Учебная работа. Тепловой расчет трансформатора

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

тепловой расчет трансформатора

Содержание

Введение

. Тепловой расчёт трансформатора и выявление зависимости изменения температуры трансформаторного масла от температуры воздуха при номинальном режиме

.1 Определение расчётных поверхностей теплообмена

.2 Определение расчётных перепад температур

.3 Определение суммарного потока теплоты через поверхность бака трансформатора

. Тепловой расчёт трансформатора при постоянной температуре воздуха и выявление зависимости изменения температуры масла от коэффициента загрузки

.1 Определение перепада температур

.2 Определение суммарного потока теплоты трансформатором

Заключение

список используемой литературы

Введение

Трансформатор ТМ-320 — стационарный силовой масляный трехфазный двухобмоточный понижающий трансформатор общего назначения. Трансформатор ТМ-320 устанавливают, когда необходимо преобразовывать электроэнергию одного класса напряжения в другой и питать различные потребители электроэнергии. Трансформаторы типа ТМ изготовленные в нормальном конструктивном исполнении имеют масляное естественное охлаждение и встроенное в трансформатор устройство для регулирования напряжения методом переключения ответвлений без возбуждения.

Трансформаторы типа ТМ можно устанавливать как внутри помещений, так и снаружи. Их необходимо эксплуатировать в следующих условиях:

Установку необходимо производить на высоте, не превышающей 1000м над уровнем моря;

Температура наружной среды от -45°C до +40°C (для климатического исполнения "У") и -60°C до +40°C (для исполнения "Хл");
— Величина относительной влажности воздуха на месте установки не более 80% при температуре 25°C.


задача теплового расчета трансформатора заключается в следующем:

. Для заданной мощности трансформатора, конструкции и размеров бака, системы его охлаждения определить зависимость изменения температуры масла от температуры окружающей его среды.

. определить зависимость изменения температуры масла от нагрузки трансформатора для заданной температуры окружающего его воздуха.

1. тепловой расчет трансформатора и выявление зависимости изменения температуры трансформаторного масла от температуры воздуха при номинальном режиме

техническая характеристика силового масляного трансформатора с естественным охлаждением берем из приложения 1[2].

Таблица 1

Тип трансформатораПотери энергииНоминальная мощностьРазмеры бака ,м.РххРкзА, длиннаВ, ширинаН, высотаТМ 320/601,66,073201,861,211,22

Суммарный поток тепловой энергии зависит от нагрузки трансформатора и в любом режиме его работы может быть определен, кВт :

Q0 = ∆Ртр = ∆Рхх + ∆Ркз ∙ kз 2 (1.1)

Q0 = ∆Ртр =1,6+6,07∙12 =7,67 кВт

где Q0 — тепловой поток, отдаваемый поверхностью бака воздуху за счет теплоотдачи и излучения, Вт;

∆ Ртр — суммарные потери мощности в трансформаторе, Вт;

∆ Рхх и ∆ Ркз — потери мощности холостого хода и короткого замыкания, Вт;

kз — коэффициент загрузки трансформатора

При номинальной загрузке трансформатора kз = 1

.1 Определение расчетных поверхностей теплообмена

В трансформаторах мощностью от 160 до 1600 кВт с целью увеличения поверхности теплообмена применяются баки с охлаждающими трубами. Обычно применяют трубы овальные с размерами поперечного сечения 72х20 мм или круглые диаметром 30 мм при толщине стенок 1,5 мм и 1,2. В последнее время находят применение круглые трубы диаметром 30 мм с толщиной стенок 1,2мм. В зависимости от мощности трансформатора, число рядов труб колеблется от 1 до 3, расположение труб — коридорное. Для определения расчетной поверхности охлаждения бака с трубками необходимо принять одну из рекомендованных форм трубки.

Принимаю форму трубок овальные, с размером сечения d=72х20 мм.

