Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин

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

(И.Ф.Филиппов: Теплообмен в электрических машинах  §1.1 стр.7-8)

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.  (Тепловые и вентиляционные расчеты электрических            машин. Часть 1. Вентиляционные расчеты. стр. 6-7)

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 (И.Ф.Филиппов: Теплообмен в электрических машинах §1.1 стр.7-9)

     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).

(Тепловые  и вентиляционные расчеты электрических  машин. Часть 1. Вентиляционные  расчеты. стр. 3)

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

   (И.Ф.Филиппов: Теплообмен в электрических машинах стр.112)

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.

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 N_А (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.

(И.Ф.Филиппов: Теплообмен в электрических машинах  §6.3 стр.114-115)

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].