Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин

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

     (Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин. Вентиляционные расчеты. стр. 5)

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

мног струйными 

  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.

а)

 

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)

(Г.А.Сипайлов, Д.И.Санников, В.А.Жадан  Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах.§3.1.стр. 43 ;И.Ф.Филиппов: Теплообмен в электрических машинах §10.1стр.175-179)

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 (Филиппов И.В. Основы теплообмена в электрических машинах с.214).

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  (И.Ф.Филиппов: Теплообмен в электрических машинах  стр.14)

     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  (И.Ф.Филиппов: Теплообмен в электрических машинах с.20)

 

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 α, являющийся функцией свойств текучей среды, параметров ее движения и свойств поверхности твердого тела, часто называют коэффициентом теплоотдачи;

разность  температур стенки и жидкости  υ_с—υ_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.

(И.Ф.Филиппов: Теплообмен в электрических машинах  §1.9 стр.14-16)

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 dp_1x, 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: