Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин

      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 Ψ(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 :

• для пластины с внутренними источниками тепла

• 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.     (Тепловые и вентиляционные расчеты электрических машин. Вентиляционные расчеты. стр. 5-7)

 

15 .Суммарный коэффициент теплоотдачи (постановка задачи, конечный результат).

  Коэффициент теплоотдачи α, 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 α теплоотдачи включает в себя конвективный и лучистый коэффициенты и равен:  ,

  Где α_из – коэффициент излучения; α_ко – коэффициент при естественной конвекции; ν – скорость движения охлаждающей среды относительно поверхности при искусственной конвекции; k – коэффициент интенсивности охлаждения поверхности; β – многофакторный коэффициент.

При естественной конвекции величина α_из соизмерима с величиной α_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.

(Г.А.Сипайлов, Д.И.Санников, В.А.Жадан  Тепловые, гидравлические и аэродинамические  расчеты в электрических машинах.§8.1  стр. 139;Тепловые и вентиляционные  расчеты электрических машин:  Часть 2 тепловые расчеты стр.4)

 

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;  α₁ - коэффициент теплоотдачи первого теплоносителя наружной поверхности трубок; δ - толщина стенок трубок; λ - коэффициент теплопроводности материала трубок; α₂ -  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.

(И.Ф.Филиппов: Теплообмен в электрических машинах  §4.7 стр.80-83)

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.