Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE COOLING SYSTEM POWERFUL POWER TRANSFORMERS

Khismatullin A.S. 1, 2 Kamalov A.R. 2
1 The state independent scientific institution «Institute of applied researches of Republic Bashkortostan»
2 Salavat branch of State Educational Institution of Higher Professional Education «Ufa State Petroleum Technical University»
В настоящее время значительная часть эксплуатируемых мощных силовых трансформаторов отработала нормативный срок службы, установленный заводами-изготовителями. В работе предлагается метод интенсификации системы охлаждения трансформаторного масла на основе представлений о трансцилляторном переносе тепла. Интенсификация процесса теплообмена заключается в том, что теплосъем с нагревающегося масла в трансформаторе осуществляется за счёт циркуляции барботируемого элегаза, перекачиваемого компрессором. После всплытия пузырьков элегаз проходит через систему фильтров, удерживающих частицы масла, захваченные всплывающими пузырьками, и далее, пройдя систему очистки и охлаждения, повторяет рабочий цикл. В теоретических исследованиях для определения эффективного коэффициента трансцилляторного переноса тепла использован метод Зельдовича, дополненный методом редукции к эквивалентному интегро-дифференциальному уравнению при определении температурного поля. Результаты исследований показывают, что при пропускании элегазовых пузырьков через трансформаторное масло происходит возрастание коэффициента эффективной теплопроводности, связанное с трансцилляторным переносом тепла. Предлагаемый метод интенсификации системы охлаждения за счёт увеличения коэффициента переноса тепла в масле позволяет повысить эффективность системы охлаждения силовых масляных трансформаторов.
Currently, a significant portion of the exploited powerful power transformers used standard life, factory-installed izgotovitelyami. V paper proposes a method of intensifying the cooling system of transformer oil on the basis of ideas about Phenomenon of transcillation transfer is a heat transfer. Intensification of heat exchange process is that the heat removal from heating oil in the transformer is carried out at the expense of the circulation bubbling sulfur hexafluoride, pumped by the compressor. After surfacing sulfur hexafluoride bubble passes through the filter, holding the oil particles trapped by rising bubbles and then passing cleaning and cooling system, the duty cycle repeats. In the process of theoretical studies Zeldovich’s method, complemented by the reduction method to the equivalent integro-differential equation in temperature field calculations, was used to determine the effective coefficient of transcillation heat transfer. Studies show that by passing electric gas bubbles through the transformer oil is an increase of the effective thermal conductivity associated with the heat transfer transcillatory. The proposed cooling system increases the coefficient of heat transfer in oil and helps to control the cooling system of power oil transformers efficiently.
thermal conductivity
heat transfer
transcillation heat transfer
sulfur hexafluoride
transformer
bubbling
cooling system
1. Abramov V.O., Abramov V.O., Andrianov Ju.V., KisterevJe.V., Gradov O.M., Shehtman A.V., Klassen N.V., Mullakaev M.S., Bulychev N.A. Plazmennyj razrjad v kavitirujushhej zhidkosti // Inzhenernaja fizika. 2009. no. 8. рр. 34–38.
2. Abramov V.O., Abramov V.O., AndrianovJu.V., Gradov O.M., Mullakaev M.S., Bulychev N.A. Sonoplazmennyjrazrjad v zhidkoj faze // Materialovedenie. 2009. no. 2. рр. 57–63.
3. Bahtizin R.N., Bakiev A.V., Haziev N.N. Issledovanie processa teploobmena pri svobodnoj konvekcii v neodnorodnyh sredah //Vestnik Akademii nauk Respubliki Bashkortostan. 2014. T. 19. no. 4. рр. 44–49.
4. Bashirov M.G. Hismatullin A.S., Kamalov A.R. Issledovanie izmenenija teploprovodnosti masla pri barbotazhe v sisteme ohlazhdenija silovyh transformatorov // Sovremennye problem nauki i obrazovanija. 2014. no. 6. рр. 338.
5. Bashirov M.G., Hismatullin A.S., Minlibaev M.R. Povysheniej effektivnosti ohlazhdenija silovyh masljanyh transformatorov // Jelektronnyj nauchnyj zhurnal Neftegazovoe delo. 2014. no. 2. рр. 347–357.
6. Bashirov M.G., Hismatullin A.S., Husnutdinova I.G. Primenenie barbotazha v sisteme ohlazhdenija silovyh transformatorov // Transport i hranenie nefteproduktov i uglevodorodnogo syrja. 2014. no. 3. рр. 29–32.
7. Kyzyrgulov I.R., Harrasov M.H., Husainov A.T. Jelektron-fononnoe vzaimodejstvie v prostranstvenno neuporjadochennoj sisteme s silnoj mezhjelektronnoj korreljaciej // Fizika metallov i metallovedenie. 2011. T. 111, no. 2. рр. 126–135.
8. Minlibaev M.R., Hismatullin A.S., Filippov A.I. Ustanovka dlja issledovanija kojefficienta temperaturoprovodnosti v zhidkosti // Novye promyshlennye tehnologii. 2010. no. 2. рр. 62–63.
9. Mullakaev M.S. Ultrazvukovaja intensifikacija tehnologicheskih processov dobychi i pererabotki nefti, ochistki neftezagrjaznennyh vod i gruntov. Dis. dokt. tehn. nauk. Moskovskij gosudarstvennyj universitet inzhenernojj ekologii. M.: 2011. 391 р.
10. Mullakaev M.S. Ultrazvukovaja intensifikacija dobychi i pererabotki nefti. M.: OAO «VNIIOJeNG», 2014. 168 р.
11. Filippov A.I. Filtracionno-volnovoj nagrev neftjanogo plasta / A.I. Filippov, P.N. Mihajlov, A.S. Hismatullin // Inzhenernaja fizika. –2006. no. 5. рр. 13–21.
12. Hismatullin A.S. Teoreticheskoe i jeksperimentalnoe issledovanie teploperenosa v zhidkosti s gazovymi puzyrkami: dis. na soiskanieuch. st. kand. fiz.-mat. nauk. Ufa, 2010. рр. 34–42.
13. Hismatullin A.S., Bashirov M.G., Ishakov R.R. Svidetelstvo o gosudarstvennoj registracii program dlja JeVM no. 2015614072 Programma zapisi vyhodnyh dannyh jeksperimenta transformatornogo masla s vsplyvajushhimi jelegazovymi puzyrkami.
14. Hismatullin A.S., Bashirov M.G., Ishakov R.R. Svidetelstvo o gosudarstvennoj registracii program dlja JeVM no. 2015614073 Programma analiza vyhodnyh dannyh jeksperimenta po opredelenija kojefficienta temperaturoprovodnosti transformatornogo masla s vsplyvajushhimi jelegazovymi puzyrkami.
15. Nigmatulin R.I. Transcillatory heat transfer in a liquid with gas bubbles / R.I. Nigmatulin, A.I. Filippov, A.S. Khismatullin // Thermophysics and Aeromechanics. 2012. T. 19. рр. 589.

