CC BY
53
m Энергетика
M PowerEngineering
Оригинальная статья / Original article УДК 621.314
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-5-96-103
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
© О.С. Дмитриева1, А.В. Дмитриев2
Казанский государственный энергетический университет, Российская Федерация, 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Разработана дополнительная система охлаждения силовых масляных трансформаторов, способная обеспечить снижение пиковой нагрузки и ее равномерное распределение в течение всей продолжительности работы оборудования за счет аккумуляции холода. При проектировании дополнительной системы охлаждения важной задачей является выбор наиболее рационального теплового потока через термоэлектрический преобразователь и подбор оптимального объема жидкости, так как это необходимые условия для достаточного охлаждения силового трансформатора. МЕТОДЫ. Методика расчета базируется на общепринятых принципах расчета, использовании уравнений сохранения энергии и массы. В исследованиях сделано предположение, что тепло отводится для охлаждения воды и на ее кристаллизацию, то есть на образование льда. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Представлены результаты исследований изменения температуры воды в емкости во времени и коэффициента теплоотдачи при различных значениях теплового потока через термоэлектрический преобразователь. Величина теплового потока, пропускаемая через термоэлектрический преобразователь, влияет на параметры охлаждения воды и ее кристаллизацию только в начальный период времени. От длины теплопере-дающей поверхности практически не зависят все исследуемые параметры, кроме распределения температуры воды. Повышение теплового потока через термоэлектрический преобразователь в 3 раза позволяет увеличить начальную температуру воды в 1,89 раза. Коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности зависит от величины теплового потока только на начальном этапе охлаждения и кристаллизации жидкости, в дальнейшем зависимость нивелируется, что объясняется уменьшением естественной конвекции воды в емкости вследствие существенного увеличения ее вязкости. Чем выше тепловой поток через термоэлектрический преобразователь, тем больше его термическое сопротивление. ВЫВОДЫ. Установлено, что для интенсивного охлаждения и кристаллизации воды за короткое время (в течение 3-4 часов) необходимо комбинировать термоэлектрические преобразователи с суммарным тепловым потоком более 1 кВт. В случае возможности продолжительного охлаждения жидкости при невысоких тепловых нагрузках достаточно использовать термоэлектрический преобразователь, имеющий тепловой поток, равный 0,5 кВт.
Ключевые слова: охлаждение, силовой трансформатор, образование льда, термоэлектрический преобразователь, теплоотдача.
Формат цитирования: Дмитриева О.С., Дмитриев А.В. Дополнительная система охлаждения масляных трансформаторов с применением термоэлектрических преобразователей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 5. С. 96-103. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-5-96-103
ADDITIONAL COOLING SYSTEM OF OIL TRANSFORMERS USING THERMOELECTRIC CONVERTERS O.S. Dmitrieva, A.V. Dmitriev
Kazan State Power Engineering University,
51, Krasnoselskaya Str., Kazan, 420066, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. An additional cooling system for power oil transformers has been developed. It is able to reduce peak load and provide its uniform distribution during the whole period of equipment operation by means of cold accumulation. When designing the additional cooling system it is important to select the most efficient heat flux through a thermoelectric converter and the optimal volume of fluid. These conditions are necessary for adequate cooling of power transformers. METHODS. The calculation methodology is based on the generally accepted principles of calculation, the
1Дмитриева Оксана Сергеевна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории исследований многофазных течений, e-mail: ja_deva@mail.ru
Oksana S. Dmitrieva, Candidate of technical sciences, Senior Researcher of the Laboratory of Multiphase Flow Study, e-mail: ja_deva@mail.ru
2Дмитриев Андрей Владимирович, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой теоретических основ теплотехники, e-mail: ieremiada@gmail.com
Andrei V. Dmitriev, Doctor of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department Theoretical Foundations of Heat Engineering, e-mail: ieremiada@gmail.com
use of energy and mass conservation equations. The research makes an assumption that heat is withdrawn for water cooling and crystallization, that is for the formation of ice. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The paper presents the research results of water temperature change in the tank over the time and the heat transfer coefficient at different values of the heat flux through the thermoelectric converter. The value of the heat flux through the thermoelectric converter affects the parameters of water cooling and its crystallization only in the initial period of time. The length of the heat transfer surface practically does not affect all studied parameters except for the water temperature distribution. Increasing the heat flux through the thermoelectric converter by 3 times allows to raise initial temperature of water by 1.89 times. The heat transfer coefficient from water to surface depends on the value of the heat flux only at the initial stage of liquid cooling and crystallization, further, this dependence decreases due to the fact that natural convection of water in the tank reduces with the substantial increase in its viscosity. The higher heat flux through the thermoelectric converter, the greater its thermal resistance. CONCLUSIONS. It is found that the combination of thermoelectric converters with a total heat flux of more than 1 kW is required for intensive cooling and crystallization of water in a short period of time (within 3-4 hours). If there is the possibility of prolonged cooling of liquid at low heat loads, it is sufficient to use a thermoelectric converter with the heat flux of 0.5 kW.
