Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин
Задачи вентиляционного расчета электрической машины. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Связь электромагнитного, теплового и вентиляционного расчетов. Основные типы систем охлаждения электрических машин. Обзор методов теплового расчета.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.11.2011 |
| Размер файла | 1,6 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки российской федерации
ФЕДЕРВЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Электромеханики
Реферат
Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин
Новосибирск,2011
1. Система охлаждения электрических машин
При работе электрической машины выделяется теплота, представляющая собой потери энергии, которые возникают при взаимном превращении механической и электрической энергии. Такими потерями в общем случае являются джоулевы потери в проводниках, потери на перемагничивание и на вихревые токи и в магнитных и проводящих массах, потери на трение роторов и потери на циркуляцию охлаждающих сред.
Отвод тепла осуществляется охлаждающими средами, в качестве которых могут быть использованы различные газы и жидкости. С целью повышения эффективности отвода тепла в электрической машине предусматривается система трактов (каналов) и нагнетательных элементов (вентиляторов, насосов), обеспечивающих направление движения охлаждающих сред. В качестве нагнетателей в ряде случаев могут использоваться конструктивные элементы электрической машины - вентиляционные распорки в роторах асинхронных машин и якорях машин постоянного тока, вентиляционные каналы и явно выраженные полюса в синхронных машинах.
Совокупность каналов тракта охлаждения, по которым циркулирует охлаждающая среда под воздействием различных типов нагнетателей, и образует систему охлаждения электрической машины.
2. Связь электромагнитного, теплового и вентиляционного расчетов
По результатам электромагнитного расчета разрабатывается конструкция и проводится вентиляционный и тепловой расчеты (путь 1). Если перегревы частей электрической машины получились выше допустимых, то корректируется конструкция и система охлаждения (путь 2) и снова производится тепловой расчет. В случае получения перегревов выше допустимых, необходимо вернуться к электромагнитному расчету (путь 3) и скорректировать электромагнитные нагрузки и размеры активной части электрической машины. Всё это показывает, что электромагнитный, вентиляционный тепловой расчеты при проектирование электрической машины неразрывно связаны между собой.
Рис.2. Блок-схема расчета системы охлаждения.
3. Понятие эффективности и экономичности систем охлаждения
Разнообразные системы охлаждения электрических машин определяют интенсивность теплообмена на граничных поверхностях и в конечном итоге реализуемую в данном объеме машины электромагнитную мощность. Чем интенсивнее теплообмен, тем меньшая температура может быть достигнута при выделении определенного количества потерь энергии. В свою очередь, обеспечение приемлемой для применяемых материалов температуры гарантирует долговечность машины и надежность ее работы при номинальной нагрузке. Таким образом, важнейшей характеристикой каждой системы охлаждения является ее эффективность.
Критериями эффективности могут служить различные величины или комплексы величин. Важнейшим показателем является отношение максимальной температуры в наиболее нагретой точке к средней температуре всей машины или максимальной температуры обмотки к ее средней температуре. Поскольку эффективность охлаждения, как вполне очевидно, зависит от количества энергии, затрачиваемой на циркуляцию охлаждающих сред, система охлаждения характеризуется также экономичностью. Когда говорят об экономичности, имеют в виду капитальные затраты, относимые к определенному сроку окупаемости оборудования, и эксплуатационные затраты. При оценке экономичности систем охлаждения электрических машин капитальные затраты в подавляющем большинстве случаев можно не принимать во внимание. В то же время эксплуатационные затраты являются важнейшей характеристикой системы охлаждения. Эксплуатационные затраты целесообразно оценивать с помощью удельных затрат мощности на охлаждение, представляющих собой отношение затраченной на охлаждение мощности к суммарным потерям электрической машины.
4 .Основные типы систем охлаждения электрических машин
Основные типы охлаждения электрических машин можно свести к следующим:
1.косвенное охлаждение, когда между источником тепла и охлаждающей средой находятся тепловая изоляция (например -изоляция лобовой части обмотки между медными проводниками, по которым течёт ток, и окружающим воздухом);
2. непосредственное охлаждение, когда охлаждающая среда проходит непосредственно через те части, где выделяются потери, и между ней и источником тепла нет тепловой изоляции (например - полые проводники обмотки статора, по которым протекает охлаждающая жидкость);
3. двухфазные систем охлаждения (например- испарительное охлаждение; при испарении жидкости происходит эффективный отбор тепла);
4. криогенные системы охлаждения, в которых используется жидкий гелий или азот при температуре близкой к температуре абсолютного нуля (-273?С).
5. Коэффициенты оценки эффективности систем охлаждения электрических машин
1. Коэффициент интенсивности теплоотдачи:
;
где - коэффициент теплоотдачи на поверхности (граница сред);
2. Коэффициент температурного состояния поверхности:
;
где - температурный напор на поверхности теплоотдачи, - подогрев охладителя на длине охлаждаемой поверхности;
3. Коэффициент удельного расхода охладителя:
;
где - потери, - максимальный расход охладителя из условия обеспечения необходимого коэффициента теплоотдачи;
4. Коэффициент использования охладителя:
;
где - максимальный расход охладителя из условия обеспечения необходимого коэффициента теплоотдачи, - минимальный расход охладителя из условия обеспечения необходимого коэффициента теплоотдачи.
