Расчет системы обеспечения микроклимата ячейки КРУ2-10П с выключателем ВМП-10 с приводом ПМП-10

Содержание

Введение

Раздел 1. Обеспечение температурного режима

Раздел 2. Обеспечение влажностного режима

Список используемой литературы

Введение

Комплектное распределительное устройство (КРУ) -- это совокупность электротехнического оборудования, необходимого для схемы распределительных устройств (РУ), смонтированного в отдельных шкафах. Они широко применяются на распределительных подстанциях энергосистем, преобразовательных подстанциях, подстанциях промышленных и сельскохозяйственных предприятий и т.д. РУ набирается из отдельных шкафов КРУ со встроенным в них электротехническим оборудованием высокого напряжения, устройствами релейной защиты, приборами измерения, автоматики, масляными выключателями и др. В настоящее время широко применяют наружную установку шкафов КРУ. Для надежности работы оборудования вне зависимости от условий окружающей среды необходимо поддерживать определенный микроклимат по температуре и влажности воздуха внутри шкафов КРУ. В холодный (зимний) период года возможно переохлаждение и замерзание масла, что нарушит работу масляных выключателей, недопустимо также переохлаждение системы релейной защиты и образование инея (десублимации влаги) при высокой относительной влажности воздуха. В весенне-осенний период наблюдается большая амплитуда суточного колебания температуры и при высокой влажности воздуха возможно выпадение влаги в жидкой фазе на изоляторах. Обеспечение теплового режима в разное время года подогревом воздуха внутри шкафов КРУ позволит исключить эти нежелательные явления и обеспечит надежную работу оборудования.

Задачей курсовой работы по второй теме является расчет мощности нагревательных устройств с целью обеспечения температурного режима в зимних условиях и влажностного режима в переходные периоды года.

Раздел 1. Обеспечение температурного режима

Для дальнейших расчетов принимаем шкаф КРУ2-10П с выключателем ВМП-10 с приводом ПМП-10. Количество шкафов определено заданием, а схема приведена на чертеже. Принимаем расположение шкафов 1 ряд. Схема расположения также приведена на чертеже.

По условиям работы температура воздуха внутри шкафов не должна быть ниже +5 град. Температура наружного воздуха принимается по средней температуре наиболее холодных суток в году, в зависимости от региона расположения подстанции (см. прил. 6 [1]).

Тепловая мощность подогревающего устройства определяется теплопотерями через стенки шкафа КРУ и излучением с его наружной поверхности.

Расчет теплопотерь через стенки шкафа.

Расчет теплопотерь шкафа через стенки (боковую и верхнюю) определяются по уравнению теплопередачи:

(1.0)

Где, F - расчетная поверхность теплообмена. Принимается по наружной поверхности шкафа, причем у крайних и средних шкафов, стоящих в одном ряду, поверхность теплообмена разная;

tвн, tн - температура воздуха внутри шкафа и снаружи;

k - коэффициент теплопередачи, Вт/м^2*К, рассчитывается по уравнению:

 (1.1)

Где, aвн - коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней стенке шкафа, определяется при условии теплоотдачи внутри шкафа свободной конвекцией, Вт/м^2*К;

aн - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности шкафа к воздуху, рассчитывается при условии обдувания ветром Вт/м^2*К. Скорость ветра принять из прил. 6 [1] W=6.2 м/с.

dс - толщина стенки шкафа 3мм.

lс - коэффициент теплопроводности стенки, выполненной из стали 45 Вт/м*К.

Расчёт aвн производим по критериальным уравнениям:

(1.2)

(1.3)

Где, Nu - критерий Нуссельта;

Pr - коэффициент Прандтля, зависящий соответствующей определяющей температуре tопр (прил. 2 [1])

с, n - постоянные, зависящие от условий теплоотдачи (прил. 4 [1]).

?ж - коэффициент теплопроводности жидкости (воздуха внутри шкафа, при соответствующей определяющей температуре tопр (прил. 2 [1]);

Gr - критерий Грасгофа, рассчитываемый по выражению:

 (1.4)

Где, lопр - определяющий размер.