Keywords: cooling, power transformer, ice formation, thermoelectric converter, heat transfer.
For citation: Dmitrieva O.S., Dmitriev A.V. Additional cooling system of oil transformers using thermoelectric converters. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no.5, pp. 96-103. (In Russian) DOI: 10.21285/18143520-2017-5-96-103
Введение
Силовые масляные трансформаторы являются важнейшими элементами энергетических и электротехнических установок, от надежности и безопасности эксплуатации которых зависит качество распределяемой электрической энергии. Поскольку трансформаторы имеют определенный срок эксплуатации, то в случае его превышения, одновременно находясь под воздействием неблагоприятных атмосферных условий, оборудование может получить тяжелые повреждения3 [1, 2]. Выход из строя силового трансформатора вследствие нарушения или остановки технологического процесса промышленных предприятий приводит к значительному экономическому ущербу.
Существующие системы охлаждения силовых масляных трансформаторов не обеспечивают достаточно эффективного отвода тепла от изоляции обмоток при кратковременных существенных перегрузках. Следствием этого является снижение ресурса и надежности трансформатора. Основной причиной отказов трансформаторов вследствие тепловой перегрузки являются, как правило, межвитковые корот-
кие замыкания в обмотках [3, 4]. Поэтому необходима разработка дополнительной системы охлаждения силовых масляных трансформаторов, способной обеспечить снижение пиковой нагрузки и ее равномерное распределение в течение всей продолжительности работы за счет аккумуляции холода в часы минимальной тепловой нагрузки.
Примером конструктивного оформления такой системы является использование дополнительной емкости, оборудованной каскадом полупроводниковых термоэлектрических модулей. Термоэлектрический модуль (преобразователь) представляет собой термоэлектрический холодильник, имеющий последовательно соединенные полупроводники р- и п-типа, образующие p-n- и n-p-переходы между керамическими пластинами. В свою очередь каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для
Васин В.П. Актуальные проблемы эксплуатации электрических станций: учеб. пособие по курсу «Основы эксплуатации электрооборудования электрических станций» для студентов, обучающихся по направлению «Электроэнергетика» М.: Изд-во МЭИ, 2003, 159 с. / Vasin V.P. Actual problems of power plants operation. Moscow, MPEI Publ., 2003, 159 p.
отвода тепла [5, 6].
На рис. 1 представлена дополнительная система охлаждения силового трансформатора, принцип действия которой следующий. В нижнюю часть бака масляного трансформатора 1 вмонтирован змеевик 3, предназначенный для дополнительного охлаждения силового трансформатора жидкостью - водой, находящейся внутри емкости 2. Для удобства монтажа, демонтажа и заглушки, при капитальных ремонтах входной и выходной патрубки, емкости 2 соединены со змеевиком 3 при помощи труб 4 с фланцами. К одной из стенок емкости 2 прикреплены термоэлектрические модули 5, холодная сторона которых используется для теплопередачи охлаждаемой жидкости, находящейся внутри емкости 2, а для отвода тепла в окружающую среду с нагретой стороны термоэлектрических модулей установлены теп-лоотводящие ребра 6.