6. Охлаждающие среды, их характеристики
В качестве охлаждающих сред в электрических машинах применяются нетвердые тела, т.е. жидкости и газы. Их важнейшим отличием от твердых тел является свойство легкой подвижности, или текучести. Это свойство практически выражается в способности жидкостей и газов приобретать форму сосудов, которые они заполняют. Можно сказать еще, что жидкостью или газом называется такое тело, в котором в состоянии покоя всякое сопротивление изменению формы равно нулю.
В отличие от твердых тел для жидкостей и газов характерно, что в них не деформация, а скорость деформации пропорциональна прилагаемым условиям. При малой скорости деформации сама деформация может быть значительной даже в случае приложения небольших сил.
Все нетвердые тела подразделяются в механике на три группы:
1) жидкие тела с большой вязкостью;
2) жидкие тела с малой вязкостью;
3) газообразные тела
7. Законы для идеального газа
Жидкости и газы в равной мере легко изменяют форму занимаемого пространства, т. е. легко деформируются. Совсем по-другому обстоит дело с объемом занимаемого пространства.
Газ заполняет все предоставленное ему пространство, изменяя при изменении объема свое давление.
Капельные жидкости отличаются от газов практической несжимаемостью, т. е. способностью к крайне малому уменьшению занимаемого объема при значительном увеличении внешнего давления. Например, сжимаемость воды в 14000 раз меньше, чем сжимаемость воздуха при атмосферном давлении. Для уменьшения объема воды на 0,5% необходимо повысить внешнее давление до 10 МПа. Причина этого в весьма малых молекулярных расстояниях в жидкости и, следовательно, в весьма больших молекулярных силах, которые создают давление сжатия внутри жидкости. электрический машина вентиляционный тепловой
Закон, связывающий между собой давление и объем газа, носит название закона Бойля -- Мариотта. Согласно этому закону давление одного и того же количества газа при неизменной температуре обратно пропорционально объему, занимаемому этим количеством газа:
где -- начальные значения давления и объема; р и V --давление и объем при другом состоянии газа.
Объем газа зависит также от его температуры. Ж. Л. Гей-Люссак установил, что при неизменном давлении объем одного и того же количества газа пропорционален температуре:
Следует иметь в виду, что при сжатии газа выделяется теплота, при расширении газ охлаждается, поэтому закон Бойля-- Мариотта справедлив лишь в том случае, когда в процессе сжатия или расширения поддерживается неизменная температура. Для этого необходимо обеспечить подвод теплоты к изменяющемуся объему газа и отвод теплоты. Точно так же и закон Гей-Люссака связан с существенным ограничением, поскольку давление при изменении температуры (и объема) меняется. Напомним, что по закону Шарля Р/Т = Р1/Т1 при V=const.
Для обобщения газовых законов нужно знать функциональную зависимость между всеми величинами, определяющими состояние газа: давлением, объемом и температурой. Такая зависимость называется уравнением состояния и для идеальных газов может быть получена теоретически методами кинетической теории газов.
В соответствии с кинетической теорией давление идеального газа есть результат суммарного воздействия ударов, молекул, кинетическая энергия которых эквивалентна температуре. Формула давления имеет вид
где п -- среднее число молекул в единице объема; К--постоянная Больцмана, равная Дж/К; Т--абсолютная температура газа, К. При этом п = N/V, где N -- общее число молекул в газе; V -- объем, занимаемый газом.
Число молекул для данной массы газа G может быть вычислено через молекулярную массу и универсальное число молекул в одном килограмм-моле газа NА (число Авогадро):
Отсюда
Величину называют газовой постоянной и обозначают R. Таким образом,
или
Для 1 кг газа получим
Величину называют удельным объемом.
Полученное уравнение связывает все три параметра состояния: давление, температуру и объем, т. е. является уравнением состояния идеальных газов. Оно называется уравнением Клапейрона.
8. Уравнение состояния реального газа (уравнение Ван-Дер-Ваальса)
Уравнение Ван-дер-Ваальса является для реальных газов более точным, чем уравнение Клайперона, в нём учтено влияние внутренних сил притяжения между молекулами на итоговое давление, или, как говорят, учтено молекулярное давление:
где - константы, зависящие от природы вещества; - давление; - удельный объем; - газовая постоянная; - абсолютная температура газа.
Уравнение Ван-дер-Ваальса указывает на возможность существования двухфазных состояний вещества и фазового перехода от газа к жидкости и обратно [9, с.116].
