автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Использование низкопотенциальных тепловых вторичных энергоресурсов масляных систем охлаждения энергетических аппаратов

уїб

-ОМ 80

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ 1 НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 697.34

КОЛЕСНІК Наталія Юріївна /

у

ВИКОРИСТАННЯ НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНИХ ТЕПЛОВИХ ВТОРИННИХ ЕНЕРГОРЕСУРСІВ МАСЛЯНИХ СИСТЕМ ОХОЛОДЖЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ АПАРАТІВ

05.23.03 - Вентиляція, освітлення та геплогазопостачання

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 2000

Дисертацією Є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва т архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Редько Олександр Федорович, завідува1

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

кафедри теплогазопостачання і вентиляції Донбаської державної академії будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Немировський Ілля Абрамович, начальник відділу Харківської обласної державної інспекції по енергозбереженню

Провідна установа: Харківський державний політехнічний університет, кафедра

теплотехніки, Міністерство освіти і науки України

Захист відбудеться “ Ц “ 2000 р. о год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 у Харківському державному технічном університеті будівництва та архітектури ( 61002, м.Харків, вул. Сумська, 40)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічног університету будівництва та архітектури.

Автореферат розісланий 2000р.

Актуальність роботи. В умовах гострої нестачі природних ресурсів для України актуальним є завдання використання теплових вторинних енергетичних ресурсів / ТВЕР/.

Згідно наявних даних, у малій енергетиці споживається близько 50 % усіх енергоресурсів України. Загальна ефективність використання природного газу у централізованих системах теплопостачання складає біля 40 %. Крім того, об'єкти комунальної енергетики Є значними джерелами забруднення повітряного басейну.

Нарівні із загальновідомими джерелами високопотенційних ТВЕР варто звернути увагу на низькопотеїіційні, що максимально наближені до споживачів і досі не використовуються. Таким джерелом Є системи водяного й масляного охолодження енергетичних апаратів, наприклад, охолодження силових трансформаторів, які Є на всіх промислових підприємствах, об’єктах інфраструктури комунального господарства, в житлових комплексах. Існуючі системи охолодження трансформаторів не придатні для цієї мети у зв’язку з низьким коефіцієнтом тепловіддачі від масла до теплосприймального середовища, який не можна підвищити навіть при вимушеному рухові середовищ. •

Мета роботи. Створення способу та схеми використання иизькопотенційних ТВЕР для потреб гарячого водопостачання на базі підвищення ефективності систем охолодження силових трансформаторів та розробка методик їх розрахунку.

Завдання_________дослідження. Створення системи охолодження

трансформаторів нового типу з використанням двокомпонентного двофазного потоку “рідина — пара легкиплячої рідини”. Розробка схеми гарячого водопостачання з використанням теплоти цієї системи охолодження. Теоретичне та експериментальне вивчення роботи запропонованої системи охолодження, її особливостей та ефективності використання. Розробка методики теплового й гідродинамичного розрахунку масляного вертикального теплопередавального каналу при двофазному потоці “трансформаторне масло - бульбашки пари”. Розробка інженерної методики теплового й гідродинамічного розрахунку теплового контура, а також рекомендацій по його конструюванню.

Наукова новизна. Розроблені комбінована масляно-випарна дисперсна система охолодження силових трансформаторів і схема гарячого

водопостачання з використанням тепла від цієї системи. Розроблена інженерна методика розрахунку системи гарячого водопостачання з джерелом теплоти від систем охолодження енергетичних апаратів.

Запропонована методика теплового й гідродинамічного розрахунку вертикального теплопередавального каналу при двофазному потоці “трансформаторне масло - бульбашки пари”. Створено методику інженерного розрахунку теплового контура запропонованої системи охолодження силових масляних трансформаторів. Одержано експериментальні дані щодо визначення стаціонарного температурного поля в масляному каналі між обмоткою та стінкою бака трансформатора і в охолоджуючих трубах при використанні масляно-випарної системи охолодження.