При невысокой тепловой нагрузке охлаждающая жидкость, циркулирующая по змеевику 3, не успевает нагреваться до высоких температур из-за низких коэффициентов теплоотдачи, характеризующих есте-
ственную конвекцию. Вследствие этого в данный интервал рабочего времени оборудования происходит аккумуляция холода в емкости 2 за счет работы термоэлектрических модулей 5. При этом на холодной стороне термоэлектрических преобразователей через некоторое время образуется лед определенной толщины. Далее при увеличении тепловой нагрузки, которая возникает в основном из-за высоких температур окружающего воздуха, насос (на рис. 1 не показан) обеспечивает принудительную циркуляцию охлажденной жидкости по замкнутому контуру. Турбулизация потока приводит к повышению коэффициента теплопередачи, следовательно, увеличивается естественная циркуляция масла в баке трансформатора, приводящая к более эффективному охлаждению изоляции обмоток. Таким образом, дополнительное жидкостное охлаждение нижней части бака трансформатора приводит к повышению эффективности охлаждения трансформаторного масла в часы наибольшей тепловой нагрузки, предотвращая выход из строя силовых трансформаторов.
Рис. 1. Дополнительная система охлаждения силового трансформатора Fig. 1. Additional cooling system for a power oil transformer
Задачи исследования
При проектировании дополнительной системы охлаждения масляных трансформаторов важными являются выбор
наиболее рационального теплового потока через термоэлектрический преобразователь и подбор оптимального объема жид-
кости. Это необходимые условия для достаточного охлаждения силового трансформатора в летний, наиболее жаркий период времени. Ранее установлено, что в это время года необходимость в дополнительном охлаждении масляного трансформатора составляет около 50% от времени его работы за сутки, то есть около 12 часов. За это же время необходимо накопить достаточное количество холода в емкости. При этом, как показали проведенные ранее численные и экспериментальные исследования, возможно образование слоя льда с
холодной стороны термоэлектрического преобразователя через 3-5 часов после отключения насоса в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Динамика изменения температуры воды в течение этого интервала времени может быть определена по известным уравнениям, поэтому не представляет научного интереса. Наибольший интерес вызывает задача определения динамики обледенения холодной поверхности термоэлектрического преобразователя в емкости с известным количеством воды.
Методы исследования
Методика расчета базируется на общепринятых принципах расчета. В исследованиях сделано предположение, что тепло отводится для охлаждения воды и на ее кристаллизацию, то есть на образование льда:
dQT= dQb + dQi.
(1)
Слагаемые в выражении (1) определяются по известным уравнениям:
dQb = mbcbdtb;
dQi = ridm1,
(2)
(3)
где ть - масса воды, кг; т/ - масса льда, кг; сь - удельная массовая теплоемкость воды, Дж/(кгК); п - удельная массовая теплота кристаллизации, Дж/кг; - изменение температуры воды, °С.
Количество тепла, отводимого от воды, можно также определить по формуле
dQb =abFb (tb - tn )dz,
(4)
¥т = ~аъ¥ъ {ч - ) ■ (5)
Учитывая связь количества тепла с тепловым потоком,
г1ёт1 = 0йх- аъРъ {^ - ) ■ (6)
Авторами получена зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи от воды при условии, что температура стенки равна нулю = 0°С):
,0,827
«ь = 13,518 ^
(7)
где / - длина поверхности теплообмена, м. С учетом этого
ridm1 =
Q -13,518-^0
t1,827 F Л lb 1 b
dz. (8)
Уравнение (8) можно преобразовать к виду, удобному для расчета изменения массы во времени:
где аь - коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности, Вт/(м2 К); ^ - температура воды, °С; ^ - температура поверхности со стороны воды, °С; dт - интервал времени, с.
Уравнение (1) с учетом (3) и (4) можно преобразовать к следующему виду:
1
(
r
ri V
11827 F Л
*и 1 и
dmm =- Q-13,518
10
dz. (9)
Следует отметить, что температура воды - параметр, меняющийся во времени. Преобразуя уравнение (2), можно получить
a Ft
dt =aFbdT,
m,c.
(10)
которое с учетом (7) можно представить следующим образом:
dtb =
13,518t1 827F (mo" m) cbl 024
-dT.
(11)
Окончательно для расчета изменения массы льда и температуры во времени можно использовать следующие зависимости:
1
(
m = mu-i+-
ri V
11827 F Л
. ¿1. -*- и
Q-13 ,518-^0,248^ At; (12)
t = t —
lbi lbi—1
13,518tbf—27 Fb
(mo— m) cbl 0> 24
-At .