Vж - коэффициент кинематической вязкости м^2/c, при соответствующей определяющей температуре tопр (прил. 2 [1]);

? - температурный коэффициент объемного расширения среды, определяемый по формуле:

Где, tопр - определяющая температура среды, tопр=5 °C.

Расчёт aн производим по следующим критериальным уравнениям:

(1.5)

Где, c, n, m - постоянные, зависящие от условий теплоотдачи (прил. 5 [1]).

Re - число Рейнольдса. Вычисляется по формуле:

(1.6)

Где, W - скорость течения среды (прил. 6 [1]).

?ж - коэффициент кинематической вязкости м^2/c, при соответствующей определяющей температуре tопр (прил. 2 [1]);

lопр - определяющий размер.

Так как шкаф КРУ серии КРУ2-10П имеет вид прямого параллелепипеда, то можно принять, что противолежащие стенки шкафа равны между собой; следовательно, чтобы посчитать теплопотери через шкаф, нужно посчитать отдельные теплопотери через переднюю, боковую, верхнюю стенки шкафа. Теплопотери через нижнюю стенку шкафа рассчитывают отдельно, так как тепло от внешней стороны стенки передаётся путём теплопроводности в землю.

Для расчёта теплопотерь нам нужно рассчитать площади стенок.

Таблица 1.1 Габаритные размеры шкафа КРУ серии КРУ2-10П

Ширина шкафа A, m	Длина шкафа B, m	Высота шкафа H, m
0.9	1.660	2346

Расчёт фасадной и задней поверхности шкафа:

Расчёт боковой поверхности шкафа:

Расчёт верхней и нижней поверхности шкафа:

M²

Количество шкафов определено заданием - 9 штук. Для снижения теплопотерь через боковые стенки шкафов, принимаем их расположение в 1 ряд. Схема расположения приведена на чертеже.

Расчёт теплопотерь через верхние стенки шкафов

1 Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней верхней стенке шкафа.

В данном случае теплообмен производится посредством свободной конвекции, для расчёта его используем формулы (1.2), (1.3), (1.4), tопр принимаем +5 °C, так как по условиям задания температура в шкафу не должна опускаться ниже +5 °C.

Таблица 1.2 Физические свойства сухого воздуха при t=+5 °C и значения постоянных c, n для данного случая теплообмена.

c	n	Pr	?ж, м?/с	?ж, Вт/ м*К	Lопр, м
0,54	0,25	0,706	13,72*10-6	2,475*10 ??	0,9

Расчёт разницы температур:

Где, tвн - температура внутри шкафа (по заданию);

tн - температура снаружи шкафа 6[1];

tст - температура стенки шкафа;

C?

Где, ?t - разность температур между температурой воздуха в шкафу и температурой стенки шкафа.

C?

Рассчитываем критерий Грасгофа по формуле (1.4):

Рассчитываем критерий Нуссельта по формуле (1.2):

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней верхней стенке шкафа:

Вт/м²*К

2 Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от верхней стенке шкафа к наружной среде. В данном случае теплообмен производится посредством вынужденной конвекции, для расчёта его используем формулы (1.5), (1.3), (1.6), tопр принимаем -37 °C.

Вычисляем число Рельнольдса по формуле (1.6):

Так как число Рельнольдса Re > 5•10⁵ ,следовательно заносим в таблицу 1.3 постоянные

с=0,15 n=0,33.