9. Задачи вентиляционного расчета электрической машины
При проектировании и расчете вентиляции электрической машины решаются следующие задачи:
1) выбор схемы вентиляции и проектирование охлаждающих трактов;
2) определение расходов охлаждающей среды в единицу времени;
3) расчет эквивалентного аэродинамического сопротивления охлаждающего тракта;
4) определение напора, обеспечивающего прохождение требуемого количества охлаждающей среды;
5) выбор и расчет нагнетательных элементов;
6) определение скоростей движения охлаждающей среды относительно поверхности теплообмена
10. Схемы вентиляции электрических машин
Подавляющее большинство электрических машин охлаждается газом (воздухом или водородом). От интенсивности и рациональности его циркуляции в каналах охлаждающих трактов зависят важнейшие свойства машины: термическая надежность, габаритные размеры, масса, КПД и др. Охлаждающий газ циркулирует в каналах под воздействием источников давления -- вентиляторов.
Система охлаждения, в которой циркулирует газ под действием вентилятора, называется вентиляционной.
1. По способу создания движения охлаждающего газа различают вентиляционные системы:
· с самовентиляцией
· с независимой вентиляцией.
При самовентиляции охлаждающий газ приводится в движение элементами конструкции или вентилятором на валу самой машины.
При независимой вентиляции в качестве нагнетательного элемента используют посторонние источники давления, чаще всего вентиляторы общепромышленного назначения.
Рис. 10.1. Машина постоянного тока с наружной самовентиляцией
1 -- внутренний вентилятор (мешалка), 2 -- наружный вентилятор 3 -- кожух вентилятора
Рис.10. 2. Машина постоянного тока с независимой вентиляцией
2. В зависимости от направления движения хладагента в машинах общепромышленного назначения можно выделить:
аксиальную
радиальную системы вентиляции.
Рис.10. 3.Аксиальная и радиальная система вентиляции машины.
3. В зависимости от условий работы и места нагнетательного элемента различают:
нагнетательные
вытяжные системы вентиляции.
Нагнетательными называют такие системы вентиляции, в которых охлаждающий газ по выходе из газоохладителя (или окружающей среды) поступает в нагнетательные элементы и под действием избыточного давления нагнетается в каналы охлаждающего тракта активной зоны электрической машины.
Вытяжными называют такие системы вентиляции, в которых охлаждающий газ по выходе из воздухоохладителей (или окружающей среды) поступает в каналы охлаждающего тракта активной зоны электрической машины, а затем втягивается нагнетателем под воздействием создаваемого им разрежения.
Охлаждающий газ циркулирует в каналах под воздействием источников избыточного давления.
Совокупность каналов охлаждающего тракта электрической машины и нагнетательных элементов (вентиляторы или компрессоры и вращающиеся каналы) называется схемой вентиляции.
Нагнетательные и вытяжные схемы могут быть:
одноструйными
многоструйными
Число струй в машине определяется числом независимых выходов подогретого газа в сборную зону перед нагнетателем.
Кроме того, следует различать схемы вентиляции радиальные, осевые, радиально-осевые и тангенциальные(рис.10.4,10.5). Характер циркуляции охлаждающего газа в этих схемах ясен из их наименования и приведенных рисунков.
Рис. 10.4. Вытяжные схемы самовентиляции: а -- осевая (машина постоянного тока); б и в -- радиальная и тангенциальная (турбогенератор)
Изменение схемы вентиляции может иногда решающим образом отразиться не только на картине циркуляции газа, но и на тепловых характеристиках электрической машины.
Рис. 10.5. Радиально-осевая схема самовентиляции (высокочастотный генератор)
11. Поле температуры (определение, изотермы, градиент, понятие теплопроводности, закон Фурье, коэффициент теплопроводности)
Совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемой части пространства в какой-либо фиксированный момент времени называется полем температуры [8, с.213]. Если температура зависит от времени, то поле называется неустановившимся или нестационарным. Если же температура во времени не меняется, поле называют установившимся или стационарным.
Геометрическое место точек поля, имеющих одинаковую температуру, образует изотермическую поверхность. При пересечении поля температуры какой-либо плоскостью, изотермические поверхности образуют на этой плоскости следы в виде линий, называемых изотермами [8, с.214].
Рис. 5. Линии равной температуры
Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормали называется градиентом температуры
Таким образом, градиент температуры является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в данной точке поля. Его положительным направлением считается направление возрастания температуры.
При соприкосновении тел, имеющих разную температуру, происходит обмен энергией структурных частиц, в результате которого интенсивность движения атомов и молекул тел с меньшей температурой возрастает, с большей - убывает. Этот процесс называется электропроводностью.
Основной закон теплопроводности, сформулированный Фурье в итоге анализа экспериментальных данных, устанавливает количественную связь между потоком тепла и разностью температур в двух точках тела: количество переданного тепла пропорционально градиенту температуры, времени и площади сечения F, перпендикулярного к направлению распространения тепла.
Если количество переданного тепла отнести к единице времени, то сформулированная зависимость выразится следующим образом:
Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности или просто теплопроводностью. Он является физическим параметром и характеризует способность вещества проводить теплоту. Коэффициент теплопроводности определяет количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу поверхности стенки, перпендикулярной потоку, при изменении температуры, равном одному градусу на единицу длины пути теплового потока.
