие сложной геометрии области, в которой происходит циркуляция жидкости. На рис. 3 приведено распределение ра- диальной компоненты вектора скорости пос- редине обмотки высшего напряжения (ВН) в зависимости от высоты. Как видно из резуль- татов расчёта, по высоте обмотки образова- лось 11 групп каналов (приблизительно по 14…15 каналов в группе), в которых характер течения масла имеет преимущественно одина- ковое направление – от оси симметрии на пери- ферию обмотки в сторону боковой стенки бака или в противоположном направлении. Между отдельными группами каналов имеются кана- лы, в которых радиальная компонента вектора скорости существенно меньше, чем в централь- ных каналах группы (застойные зоны). Учи- тывая значительную высоту обмотки ~3 м, на рис. 4 представлен отдельный фрагмент этого распределения радиальных компонент векто- ров скоростей в выбранном диапазоне по высо- те (четвёртая группа каналов при отсчёте снизу обмотки). Качественно образование зигзагообразного движения охлаждающей жидкости в горизон- тальных каналах можно объяснить взаимодей- ствием полей скорости и возникающего при движении поля давления, которые в результа- те нагрева масла и влияния архимедовой силы сначала инициируют движение в одном на- правлении горизонтальных каналов, а после достижения определённого уровня градиента ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №230 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ давления в результате действия закона сохране- ния массы возникает торможение движения и инверсия его направления. На рис. 3 и 4 отчётливо видны группы го- ризонтальных каналов, в которых движение происходит в направлении от оси симметрии в сторону боковой стенки бака и в которых жид- кость движется в противоположном направ- лении. Таким образом, можно прийти к выво- ду, что в совокупности каналов формируется макроструктура течения в последовательных группах однотипных каналов (от 3 до 15 кана- лов в зависимости от режима охлаждения, мощ- ности и распределения объёмных тепловыделе- Рис. 3. Распределение радиальной компоненты вектора скорости по относительной высоте обмотки ВН с 1-й (внизу) по 156-ю катушку (вверху). ний, а также этапа динамического процесса). Направление течения в соседних группах кана- лов должно быть противоположным, что детер- минируется законом сохранения массы (урав- нением неразрывности). При этом, как видно из рис. 4, максимальное значение радиальной компоненты вектора ско- рости в этой группе каналов ~ 2,2·10-3 м/с имеет место приблизительно в среднем канале груп- пы. В остальных каналах группы максималь- ное значение скорости уменьшается приблизи- тельно по параболическому закону. В крайних каналах группы величина радиальной компо- ненты вектора скорости на порядок меньше ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №2 31 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ (1,4·10-4…2,1·10-4 м/с) и процесс теплоперено- са в них происходит, по видимому, преимуще- ственно за счёт механизма теплопроводности. Качественно аналогичный характер течения наблюдается и в остальных группах каналов с одинаковым направлением радиальной компо- ненты вектора скорости. На рис. 5 представлено изменение пере- пада полного давление по высоте обмотки на касательных к внутренней и наружной поверх- ностях. Как видно из рис. 3 и 5 качественный характер изменения по высоте радиальной ком- поненты вектора скорости и перепадов давле- ния близки между собой. Поле температур в катушках обмоток так- же теряет осевую симметрию, что связано со сквозным течением охлаждающего масла в выделенном направлении по радиусу катушек как это представлено на рис. 3 и 4. Локальные максимумы температур в катушках сдвигают- ся в сторону направления градиента скорости. Распределение по высоте обмотки наиболее на- гретых точек каждой из катушек имеет немо- нотонный характер. Совокупность локальных максимумов температуры каждой из катушек обмотки располагается на кривой, качествен- но напоминающей синусоиду, т.е. имеющей S-образный вид в зависимости от аксиальной Рис. 4. Распределение радиальной компоненты вектора скорости по высоте обмотки ВН с 42-й (внизу) по 57-ю катушку (вверху). ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №232 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ координаты (высоты обмотки). На рис. 6 приведено распределение коэф- фициентов теплоотдачи на верхней и нижней поверхности 50-й снизу катушки обмотки ВН (состоящей из 156 катушек), т.