(13)
Исследования проводились при разных значениях тепловых потоков через термоэлектрический преобразователь, при этом длина поверхности теплообмена составляла 0,05 м. Начальная температура воды в емкости, при которой начиналось обледенение, изменялась от 4,5 до 8,5°С, масса воды в емкости была принята равной 200 кг. Площадь контакта воды с охлаждающей поверхностью составляла 1 м2.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты численных исследований показали, что величина теплового потока, проходящая через термоэлектрический преобразователь, влияет на параметры охлаждения воды и на ее кристаллизацию только в начальный период времени. Кроме того, установлено, что от длины теп-лопередающей поверхности практически не зависят все исследуемые параметры, кроме распределения температуры воды.
На рис. 2 представлено изменение температуры воды в емкости во времени при различных значениях теплового потока через термоэлектрический преобразова-
тель. Как видно из графика, тепловой поток существенным образом влияет на начальную температуру воды в емкости, при которой начинается обледенение. Так, например, повышение теплового потока через термоэлектрический преобразователь в 3 раза позволяет увеличить начальную температуру воды в 1,89 раза. Относительно существенные изменения наблюдаются только за первые 3-4 часа работы термоэлектрического преобразователя от начала образования льда, далее температура воды практически не зависит от величины теплового потока.
0
8 т, час/hour
Рис. 2. Изменение температуры воды в емкости во времени; Q = 500 (1), 1000 (2), 1500 (3) Вт Fig. 2. Temporal variation of water temperature in the tank; Q = 500 (1), 1000 (2), 1500 (3) W
t
b
Коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности зависит от величины теплового потока только на начальном этапе охлаждения и кристаллизации жидкости (рис. 3). В дальнейшем зависимость нивелируется, и максимальное изменение при т = 4 часа составляет 16,23%. Снижение коэффициента теплоотдачи связано с уменьшением естественной конвекции воды в емкости вследствие существенного увеличения ее вязкости.
Анализируя график, представленный на рис. 4, можно сделать вывод, что повышение теплового потока через термоэлектрический преобразователь приводит к практически пропорциональному увеличению доли воды, перешедшей в состояние льда. Например, через 5 часов работы термоэлектрического преобразователя увеличение теплового потока в 3 раза даст возможность добиться доли льда, равной 0,343, то есть повышение произойдет в 3,35 раза. Следует отметить, что изменение доли воды, перешедшей в состояние льда в течение первых двух часов работы, характеризуется степенной зависимостью,
а в дальнейшем - линейной.
Исследования показали, что суммарное термическое сопротивление растет практически прямо пропорционально времени. Это связано с постановкой задачи исследования, так как тепловой поток, проходящий через термоэлектрический преобразователь, остается постоянным. Увеличение толщины льда приводит к росту его термического сопротивления. На начальном этапе охлаждения и кристаллизации жидкости вклад термического сопротивления слоя льда в суммарное термическое сопротивление растет весьма стремительно. Далее, начиная с 4-го часа происходит резкое снижение скорости изменения этого параметра. Чем выше тепловой поток, проходящий через термоэлектрический преобразователь, тем больше его термическое сопротивление. Можно увеличивать тепло-проводимость ребра за счет толщины, а также материала. Увеличение в 2 раза при той же температуре увеличивает длину обмерзания тоже в 2 раза - это поток и количество льда при сохранении максимальной толщины.
Рис. 3. Изменение коэффициента теплоотдачи от воды к поверхности во времени;
Q = 500 (1), 1000 (2), 1500 (3) Вт Fig. 3. СЬапде in the heat transfer coefficient from water to the surface over the time;
Q = 500 (1), 1000 (2), 1500 (3) W
m Im,
0,7 -
0,6 -
0,5 -
0,4 -
0,3 -
0,2 -
0,1 -0
8 t, час/hour
0 2 4 6
Рис. 4. Изменение доли воды, перешедшей в состояние льда, во времени; Q = 500 (1), 1000 (2),
1500 (3) Вт
Fig. 4. Change in the fraction of water that has transformed into ice over the time; Q = 500(1), 1000 (2), 1500 (3) W
Выводы
Проведенные численные исследования позволяют произвести выбор наиболее оптимального теплового потока через термоэлектрический преобразователь для охлаждения и кристаллизации жидкости в емкости, исходя из времени, отводимого для накопления холода. Так, например, для интенсивного охлаждения и кристаллизации воды за короткое время (в течение 3-4 часов) необходимо комбинировать термоэлектрические преобразователи с суммарным тепловым потоком более 1 кВт. В случае возможности продолжительного охла-
ждения жидкости при невысоких тепловых нагрузках достаточно использовать термоэлектрический преобразователь, имеющий тепловой поток, равный 0,5 кВт. Применение предлагаемой дополнительной системы жидкостного охлаждения силовых масляных трансформаторов позволит повысить эффективность их охлаждения в моменты пиковых тепловых нагрузок.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ № МК-5215.2016.8.