12. Передача тепла в окружающее пространство (условие теплообмена, понятие теплового потока, виды теплопередачи, закон Ньютона-Рихмана)
При соприкосновении тел, имеющих разную температуру, происходит обмен энергией движения структурных частиц, в результате которого интенсивность движения атомов и молекул тел с меньшей температурой возрастает, с большей -- убывает. Этот процесс называется теплопроводностью.
Поток энергии, передаваемый частицами более горячего тела частицам тела более холодного, называется тепловым потоком.
Условием возникновения теплообмена является разность температур рассматриваемых тел.
Непосредственный перенос определенных порций теплоты из одной области в другую может происходить не только в результате обмена энергией частиц, заполняющих пространства между рассматриваемыми областями, но и в результате перемещения объемов среды, состоящих из большого числа молекул.
Наряду с этим перенос теплоты может осуществляться лучеиспусканием, когда энергия передается от одного тела к другому посредством электромагнитного поля.
Таким образом, существуют три способа переноса теплоты:
· теплопроводность (кондукция),
· перемещение (конвекция)
· излучение (радиация).
Применительно к текучим средам введено понятие конвективного теплообмена, при котором перенос теплоты осуществляется одновременно кондукцией и конвекцией, т. е. движением микрочастиц при их соприкосновении и перемещением макрочастей жидкости из области с одной температурой в область с другой температурой.
Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела называется теплоотдачей.
Для расчета теплоотдачи обычно используют формулу Ньютона - Рихмана:
,
в которой коэффициент теплообмена ?, являющийся функцией свойств текучей среды, параметров ее движения и свойств поверхности твердого тела, часто называют коэффициентом теплоотдачи;
разность температур стенки и жидкости ?с--?ж называется температурным напором; Р -- тепловой поток, Вт; F -- поверхность теплообмена, м2.
Конвекция бывает естественной и вынужденной. При естественной конвекции жидкость движется за счет разности плотностей малых объемов с различной температурой в поле массовых сил, например, гравитационном; при вынужденной -- за счет давления (напора) нагнетателя -- насоса или вентилятора.
Логически ясно, что важную роль в интенсивности конвективного теплообмена играют гидродинамические характеристики среды: скорость, режим движения, толщина гидродинамического пограничного слоя.
По аналогии с понятием гидродинамического пограничного слоя введено понятие теплового пограничного слоя, под которым подразумевается слой жидкости у стенки, в пределах которого температура жидкости меняется от значения на стенке до значения вдали от тела, где не сказывается влияние его температуры.
13. Дифференциальное уравнение теплопроводности, понятие краевых условий (временные, пространственные), решение для одномерного поля
Рассмотрим баланс энергии в элементе активного объема электрической машины (рис. 13.1). Закон сохранения энергии применительно к произвольному элементу объема может быть записан следующим образом:
dp = dp1+dp2,
т. е. теплота dp1, подведенная к элементу объема dV в результате теплопроводности, и теплота dp2, выделившаяся в данном элементе, расходуются на повышение энтальпии (dp) элемента.
Теплота dp1x, подведенная к элементу в направлении оси х, слагается из теплового потока dp'1x через грань ABCD за вычетом потока dp"1x через грань KLMN.
Рис. 13.1. Элемент поля температуры
Как видим, это дифференциальное уравнение теплопроводности для трехмерного нестационарного поля температуры. Оно устанавливает связь между изменениями температуры в пространстве и во времени и описывает процесс переноса теплоты внутри тела [9, с.21].
Единственность решения дифференциального уравнения обеспечивается лишь в том случае, когда заданы так называемые краевые условия. Краевые условия определяются непосредственными результатами экспериментов или их математической трактовкой.
Начальное, или временное, краевое условие задает распределение температуры в начальный момент времени:
Это как бы нулевая координата по времени, от которой ведется дальнейший отсчет [9, с.22].
Пространственное, или граничное, краевое условие задает закон взаимодействия между поверхностью тела и окружающей средой. Различают три основных типа граничных условий [9, с.23]:
а) граничные условия первого рода, когда на поверхности тела задано распределение температуры в любой момент времени:
б) граничные условия второго рода, когда на поверхности тела задано значение производных:
где ?(t) зависит лишь от закона прохождения теплового потока через граничную поверхность и может быть произвольной функцией времени;
в) граничные условия третьего рода, когда на поверхности тела задается линейное соотношение между производной и функцией.
Дифференциальное уравнение теплопроводности для одномерного случая [8, с.223]:
где - коэффициент температуропроводности материала, характеризующий скорость протекания температурных процессов.
14. Расчет одномерного теплового поля на примере пластины (постановка задачи, результат решения), понятие теплового сопротивления (теплопроводности, конвективного)
Тепловые процессы в телах описываются уравнением теплопроводности, которое является нелинейным и неоднородным :
где - удельные потери в единице объёма, объёмная плотность тепловыделения; - коэффициент теплопроводности.