Практична цінність. Результати досліджень застосовані при створенні дослідного зразка комбінованої системи охолодження трансформаторів типу ТМ, а також при розробці схеми гарячого водопостачання каналізаційної насосної станції продуктивністю 400- 2000 м3/годину з джерелом теплоти від створеної системи охолодження трасформаторів. Дослідний зразок комбінованої масляно-випарної системи охолодження трансформатора ТСМА 100/6 пройшов промислові випробування і експлуатується на Харківському підприємстві міських електричних мереж. Результати досліджень використовуються у навчальному процесі в Харківській державній академії міського господарства.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась в рамках договору про творчу співдружність між Харківським підприємством міських електричних мереж та Харківським інженерно-будівельним інститутом з 1984 р. по 1985 р. з метою створення нової, більш ефективної, комбінованої масляно-випарної системи охолодження трансформаторів малої та середньої потужності та була продовжена у рамках Госбюджетного договору 0045 Харківського Державного технічного університету будівництва та архітектури “Енерго та ресурсосберегаючі технології раціонального використання палива в будівельному виробництві” за наказом Міносвіти України № 37 від 13.02.1997 р. з метою використання теплоти створеної системи охолодження енергетичних апаратів у житлово-комунальному секторі.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідалися та обговорювалися на науково-технічних конференціях Харківської державної академії міського господарства у 1990 р. та 1992 р., на 51(1996р.)-55(2000р.) щорічних науково-технічних конференціях Харьківського державного

технічного університете 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.

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 18 статей, з них 1 посібник і 3 авторских свідоцтва на винахід СРСР.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використованої літератури, що містить 131 джерело, додатку. Вона має 205 сторінок, з них 144 сторінки машинопісного

тексту, 28 рисунків та 33 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведено літературний огляд та аналіз використання низькопотенційних ТВЕР, пристроїв для застосування масляних трансформаторів, а також методів аналізу двофазних потоків та теплообміну в них.

Аналіз показав, що найбільш перспективною є ідея створення установки, що поєднувала б головні переваги масляного й випарного охолодження, а теплоту охолодження було використано для гарячого водопостачання.

У другому розділі запропоновано спосіб охолодження масла (наприклад, трансформаторного), заснований на комбінуванні двох способів: звичайного конвективного (в радіаторі) і випарного охолодження масла, на основі якого зроблено охолоджуючий пристрій (авт. свід. СРСР № 1262219 від 8.06.1986 р.).Застосовуючи цю схему до трансформаторів малої та середньої потужності, розроблено схему комбінованої масляно-випарної системи охолодження, поданої на рис. 1.

До особливостей роботи системи охолодження відносяться:

1) її автоматичне включення в роботу при досягненні в місці надходження хладону (наприклад, фреону-113) температури масла, що перевищує температуру кипіння хладону. При зниженні електричного навантаження чи повному відключенні трансформатора від мережі вся пара хладону сконденсується, частина рідкого хладону (його густина вдвічі більша, ніж масла) залишається у трубах 5 і 13, а інша частина збирається у ванночку 13;

Рис. 1. Комбінована масляно-випарна система охолодження трансформаторів та система гарячого водопостачання

І-бак трансформатора; 2-джерела теплоти (обмотки, котушки); 3- труба вводу рідкого хладону; 4- перфорований наконечник; 5- опускна труба подачі рідкого хладону; 6- конденсатор пари хладону; 7- трансформаторне масло; 8- бульбашки хладону; 9- паровідводна труба; 10-телловіддаючі (охолоджуючі) труби радіатора масляної системи охолодження; 11, 12-отвори відводу в тепловіддаючі труби з баку гарячого і повернення холодного масла; 13 - ванночка збирання хдадона в неробочому стані; 14- роздавальний колектор, що розподіляє рідкий хладон по грубах 3; 15 й 16-відповідно вентиль і патрубок заливу системи хладоном; 17- бак-акумулятор; 18-трубопровід холодної води; 19- трубопровід гарячої води; 20- сигнальний трубопровід; 21- переливний трубопровід; 22- зливний трубопровід; 23-піддон.

