CC BY
105
УДК 532.546
Применение барботажа в системе охлаждения
силовых трансформаторов
М.Г. БАШИРОВ, проф.
А.С. ХИСМАТУЛЛИН, доцент
И.Г. ХУСНУТДИНОВА, аспирант
Филиал ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате
(453250, Россия, Республика Башкортостан, г. Салават, ул. Губкина 22А/67)
E-mail: Ilvina011@mail.ru
На основе представлений о трансцилляторном переносе тепла предлагается новая система охлаждения трансформаторного масла. Явление трансцилляторного переноса представляет собой перенос тепла в жидкости с применением всплывающих пузырьков газа. Предлагаемая система охлаждения увеличивает коэффициент переноса тепла в масле и может способствовать оптимальному режиму работы соответствующей установки.
Ключевые слова: трансформатор, барботаж, система охлаждения, элегаз, теплопроводность, теплоотдача, адсорбер, фильтр.
одним из важнейших факторов, влияющим на надёжность функционирования силовых трансформаторов, является их эффективное охлаждение. Существующие системы охлаждения силовых масляных трансформаторов имеют недостатки. Стальные стены охлаждаются с помощью радиаторов и вентиляторов крайне неэффективно, затрачивается большое количество энергоресурсов и электроэнергии [1-3]. Предложена система охлаждения масляного трансформатора с применением всплывающих пузырьков газа. В качестве охлаждающего
А и
газа предлагается использовать элегаз , который характеризуется высоким коэффициентом теплового расширения и высокой плотностью. При высоком коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло [4,5].
К настоящему времени накоплено большое количество экспериментальных фактов, свидетельствующих об увеличении коэффициентов переноса в среде с конвективными ячейками. Однако теоретически физические закономерности процессов переноса тепла в масляных трансформаторах, содержащих конвективные ячейки, не исследованы. Математическая постановка задачи Математическая модель предлагаемой системы представляет собой задачу теории теплопроводности о температурном поле в прямоугольном параллелепипеде (рис. 1), ограниченном по осям х, у и 2 соответственно:
0<х<й/2, 0<у<Ь/2, 0<2<1 ¿>0.
* Элегаз (SF6, гексафторид серы, электротехнический газ) — газ без цвета и запаха. Инертен и при отсутствии в нем примесей абсолютно безвреден для человека. Чистый элегаз не разлагается до температуры 800°С и не взаимодействует с металлами до высокой температуры.
Внутри резервуара в начальный момент находится масло при температуре Т0=15°С, которая постепенно со временем приобретает температуру ТД=50°С, соответствующую температуре нагревателя. Температура находится путем решения уравнения теплопроводности:
д T
'д 2T
■ = a
д 2T
д 2тл
дt дх2 ду2 dz2
V "
d b 0 < х < ,0 < у < — ,0 < z < l, t> 0. 2 2
со следующим начальным условием:
1 \х=о~1о ■
где а = а/ср — коэффициент температуропроводности, а — коэффициент теплопроводности и Т0 — температура окружающей среды.
Теплообмен с окружающей средой на поверхности 5 описывается по закону Ньютона:
-х*
дх 3
-Tо):
где в — поверхность стенки, а — коэффициент теплоотдачи среды «трансформаторное масло - стенка бака - воздух».
Обозначим h = а/Х, тогда граничные условия можно записать как
dT I = 0
Э X lx=0 Э X Ud 2
/
+ h
\
T|
— T d T 0
= 0,
T 1 z =l= T 0, T 1 z=0= T н ■
x
При выполнении эксперимента температура нагревателя достигает установленного программой значения в течение десяти минут. Поэтому при продолжительности эксперимента более тридцати минут температура нагревателя считается постоянной, ТН=const. Среднесуточное изменение температуры окружающей среды составляет 10°С, время проведения экспериментов — меньше двух часов, поэтому температура окружающей среды за время проведения эксперимента остается неизменной, Т0=const.
Решив задачу методом свертки, получим уравнение зависимости температуры от координаты z:
T=16
shU/x! + \l (l - z ))
sh (
x n + \ m 1
п к sin
-2E "
к=1
'пк ^
— z
l_Z
exp (- a (x П + \ I, + (п к/l)) t)
((XП +\l)12 + п2 к2 )
•T- To) + To •
где уравнения для определения xn и |im записываются как
d d - X nsin ( X n~) + hcos (X n~) = 0
2 2
b b
hcos ( ^ m~) - ^ msin ( ^ m~) = 0 . 2 2
На рис. 2 наглядно представлено распределение температуры нагретого проводника в трансформаторном масле (а) и в трансформаторном масле со всплывающими пузырьками элегаза (б). Видно, что при нагреве проводника в среде с пузырьками элегаза температура распределяется по всему объёму бака. В результате чего уменьшается скорость износа изоляции проводника и возникает экономия ресурса изоляции.
