автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Теплопередача в двухмерных электрических машинах для нетрадиционной энергетики

Кубанский государственный технологический университет

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ДВУХМЕРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ДЛЯ НЕТРАДИЦИОННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

На правах рукописи

АРИДИ Фуад Мансур

диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Гайтов Б.Х.

Краснодар, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

с.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................11

1.1. Общие сведения.......................................................................11

1.2. Диалектические, технико - экономические и экологические аспекты развития нетрадиционной энергетики............................................12

1.3. К вопросу об электромагнитной совместимости (ЭМС) в нетрадици -онной энергетике......................................................................21

1.4. Развитие нетрадиционной электромеханики, как фактор повышения ЭМС в нетрадиционной энергетике...............................................26

1.5. Выводы и постановка задачи........................................................28

2. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ, ОСНОВ ТЕОРИИ И ЭЛЕКТРО -МАГНИТНО - МЕХАНИЧЕСКОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ДЭМ В СИСТЕМЕ НЕТРАДИЦИОННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ...........................29

2.1. Общие сведения........................................................................29

2.2. Особенности требований к ДЭМ в системе нетрадиционной энергетики..............................................................................30

2.3. Основы теории, конструкция и основные энергетще^ие соотношения

в ДЭМ...............................................................38

2.4. Формирование понятия электромагнитно - мехйййчёвкой совместимости в нетрадиционной энергетике...................................51

2.5. Физико - математическая сущность электромагнитно - механической совместимости ДЭМ...................................................................53

2.6. Электромагнитно - механическая помехоустойчивость ДЭМ...............63

2.7. Выводы...................................................................................67

3. МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ

ПРОЦЕССОВ В ДЭМ...............................................................70

3.1. Общие сведения........................................................................70

3.2. Особенность действия переходных токов в ДЭМ, их предельные значения.................................................................................71

3.3. Тепловое и механическое действие переходных токов. Перенапря -жения в ДЭМ...........................................................................73

3.4. Особенности теплообмена, неустановившийся режим нагревания ДЭМ..80

3.5. Анализ метода теплового исследования. Выбор метода......................89

3.6. Методика исследования температурного поля ДЭМ...........................95

3.7. Выводы..................................................................................108

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ

СТРУКТУРАМИ ТРЁХМЕРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО

ПОЛЯ ДЭМ..........................................................................110

4.1. Общие сведения......................................................................110

4.2. Особенности математического моделирования параллельными структурами температурного поля ДЭМ.........................................112

4.3. Метод параллельных структур в математическом моделировании температурного поля ДЭМ.........................................................117

4.4. Обобщение параллельных структур при математическом моделировании температурного поля............................................128

4.5. Об унификации математической модели параллельных

структур ДЭМ........................................................................134

4.6. Выводы..................................................................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................139

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время основным (82 %) источником получения электрической энергии в мире является ископаемое топливо и отчасти (на 16 %) - растительное топливо.Вместе с тем энергия, поступающая от Солнца на Землю, превышает современное энергопроизводство в 2-Ю4 раз. К этому следует добавить, что около 2 % поступающей на Землю солнечной радиации превращается в энергию ветра, как результат тепловых процессов, происходящих в атмосфере.

В общем случае энергию ископаемого топлива, и даже гидроэнергию, используемую человеком для получения электрической энергии, можно рассматривать как преобразованную солнечную энергию по схеме : солнечная радиация - органический синтез (образование каменного угля, нефти, газа и т.п.) — сжигание топлива (получение тепловой энергии) - преобразование тепловой энергии сначала в механическую (в турбине), а затем - в электрическую в (генераторе); или по схеме : солнечная радиация - испарение влаги - конденсация - осадки - водоемы преобразование механической энергии водного потока в электрическую энергию. Однако коэффициент преобразования солнечной энергии, как подавляющей энергии на Земле, по приведенным (природным) схемам не превышает сотых долей процента и вместе с тем огромный её поток, поступающий на Землю, используется в незначительных количествах.

Тем не менее можно сказать, что едва начавшейся эре энергии ископаемого топлива, уже сейчас грозит закат в силу четырех следующих обстоятельств : обостряющейся экологической ситуации, возрастающего энергетического кризиса, близкого к истощению состояния ископаемого топлива, а также смещения перспективных взглядов на ядерную энергетику.

С другой стороны, эти обстоятельства привели к естественной активизации поисков других, нетрадиционных, экологически чистых источников энергии, таких как : энергии Солнца, ветра, малых рек, биотоплива, приливов -отливов, морских волн и морских подводных течений, геотернальных вод и др. При этом естественной является попытка обойтись без многоступенчатой схемы преобразования энергии, а в идеальном случае - достичь непосредственного, прямого безмашинного преобразования энергии.