Таблица 1.3 Физические свойства сухого воздуха при t=-37 °C и значения постоянных c, n для данного случая теплообмена.

c	n	m	Pr	?ж, м?/с	?ж, Вт/ м*К	Lопр, м
0.037	0.8	0.43	0.728	10.1*10-6	2.13*10 ??	0,9

Рассчитываем критерий Нуссельта по формуле (1.5)

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от верхней стенки шкафа к окружающей среде по формуле (1.3):

Вт/м²*К

2 По формуле (1.1) рассчитываем коэффициент теплопередачи:

Вт/м²*К

3 Рассчитаем теплопотери через верхние стенки шкафов по формуле (1.1):

Вт

Расчёт теплопотерь через боковые стенки шкафов

Расчёт теплопотерь через боковые стенки шкафа рассчитывается аналогично с расчётом теплопотерь через вершине стенки шкафа, только лишь меняется определяющий размер lопр.

1 Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней боковой стенке шкафа. Все данные для расчёта сведены в таблицу 1.3. Расчёт выполняется аналогично по выражениям (1.2), (1.3), (1.4).

Таблица 1.4 Физические свойства сухого воздуха при t=+5 °C и значения постоянных c, n для данного случая теплообмена.

c	n	Pr	?ж, м?/с	?ж, Вт/ м*К	Lопр, м
0,15	0,33	0,706	13,72*10-6	2,475*10 ??	2.346

Рассчитываем критерий Грасгофа по формуле (1.4):

Произведение Gr*Pr > 10⁹ следовательно заносим в таблицу 1.4 постоянные

с=0,15 n=0,33

Рассчитываем критерий Нуссельта по формуле (1.2):

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней боковой стенке шкафа:

2 Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от внутренней стенке шкафа к наружной среде. В данном случае теплообмен производится посредством вынужденной конвекции, для расчёта его используем формулы (1.5), (1.3), (1.6), tопр принимаем -37 °C.

Вычисляем число Рельнольдса по формуле (1.6):

Так как число Рельнольдса Re > 5•10⁵ ,следовательно заносим в таблицу 1.5 постоянные

с=0,15 n=0,33.

Таблица 1.5 Физические свойства сухого воздуха при t=-37 °C и значения постоянных c, n, m для данного случая теплообмена.

c	n	m	Pr	?ж, м?/с	?ж, Вт/ м*К	Lопр, м
0.037	0.8	0.43	0.728	10.1*10-6	2.13*10 ??	2.432

Рассчитываем критерий Нуссельта по формуле (1.5)

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от боковой стенки шкафа к окружающей среде по формуле (1.3):

Вт/м²*К

2 По формуле (1.1) рассчитываем коэффициент теплопередачи:

Вт/м²*К

3 Рассчитаем теплопотери через боковые стенки шкафов по формуле (1.1):

Вт

Расчёт теплопотерь через фасадные и задние стенки шкафов

Так как боковые и фасадные (задние) стенки шкафов находятся в одинаковых условиях теплообмена, выполнены из одинакового материала и имеют одинаковый определяющий размер, равный высоте шкафа КРУ, следовательно коэффициент для фасадных (задних) стенок шкафов примем таким же как и для боковых.

Вт/м²*К

Рассчитаем теплопотери через фасадные (задние) стенки шкафов по формуле (1.1):

Вт

Расчёт теплопотерь через нижние стенки шкафов

Шкафы ячеек КРУ устанавливаются на бетонных плитах - фундаментах. Поток тепловой энергии, отдаваемый воздухом в шкафу в этом случае будет проходить через нижнюю стенку шкафа, слой бетона в землю. Примем толщину бетона ?б=100 мм, а температуру грунта tгр=-25 °С.

1 Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней нижней стенке шкафа. Все данные для расчёта сведены в таблицу 1.3. Расчёт выполняется аналогично по выражениям (1.2), (1.3), (1.4).

Таблица 1.6 Физические свойства сухого воздуха при t=+5 °C и значения постоянных c, n для данного случая теплообмена.

c	n	Pr	?ж, м?/с	?ж, Вт/ м*К	Lопр, м
0.27	0.25	0,706	13,72*10-6	2,475*10 ??	0,75

Рассчитываем критерий Грасгофа по формуле (1.4):

Рассчитываем критерий Нуссельта по формуле (1.2):

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней нижней стенке шкафа:

Вт/м²*К

2 По формуле (1.1) рассчитываем коэффициент теплопередачи:

Так как шкаф КРУ установлен на бетонном основании, толщиной 0,1 м следовательно теплопередача будет осуществляться через воздух внутри шкафа, стенка шкафа, бетонное основание, к грунту. Температуру грунта берём на 10 градусов выше температуры окружающей среды: tгр=-37+10=-27 °C

Теплопроводность бетона равна 1,3 Вт/м*К.