Аналитическое решение уравнения теплопроводности в общем виде практически нереализуемо. Однако на практике приходится решать конкретные задачи, что позволяет упростить это уравнение и обеспечить его решение. Так, в электрических машинах наиболее часто необходимо рассчитать тепловое состояние в установившемся режиме (), а реальное трехмерное поле можно без ущерба для точности расчета свести к одномерному. Для пластины с внутренними источниками тепла уравнение теплопроводности приводится к виду
а для пластины без источников тепла - .
Последние уравнения решаются простым интегрированием. Решения их после определения постоянных интегрирования имеют вид :
ь для пластины с внутренними источниками тепла
ь для пластины без внутренних источников тепла
Здесь - тепловой поток (полные потери), - коэффициент теплоотдачи с поверхности, - коэффициент теплопроводности, - размеры пластины.
Анализ полученных выражений показывает, что в обоих случаях в решения присутствуют выражения вида и , где - если внутренние источники тепла отсутствуют, - если внутренние источники тепла имеются.
По аналогии с электрическими цепями ( аналог потенциала, Р - аналог тока) вводятся понятия тепловых сопротивлений - тепловое сопротивление теплопроводности; - тепловое сопротивление конвекции.
15. Суммарный коэффициент теплоотдачи (постановка задачи, конечный результат)
Коэффициент теплоотдачи ?, входящий в формулу Ньютона - Рихмана и в граничное условие третьего рода, оказывает в большинстве случаев решающее влияние на результаты теплового расчета. Коэффициент теплоотдачи дает общую количественную оценку интенсивности теплоотдачи при таких сложных явлениях, как конвенция и излучение, в том числе при их совместном действии. Поэтому процесс теплоотдачи и методы расчета суммарного коэффициента должны базироваться на теории указанных явлений.
Общий коэффициент ? теплоотдачи включает в себя конвективный и лучистый коэффициенты и равен:
,
Где ?из - коэффициент излучения; ?ко - коэффициент при естественной конвекции; ? - скорость движения охлаждающей среды относительно поверхности при искусственной конвекции; k - коэффициент интенсивности охлаждения поверхности; ? - многофакторный коэффициент.
При естественной конвекции величина ?из соизмерима с величиной ?ко и полный коэффициент теплоотдачи:
При искусственной конвекции с достаточно большими скоростями движения охлаждающей среды коэффициент , и в расчетах передачей тепла за счет излучения можно пренебречь.
Таким образом, количество переданного тепла зависит от величины теплоотводящей поверхности, коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи, разности температур между охлаждаемым телом и окружающей средой и состоянием поверхности охлаждаемого тела.
Интенсивность излучения зависит от температуры, характера, площади и конфигурации излучающей поверхности. Для увеличения эффективности излучающей поверхности следует увеличивать разность температур между источником тепла и средой или телом, поглощающим это тепло, а также путем подбора геометрической формы и размеров поверхностей теплообмена так, чтобы поглощающая среда (тело) воспринимала тепловой поток быстрее, чем его излучает источник тепла.
Степень черноты определяется характером обработки и цветом охлаждаемой поверхности.
Улучшить охлаждение полупроводниковых приборов можно за счет: увеличения теплопроводящей поверхности, увеличения коэффициента теплоотдачи, применения для теплоотводов материалов с высокой теплопроводностью, обработанных так, чтобы степень черноты была относительно высокой.
16. Определение теплового подобия, критерии теплового подобия
Научную основу эксперимента дает теория подобия, которая называется также теорией моделей.
Критерии теплового подобия могут быть получены из уравнения теплопроводности, если учесть в нем движение охлаждающей среды. Перечислим важнейшие из них.
Критерий Нуссельта является по существу безразмерной формой коэффициента теплообмена.
Критерий Фурье определяет отношение между темпом изменения окружающих условий () и темпом перестройки температурного поля внутри тела ().
Критерий Био есть мера отношения температурного перепада в теле к температурному перепаду между средой и телом.
Критерий Рейнольдса является мерой отношения инерционных сил в потоке движущейся среды к силам внутреннего трения.
Критерий Прандтля практически является сложной физической константой среды .
В приведенных выражениях обозначено: характерный геометрический размер; скорость движения среды; кинематическая вязкость; температуропроводность; коэффициент теплоотдачи; коэффициент теплопроводности. (И.Ф.Филиппов: Теплообмен в электрических машинах с. 13-15)
17. Теплообменики электрических машин (принципы конструирования и расчета)
В зависимости от рода охлаждающей среды в электрических машинах применяются теплообменники различных типов. Основное значение имеют воздуха - и газоохладители, в которых циркулирующий в машине воздух или водород охлаждается водой. В последнее время в связи с развитием водяного охлаждения обмоток все большее распространение приобретают водо - водяные теплообменники, предназначенные для охлаждения, циркулирующего в каналах обмоток дистиллята или конденсата.
Для охлаждения масла, циркулирующего в подшипниках, применяют водяные маслоохладители. Наконец, некоторые закрытые электрические машины охлаждаются воздухом машинного зала путем применения воздуха - воздушных теплообменников. В последнем случае внутри машины циркулирует замкнутый объем воздуха под воздействием вентиляторов на валу машины.