е. катушки в ко- торой радиальная компонента вектора скоро- сти имеет максимальное значение. При этом радиальная компонента вектора скорости в нижнем (нижепримыкающем к катушке) ка- нале несколько больше, нежели в верхнем горизонтальном канале. В подавляющей по площади средней части горизонтальных поверх- ностей значения коэффициентов теплоотдачи ~ 100 Вт/м2хК. В областях, примыкающих к внутреннему и наружному вертикальному охлаждающему каналу, в результате разруше- ния (образования) пограничных слоёв на бо- ковых вертикальных поверхностях катушек локальная разность температур между поверх- ностью катушки и маслом минимизируется, а коэффициент теплоотдачи испытывает флук- туации. Рис. 5. Распределение перепада полного давления по высоте обмотки ВН. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №2 33 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Рис. 6. Распределение коэффициентов теплоотдачи по радиусу верхней и нижней поверхности 50-й снизу катушки обмотки высшего напряжения. Для сравнения с эмпирическими данными использовалась корреляция, представленная в работе Hong S. W., Morcos S.M., Bergles A.E. [12], на которую, в качестве применимой для анализа теплового состояния катушечных об- моток силовых трансформаторов, ссылается автор работы [13]. В работе [12] получена эм- пирическая корреляция данных для полностью развитой естественной конвекции произволь- ной жидкости в горизонтальной трубе, которая записывается следующим образом: 0,3829 16 0,215м м 0,4920,817 Ra 1 Prh −    λ  α = ⋅ ⋅ ⋅ +       , где число Релея 3 с-мRa pg h cβ ∆ϑ ρ = νλ . Для горизонтальных каналов коэффициент теплоотдачи и число Нуссельта при естествен- ной конвекции в работе [12] находились следу- ющим образом: в качестве определяющего раз- мера для горизонтального канала используется его высота, а качестве определяющей темпера- туры жидкости – средняя температура масла в сечении канала, в котором определяется ло- кальная теплоотдача. При проведении расчётов по вышеприведённой эмпирической формуле (число Релея для верхней поверхности катуш- ки равнялось 5,9·103, а для нижней поверхно- сти катушки 3,5·103) коэффициент теплоотда- чи для верхней поверхности катушки составил 118 Вт/м2 хК, а для нижней поверхности катуш- ки – 105. При усреднении данных численных расчетов, представленных на рис. 5, коэффи- циент теплоотдачи для верхней поверхности катушки составил 128 Вт/м2 хК, а для нижней поверхности катушки – 113 Вт/м2 хК. Выводы 1. С помощью CFD-моделирования прове- ден анализ особенностей течения масла в гори- зонтальных межкатушечных каналах обмоток трансформатора и связанных с ними особенно- стей теплообмена катушек с маслом. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №234 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 2. Выявлены гидродинамические конвек- тивные структуры и связанные с ними распре- деления температурного поля, которые опреде- ляются локально-неоднородным движением высоковязкой жидкости (Pr = 50...500) вслед- ствие тепловой гравитационной конвекции, со- провождающейся рециркуляцией и вихревыми течениями. В результате этого в объёме бака трансформатора, а также в горизонтальных и вертикальных каналах обмоток образуются устойчивые структуры в виде зигзагообразного и/или петлеобразного движения масла по груп- пам горизонтальных каналов. 3. Зигзагообразное движение масла по группам горизонтальных каналов приводит к изменению скорости движения масла в диапа- зоне 1·10-4…2·10-3 м/с, а коэффициента тепло- отдачи 0…110 Вт/(м2хК). ЛИТЕРАТУРА 1. Рассальський О.М. Аналіз і розрахунок теплових режимів силового електроустаткуван- ня: / М-во освіти і науки України, Запоріз. нац. техн. ун-т. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2005. – 144 с. 2. Киш Л. Нагрев и охлаждение трансфор- маторов /Пер. с венгерского. Под ред. Г.Е. Тар- ле. – М.: Энергия, 1980. – 208 с., ил. – (Транс- форматоры; Вып. 36). 3. Круковский П.Г., Яцевский В.А., Конто- рович Л.Н., Иванков В.Ф., Юрченко Д.Д. Ме- тодические подходы к CFD-моделированию тепловых режимов силовых масляных транс- форматоров // Промышленная теплотехника. –2008.–№ 6. – С. 57 – 66. 4. Круковский П.Г., Яцевский В.А., Конто- рович Л.Н., Иванков В.Ф., Юрченко Д.Д. CFD- моделирование теплообмена в катушечных обмотках трансформаторов при естественной конвекции охлаждающего масла // Промыш- ленная теплотехника. – 2009.– №4. – С. 17 – 26. 5. Круковский П.Г., Яцевский В.А., Конто- рович Л.Н., Иванков В.Ф., Хуторный В.М. CFD - анализ теплового состояния обмоток масля- ных трансформаторов при критических разме- рах горизонтальных охлаждающих каналов // Промышленная теплотехника. – 2009. – №6. – С. 35 – 45. 6. Николис Грегуар, Пригожин Илья. Поз- нание сложного. Введение = Exploring complexity. An introduction / Пер. с англ. В.