Вт/м*К

3 Рассчитаем теплопотери через нижние стенки шкафов по формуле (1.1):

Вт

Расчет лучистой составляющей теплопотерь

Лучистая составляющая теплопотерь определяется:

(1.7)

Где, со=5,67 Вт/м^2*К^4 - коэффициент излучения абсолютно черного тела

? - степень черноты наружной поверхности шкафа 0,85 - 0,9 - для поверхностей покрытых эмалью или масляной краской. Принимаем 0,85

Тс, Тв - абсолютные температуры стенки шкафа и окружающего воздуха.

Температуру стенки можно рассчитать:

(1.8)

Где, F - расчетная поверхность теплообмена, м2

tв - температура снаружи;

?н - коэффициент теплоотдачи от стенки наружному воздуху;

Qк - тепловой поток через стенку.

Рассчитываем температуру верхних стенок по формуле (1.8):

К

Рассчитываем температуру боковых стенок по формуле (1.8):

К

Рассчитываем температуру фасадных (задних) стенок по формуле (1.8):

Рассчитываем лучистую составляющую теплопотерь для верхних стенок по формуле (1.7):

Вт

Рассчитываем лучистую составляющую теплопотерь для боковых стенок по формуле (1.7):

Вт

Рассчитываем лучистую составляющую теплопотерь для фасадных (задних) стенок по формуле (1.7):

Вт

Расчет полных теплопотерь

Где, Qк - теплопотери через стенки шкафа; Qл - лучистая составляющая теплопотерь.

Теплопотери через верхнюю станку шкафа:

, Вт

Теплопотери через боковую станку шкафа:

Вт

Теплопотери через фасадную (заднюю) станку шкафа:

Все рассчитанные данные сводим в таблицу 1.6:

Наименование поверхности	Значения величин для поверхности в кол-ве 1 шт.
	Коэффициент теплопередачи, Вт/м2*К	Площадь поверхности, м2	Теплопотеря через стенку, Вт	Лучистая составляющая теплопотерь, Вт	Общие теплопоте-ри, Вт
Верхняя	2,42	1,494	151,85	39,138	191
Боковая	4,004	3,894	654,846	72,646	727,5
Фасадная (задняя)	4,004	2,111	355	39,838	395
Нижняя	1,405	1,494	67,2	-	67,2

Теплопотери для средних шкафов:

Вт

Теплопотери для крайних шкафов:

Вт

Выбор электрических нагревателей и схемы включения

По известным величинам теплопотерь шкафов КРУ выбираем электрические воздушные нагреватели - ТЭНов. Для ячеек находящихся в середине ряда выбираем 4 ТЭНа мощностью 0,3 кВт. Для крайних ячеек выбираем 4 ТЭНа мощностью 0,5 кВт. Общий вид ТЭНов показан на рисунке 1.



Рис.1 Воздушные ТЭНы.

Установка ТЭНов

Шкаф КРУ конструктивно разделён на 2 отсека. В первом отсеке находится непосредственно сам выключатель, во втором - трансформаторы тока, трансформатор земляной защиты, сборные шины. Электрические нагреватели объединяются в блоки ТЭНов, по 2 в каждом; Эти блоки устанавливаются в каждый из отсеков шкафа. Блок управления и автоматики подогрева устанавливается перед передней панелью выключателя внутри шкафа, для удобства оперирования и обслуживания.

