Нагрев и охлаждение трансформаторов - Киш Л.
Скачать (прямая ссылка):
(3-1)
Поскольку плотность масла
(3-2)
с повышением температуры уменьшается, нагретое масло поднимается вверх и на освобождаемое место снизу поступает холодное масло.
Нагретое масло в точке С входит в радиатор, где в единицу времени отдается окружающей среде количество теплоты Р. В результате масло охлаждается, его плотность возрастает и в точке D оно выходит из радиатора. Охлажденное масло в точке А вновь поступает в обмотку и процесс повторяется.
Рис. 3-1. К рассмотрению физических основ процесса естественной циркуляции масла.
а - эскиз контура циркуляции масла: б - диаграмма распределения температуры масла в контуре циркуляции в системе координат ; в - диаграмма распределения удельного веса масла в контуре циркуляции, в системе координат
В установившемся режиме графическое изображение данного процесса в системе координат представляет собой замкнутую кривую (рис. 3-1,б), которую будем называть диаграммой распределения температур в контуре циркуляции масла или сокращенно температурной петлей.
Если для масла известна зависимость
(3-3)
то процесс нагревания и охлаждения масла может быть изображен в виде зависимости , где g - нормальное ускорение свободного падения, - удельный вес масла (рис. 3-1, в). В установившемся режиме на различных высотах замкнутого контура охлаждения температура будет разная, соответственно будет меняться и плотность масла, т. e. она будет функцией высоты. Зависимость является замкнутой кривой, которую будем называть диаграммой распределения удельного веса масла в контуре циркуляции или сокращенно петлей давления. Данный процесс аналогичен процессу гравитационного водяного отопления. Площадь, охваченная кривой ABCDA, пропорциональна поддерживающей циркуляцию подъемной силе, т. е, гравитационному давлению, действующему в контуре циркуляции и обусловленному разностью холодного и нагретого масла. Кругооборот потока масла с кассовым расходом G обеспечивается за счет гравитационного давления:
(3-4)
Гравитационное давление уравновешивает возникающее при циркуляции масла гидравлическое сопротивление. Если пренебречь зависимостью удельной теплоемкости от температуры, то получим, что при отводе одного и того же количества теплоты в единицу времени произведение должно сохраняться постоянным [см. уравнение (3-1)]. При проектировании трансформатора стремятся , т. е. осевой перепад температуры масла в активной части, сделать минимальным с тем, чтобы нормированное стандартами наибольшее превышение температуры масла было ненамного больше превышения средней температуры масла в радиаторе и чтобы соответственно можно было увеличить логарифмическую разность температур в радиаторе (
См. формулу (3-6), согласно которой с уменьшением происходит увеличение , что позволяет при заданных потерях уменьшить площадь теплоотдающей поверхности радиатора)
), существенно влияющую на его массу и стоимость. Малое значение можно получить, если увеличить G. Для увеличения G необходимо снизить гидравлическое сопротивление контура циркуляции или увеличить .
Определение гравитационного давления
Значение определяется из петли давления по уравнению
(3-5)
Параметр представляет собой изменение плотности масла, вызванное изменением температуры на и отнесенное к средней температуре масла .
Упрощенная температурная петля изображена на рис. 3-1,б. На участке A-B в обмотке высотой масло нагревается, на участке C-D в радиаторах высотой (расстояние между осями присоединительных патрубков) масло охлаждается. Принято, что на участке А-В температура изменяется по линейному закону, т. е. предполагается, что количество теплоты, передаваемое маслу в единицу времени с единицы длины пути (Вт/м), не изменяется с изменением температуры и что удельная теплоемкость масла также остается постоянной.
Характерной точкой участка А-В является точка Е, называемая центром нагрева, которая соответствует середине высоты обмотки и в которой циркулирующее в обмотке масло имеет превышение температуры, равное превышению средней температуры масла над температурой воздуха Форма кривой участка С-D соответствует конденсаторному распределению температуры, т. е. такому температурному распределению, которое возникает в том случае, когда теплоемкость одной из участвующих в теплообмене сред, в данном случае воздуха, принимается равной бесконечности. Характерной точкой этом кривой является точка F, называемая центром охлаждения, в которой температура масла отличается от температуры воздуха в радиаторе, принимаемой постоянной во всем радиаторе и равной , на логарифмическую разность температур
(См. рис. 3-19)
(3-6)
Точка F: находится выше середины высоты радиаторов на размер . Расстояние между серединами высот обмотки и радиатора обозначается через . Разность высот точек E: и F
(3-7)
Площадь температурной петли (см. рис. 3-1,6):
(3-8)
Определим размер . Для этого найдем площадь фигуры CDGC (
Здесь учтено, что при конденсационном распределении температуры
):
(3-9)
Поскольку
можно написать:
Так как площадь петли CDGC равна площади прямоугольника, имеющего основание и высоту , то