Таблица 2

Сведения о трубах, применяемых для радиаторов силовых трансформаторов

Форма трубыРазмеры сечения d,ммТолщина стенки, ммПоперечное сечение в свету f,мм2Поверхность Fl, м2размеры, мма1cеОвальная72х201,58900,16507080Форма трубыШаг, мм Радиус изгиба R, ммЧисло рядов труб при мощности 250-630 кВамежду рядами tp,ммВ ряду tT,ммОвальная100501881

2:

Fл={2(A-B)+πB+π[2a1+2R+2tp(n-1)+d]}H+0,75Fкр (1.2)

где а1, R, tp, tT — размеры из таблицы 2 для выбранной трубы, мм;

d — диаметр овальной трубы, мм;

n — число рядов труб.

поверхность крышки бака, м2, для овального бака определяется по уравнению:

Fкр=(А-В)В+ π/4

Fкр =(1,86-1,21)1,21+3,14∙/4=1,936м2

трансформатор теплообмен температура

Высота крепления трубок к баку, м:

для первого ряда:

b=H-(c+e)

b=1,22-(70+80)=1,07м

Развернутую длину трубы в каждом ряду, определяют по уравнению, м:

для первого(внутреннего) ряда:

l= b2+(πR-2R+2a1)10-3

l=1,07+(3,14∙188+2∙188+2∙50)10-3=1,384м

Число труб в одном ряду на поверхности бака овальной формы рассчитываем по формуле:

Округляю 101,988 до приблизительно 102.

Расчетная поверхность конвекции бака с трубами, м2:

FK=FK,ГЛ+FК,ТРkф, (1.3)

Где FK,ГЛ — поверхность конвекции гладкого бака и крышки, рассчитывается по формуле, м2:

(1.4)

7,67 м2

FК,ТР — поверхность конвекции труб, м2:

FК,ТР=Fl(mтрl1)

FК,ТР =0,16(1021,384)=22,365 м2

kф- коэффициент трубы, для труб d=72×20 мм, с одним труб kф=1,4

FK=FK,ГЛ+FК,ТРkф

FK=7,67+22,3651,4=38,981м2

2:

л={2(A-B)+πB+π[2a1+2R+2tp(n-1)+d]}H+0,75Fкр

Fл= {2(1,86-1,21)+3,141,21+3,14 [250+2188+2100(1-1)+72]}1,22+0,751,936=9,772 2

Для этого режима среднее превышение температуры стенки бака над воздухом можно предварительно определить по формуле, °С;

где Fк и Fл — поверхность бака, отдающая тепло конвекцией и излучением соответственно, м2.

Среднее превышение температуры масла над температурой стенки бака приближенно может быть подсчитано, °С;

k1=1 — при естественном охлаждении масла

k1=0.9 — при охлаждении с дутьем.

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха, определится по уравнению, °С;

, (1.5)

где — коэффициент: для гладких баков ; для трубчатых баков и баков с радиаторами

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой стенки бака:

Превышение температуры стенки бака над воздухом:

°С

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха, °С;

°С

Расчетные перепады температур занесены в таблицу 3.

Таблица 3

, °Сkз, °С, °С, °С1013.9226,69737,0641713.9226,69737,0643013.9226,69737,064

1.3 Определение суммарного потока теплоты через поверхность бака трансформатора

Поток теплоты, передаваемый маслом воздуху через стенку бака, Вт;

, (1.6)

где k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К);К — наружная расчетная поверхность бака, определена по формуле (1.3) — для бака с охлаждающими трубами, м2;

Dtм — в — разность температур между маслом и воздухом,°С, найдена ранее по (1.5).

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К), можно рассчитать по формуле для плоской стенки:

, (1.7)

где dС — толщина стенки бака, обычно 3-5 мм;

lС — коэффициент теплопроводности бака, Вт/(м×К), бак выполнен из стали, lС = 45 ¸ 55 Вт/(м×К);

ВН,Н — коэффициенты теплоотдачи к внутренней и от наружной поверхности стенки бака, Вт/(м2×К).