2) час прогріву краплин хладону до температури насичення' значно зменшується при зниженні відривного розміру краплин, ідо' й стало підставою для встановлення на кінці труб 5 наконечника 4 із соплами;

3) при автоматичному включенні в роботу цієї додаткової циркуляційної системи, підйомна частина масляного циркуляційного контура заповнюється сумішшю масла з парою хладагента, густина якої значно меньша за середню густину масла в звичайному контурі циркуляції, зростає і рушійний напір циркуляції, що приводить до різкої інтенсифікації руху масла в контурі 11-10-12-11, режим руху масла уздовж всього масляного каналу стає турбулентним, різко зростають коефіцієнти тепловіддачі в місцях підведення й відведення теплоти, що знижує максимальну температуру обмоток трансформатора і підвищує середню температуру масла у тепловіддаючих трубках радіатора 10;

4) при надходженні хладагента в гаряче масло, що має температуру кипіння хладону, він знаходиться у рідкому стані й випаровується лише мала його частина завдяки конвекції. При подальшому зростанні температури масла хладон починає інтенсивно випаровуватися, у процесі чого можливе залучання до руху малої частки рідкого хладону у вигляді краплин.

У третьому__________позділі розроблена математична модель

тепломассообміну при двофазному потоці в каналі між обмоткою (джерелом теплоти ) та стінкою трансформатора. Запропоновано метод розрахунку руху дисперсного потоку у цьому каналі.

З огляду літератури зроблено висновок, що в масляному каналі між обмоткою і стінкою трансформатора утворюється дисперсна система “рідина-бульбашки пари легкокиплячої рідини”, яка за класифікацією дисперсних середовищ є гетерогенним бульбашковим середовищем, що широко використовується в технічних пристроях. Як відомо з робіт по випарному охолодженню, при подачі в перегріту рідину рідини, що має низьку температуру кипіння, вона закипає, утворюючи велику кількість бульбашок пари. Якщо легкокиплячу рідину подавати в порожнину наконечника, що має велику кількість отворів - сопел і розташований у перегрітій рідині, частина цієї рідини буде закипати безпосередньо в порожнині наконечника і надходити до перегрітої рідини у вигляді пари, а друга частина у вигляді краплин.

Розглянуто рух двофазної системи, що Є двошвидкісним двотемпературним контінуумом взаЄмопроникаючих середовищ різної густини у вигляді системи диференційних рівнянь;

( 1 - ф)рі(у,У) V, = — (1 -ср)\'Р,+ (1 — ф ) і 1^, V2 V, +(1 - ф) VI, '+

Ф р2 ( у2 V) У2 = - фУР2 + і <Р(Д2 V2 У2 + фУт21 - Зя с12 у.2 ф (уг - VI) - фФ; (2) де: індекс “1” ставиться до суцільного середовища (масла);

Для визначеності в подальшому побудовано ідеалізовану картину сформованого в масляному теплопередавальному каналі трансформатора бульбашкового двофазного струму “рідина-пара”. У даній ситуації доцільно піти на такі припущення:

- швидкість сплиття бульбашок постійна як за абсолютною величиною, так і щодо суцільного середовища;

- щільність фаз практично не змінюється;

- фізичні параметри фаз, такі як теплоємкість, теплопровідність, козфіцієнти в’язкості, дифузії постійні;

- кількість пари в рідині постійна у часі по всьому об’єму масляного теплопередавального каналу;

- розмір включень та неоднорідностей в суміші більший за молекулярно-кінетичні розміри;

- розмір неоднорідностей значно менший відстаней, на яких мікроскопічні чи усереднені параметри суміші фаз змінюються суттєво.

З урахуванням граничних умов х = у = 0, VI = 0,

+ (1 - ф)Зяс12ц,0,2-У|)п + (1 - ф)Ф;

“2" - до дисперсної фази (хладагента);

Ф - імпульс сил, що виникають при обміні фаз масою.