На сегодняшний день в России остро стоят проблемы, связанные с техническим перевооружением промышленности и ликвидацией технологического отставания от промышленно развитых стран. Как показала практика, большую роль в этом могут сыграть физические методы, которые позволяют без заметных энерго- и ресурсных затрат интенсифицировать различные технологические процессы в промышленности [1–11].

Одной из таких задач является повышение эффективности охлаждения силовых масляных трансформаторов, которые отработали нормативный срок службы, установленный заводами-изготовителями. Существующие системы охлаждения силовых масляных трансформаторов не обеспечивают эффективный отвод тепла от токоведущих элементов при кратковременных существенных перегрузках, чем значительно снижают их надёжность.

В работе предлагается способ повышения эффективности системы охлаждения трансформаторов, основанный на барботировании трансформаторного масла пузырьками элегаза. Большое значение коэффициента теплового расширения элегаза способствует образованию конвективных потоков, перераспределяющих неоднородности теплового поля в объеме трансформаторного масла [4–6]. В среде с конвективными ячейками возникает сложное поле скоростей, которое приводит к возрастанию эффективного коэффициента теплопроводности. При определенных условиях величина эффективного коэффициента теплопроводности может на несколько порядков превышать молекулярный коэффициент теплопроводности, поэтому исследование механизма переноса тепла в объеме трансформаторного масла с конвективными ячейками имеет важное практическое значение для повышения эффективности системы охлаждения силовых трансформаторов [12, 15].

Теоретическая часть

В процессе теоретических исследований для определения эффективного коэффициента трансцилляторного переноса тепла использован метод Зельдовича, дополненный методом редукции к эквивалентному интегро-дифференциальному уравнению при определении температурного поля [15]. Конвективный перенос тепла в поле скоростей всплывающих пузырьков может быть представлен в виде потока, эквивалентного молекулярному. Это является следствием замкнутости потока, поскольку средний конвективный массоперенос за характерный период колебаний равен нулю. Из изложенного следует также, что конвективный теплоперенос в любых ячейках типа естественной конвекции эквивалентен молекулярному тепловому движению при условии замкнутости потока.

Путем осреднения конвективного потока, при определении которого использовано интегро-дифференциальное уравнение для температуры, выражающее температурное поле через его градиент, определены выражения для эффективных коэффициентов теплопроводности [12]. Установленное положение об эквивалентности переноса тепла конвективной ячеистой и молекулярными структурами явилось теоретической основой экспериментальных измерений эффективной теплопроводности [4]. Ячеистые структуры в экспериментальной установке генерируются регулярно всплывающими пузырьками. В основе генерации лежит известный факт, что при всплывании отдельного пузырька частицы «выделенной» жидкости движутся по замкнутым траекториям.

Математическая модель предлагаемой системы охлаждения силового трансформатора представляет собой задачу теории теплопроводности о температурном поле в прямоугольном параллелепипеде (рисунок), ограниченном по осям x, y и z соответственно:

hismatull01.wmf hismatull02.wmf 0 < z < l, t > 0.

pic_52.tif

Геометрия задачи

Внутри емкости в начальный момент находится трансформаторное масло при температуре T0 = 15 °C, которое постепенно, со временем, приобретает температуру TH = 70 °C, соответствующую температуре нагревателя. Температурное поле внутри емкости определяется путем решения уравнения теплопроводности:

hismatull03.wmf hismatull04.wmf

hismatull05.wmf 0 < z < l, t > 0,

со следующим начальным условием:

hismatull06.wmf

где hismatull07.wmf – коэффициент температуропроводности.

Теплообмен с окружающей средой на поверхности S подчиняется закону Ньютона:

hismatull08.wmf

где S – поверхность стенки; α – коэффициент теплоотдачи среды (трансформаторное масло – стенка емкости – воздух).

Обозначим hismatull09.wmf, тогда граничные условия можно записать как

hismatull10.wmf hismatull11.wmf

hismatull12.wmf hismatull13.wmf

Поскольку продолжительность эксперимента намного больше времени установления температуры нагревателя, то температура нагревателя считается постоянной, TH = const. Среднесуточное изменение температуры окружающей среды составляет 10 °С, время проведения эксперимента – меньше двух часов, поэтому температура окружающей среды за время проведения эксперимента считается неизменной, T0 = const. Решив задачу методом свертки, получим уравнение изменения температуры:

 

hismatull14.wmf

где уравнения для определения коэффициентов χn и μm записываются как

hismatull15.wmf

hismatull16.wmf

Экспериментальная часть

С целью проверки полученных теоретических расчетов были проведены экспериментальные исследования на разработанном лабораторном стенде.

Эксперименты проводились на лабораторном стенде, состоящем из реактора, нагревательного элемента, микрокомпрессора, измерительных устройств и персонального компьютера. В качестве реактора использована цилиндрическая ёмкость радиусом 12,5 см и высотой 30 см, заполненная трансформаторным маслом, на оси которого по центру закреплен нагревательный элемент. Газовые пузырьки создаются с помощью микрокомпрессора, осуществляющего впрыск газа через специальные керамические распределители, расположенные в нижней части реактора. Регулирование интенсивности нагрева трансформаторного масла осуществляется с помощью лабораторного автотрансформатора, подключённого к нагревательному элементу. Для регистрации температурного поля в объеме емкости размещены термопары, сигналы с которых поступают на вход аналогово-цифрового преобразователя ADAM4018. Далее сигналы направляются в персональный компьютер, который позволяет управлять, регистрировать и обрабатывать информацию с помощью специально разработанной программы [13].

Результаты исследований показали, что при пропускании элегазовых пузырьков через трансформаторное масло коэффициент эффективной теплопроводности возрастает в 27 раз [14]. Фактически это означает, что при всплывании элегазовых пузырьков механизм трансцилляторного переноса тепла становится доминирующим [15].

Механизм теплообмена данного процесса следующий: основной теплосъём с нагревающегося масла в трансформаторе осуществляется за счёт циркуляции барботируемого элегаза, обладающего большим коэффициентом теплового расширения, в масле образуется конвективный поток, эффективно уносящий тепло. После всплытия пузырьков элегаз проходит через систему фильтров, удерживающих частицы масла, захваченные всплывающими пузырьками, и далее, пройдя систему очистки и охлаждения, возвращается обратно в работу для повторения рабочего цикла.

Выводы

1. В результате теоретических расчетов получено уравнение изменения температуры, которое позволяет вычислить температурное поле внутри реактора с трансформаторным маслом с всплывающими пузырьками элегаза.

2. Результаты экспериментов показали, что барботирование трансформаторного масла пузырьками элегаза позволяет повысить коэффициент эффективной теплопроводности в 27 раз.

3. Предложенный способ интенсификации системы охлаждения позволяет:

● повысить эффективность системы охлаждения силовых трансформаторов за счёт барботирования масла элегазом, что значительно повышает коэффициент эффективной теплопроводности;

● внедрить в производство за счёт значительного ресурсо- и энергосбережения, основанного на снижении массогабаритных показателей конструкции и уменьшения изоляционных промежутков, а также улучшенных условий охлаждения токоведущих частей, без использования вентиляторов или других дорогостоящих систем охлаждения.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта главы Республики Башкортостан за 2015 г.

Рецензенты:

Абрамов В.О., д.т.н., зам. генерального директора ООО «Виатех», г. Москва;

Муллакаев М.С., д.т.н., ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова» РАН, г. Москва.