Схема автоматического регулирования тепловыделения нагревательного устройства в зависимости от температуры наружного воздуха

Автоматический режим:

При срабатывании теплового контакта ВК1 подается питание на катушку промежуточного питания К1. При положении пакетного переключателя на 1 срабатывает контакт К1.2, подает питание на магнитный пускатель КМ1. Этот магнитный пускатель своим контактом подключает первый ТЭН. Когда температура в шкафу поднимется тепловой контакт ВК1 размыкается, т.е. разрывается промежуточного реле, а соответственно и магнитного пускателя КМ1. Замыкание контакта К1.1 сигнализирует о том, что работает первый ТЭН, если К2.1, то второй ТЭН, если К3.1, то шкаф не подогревается.

Ручной режим:

В положении 2 пакетного переключателя управление осуществляется кнопками.

Раздел 2. Обеспечение влажностного режима

При положительной температуре окружающей среды и высокой влажности воздуха даже небольшое понижение температуры воздуха на 2 - 3°С может привести к выпадению росы на изоляторах внутри шкафа КРУ. Наиболее вероятен такой режим в весенне-осенний периоды, из-за большой амплитуды суточного колебания температуры. Поэтому в это время года следует сохранить подогрев воздуха внутри шкафов КРУ. Автоматика должна включаться в этом случае при повышении влажности до 95%.

Мощность подогревателя можно рассчитать исходя из условия, что изменение температуры воздуха внутри шкафа в течение суток не должно опускаться ниже точки росы, Вт,

Q=k*F*?t (2.1)

?t=?t_сут^max-tр (2.2)

?t_сут^max - максимальная суточная амплитуда температуры, зависит от региона и месяца, °С,

Таблица 2.1

	IV	VI	VIII	IX
?tсутmax	19,4	25	22,9	23,9

tр - температура точки росы, °С,

Определяется по h-d диаграмме влажного воздуха по величине парциального давления пара Pп в зависимости от месяца и региона [1. прил.7]

Таблица 2.2

Показатель	IV	VI	VIII	IX
Рп, кПа	0.61	1.28	1.43	1.04
tp С	1	11	12	7.5
*10^6 м?/с	13.377	14.25	14.394	13.896
?*10^2 Вт/ м*К	2.448	2.518	2.531	2.489
Pr	0.7068	0.7048	0.7045	0.7056
tcp	3.20	14.9	15.3	9.80
*10^6 м?/с	13.687	14.359	14.364	14.16
?*10^2 Вт/ м*К	2.473	2.52	2.523	2.51
Pr	0.7062	0.70452	0.7046	0.705

Расчёт производим аналогично разделу 1. Обдувание ветром снаружи шкафов КРУ не учитывается.

Месяц IV.

Рассчитываем теплопотери через верхнюю поверхность:

1 Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней верхней стенке шкафа.

Таблица 2.3 Физические свойства сухого воздуха при t=+1 °C и значения постоянных c, n для данного случая теплообмена.

c	n	Pr	?ж, м?/с	?ж, Вт/ м*К	Lопр, м
0,54	0,25	0,7062	13,377*10-6	2,448*10 ??	0,9

Рассчитываем разницу температур:

Температура стенки шкафа:

Где, tр - температура точки росы;

tр - средняя температура суток за месяц.

C?

По выражению (2.2) рассчитываем разницу температур:

C?

Рассчитываем критерий Грасгофа по формуле (1.4):

Рассчитываем критерий Нуссельта по формуле (1.2):

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней стенке шкафа:

Вт/м2*К

2 Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от верхней стенки шкафа к наружной среде.

Таблица 2.4 Физические свойства сухого воздуха при t=+3.2 °C и значения постоянных c, n для данного случая теплообмена.

c	n	Pr	?ж, м?/с	?ж, Вт/ м*К	Lопр, м
0,27	0,25	0.7062	13.687*10-6	2.473*10 ??	0,9

Рассчитываем критерий Грасгофа по формуле (1.4):

Рассчитываем критерий Нуссельта по формуле (1.2):



Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней стенке шкафа:

Вт/м2*К

3 По формуле (1.1) рассчитываем коэффициент теплопередачи:

Вт/м2*К

4 Рассчитаем теплопотери через верхние стенки шкафов по формуле (1.1):

Вт.