х = у = І, у, = v2 = умах

(3)

після ряду перетворень рух двофазної системи набуває вигляду:

де ст - параметр розподілу змінних, су = 1п(\’2 / V,) / кі;

Зяёг Ці п - 1 )

к і —________уо_1‘

к =

(5)

( V* + дт/р')Ь

Р*(у* + Цт/Р*)

(6)

V =

(7)

де: \0- усереднена по всьому об'єму швидкість потоку.

З рівняння (4) можна визначити швидкість руху суцільного середовища (масла) під час руху двофазного потоку у вертикальному теплопередавальному каналі, що дає змогу знайти швидкісний коефіцієнт, який розраховується під час визначення перепаду температур на поверхні обмотки й масла.

Розглянуто процеси тепломасопереносу на основній ділянці струминного потоку в дисперсному двофазному середовищі “газ-рідина”.

Система рівнянь енергії для кожної з фаз має вигляд:

де : я і - зміна енергії в суцільному середовищі при його фазовому

переході внаслідок теплообміну між рідиною та парою;

Яг - зміна енергії хладагента внаслідок випарування рідини в бульбашки пари.

Після ряду перетворень отримано рівняння енергії дисперсного потоку:

(8)

(9)

Т, = ехр(о,х)[ С, І, ( V 2Ьу) + С2Ы, ('12Ьу) ];

де: Ь = стд__А і ;

А

Сі - параметр розподілу змінних, СГ| = 1п (Тк / Тн);

і+._2^Ь_

(1-р)д,Т,

+ <ру^

(1 - <р) У,т,

Аі = -

1 - схр(сг- к{ 2)| схр (сг/ £,)

(12)

її таЫр функції Бесселя і Неймана першого порядку;

С| та С2 - константи'інтегрування, що визначаються рішенням рівняння (10) та граничними умовами:

X = 0; У = 0; Г, = Тст;

X = 0; У = 1; Г, =ТИ;

X = 1; У = 1; Т,=ТК. (13)

З використанням граничних умов визначено константи інтегрування та параметр розподілу змінних.

Температура стінки визначається при зніманні потрібної кількості теплоти із стінки заданої площі, величина якої встановлюється під час розрахунку електричної частини трансформатора. Кінцева температура масла відома з умов максимально можливої температури стінки при нормальній експлуатації трансформатора. Початкову температуру масла знаходимо з теплотехнічного розрахунку трансформатора.

Кількість теплоти, що йде на випаровування легкокиплячої рідини, практично повинна збігатися з кількостю відведеного від стінки теплоти тому, що теплота, відведена конвекцією крізь охолоджуючі труби трансформатора, є незначною (близько 17 % від теплоти випаровування).

З цієї умови можна знайти кількість хладагента, потрібну для введення в робочу порожнину трансформатора:

\У = Срг2+'Ср(М)СмДІ. (Н)

Теплота, яку знімає дисперсійний потік з охолоджуваної поверхні:

W = YF — (exp tT, - і) (T,, - t„) ;

(15)

де: Y

_ д* [Щ \qi„(y]Щ+с^0{Щ\у = о 2 (T, r - t„) ’

(16)

X* = a* cP p*;

nr — Ти + T, 10----------------------r----------

1 + -

a* — \- T" I ' і / ,

(3Tj

Була вирішена задача про теплообмін між бульбашками пари і навколишнім середовищем (маслом).

Рівняння теплового балансу для процесу теплообміну між бульбашками хладону і оточуючим середовищем має вигляд:

1 . р. (\1\

Н0 А З-' (З-2' г дг

Після розподілу змінних за методом Фур'є рівнянням (21), з якого можна знайти температуру нагріву бульбашок, має вигляд:

Т2 = ехр (-Н0 о21) [ Сз ехр Рі г1 + С4 ехр Р2г']; (18)

„ - Pe + JPe2 - 4а2 п - Ре -JPe2 -4сгг

де: Р, =---------------------; Р2 =------------^----------

Но ~ з г т0/г02; Ре — V(yr г0/а г; гь — Hm/vq,

Vqt- V2-V|.