Работа теплообменников разных типов характеризуется большой общностью. Независимо от конструкции охладителя механизм теплообмена сводится к передаче теплоты от теплоносителя, циркулирующего внутри машины, теплоносителю, циркулирующему вне машины.
Таким образом, в процессе теплопередачи участвуют:
1) теплоотдача -- передача теплоты от первого теплоносителя к наружным стенкам охлаждающих трубок;
2) теплопроводность от наружных стенок трубок к внутренним;
3)теплоотдача -- передача теплоты от внутренних стенок ко второму теплоносителю.
Поэтому суммарное сопротивление процесса включает в себя три составляющих - два сопротивления теплоотдачи и сопротивление теплопроводности:
где k - коэффициент теплопередачи; ?1 - коэффициент теплоотдачи первого теплоносителя наружной поверхности трубок; ? - толщина стенок трубок; ? - коэффициент теплопроводности материала трубок; ?2 - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности трубок второму теплоносителю; n - коэффициент оребрения трубок, равный отношению площади наружной поверхности трубок к площади внутренней.
Для уменьшения суммарного теплового сопротивления теплообменника, или, иначе говоря, для увеличения его коэффициента теплопередачи, следует стремиться к увеличению коэффициентов теплоотдачи и уменьшению толщины стенок охлаждающих трубок. Последнее бывает связано с особенностями конструкции и технологии изготовления теплообменников. Что же касается коэффициентов теплоотдачи, то их значения, как известно, определяются главным образом характером движения соответствующего теплоносителя относительно стенок трубок.
При проектировании реальных теплообменников экспериментальное значение коэффициента теплопередачи уменьшают на 10--20 % для учета возможного загрязнения трубок или выхода из строя части их. Если считать значение коэффициента теплопередачи известным, расчет теплообменника можно построить на основе простейших соображений.
При расчете теплообменника искомым является температура охлажденного теплоносителя, циркулирующего внутри электрической машины:
.
После ряда преобразований получим:
Температура охлажденного газа в воздуха - и газоохладителях, или конденсата в водо-водяных теплообменниках, или масла в маслоохладителях регламентируется в техническом задании на проектирование электрической машины.
18. Нагрев электрической машины, режимы работы, закон строения изоляции (уравнение), понятие перегрева по ГОСТ
Согласно ГОСТ 183-66 устанавливаются три основных номинальных режима работы ЭМ в зависимости от характера и длительности работы:
· продолжительный;
· кратковременный;
· повторно-кратковременный.
Режим работы машины называется продолжительным, если рабочий период настолько велик, что температура всех частей машины достигают практически установившихся значений при неизменной температуре охлаждающего воздуха. В этом режиме машина может работать сколь угодно долго, причем перегревы ее частей не должны выходить за пределы допустимых превышений температуры, установленных стандартом.
Кратковременным режимом работы называется такой, при котором машина работает определенное, указанное на щитке время, причем превышения температуры ее отдельных частей не должны выходить за пределы, допускаемые стандартом. При этом период работы машины настолько короток, что превышение температуры машины при неизменной температуре окружающего воздуха не достигает установившегося значения, а период покоя или работ без нагрузки настолько длительный, что практически машина приходит в холодное состояние.
Повторно-кратковременным режимом работы называется такой, когда кратковременные рабочие периоды чередуются с называемыми паузами, т.е. с кратковременными периодами остановки или работы без нагрузки.
При повторно-кратковременном режиме машина может работать с относительной длительностью рабочего периода, указанной на ее щитке, сколь угодно времени, причем превышения температуры ее отдельных частей не должны выходить за пределы, допустимые стандартом.
Работа ЭМ сопровождается потерями энергии, вследствие чего происходит нагрев частей ЭМ, конструкция которой представляет собой в общем случае анизотропную комбинацию проводниковых, магнитных, изоляционных и конструктивных материалов. Специфика нагрева ЭМ заключается в том, что существенное значение имеют не только температуры машины в целом или ее отдельных частей, но и разность температур между отдельными элементами окружающей средой.
Наибольшее влияние эти факторы оказывают на изоляцию ЭМ, определяя тем самым срок ее службы.
Под влиянием нагрева изоляция «стареет» , в результате чего происходит тепловой или электрический пробой. Влияние абсолютной температуры изучено довольно хорошо и для каждого класса изоляции установлена предельная рабочая температура, превышение которой приводит к сокращению срока службы изоляции, а следовательно, и ЭМ. Старение изоляционных материалов, применяющих в электрических машинах, описывается степенным (экспоненциальным) законом, в соответствии с которым повышение температуры на определенное число градусов сокращает срок службы в 2 раза по отношению к сроку службы при допустимой температуре
где D-срок службы при температуре ; Dy- срок службы при температуре ; - постоянное повышение температуры, при котором срок службы изоляции уменьшается в два раза; для изоляционных материалов класса А =8 К, класса В=10 К.
Общей задачей изучения нагрева ЭМ является определение поля температур, значение распределения которого позволяет решать задачи теплового расчета:
o определение максимальной температуры в наиболее нагретой точке;
o определение средних значений перегревов частей электрической машины (или средней температуры.