Однако до настоящего времени вопросы прямого преобразования энергии, предусматривающие непосредственное генерирование электрического тока из химически активных продуктов в электрохимических генераторах без теплового и механического циклов или прямое преобразование тепловой и солнечной энергии в электрическую (термоэлектрическое, термоэмиссионное и фотоэлектрическое преобразование), не нашли широкого развития, с одной стороны, и принципиально не могут охватить всю гамму известных в природе нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). В связи с этим не случайно вопросы использования НВИЭ, в большинстве своём решаются с использованием электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ), т.е. электрических машин (ЭМ),которые успешно конкурируют с установками прямого преобразования энергии, например с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) солнечной энергии в электрическую, имеющими КПД на уровне 10-15 %.

Однако, как показано в /24/ , использование традиционных электрических машин для нетрадиционной области энергетики, либо неэффективно, либо вовсе невозможно из-за невысокой плотности потока НВИЭ и прерывистого, случайно (недетерминированного) характера поступления последних.Так, плотность радиации Солнца у земной поверхности и ветровой энергии при скорости до 10 м/с колеблется от нуля до 1 кВт/М2, тогда как плотность потока электромагнитной энергии в воздушном зазоре обычной ЭМ составляет 500 кВт/М2.

Таким образом, перспектива расширенного использования НВИЭ напрямую связана с проблемой разработки новых, нетрадиционных типов ЭМ и систем управления ими, т.е. с развитием нетрадиционной электромеханики.

Впервые эту мысль высказал проф.Копылов И.П./54/: "К основной проблеме в области электромеханики следует отнести создание электрических машин, использующих новые нетрадиционные источники энергии...Электромеханическое преобразование энергии и в будущем будет основным в электроэнергетике, поэтому создание электрогенераторов, использующих новые источники энергии, является особой заботой электромехаников."

Развивая мысль проф. Копылова И.П. в работе /24/ предложена оригинальная конструкция двухмерной электрической машины (ДЭМ), потребляющей одновременно энергию Солнца, предварительно преобразованную в электрическую с помощью ФЭП и энергию, например ветра, или биогаза, или геоте-риальных вод и т.д., предварительно преобразованную в механическую энергию. На выходе ДЭМ снимается суммарная энергия в виде механической (режим двигателя) или электрической (режим генератора) в зависимости от режима работы машины.

Однако, как указано выше, вероятностный, недетерменированный характер действия НВИЭ приводит к непрерывному переходному режиму работы ДЭМ, даже при постоянном значении нагрузки.Это обстоятельство существенно осложняет тепловой режим работы ДЭМ и остро ставит вопрос о разработке теоретических основ и технических средств изучения и улучшения теплового режима работы ДЭМ.

Тема работы связана с научно - технической программой Т. 14.01 "Разработать и создать производство энергетических комплексов с использованием возобновляемых источников и осуществить широкомасштабный эксперимент по их применению для объектов агропромышленного, жилищно -гражданского и курортно - оздоровительного назначения", а также Красно-

дарской краевой программой "Состояние тепло- и электроснабжения, обеспечение топливом. Уровни и структура потребления. Местные энергоресурсы, запасы возобновляемых источников энергии (малые ГЭС, термоэнергетика, ветроэнергетика, тепловые насосы и т.д.), разработанной в соответствии с Постановлением главы администрации края от 20.06.96 №269.

Различным аспектам данной проблемы посвятили свои работы Ахмедов Р.В. /4/, Берковский Б.М. III, Белый Б.И. /8/, Васильев Ю.К./12/, Васильев Ю.С. /13-15/, Винокуров В.А. /16/, Гайтова Т.Б. /23-25/, Готтер Г. /28/, Гуревич Э.И. /30/, Копелевич Л.Е. /52/, Копылов И.П. /54-56/, Красавин В.В. /57/, Лидоренко Н.С. /61/, Филлипов И.Ф. /88/, Яковлев А.И. /93/, 11ш11 /95/, ЬШеу в.М. /97/, Ропйп /98/ и др.

Цель работы. Целью работы яаляется разработка теоретических основ, методологии исследования и математическое моделирование теплопередачи в двухмерных электрических машинах системы нетрадиционной энергетики.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи :

- сформулирован принцип о непрерывности переходного процесса в ДЭМ;

- обоснован напряженный тепловой режим работы ДЭМ в соответствии с непрерывностью переходного процесса;

- выявлены особенность действия и предельные значения переходных токов в ДЭМ;

- построены усредненные за 3 года в г.г. Дамаск, Хомск, Хама, Халаби и Латания (Сирия) данные метеостанций по интенсивности солнечной и ветровой энергии, подтверждающие ее глубокие колебания как в течении суток, так и в течении года;

- сформулировано понятие и показана необходимость рассмотрения электромагнитно - механической совместимости (ЭММС) в ДЭМ, работающей в парке с другими машинами;

- построены математические модели температурных полей обмоток якоря и ротора ДЭМ на основе метода параллельных структур;

выполнена унификация математической модели температурного поля

ДЭМ.

Методы исследования. В математическом моделировании трехмерных температурных полей ДЭМ автором использован метод параллельных структур, обобщение параллельных структур выполнено на основе конечно - разностных схем, математическое моделирование локального охлаждения элементов ДЭМ выполнено с использованием метода граничных интегральных уравнений.