Ф. Пастушенко, М.: URSS, изд-во ЛКИ, 2008. – 342 с. 7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретиче- ская физика Т. VI. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. – 736 c. 8. Приходько А.А. Компьютерные техноло- гии в аэрогидродинамике и тепломассообмене. Киев: Наукова думка, 2003. – 380 с. 9. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов теп- ло- и массообмена. М.: Наука, 1984. – 288. 10. Мемедляев З.Н. Тепломассообменные аппараты и реакторы с самоорганизацией пото- ков / З.Н. Мемедляев, П.Ф. Бондарь, А.А. Ильи- ных, В.М. Москалик // Хім. пром-сть України. – 2000. – № 1-2. – С. 72–75. 11. Панченков А.Н. Энтропийный механизм самоорганизации тепловых структур / А.Н. Панченков, М.Н. Борисюк // Систем. технології. Мат. пробл. техн. механіки. – Д., 2001. – № 2 [Спец. вип.] . – С. 123–127. 12. Hong, S.W., Morcos, S.M., and Bergles, A.E. Analytical and Experimental Results for Combined Forced and Free Laminar Convection in Horizontal Tubes," presented at the 5th International Heat Transfer Conference, Tokyo, Japan, September, Heat Transfer 1974, Vol. III, The Japan Society of Mechanical Engineers, Tokyo. – Р. 154–158. 13. Одаренко Ю.М. Розвиток методів подібності при теплообміні в охолоджуючих каналах обмоток трансформаторів для удос- коналення їх теплового захисту. Авторефе- рат дис. на здоб. наук. ступ. канд. техн. наук. Дніпродзержинськ. 2006. – 19 с. Получено 03.02.2011 г.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60314
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0204-3602
language	Russian
last_indexed	2025-12-02T09:18:02Z
publishDate	2011
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
record_format	dspace
spelling	Яцевский, В.А. Круковский, П.Г. 2014-04-14T06:39:45Z 2014-04-14T06:39:45Z 2011 Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов / В.А. Яцевский, П.Г. Круковский // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 24-34. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60314 542:536.252/255:621.314.212 Проведено компьютерное моделирование температурных и гидродинамических полей в силовом маслонаполненном трансформаторе с помощью программы ANSYS-FLUENT. Анализ картины течения в системе взаимосвязанных каналов позволил выявить самопроизвольное зигзагообразное течение масла по группам горизонтальных каналов. Проведено комп'ютерне моделювання температурних і гідродинамічних полів у силовому маслонаповненому трансформаторі за допомогою програми ANSYS-FLUENT. Аналіз картини течії в системі взаємопов'язаних каналів дозволив виявити мимовільну зигзагоподібну течію масла по групам горизонтальних каналів. A computer simulation of temperature and hydrodynamic fields in the power oil filled transformers using ANSYS-FLUENT. Analysis of flow patterns in a system of interconnected channels revealed spontaneous zigzag for oil in groups of horizontal channels. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные аппараты Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов Features of hydrodynamics and heat transfer by oil flow in the interconnected channels coil windings of power transformer Article published earlier
spellingShingle	Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов Яцевский, В.А. Круковский, П.Г. Тепло- и массообменные аппараты
title	Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов
title_alt	Features of hydrodynamics and heat transfer by oil flow in the interconnected channels coil windings of power transformer
title_full	Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов
title_fullStr	Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов
title_full_unstemmed	Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов
title_short	Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов
title_sort	особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов
topic	Тепло- и массообменные аппараты
topic_facet	Тепло- и массообменные аппараты
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60314
work_keys_str_mv	AT âcevskiiva osobennostigidrodinamikiiteploobmenapritečeniimaslavovzaimosvâzannyhkanalahkatušečnyhobmotoksilovyhtransformatorov AT krukovskiipg osobennostigidrodinamikiiteploobmenapritečeniimaslavovzaimosvâzannyhkanalahkatušečnyhobmotoksilovyhtransformatorov AT âcevskiiva featuresofhydrodynamicsandheattransferbyoilflowintheinterconnectedchannelscoilwindingsofpowertransformer AT krukovskiipg featuresofhydrodynamicsandheattransferbyoilflowintheinterconnectedchannelscoilwindingsofpowertransformer

Особенности гидродинамики и теплообмена при течении масла во взаимосвязанных каналах катушечных обмоток силовых трансформаторов

Institution

Ähnliche Einträge