19. Обзор методов теплового расчета (на основе решений дифференциальных уравнений аналитическим или численным методом, метод эквивалентных тепловых схем замещения)
Современный тепловой расчет электрических машин базируется на решениях дифференциальных уравнений теплопроводности в тех случаях, когда особо важно получить картину непрерывного распределения температуры в пространстве или во времени. В других случаях на основе упрощенных уравнений пользуются эквивалентными электрическими схемами для стационарных задач и представлением об однородных телах для задач нестационарных. Существуют синтетические методы, с успехом использующие особенности строгих и упрощенных решений.
Вычислительная техника в качестве мощного инструмента применяется независимо от избранного метода теплового расчета и сама содействует выработке новых методов.
20. Тепловые схемы замещения электрических машин (принципы синтеза, закон Кирхгофа для участка цепи, конкретный пример)
Для решения задач по определению температурного поля используют дифференциальное уравнение теплопроводности
(1)
Это уравнение называется дифференциальным уравнением теплопроводности в частных производных (ДУТП). Его в отдельных случаях возможно решать специальными численными методами (методом конечных разностей или методом конечных элементов), но для инженерных расчетов его редуцируют (упрощают). Так для одномерного поля температур без внутренних источников тепла уравнение (1) будет иметь вид:
(2)
Однако для инженерных расчетов электрических машин прямое решение уравнений (1), (2) приводит к весьма сложным расчетам, требующим знание граничных и начальных условий, которые в большинстве случаев (особенно при предварительных расчетах) бывают неизвестными. Поэтому при тепловых расчетах электрических машин всю конструкцию машины разбивают на отдельные элементы, в которых тепловые потоки считают постоянными.
Совокупность этих элементов называют «тепловой схемой замещения». Таким образом, тепловой расчет сводится к решению системы линейных уравнений, составленных по законам Кирхгофа для электрических цепей, поскольку существует полная аналогия законов теплопроводности и электропроводности. Этот метод даёт необходимую точность расчета (4 - 10%), удовлетворительную для практических целей.
Первый закон Кирхгофа - алгебраическая сумма магнитных потоков в узле магнитной цепи равно нулю:
Второй закон Кирхгофа - алгебраическая сумма магнитных напряжений на сопротивлениях любого произвольно выбранного замкнутого контура обхода равна алгебраической сумме МДС, пронизывающих любую поверхность, ограниченную этим контуром обхода.
Математически второй закон Кирхгофа можно записать в следующем виде:
где магнитное напряжение на сопротивлении участка замкнутого контура обхода;МДС, принизывающая контур обхода.
Расчет эквивалентной тепловой схемы статора турбогенератора с водяным охлаждением обмотки
Рассмотрим в качестве примера применение эквивалентных схем в тепловом расчете статора турбогенератора с водяным охлаждением обмотки.
На рис. 20-1 представлено одно зубцовое деление пакета сердечника с обмоткой, которое принимается за расчетную ячейку. Эквивалентная тепловая схема замещения показана на рис. 20-2. Рассматриваются следующие виды потерь: Рм-- потери в меди обмотки на один зубцовый шаг в одном пакете; Р2 -- потери «в стали зубцов на зубцовый шаг; Ра-- потери в стали цилиндрической части пакета на один зубцовый шаг.
При составлении эквивалентной схемы замещения предполагается следующая картина течения теплоты. Теплота, выделяющаяся в зубцах статора, движется вдоль листов к расточке статора (Рdz) и поперек листов к радиальному каналу (Рqz); часть теплоты направлена вдоль листов к цилиндрической поверхности сердечника (Раz), и, наконец, остающаяся теплота через изоляцию обмотки направлена к воде в каналах (Рzм). Теплота, выделяющаяся в цилиндрической части сердечника статора, вместе с потоком из зубцов Раz движется в направлении поперек листов стали к вентиляционному каналу (Рqa) и вдоль листов к наружной поверхности сердечника (Рdа).
Потери Рм направлены к воде в каналах. Так как температура охлаждающей воды отличается от температуры охлаждающего газа, то в цепь сопротивления RB? последовательно включена дополнительная ЭДС, которая изменяется в зависимости от температуры воды в обмотке. Cледует также иметь ввиду, что при достаточно высокой температуре воды в каналах поток Pzм может изменить направление на противоположное, т.е. часть потерь обмотки будет поступать в зубец.
Обозначим теперь тепловые сопротивления:
Ri - тепловое сопротивление изоляции в пакете, град/Вт;
R'dz - тепловое сопротивление зубца вдоль листов стали, град/Вт;
R'qz - тепловое сопротивление зубца поперек листов стали, град/Вт;
R'?? - тепловое сопротивление зубца с поверхности в зазоре машины, град/Вт;
R'zd - тепловое сопротивление зубца с поверхности в радиальном канале, град/Вт;
R'za - тепловое сопротивление вдоль листов стали между зубцом и цилиндрической частью сердечника, град/Вт;
R'qa - тепловое сопротивление цилиндрической части сердечника поперек листов стали, град/Вт;
R'da - тепловое сопротивление цилиндрической части сердечника вдоль листов стали, град/Вт;
R'd? - тепловое сопротивление с наружной части поверхности сердечника, град/Вт;
R'?? - тепловое сопротивление цилиндрической части сердечника с поверхности радиального канала, град/Вт;
RB? - тепловое сопротивление с поверхности меди к воде, град/Вт.