Расчет коэффициентов теплоотдачи от масла к стенке ВН и от стенки к воздуху Н производится для условий теплоотдачи при естественном движении и воздуха.

При расчете коэффициента теплоотдачи от масла к стенке бака ВН сначала определяют приближенно температуру масла, °С;

Физические параметры воздуха принимаем из приложения 5[2] по температуре воздуха, а для трансформаторного масла из приложения 3[2] по средней температуре масла.

Таблица 4. Физические свойства трансформаторного масла

tв, °Сtм, °Сl, Вт/м∙Кv∙106, м2/сPr1047,0640.108448.39610-6121,53201754,0640.10786.8610-6101,723273067,0640.106444.91210-676,25340

Рассчитаем критерий Грасгофа:

GrPr =(gβΔtм-сН3)/ν2=(gΔtм-сН3)/Tмν2

где g — коэффициент свободного падения, м2/с;

Н — определяющий размер, выбирается в зависимости от формы и положения тела в пространстве по таблице, в данном случае он равен высоте бака;

, Рr — коэффициент кинематической вязкости среды и критерий Прандтля определяются из приложения 3[2], по приближенной температуре масла;

— коэффициент теплопроводности среды, определяется из приложения 3[2], по приближенной температуре масла:

, Вт/м∙К

, м2/с

Аналогичным образом проводим расчеты при других приближенных температурах масла.

По произведению GrPr из приложения 4[2] выбираем константы c и n для критериального уравнения (1.8) с учетом условий теплоотдачи и вертикального расположения бака:

Nu=c(GrPr)n (1.8)

затем рассчитаем коэффициент теплоотдачи от масла к стенке бака, Вт/м2К:

αвн=(Nuλ)/H (1.9)

По величине GrPr определим режим движения масла у стенки:

GrPr1=(9.813.921.223121.5)/320(8.39610-6)2=375.7109

GrPr2=(9.813.921.223101.72)/327(6.8610-6)2=461.1109

GrPr3=(9.813.921.22376.25)/340 (4.91210-6)2= 648.4109

По произведению GrPr из приложения 4[2] принимаем константы c и n для критериального уравнения (1.8) ;

c=0.15 n=0.33

Рассчитаем Nu:

Nu=c(GrPr)n

Nu1=0.15(375.7109)0.33=990.35

Nu2=0.15(461.1109)0.33=1060

Nu3=0.15(648.4109)0.33=1186

Рассчитаем αвн , Вт/м2К:

αвн =(Nuλ)/H

αвн1 =(990.350.10844)/1.22=88.028 Вт/м2К

αвн2 =(10600.1078)/1.22=93.662 Вт/м2К

αвн3 =(11860.10644)/1.22=103.474 Вт/м2К

Таблица 5.Коэффициенты теплоотдачи от масла к стенке бака.

tв, °Сtм, °СGr PrNuВН, Вт/м2К1047.064375.7109990.3588.0281754.064461.1109106093.6623067.064648.41091186103.474

Аналогично определяем коэффициент теплоотдачи от стенки бака к воздуху Н в условиях свободной конвекции.

, Вт/м∙К

, м2/с

tв, °Сl, Вт/м∙Кv∙106, м2/сPr102832.5110-214.160.705172902.56610-214.790.704303032.6710-2160.701критерий Грасгофа вычисляем по формуле:

GrPr =(gΔtм-сН3)/Tвν2

По величине GrPr определим режим движения масла у стенки:

GrPr1=(9.8126.9671.2230.705)/283(14.1610-6)2=5.962109

GrPr2=(9.8126.9671.2230.704)/290(14.7910-6)2=5.326109

GrPr3=(9.8126.9671.2230.701)/303(1610-6)2= 4.337109

По произведению GrPr из приложения 4[2] принимаем константы c и n для критериального уравнения (1.8): c=0.15 n=0.33

Рассчитаем Nu:

Nu=c(GrPr)n

Nu1=0.15(5.962109)0.33=252.33

Nu2=0.15(5.326109)0.33=243.1

Nu3=0.15(4.337109)0.33=227.117

Определим коэффициенты теплопередачи от стенки бака αн, Вт/м2К:

αн=(Nuλ)/H

αн1 =(252.332.5110-2)/1.22=5.191 Вт/м2К

αн2 =(243.12.56610-2)/1.22=5.113 Вт/м2К

αн3 =(227.1172.6710-2)/1.22=4.971 Вт/м2К

Таблица 7. Коэффициенты теплоотдачи от стенки бака к воздуху

tв, °СGr PrNuН, Вт/м2К102835.962109252.335.191172905.326109243.15.113303034.337109227.1174.971

затем определим коэффициент теплопередачи k, Вт/(м2×К), по формуле (1.7) и поток теплоты, передаваемый через стенку бака от масла к воздуху Qк, Вт, по уравнению (1.6). Расчеты выполним для всех заданных температур воздуха.

(принимаю с= 0,003 м ис.

k1=1/[(1/88.028)+(0.003/55)+(1/5.191)]=4.901 Вт/(м2×К),

k2=1/[(1/93.662)+(0.003/55)+(1/5.113)]=4.84 Вт/(м2×К),

k3=1/[(1/103.474)+(0.003/55)+(1/4.971)]=4.74 Вт/(м2×К),

Определим поток тепла, передаваемый маслом к воздуху через стенку бака, Вт:

,

k1=4.90138.98137.064=7081 Втk2=4.8438.98137.064=6993 Втk2=4.7138.98137.064=6805 Вт

далее уточним температуры, 0С:

наружной поверхности бака;

tс=tв+Qк/Fкαн

где, tв — температура воздуха, 0С;

tc1=10+7081/38.9815.191=44.994 0С

tc2=17+6993/38.9815.113=52.086 0С

tc3=30+6848/38.9814.71=65.34 0С

трансформаторного масла внутри бака, 0С:

tм=tc+Qк/Fкαвн

где tc — температура внутренней поверхности бака, 0С;

tм1=44.994+7081/38.98188.028=47.05 0С

tм2=52.086+6993/38.98193.662=54.001 0С

tм3=65.267+6848/38.981103.474=67.03 0С

Ввиду малого термического сопротивления стенки бака , температуры на внутренней и наружной поверхностях бака можно принять одинаковыми.

Поток теплоты излучаемый с поверхности бака, Вт:

где Со = 5.67 — коэффициент излучения абсолютно черного тела;

— степень черноты стенки бака (для окисленной стали = 0.8);

поверхность излучения для бака с охлаждающими трубами по формуле (1.2), м2;

Тс — температура поверхности бака, К;

Тв — температура тел, воспринимающих поток лучистой энергии, принимается равной температуре воздуха, К.

Qл1=5.670.89.772[(273+44.094/100)4-(273+10/100)4]=1689 Вт

Qл2=5.670.89.772[(273+52.086/100)4-(273+17/100)4]=1815 Вт

Qл3=5.670.89.772[(273+65.34/100)4-(273+30/100)4]=2072 Вт

Определим суммарный поток тепловой энергии, Вт:

Qo=Qк+Qл

Q01=7081+1689=8770 Вт02=6993+1815=8808 Вт03=6848+2072=8920 Вт

Таблица 8

tв, oCtм,0С k, Вт/м2кQк, ВтQл, ВтQо, ВтQo=ΔРтр, Вт1047.054.90170811689877076701754.0014.8469931815880876703067.9034.746848207289207670

Qo не должен значительно отличаться от принятого по формуле (1.1).

Строим график зависимости изменения температуры трансформаторного масла от температуры воздуха:

где — температура трансформаторного масла;

tв — температура воздуха.