Сз й С4 - константи інтегрування, що визначаються рішенням рівняння (18) та граничними умовами:

t-0; г1 -0; Тг-Ткип;

t = 0; г1 = 0,9; Т2 = Т„;

t = 1; r'=l; Т2=ТК. •

ст2 - параметр розподілу змінних, який можна знайти з розв'язання рівняння:

Тк = ехр (~с2 Н0) [ С3 ехр Рі + С4 ехр Р2 ]; (20)

З умови досягнення Т2 = 0,95 Тк знайдено час нагрівання бульбашок хладону:

х = то In [ ( С3 ехр Рі + С4 ехр Р2) / 0,95 Тк ] / Н0 а2. (21)

Для основного режиму роботи силових трансформаторів, що характеризується стабілізацією температури масла у верхніх шарах, були визначені температурні поля масла, яке рухається у теплопередавальному каналі трансформатора ТСМА 100/6 і спливаючих в ньому бульбашок хладону (див. рис. 2,3). Виконано також розрахунок часу нагрівання бульбашок хладону за допомогою рівняння (21) і шляху, який вони проходять за цей час при використанні запропонованої системи охолодження, з якого зроблено висновок, що бульбашки відбирають тепло від масла на шляху, що дорівнює 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 порівнянні з існуючою.

<2

ІО

OJ

0,6

0,4

0,1

0

Т,°С

У S'-

✓ У

,

%°С

Рис. 2. Зростання температури масла залежно від кординати X уздовж бака трансформатора (при Х=0, Н = 300мм; при Х=1, Н = 930мм.

Розрахунок здійснено за /11/)

Рис. 3. Розподіл температури всередині бульбашки пари хладагента залежно від часу часу сплиття І (Розрахунок здійснено за /19/).

Було зроблено порівняння графіка, наведеного на рис.2 з графіком зростання температури масла уздовж висоти бака трансформатора такої ж номінальної потужності з існуючою масляною системою охолодження, наведеного в літературі, з якого було зроблено висновок, що впровадження запропонованої комбінованої масляно-випарної системи охолодження . трансформаторів дозволяє знизити температуру масла у верхній частині бака на 20-25° С і, як результат цього, зменшити втрати потужності, що дає можливість підвищити номінальну потужність трансформатора; а також дозволяє знизити приріст температури масла уздовж висоти бака трансформатора на 15-20° С , що знижує знос ізоляції і збільшує термін її служби. З аналізу графіка, наведеного на рис.З можна зробити висновок, що, розподіл температури всередині бульбашки пари хладагента залежить від часу сплиття несуттєво, тому у подальших дослідженнях не використовувался.

Четвертий розділ присвячений експериментальному дослідженню роботи запропонованої системи охолодження. Мета досліджень -підтвердження прийнятих припущень і зроблених на їх основі теоретичних висновків, а також вивчення особливостей роботи й ефективності цієї системи охолодження. Описана дослідна установка та контрольно-вимірювальні прилади, наведена методика проведення експерименту. Визначено розподіл температури масла за висотою бака та довжиною радіатора, тобто охолоджуючих труб, зміну температури масла в характерних точках трансформатора при нагріванні його обмоток протягом певного часу, величину електричних характеристик для встановлення потужності трансформатора.

Для досліджень була разроблена установка, схема якої наведена на рис. 1. Вона складається з серійного трансформатора ТСМА 100/6, на верхньої кришці бака якого встановлено конденсатор, що являє собою дві паралельно підключені мідні трубки, кожна довжиною 0,5 м і діаметром 20 мм з петльовим оребренням, діаметр ребра 0,65 • 10"3 м; гольчастий вентиль і латунна паровідвідна труба діаметром 1,9 • І О'2 м. Конденсатор з'єднай з баком за допомогою мідних опускних трубок діаметром 6 мм подачі рідкого хладону. Між котушкою і стінкою бака, а також в одній з тепловіддаючих трубок радіатора встановлені мідно-константанові термопари, об'єднані в два термоблоки, показання яких реєструються потенціометром ЕПП-09. Як хладагент використано фреон - 113 з температурою кипіння = 47,68° С при Р = 1 атм.