Тепловые сопротивления рассчитываются по следующим формулам, в которых где n - число охлаждающих каналов в одном пазу; периметр одного канала, м.
Преобразуем схему на рис. 6 в схему на рис. 7, для чего сложим последовательно соединенные сопротивления; будем иметь:
Уравнение теплового баланса расчетной ячейки запишется теперь в виде:
Отсюда
и превышения температуры выразятся следующим образом:
а) для зубцов
б) для меди
в) для сердечника
Список литературы
1. Бухгольц Ю.Г.Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике: учеб. пособие/ Ю. Г. Бухгольц, В. А. Тюков, Т. В. Честюнина. - Новосибирск: Изд-во НГТУ,2008. - 201 с.
2. Сипайлов А.Г. Тепловые,гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах/ Г.А.Сипайлов, Д.И.Санников, В.А.Жадан - М.,Высш.шк.,1975.
3. Скворцов С.С. Особенности теплового расчета гильзованных (герметичных) электродвигателей/ С.С.Скворцов ,М.Е.Коварский//Вопросы электромеханики. - 2009. - №5. - С.11-16.
4. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2000. - 496 с.: ил.
5. Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин: методические указания. Часть 1: Вентиляционные расчеты. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. - 40 с.: ил.
6. Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин: методические указания. Часть 2: Тепловые расчеты. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - 28 с.: ил.
7. Филиппов И.В. Основы теплообмена в электрических машинах. - Л.: Энергия, 1974. - 384 с.:ил.
8. Филиппов И.В. Теплообмен в электрических машинах: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. - 256 с.: ил.
9. Костенко М.П. Электрические машины.Часть1/ М.П. Костенко, Л.М.Пиотровский - М.Энергия,1972- 544с
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Методика расчета магнитной цепи синхронного генератора, выбор его размеров и конфигурации, построение характеристики намагничивания машины. Определение параметров обмотки, выполнение теплового и вентиляционного расчетов, сборного чертежа генератора.
курсовая работа [541,5 K], добавлен 20.12.2009Оценка потенциала энергосбережения при использовании теплоты, отводимой в системе охлаждения машин непрерывного литья заготовок. Способы использования тепловых вторичных энергоресурсов. Разработка метода исследования теплового баланса криволинейной МНЛЗ.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 10.07.2017Структура электроремонтного цеха АО "ЕВРАЗ НТМК". Проектирование ультразвуковой установки для очистки и пропитки, размотки электроизделий и деталей электрических машин. Моделирование привода в MATLAB. Принципиальная схема ультразвукового генератора.
дипломная работа [4,3 M], добавлен 17.06.2017Общие понятия об электрических машинах, их технико-экономические показатели и особенности проектирования. Электромагнитный, тепловой, механический и экономический расчёты машины. Определение параметров обмоток статора и ротора, расчёт пускового режима.
дипломная работа [648,1 K], добавлен 29.11.2011Сущность и классификация деталей, узлов и машин; предъявляемые к ним требования. Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин, применяемые для их изготовления материалы. Стандартизация, унификация и взаимозаменяемость в машиностроении.
презентация [960,7 K], добавлен 13.03.2013Сварка и другие виды местной тепловой обработки металла. Вопросы теории теплообмена. Неравномерное распределение температуры в металле. Температурное поле и градиент. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Векторная и скалярная формы закона Фурье.
учебное пособие [635,8 K], добавлен 05.02.2009Ротор современной быстроходной центробежной машины как упругая система, вращающаяся с частотой до 40 тысяч оборотов в минуту. Причины возникновения осевой силы. ANSYS как самая распространенная многофункциональная система конечно-элементных расчетов.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 28.12.2012Понятие и виды производительности горных машин, принципы и критерии ее оценки. Основные показатели качества и надежности горных машин, методика их расчета. Главные физико-механические свойства горных пород, их классификация по контактной прочности.
реферат [25,6 K], добавлен 25.08.2013Техническая характеристика ручного сверла СЭР-19М. Асинхронный двигатель. Типы и характеристики погрузочных электрических машин. Скреперная лебедка 10ЛС-2С. Транспортные установки. Аккумуляторный электровоз АРП4, 5Т. Электродвигатель электровоза ДТН-13АС.
реферат [2,6 M], добавлен 03.01.2017Детали и узлы общего назначения, их классификация и типы, функции и сферы использования. Критерии работоспособности и расчета параметров. Стандартизация и взаимозаменяемость деталей машин, принципы подбора материалов в зависимости от использования.
презентация [825,1 K], добавлен 13.04.2015