2. Определение зависимости температуры масла от нагрузки трансформатора

Расчет будем вести при температуре воздуха равной 30, так как при этой температуре трансформатор работает в более тяжелых условиях. Пример расчета покажем на Кз=1,32, расчет остальных коэффициентов загрузки аналогичный и будем их сводить в результирующие таблицы.

Суммарный поток тепловой энергии рассчитывается по формуле, кВт:

Q0 = ∆Ртр = ∆Рхх + ∆Ркз ∙ kз 2 (2.1)

где Q0 — тепловой поток, отдаваемый поверхностью бака воздуху за счет теплоотдачи и излучения, кВт;

∆ Ртр — суммарные потери мощности в трансформаторе, Вт;

∆ Рхх и ∆ Ркз — потери мощности холостого хода и короткого замыкания, Вт;

kз — коэффициент загрузки трансформатора.

Коэффициенты загрузки kз равны 1,0;1,22;1,32.

.1 Определение перепада температур

Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом определяем по формуле, °С:

где Fк и Fл — поверхность бака, отдающая тепло конвекцией и излучением соответственно, м2.

=oC

Среднее превышение температуры масла над температурой стенки бака определим по формуле, °С:

oC

k1=1 — при естественном охлаждении масла

k1=0.9 — при охлаждении с дутьем.

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха, °С:

(2.2)

=1,2=53,05 oC

где — коэффициент: для гладких баков ; для трубчатых баков и баков с радиаторами

Расчеты сводим в таблицу 9.

Таблица 9

КзQ0,Вт, °С1,0767026.9673.9237.0641,221063535.0254.77547.761,321217639.0295.17953.05

2.2 Определение суммарного потока теплоты трансформатором

Поток теплоты, передаваемый маслом воздуху через стенку бака, Вт;

(2.3)

где k- коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К);FК- наружная расчетная поверхность бака, определена по формуле (1.3) — для бака с охлаждающими трубами, м2;Dtм — в- разность температур между маслом и воздухом,°С, найдена ранее по (2.1).

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К), можно рассчитать по формуле для плоской стенки:

(2.4)

где dС — толщина стенки бака, обычно 3-5 мм;

lС — коэффициент теплопроводности бака, Вт/(м×К), бак выполнен из стали, lС = 45 ¸ 55 Вт/(м×К);

ВН,Н — коэффициенты теплоотдачи к внутренней и от наружной поверхности стенки бака, Вт/(м2×К).

Для определения вн и н делаем следующие расчеты:

Определяем приближенную температуру масла по формуле, °С:

tм=tв+tм-в

tм =30+53.05=83.05 °С

Tм=273+83.05=356.05 K

Расчеты сводим в таблицу 10.

Таблица 10

Кзtм, °СTм,К1,067.064340.0641,2277.76350.761,3283.05356.05

Рассчитаем критерий Грасгофа:

GrPr =(gβΔtм-сН3)/ν2=(gΔtм-сН3)/Tмν2

где g — коэффициент свободного падения, м2/с;

Н — определяющий размер, выбирается в зависимости от формы и положения тела в пространстве по таблице, в данном случае он равен высоте бака;

, Рr — коэффициент кинематической вязкости среды и критерий Прандтля определяются из приложения 3[2], по приближенной температуре масла;

— коэффициент теплопроводности среды, определяется из приложения 3[2], по приближенной температуре масла.

, Вт/м∙К

, м2/с

Аналогичным образом проводим расчеты при других приближенных температурах масла.

По величине GrPr определим режим движения масла у стенки:

GrPr=(9.815.1791.22356.66)/356(3.47110-6)2=12.1701011

Расчеты сводим в таблицу 11.

Таблица 11

Кз, м2/c1,06.4841,2262.91,3256.66

По произведению GrPr из приложения 4[2] принимаем константы c и n:

c=0.15

n=0.33

Рассчитываем критерий Нуссельта:

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи αвн, Вт/м2К:

αвн=(Nuλ)/H

αвн Вт/м2К

Расчеты сводим в таблицу 12.