Результаты и их обсуждение
Для подтверждения теоретического обоснования проведены экспериментальные исследования. В лабораторной установке для имитации работы трансформатора использован нагревательный элемент, находящийся в центре ёмкости. В качестве рабочего тела использована цилиндрическая ёмкость радиусом 0,125 м и высотой 0,3 м, заполненная трансформаторным маслом. Газовые пузырьки созданы с помощью микрокомпрессоров, осуществляющих
d/2/ 0 / d/2/
/ Ы2/ Л
/ У
/ 1- /
z
Рис. 1. Геометрия задачи
^ ^ sin(xnd/2)sin (\mb/2)cos (xnx)cos (\my)
E E-x
i=0m=0 (X nd + sin (X nd ))(\mb + sin (\mb ))
а
б
Рис. 2. Моделирование распределения температуры в программе Elcut:
а) медный проводник с током в стальном баке с маслом;
б) медный проводник с током в стальном баке, заполненном маслом с элегазовыми пузырьками
Рис. 3. Распределение температуры трансформаторного масла от времени:
1, 3 — экспериментальные значения при барботаже и без барботажа соответственно; 2, 4 — аппроксимационные линии
впрыск газа в нижнюю часть сосуда через керамические распределители. Для регулирования интенсивности нагрева трансформаторного масла нагревательный элемент подключен к лабораторному автотрансформатору. Для исследования тепловых процессов в баке трансформатора на различных расстояниях в установке вмонтированы термопары, показания с которых снимаются аналогово-цифровым преобразователем ADAM4018В и поступают в персональный компьютер для последующей обработки и анализа. Программа GetEdit.exe, составленная для учета результатов измерений, сохраняет получаемые данные в файл и отправляет сигналы реле-регулятору температуры.
+
x
V л
55 - -• 50- -45"
_ А----*
А/
00:10:00 00:33:90 00:5К:00 1:20:00 1:43:00 2:18:00 2:43:00 2:53:00
Время
70 " • 66 - -62 - ■ 58 - ■ 54 - -50 - ■ 46 - -42 - ■ 38- ■
ш
-г
1:04:00 0:11:30 0:19:00 0:26:30 0:34:00 0:41:30 0:49:(
Время
Рис. 4. Зависимость температуры от времени при мощности нагревательного элемента 450 Вт: а) нагрев без подключения компрессора; б) нагрев с включенным компрессором;
1 — температура вблизи нагревателя; 2 — на расстоянии 0,11 м от нагревателя, 3 — на расстоянии 0,21 м от нагревателя
Абсорбер
Компрессор
Рис. 5. Система охлаждения трансформатора
Трансформаторное масло подвергается нагреву до температуры 70°С. Далее начинается отчёт времени остывания масла. Температура масла снижается до уровня комнатной температуры 26°С за шестьдесят минут. Во время остывания каждые 5 мин фиксируется показания термопар. По показаниям был составлен график естественного остывания масла (рис. 3).
Для второго эксперимента дополнительно был использован компрессор. После нагревания масла
до температуры 70°С включался компрессор, через который в бак с маслом поступали пузырьки воздуха. Через каждые 2,5 мин осуществлялось измерение температуры с помощью тепловизора. В этом случае остывание трансформаторного масло осуществлялось быстрее, охлаждение масла с помощью пузырьков оказалось наиболее эффективным. Относительная погрешность установки составила около 14%.
На рис. 4 представлена зависимость температуры от времени при нагревании трансформаторного масла при выключенном компрессоре. При сравнении рисунков (а) и (б) видно, что при действии «пузырькового эффекта» нагревание происходит медленнее, теплосъём осуществляется по всему объему бака. Данное явление может найти эффективное применение в системе охлаждения трансформатора.
Полученные экспериментальные результаты в программе Teplo.exe свидетельствуют о том, что при пропускании пузырьков газа значение коэффициента молекулярной температуропроводности увеличивается и составляет порядка а~105 м2/с, против а~2,5 107 м2/с. Коэффициент теплоотдачи с увеличением глубины уменьшается из-за уменьшения градиента температуры.