Научная новизна. В работе построен математический аппарат теплообмена в ДЭМ, а именно :

- доказана непрерывность переходного процесса в ДЭМ и на этой основе обоснован напряженный тепловой режим его работы;

- выявлены предельные значения переходных токов и их тепловое и механическое воздействие в ДЭМ в совокупности с возможным перенапряжением;

- построены математические модели температурных полей обмоток ДЭМ;

- выполнено моделирование локального охлаждения элементов ДЭМ.

Практическая ценность. Работа имеет прикладной характер и имеет своей

целью - повысить эффективность и масштабы использования нетрадиционной энергетики. В связи с этим в работе решены следующие практические вопросы :

- разработана инженерная методика расчета теплового режима ДЭМ для комплексного использования энергии ветра и Солнца;

- предложены технические решения для облегчения теплового режима и стабилизации выходных параметров ДЭМ.

Реализация результатов работы. Результаты настоящей работы использованы в НПО "Квант" при разработке систем автономного электроснабжения жилых объектов на базе НВИЭ в пос. "Черноморский" Краснодар-

ского края, на заводе "Машприбор" (г.Краснодар) при изготовлении ДЭМ, в НПК "Ритм" (г.Краснодар) при изготовлении технических средств стабилизации параметров ДЭМ, а также в учебном процессе по курсу "Электромеханика" и в дипломных проектах по специальности 10.04 - Электроснабжения (по отрослям).

Автор защищает:

- формирование понятия электромагнитно - механической совместимости (ЭММС) ДЭМ, результаты её исследования и установления взаимосвязи её с тепловым режимом ДЭМ в системе нетрадиционной энергетики;

- методологию исследования теплопередачи в ДЭМ и технические решения облегчения теплового режима и улучшения выходных характеристик ДЭМ;

- математическую модель температурного поля ДЭМ, построенную на основе метода параллельных структур;

- инженерную методику расчета температурного поля ДЭМ.

Апробация работы. Основные положения и выводы работы докладывались на III международной Н-Т конференции "Электромеханика и электротехнология - МКЭЭ-98" (Москва, 1998 г.), на региональной Н-Т конференции "Повышение эффективности электротехнических комплексов и энергосистем" (Краснодар, 1998 г.), на совместном заседании кафедры Электротехники и Электроснабжения промышленных предприятий КубГТУ (Краснодар, 1999 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 10 работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы из 103 наименований. Общий объем работы 150 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок на 16 страницах.

Во введении обоснована актуальность избранной темы, поставлена цель исследования, дан обзор научной и практической значимости работы, апробации и внедрения результатов исследования.

В первом разделе обоснованы диалектические, технико — экономические и экологические аспекты развития нетрадиционной энергетики, обоснована необходимость развития нетрадиционной электромеханики, как фактора повышения электромагнитной совместимости в нетрадиционной энергетике.

Во втором разделе описана конструкция и даны теоретические основы работы ДЭМ, как основы построения радикальной системы нетрадиционной энергетики.Сформулировано понятие и исследована электромагнитно - механическая совместимость ДЭМ.

В третьем разделе дана общая методология исследования тепловых процессов в ДЭМ, сформулирована непрерывность переходного процесса в ДЭМ, выявлены особенности и предельные величины переходных токов, их тепловые и механические воздействия.

В четвертом разделе выполнено математическое моделирование трехмерных температурных полей ДЭМ, приведено обобщение параллельных структур на основе конечно - разностных схем. Построена математическая модель тепловых процессов ДЭМ, на основе метода параллельных структур.

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 .Общие сведения

Для правильного решения вопроса о рациональном освоении нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) необходимо, прежде всего, дать хотя бы приближенную количественную и качественную оценку различным известным в природе источникам энергии.

Как известно, в природе существуют следующие пять основных видов источников энергии, освоенные человеком на сегодняшний день /7,93-97/:

- солнечное излучение;

- движение и притяжение Солнца, Луны и Земли;

- тепловая энергия ядра Земли, а также химических реакций и радиоактивного распада в её недрах;

- ядерные реакции;

- химические реакции различных веществ.

Согласно /82, 87/ первые три источника относятся к возобновляемым, не являющимся следствием целенаправленной деятельности человека, а постоянно существующими (либо периодически возникающими) в природе.Так, полный поток солнечного излучения оценивается в 1.2 -10й кВт, что на каждого человека почти 6-ти миллиардного населения Земли составляет 2-Ю4 кВт, в то время как для создания комфортных условий жизни требуется в среднем 2 кВт на человека, т.е. в 104 раз меньше только одного из приведенных выше видов источников энергии - солнечного излучения.

Таким образом, в природе, независимо от деятельности человека, существует несметное количество энергии, которую следует освоить, разработав

для этой цели специальные устройства и приёмы, составляющие предмет самостоятельного научного направления, имеющего мировое значение.

Различным аспектам этого направления посвятили свою работу отечественные исследоват