Таблица 12. Коэффициенты теплоотдачи от масла к стенке бака

Кзαвн, Вт/м2К1,0103.4741,2213640.10584118.3331,321460

Рассчитаем критерий Грасгофа для воздуха. основные расчеты произведены в первой части:

Рассчитаем критерий Грасгофа:

GrPr =(gβΔtм-сН3)/ν2=(gΔtм-сН3)/Tвν2

где g — коэффициент свободного падения, м2/с;

Н — определяющий размер, выбирается в зависимости от формы и положения тела в пространстве по таблице, в данном случае он равен высоте бака;

,Рr — коэффициент кинематической вязкости среды и критерий Прандтля определяются из приложения 5[2], по приближенной температуре воздуха.

— коэффициент теплопроводности среды, определяется из приложения 5[2], по температуре воздуха:

10-2

(м2/c)

По величине GrPr определим режим движения масла у стенки:

GrPr=(9.8139.0291.2230.701)/303(1610-6)2=6.277109

По произведению GrPr из приложения 4[2] принимаем константы c и n:

с = 0.15 (мм)

n= 0.33 (мм)

Рассчитаем критерий Нуссельта:

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи αн, Вт/м2К:

αн=(Nuλ)/H

αн Вт/м2К

Таблица 13. Коэффициенты теплоотдачи от стенки бака к воздуху.

tв, оСкзGrPrNuαн, Вт/м2К301.04.337109227.1174.971301.225.633109247.6485.42301.326.277109256.6555.617

Затем определим коэффициент теплопередачи k, Вт/(м2×К), по формуле (2.3) и поток теплоты, передаваемый через стенку бака от масла к воздуху Qк, Вт, по уравнению (2.4).

(принимаю с= 0,003 м ис.

k5.37 Вт/м2К

Определим поток тепла, передаваемый маслом к воздуху через стенку бака, Вт:

k=5.3738.98153.05=11100 Вт

Температура наружной поверхности бака, °С:

Температура масла внутри бака, °С:

Определим суммарный поток тепловой энергии, Вт:

Qo=Qк+Qл

Q0=11100+3201=14301 Вт

Расчеты сводим в таблицу 14.

Таблица 14

tв, oCкзtм,0С k, Вт/м2кQк, ВтQл, ВтQо, ВтQo=ΔРт,Вт301.067.9034.746848207289207670301.2277.735.18964428131246010635301.3282.955.371110032011430112176o не должен значительно отличаться от принятого по формуле (2.1).

Заключение

По проведенному мною расчету в первой части при заданной температуре воздуха (10°С; 17°С; 30°С) и коэффициенте загрузки кз=1, температура верхних слоев масла в баке составила в соответствии с расчетными данными (47°С; 54°С; 67°С). Судя по полученным результатам, изоляция не будет подвергаться ускоренному старению и трансформатор будет работать долго и надежно, так как не одно По проведенному мною расчету во второй части при заданной температуре воздуха 30°С и коэффициентах загрузки кз=(1.0,1.22;1.32). температура верхних слоев масла в баке составила в соответствии с расчетными данными (67°С; 77°С; 82°С). Судя по полученным результатам, изоляция не будет подвергаться ускоренному старению, а трансформатор будет работать надежно, значение температуры масла в баке не превысило 95°С.

список используемой литературы

. Борзов В.П., Шабалина Л.Н. Теплотехника: сборник задач для студентов инженерных специальностей. — Кострома : КГСХА, 2010. — 158 с.

. Методические рекомендации по выполнению курсовой работы для студентов направления подготовки 110800.62 «Агроинженерия» очной и заочной форм обучения/сост. Л.Н.Шабалина. — Кострома: КГСХА, 2013. — 34 с.

. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию : в 2 т. Т. 2. Электрооборудование/ под ред. А.А. Федорова. — М. : Энергоатомиздат, 1987. — 592с.

Учебная работа. Тепловой расчет трансформатора