Рассчитываем теплопотери через боковую поверхность:

1 Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней верхней стенке шкафа.

Таблица 2.5Физические свойства сухого воздуха при t=+1 °C и значения постоянных c, n для данного случая теплообмена.

c	n	Pr	?ж, м?/с	?ж, Вт/ м*К	Lопр, м
0,15	0,33	0,7062	13,377*10-6	2,448*10 ??	2.346

Рассчитываем критерий Грасгофа по формуле (1.4):

Произведение значения критерия Гроссгофа на критерий Прандтля:

Так как это произведение больше чем 10⁹ , то в таблицу 2.5 заносим значения постоянных c=0.15 n=0.33

Рассчитываем критерий Нуссельта по формуле (1.2):

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней стенке шкафа:

Вт/м2*К

2 Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от стенки шкафа к наружной среде.

Таблица 2.6Физические свойства сухого воздуха при t=+3.2 °C и значения постоянных c, n для данного случая теплообмена.

c	n	Pr	?ж, м?/с	?ж, Вт/ м*К	Lопр, м
0,15	0,33	0.7062	13.687*10-6	2.473*10 ??	2,432

Рассчитываем критерий Грасгофа по формуле (1.4):

Произведение значения критерия Гроссгофа на критерий Прандтля:

Рассчитываем критерий Нуссельта по формуле (1.2):

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от боковой стенки шкафа к окружающей среде по формуле (1.3):

3 По формуле (1.1) рассчитываем коэффициент теплопередачи:

Вт/м²*К

4 Рассчитаем теплопотери через боковые стенки шкафов по формуле (1.1):

Вт

Рассчитываем теплопотери через фасадную (заднюю) поверхность:

Так как боковые и фасадные (задние) стенки шкафов находятся в одинаковых условиях теплообмена, выполнены из одинакового материала и имеют одинаковый определяющий размер, равный высоте шкафа КРУ, следовательно коэффициент для фасадных (задних) стенок шкафов примем таким же как и для боковых.

k = 0,916 Вт/м²*К

4 Рассчитаем теплопотери через верхние стенки шкафов по формуле (1.1):

Рассчитываем теплопотери через нижнюю поверхность:

Рассчитываем теплопотери шкафов КРУ

Для шкафов стоящих посреди ряда:

Вт

Для шкафов стоящих по бокам ряда:

Вт

Расчёт теплопотерь в VI VI IX месяцах выполняются точно так же как в IV месяце, рационально выполнить в программном пакете "Mathcad" по составленному алгоритму расчёта.

Таблица 2.7 общие теплопотери среднего и бокового шкафов по месяцам.

	IV	VI	VIII	IX
Qср	85,015	75,6	55,7	75
Qб	150,574	134,3	100	134

Выводы

Я рассчитал мощность нагревательных устройств для обеспечения температурного режима в зимних условиях и влажностного режима в переходные периоды года.

1. Для Тверской области мощность нагревательных устройств (ТЭНов) составляет: для среднего шкафа 1200 Вт, для бокового шкафа 2000 Вт.

2. Как видно из таблицы в весенне-осенний период наибольшая мощность требуется в IV Qср=85,015 Вт, Qб=150,574Вт, а наименьшая в VIII месяце Qср=55,7 Вт, Qб=100Вт.

Список используемой литературы:

1. Шабалина Л.Н. Методические рекомендации по выполнению курсовой работы по теплотехнике для студентов специальности 311404 "Электроснабжение сельского хозяйства". - Кострома: изд. КГСХА, 2002 - 25с.

2. Борзов В.П., Шабалина Л.Н. Сборник задач по теплотехнике. Кострома, КГСХА,1997. - 65с.

3. Дорошев К.И. Эксплуатация комплектных распределительных устройств 6 - 220 кВ. М.:Энергоатомиздат,1987. - 336с.