Трансформатор випробували в режимі короткого замикання. За результатами досліджень одержано графіки (див. рис. 4,5,6), з аналізу яких можна зробити такі висновки:

И, мм). ЮОО 900 800 700 600 500 400 3 00 100

т

о

І

г

-л

7

7

-Т,°С

35-5? 33 Ні Ні КП К 51 53 $5 £Г £361^65 ЄІ 63 К

Рис. 4 - Зростання температури масла за висотою бака трансформатора за результатами досліджень: Л - існуюча (заводська) система охолодження; * -запропонована система охолодження.

Цнп

т

т

600

£00

ЯОй

ш

т

101

о

\РкВА

І

3633 и 45 &0&Є663 ‘С го 1$ 30 35 40 & 5035 6065 70 7^°С

І

г,ос г,?о г,50 гр г,оз № /а? №

р- ! 1

1 1

1 1 1

Рис. 5. Зростання температури масла за довжиною охолоджуючої труби із запропонованою ( О ) та існуючою (*) системами охолодження.

Рис. 6. Втрати потужності трансформатора залежно від температури у йо го баці із запропонованого( □ ) та існуючою^) системами охолодження.

1) введення запропонованої хладонової системи охолодження дозволяє

при постійному тепловому навантаженні знизити температуру масла у верхній частині бака на 20-25° С і, як результат цього, зменшити втрати потужності на 19 % (0,53 кВА), шо сприяє підвищенню номінальної

потужності трансформатора до 105 кВЛ беї збільшення кількості фреону:

2) розрахунком встановлено, що впровадження запропонованої хладонової системи охолодження дозволяє знизити приріст температури масла

уздовж висоти бака трансформатора, що, в свою чергу, як відомо з літератури, знижує знос ізоляції і збільшує термін її служби;

3) за допомогою графіка, наведеного на рис. 4, можна визначити густину теплового потока на поверхні обмотки по всій її довжині, а не брати його усереднену величину, як це тепер робиться, і знайти розмір поперечного перерізу витка проводу обмотки;

4) під час використання додаткової фреонової системи охолодження створюється гідродинамічна ситуація, що сприяє інтенсифікації тепломасопереносу як у баці трансформатора, так і в охолоджуючих трубках радіатора, в яких при цьому, як видно з рис. 5, відбувається більш повне й рівномірне по всієї довжини трубок охолодження масла. Охолодження трансформатора здійснюється в основному в баці, а не в охолоджуючих трубках, як це спостерігається з існуючою (масляною) системою охолодження;

5) слід відзначити добру відповідність (у межах 5%) одержаних теоретичних та експериментальних даних, що підтверджує зроблені розрахункові припущення.

У п’ятому позділі розроблено схему системи гарячого водопостачання, де комбінована масляно-випарна система охолодження трансформаторів використана як джерело теплоти (див. рис. 1).

Метою розрахунку запропонованої системи гарячого водопостачання є теплотехнічний розрахунок, а також визначення ємкості и розмірів бака-акумулятора. Розрахунки виконували для силових трансформаторів різної потужності, на підставі яких створено графік для підбору ємкості бака-акумулятора, наведений на рис. 7.

Уак.А і Я?

/56 /І5 іЬЧ /53

1Ы

О т ЮО 300 Ш 500 600 ^*8А :

Рис. 7 Графік для підбору ємкості бака-акумулятора З графіка видно, що ємкість бака-акумулятора і , як результат цього, ііого габаритні розміри зменшуються із збільшенням потужності трансформатора.

У цьому розділі також викладено інженерний метод розрахунку запропонованої системи гарячого водопостачання на прикладі каналізаційної насосної станції продуктивністгю 400-2000

м3/годину з трансформаторами ТМ 400/6 кВА. При використанні даної системи стає можливим у літньому режимі вимикати існуючі теплопроводи, що приводить до економії палива за рахунок вторинних енергоресурсів, яке необхідно було б спалити для покриття теплового навантаження на 454,3 кг / рік, і досягається екологічний ефект, що виявляється у зниженні викидів в атмосферу золи - 122,7 кг/рік; окису сірки - 23,6 кг/рік; окису вуглецю - 5,5 кг/рік.