Библиографический список
1. Савинцев Ю.М., Лозовский В.В. Контроль выработки нормативного ресурса силовых трансформаторов // Новое в российской электроэнергетике. 2012. № 12. С. 32-42.
2. Голунов A.M., Сещенко Н.С. Охлаждающие устройства масляных трансформаторов. М.: Энергия, 1976.
3. Баширов М.Г., Минлибаев М.Р., Хисматуллин А.С. Повышение эффективности охлаждения силовых масляных трансформаторов [Электронный ресурс] // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2014. № 2. С. 347-357. URL: http://ogbus.ru/article/povyshenie-effektivnosti-oxlazhdeniya-silovyx-maslyanyx-transformatorov/
(20.02.2017).
4. Сушков В.В., Зябкин А.А. Моделирование тепловых процессов и диагностирование силовых трансформаторов систем электроснабжения нефтяных месторождений // Промышленная энергетика. 2013. № 2. С. 39-42.
5. Булат Л.П. Термоэлектрическое охлаждение: состояние и перспективы // Холодильный бизнес. 2008. № 8. С. 2-7.
6. Дмитриева О.С., Дмитриев А.В. Система охлаждения масляного трансформатора с применением термоэлектрических модулей // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2015. № 11-12. С. 56-59.
References
1. Savincev Ju.M., Lozovskij V.V. Kontrol' vyrabotki normativnogo resursa silovyh transformatorov [Control of normative lifespan resource of power transformers]. Novoe v rossijskoj jelektrojenergetike [New developments in the Russian electric power industry]. 2012, no. 12, pp. 32-42. (In Russian)
2. Golunov A.M., Seshhenko N.S. Ohlazhdajushhie ustrojstva masljanyh transformatorov [Cooling devices of oil transformers]. Moscow, Jenergija Publ., 1976. (In Russian)
3. Bashirov M.G., Minlibaev M.R., Hismatullin A.S. Pov-yshenie jeffektivnosti ohlazhdenija silovyh masljanyh transformatorov [Increase in cooling efficiency of power oil transformers]. Jelektronnyj nauchnyj zhurnal nefte-gazovoe delo [Electronic scientific journal oil and gas business]. 2014, no. 2, pp. 347-357. Available at: http://ogbus.ru/article/povyshenie-effektivnosti-oxlazhdeniya-silovyx-maslyanyx-transformatorov/ (accessed 20 February 2017).
4. Sushkov V.V., Zjabkin A.A. Modelirovanie teplovyh processov i diagnostirovanie silovyh transformatorov sistem jelektrosnabzhenija neftjanyh mestorozhdenij [Modeling of thermal processes and diagnostics of power transformers in power supply systems of oil fields]. Promyshlennaja jenergetika [Industrial power engineering]. 2013, no. 2, рр. 39-42. (In Russian)
5. Bulat L.P. Termojelektricheskoe ohlazhdenie: sos-tojanie i perspektivy [Thermoelectric cooling: state and prospects]. Holodil'nyj biznes [Refrigerating business]. 2008, no. 8, рр. 2-7. (In Russian)
6. Dmitrieva O.S., Dmitriev A.V. Sistema ohlazhdenija masljanogo transformatora s primeneniem termojel-ektricheskih modulej [The cooling system of oil transformer with the use of thermoelectric modules]. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Problemy jenergetiki [Proceedings of Higher Educational Establishments. Energy Problems]. 2015, no. 11-12, рр. 56-59. (In Russian)
Критерии авторства
Дмитриева О.С., Дмитриев А.В. разработали дополнительную систему охлаждения масляных трансформаторов с термоэлектрическими преобразователями, провели исследования и написали рукопись. Дмитриева О.С., Дмитриев А.В. имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 30.03.2017 г.
Authorship criteria
Dmitrieva O.S., Dmitriev A.V. have developed an additional cooling system for oil-cooled transformers using thermoelectric converters. They conducted the research and wrote the manuscript. Dmitrieva O.S., Dmitriev A.V. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 30 March 2017