Структурная схема предлагаемой системы охлаждения масляного трансформатора изображена на рис. 5.
Сущность процесса теплообмена заключается в том, что теплосъем с нагревающегося масла в трансформаторе осуществляется за счёт циркуляции бар-ботируемого элегаза через пространство, заполненного маслом. Газ перекачивается при помощи компрессора. После всплытия пузырьков в трансформаторе, элегаз проходит через систему фильтров, которые препятствуют прохождению частиц масла, захваченных всплывающими пузырьками элегаза в масляном трансформаторе. Далее, пройдя систему очистки и охлаждения, элегаз повторяет цикл.
Выводы
В результате проведенных экспериментов дополнительно установлены количественные закономерности возрастания коэффициентов переноса при всплывании пузырьков. Экспериментально исследованы возможности применения трансцил-ляторного переноса в системе охлаждения силового масляного трансформатора. Охлаждение трансформаторного масла с применением газовых пузырьков становится более эффективным. Элегазовые пузырьки, попадая в бак трансформатора, начинают охлаждать непосредственно масло, при этом площадь контакта, от которой зависит тепловой поток, у пузырьков с маслом во много раз больше площади стальных стенок. При пропускании пузырьков газа через жидкость увеличивается скорость процесса переноса вещества. С применением данной системы существует возможность осуществления процесса охлаждения без использования вентиляторов.
а
б
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баширов М.Г., Прахов И.В., Габбасов Р.Ш. Исследование спектра гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых трехфазным силовым трансформатором//Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья.— 2013. — № 2.— С. 25-28.
2. Баширов М.Г., Бахтизин Р.Н., Баширова Э.М., Миронова И.С. Система автоматизации управления техническим состоянием технологического оборудования нефтегазовых производств// Нефтегазовое дело. — 2011. — № 3. — С. 26-40.
3. Баширов М.Г., Минлибаев М.Р., Хисматуллин А.С. Повышение эффективности охлаждения силовых масляных трансформаторов // Нефтегазовое дело. — 2014. — № 2. — С. 347-357.
4. Нигматулин Р.И., Филиппов А.И., Хисматуллин А.С. Трансцилляторной перенос тепла в жидкости с газовыми пузырьками // Теплофизика и аэромеханика. — 2012. — Т. 19, № 5. — С. 595-612.
5. Филиппов А.И., Минлибаев М.Р., Хисматул-лин А.С. Установка для исследования коэффициента температуропроводности в жидкости //Новые промышленные технологии. — 2010. — № 2. — С. 62-63.
APPLICATION OF BUBBLING IN THE COOLING SYSTEM OF POWER TRANSFORMERS
Bashirov M.G., Prof.
Hismatullin A.S., Docent
Khusnutdinova I.G., Graduate Student, E-mail: Ilvina011@mail.ru
Branch of Ufa State Petroleum Technological University
(67, ul. Gubkina, Salavat, Republic of Bashkortostan, 453256, Russian Federation)
ABSTRACT
Based on the concepts of bubbling offered a new cooling system of transformer oil. This phenomenon represents the heat transfer in a liquid with using gas bubbles. The proposed cooling system increases the heat transfer coefficient in the oil and can contribute to the optimization mode of operation of the installation.
Keywords: power transformer, cooling, insulating gas, thermal conductivity, heat dissipation, adsorber, filter, bubbling.
REFERENCES
1. Bashirov M.G., Prakhov I.V., Gabbasov R.Sh. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syrya — Transport and storage of oil and hydrocarbons. 2013, no. 2, pp. 25-28. (In Russian)
2. Bashirov M.G., Bakhtizin R.N., Bashirova E.M., Mironova I.S. Neftegazovoye delo — Oil and gas business. 2011, no. 3, pp. 26-40. (In Russian)
3. Bashirov M.G., Minlibayev M.R., Khismatullin A.S. Neftegazovoye delo — Oil and gas business. 2014, no. 2, pp. 347-357. (In Russian)
4. Nigmatulin R. I., Filippov A. I., Khismatullin A. S. Teplofizika i aeromekhanika — Thermophysics and Aeromechanics. 2012. Vol. 19, no. 5, pp. 595-612. (In Russian)
5. Filippov A.I., Minlibayev M.R., Khismatullin A.S. Novyye promyshlennyye tekhnologii — New industrial technologies. 2010, no. 2, pp. 62-63. (In Russian)