Розроблені рекомендації по конструюванню запропонованої системи гарячого водопостачання та охолодження трансформаторів.

ВИСНОВКИ

1. Запропоновано новий ефективний спосіб охолодження масла,

заснований на комбінуванні двох способів: звичайного конвективного та випарного, що дає можливість значно інтенсифікувати тепломасообмін у контурі циркуляції масла і таким чином знизити температуру масла у порівнянні з іншими способами охолодження ( авт. свід.СРСР № 1262219 від 8.06.1986 р.). '

2. Розроблено математичну модель тепломасообміну при двофазному потоці у каналі між обмоткою (джерелом теплоти) та стінкою трансформатора. Запропоновано метод розрахунку руху дисперсного потоку, на підставі якого розв'язано системи диференційних рівнянь, що описують рух дисперсійного двофазного потоку та процеси тспломасопереносу в ньому з граничними умовами 3-го роду, що дає змогу визначити швидкісний коефіцієнт, який розраховується під час встановлення перепаду на поверхні обмотки та масла, а також розподіл температури уздовж висоти масляного теплопередавального каналу..

3. При моделюванні двокомпонентного двофазного потоку уздовж висоти теплопередавального каналу встановлена залежність температури суцільного середовища від висоти каналу та часу прогріву дисперсної фази (бульбашок) від часу сплиття, а також залежність швидкості суцільного середовища від геометричних розмірів теплопередавального каналу. Розроблений на підставі математичної моделі алгоритм дозволяє розрахувати поля температур та швидкостей середовищ двофазного потоку.

4. Розроблено схему системи гарячого водопостачання, де комбінована

масляно-випарна система охолодження енергетичних апаратів

використовується як джерело теплоти; кількість теплоти, що відводиться від масла складає близько 2 % від потужності апарату. Здійснено розрахунок запропонованої системи гарячого водопостачання, на базі якого одержано графік для підбору ємкості бака-акумулятора задля силових трансформаторів різної потужності.

5. На підставі запропонованого способу розроблено, а також теоретичними та експериментальними дослідженнями обгрунтовано охолоджуючий пристрій для трансформаторів малої та середньої потужності, тобто комбіновану масляно - випарну систему охолодження, що дозволяє більш ефективно ( близько 40 %) охолоджувати порівняно з існуючими системами трансформаторне масло і , як наслідок цього, підвищити номінальну потужність трансформатора.

6. За результатами обробки експериментальних даних одержано графіки залежності температури масла від висоти теплопередавального каналу та охолоджуючої труби, а також залежності втрат потужності трансформатора від температури масла, що підтверджують ефективність запропонованої системи охолодження, яка виявляється у зниженні температури масла у верхній частини баку на 20-25° С та підвищенні номінальної потужності з 100 до 105 кВА для трансформатора типа ТСМА 100/6 без збільшення кількості хладагента, а також у зменшенні приросту температури масла уздовж висоти бака трансформатора, що знижує знос ізоляції і продовжує термін її служби.

7. Одержано графік, за допомогою якого можна визначити густину теплового потоку на поверхні обмотки по всієї її довжини, а не брати усереднену величину, як це робиться сьогодні, і знайти розмір перерізу витка проводу обмотки.

8. Даються рекомендації по конструюванню запропонованих систем гарячого водопостачання та охолодження трансформаторів.

9. Результати досліджень використано при створенні промислового дослідного зразка комбінованої масляно-випарної системи охолодження трансформатора ТСМА 100/6 , який пройшов промислові випробування та прийнятий в експлуатацію на Харківському підприємстві міських електричних мереж, а також використовуються у навчальному процесі в Харківській державній академії міського господарства.

ОСНОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ

Х,У.Ъ - координати; V - швидкість, м/с; Р - тиск, Н/м2; і - одиничний орт; сі - діаметр, м; п - кількість бульбашок в одиниці об'єму; Оь - секундна витрата пари хладагента, м3/с; § - прискорення сили тяжіння, м/с2; -

секундна витрата пари на одиницю довжини колектора, м2/с; Н - висота напору рідкого хладагента, м; Ро - атмосферний тиск, Н/м2; Ь - висота стовпа масла у трансформаторі, м; 1 - товщина шару, що бере участь у теплообміну із стінкою, а також довжина, м; Т - температура, К; а- коефіцієнт температуропровідності, м2/с; й - маса, кг; W - теплова потужність, що йде на пароутворення хладагента, Вт/годину; сР - теплоємкість, кДж/(кг • °С); Р -поверхня, м2; г - час спливання бульбашок, с; г0 - радіус бульбашки пари, м; Но - критерій гомохронності; Ре - критерій Пекле.

Грецькі символи

р - щільність, кг/м3; <р - об'ємний вміст пари в рідині; V - оператор Гамільтона; ц - коефіцієнт динамічної в'язкості, Н* с/м2; х - час прогрівання бульбашок, с; т' - тензор турбулентних напружень, кг/м2; Я. - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м*К); а - параметр розподілу змінних; £, - коефіцієнт місцевого опору.

Нижні індекси

т - турбулентний; шах - максимальний; ст-стінка; н - початкове значення; к -кінцеве значення; о - усереднене значення; р - рідина; п - пара; м - масло; кип - кипіння.

Основний зміст роботи відображено у таких публікаціях:

1. Колесник Н.Ю. Использование низкопотенциальных ТВЭР в системе горячего водоснабжения. II Научн,- техн. сб. “Коммунальное хозяйство городов”, вып.22, сер.:Технич. науки. - К: Техніка, 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 . - X: 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.

1 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 XXX 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 XXVI научно-технич. конфер. преподавателей, аспирантов и сотрудников ХИИГХ.-Х.: ХИИГХ.-1992.-С.91-92.

АНОТАЦІЯ

Колеснік Н.Ю. Використання низькопотендійних теплових вторинних енергоресурсів масляних сиітем охолодження енергетичних апаратів. Рукопис. Дисертація на. здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання -Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, м. Харків, 2000.

Захищається система використання низькопотендійних теплових вторинних енергоресурсів для гарячого водопостачання на прикладі комбінованої масляно-випарної системи охолодження трансформаторів.

Встановлено, що використання системи охолодження знижує температуру масла в баці трансформатора, збільшує номінальну потужність на 5-10 %, зменшує різницю температур між верхніми та нижніми шарами масла, що скоротчуЄ знос ізоляції та збільшує термін її служби.

Отримані теоретичні та експериментальні залежності дозволяють точно розрахувати густину теплового потоку на поверхні обмотки та знайти розмір поперечного перерізу витка проводу обмотки.

Розроблено, запроектовано та впроваджено дослідний промисловий зразок комбінованої масляно-випарної системи охолодження трансформатора ТСМА 100/6.

Ключові слова: охолодження, гаряче водопостачання, випаровування, інтенсифікація, тепло- й масоперенос, хладагент, двофазна дисперсна система, трансформатор, рідина, 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 масляноиспарительной 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 м /ч с источником теплоти от комбинированной масляно-испарительной системы охлаждения трансформаторов ТМ 400/6 кВА. Предложенная система горячего водоснабжения трансформаторов обеспечивает экономию топливноэнергетических 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 sisters 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 of1 the use of the low- potential heating secondary power resources for hot - water supply on the example of the combined oil- evaporation cooling system for a small and middle power transformers is defended.

It has been determined, that the use of the cooling system diminishes the temperature of the oil in the transformer's container and increases the nominal power of the transformer per 5-10 %, decreases the difference of the temperatures between upper and under layers of the oil and abridges the wear of the insulation and increases the service life.

The received the theoretical and experimental dependencies allows to exactly calculate of the heat flow density on the winding surface and to find the size crosssection 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.

Відповідальний за випуск, к. т. н. В.О. Ткачов

Підписано до друку 22.08.2000 р.

Формат 60x84 1/16 Умов.- друк, аркушів -1.0 Папір друк. № 2 Тираж 110 прим.

Замовлення № 1624

Сектор оперативної поліграфії ЮЦ ХДАМГ 61002,м.Хархів, вул. Революції, 12