改进变压器用片式散热器的研究 -----黄素逸 摘要: 变压器用油浸自冷片式散热器换热效率的提高,主要取决其结构的优化设计.本文通 过实验,说明了选择合理翅片对于提高换热能力有着很大的促进作用.同时,通过数值计算的方法 比较了常规上下集管散热器和经过一定改进后的散热器的换热情况, 得出了一些对于换热器设计的 有意建议. 关键词:变压器;翅片;片式散热器;改进 1. 绪论 油浸式变压器运行时,内部绕组,铁心等部件产生损耗.损耗转换为热量并通过变压器油的热 传导和对流作用传递给油箱壁,使绕组,铁心,油箱壁和油面温度上升.而温升直接影响到绕组绝 缘材料的寿命,因此必须把温升控制在一定的范围内.采用散热器进行散热是必须的. 片式换热器是目前变压器用的主流散热器, 如何找到提高散热器总传热系数的方法用于增强片 式散热器的散热能力,对于节约变压器的制造成本并延长其使用寿命是很有意义的. 由于国家对电力行业的大量投入, 一些超大容量的变压器也急需合适的散热器配套使用, 这些 对于散热器的研究提出了更高的要求.在居民区及一些对噪音,能耗有特殊要求而不能采用强迫冷 却方式的地方,如何提高散热器自冷的效果也是一个很现实的问题. 以下工业界使用的散热器分类 本文主要研究的是油浸自冷式散热器, 用于功率比较小, 或者对噪音控制要求高而只能用自冷 方式的场合. 2. 对翅片的实验研究 2.1 实验方案 实验采用对比的方式进行.普通的片式散热器如图所示: 国内设计的散热器一般片型为两块带一定数量纵向浅凹槽的冷轧钢板压合, 两块板间纵向均匀 N 条焊缝以形成 N+1 条油道. 对比的散热器改变了原有的片型冷轧时的模具结构这样就改变了片型内部结构. 实验中主要有 以下四中: 1.搓板纹型散热片 2.单面尖筋搓板纹型散热片 这两种搓板纹型散热片是在单片冷轧钢板上冲压出横向外凸的半园形或者三角形 3.圆点型散热片 圆点纹型散热片是在单片冷轧钢板上冲压出内凹的直径约为 10 毫米的圆点,圆点在板上均匀 交错分布.这种散热片取消了常规的油道,圆点相当于焊点,圆点纹处正好是两块钢板的铆合处, 油在交错布置的圆点间绕行,不断改变方向. 4.内塞绕流带散热片 这种散热片是在普通的散热片的单个油道内塞入一根麻花形铝带,其弯曲形状配合油道尺寸. 对比实验提供了能模拟变压器内部绕组等损耗发热的装置. 为使实验结果直观可比, 采用了两 套能准确控制发热元件功率, 结构尺寸相同的模拟变压器分别与普通型, 改进型散热器连接成系统, 系统中充满变压器油,两台装置放置于大房间内,关闭门窗以减少外界环境强制空气对流的影响. 为了得到各种工况下两组片式散热器的散热性能情况, 试验装置中采用了调压器, 电流互感器 来调节发热元件的功率参数, 借助功率表可保证每档工况下对比实验的两组散热器所承担的功率相 同.每组片式散热器上,布置了 10 个热电偶,测片壁上对应的温度,并且用热像仪测量了片壁的 温度场. 2.2 数据测量与处理方法 通过各自连接的功率表读数调节控制两组实验装置的发热元件同时处于相同的功率. 功率分为 640W,800W,1000W 等几档,每调一个档时,再升温的过程中,每隔 30 分钟测量一次各测温点的毫 伏数,同时测量环境温度和风速,当测量结果显示系统工作状态稳定时,隔10 分钟重复测一次作 为系统稳定传热时的实验结果,然后将功率调高一档. 所测温度中,每组散热器有两点分别是进,出散热器的油温,测量的方法是将端头封闭的铜管 斜插入上下集管,铜管与集管结合处焊牢,铜管中充满变压器油,热电偶伸入铜管中.这样,热电 偶所测温度并非上下集管中油的真实温度,但考虑到铜的导热系数很大,所测温度误差很小,且两 组散热器所用测温条件相同,仍然有可比性. 实验用热电偶测定片壁外恻共 8 点的温度,加上红外点温计测定的 4 点温度,共12 点温度数 据,在传热计算时取它们的算术平均值为外壁的平均温度. 实验中用来模拟变压器的内装电加热器的圆筒及与散热器上下集管相连的上下两根横管均未 保温,起到向外散热的作用,故需要测量其外壁温度作为传热计算依据,用红外点温计测量取各测 量点的算术平均值为其平均温度. 散热器内油的平均温升(即油与环境空气的平均温差)取油进出散热器时温升的对数平均值. 所有测温热电偶冷端均连接冰罐,并调校准确.热电偶材料为镍铬-考铜,所测毫伏值精确到 0.001mV,所对应温度精度为 0.01℃. 所有散热器的充油量在实验完毕时用天平称量,精确到 0.001kg 2.3 实验结果 实验结果整理成如下表格 说明:1 号为三角尖筋搓板纹型散热器 2 号普通散热器 3 号为圆筋搓板纹型散热器(单面,另一面为平板) 4 号为单面交错圆点纹型散热器(单面,另一面为平板) 5 号为内塞扰流铝带型散热器 2.4 实验结果计算 利用实验数据可以计算如下项目: 一是各功率下对比实验的两组散热器各自的散热量与传热系 数;二是油自然循环的流量与流速.计算方法和公式参考文献【1】 计算结果如下表: 2.5 结果分析 2.5.1 散热能力的对比 分析对比实验的结果表明, 三角尖凸筋搓板纹型与内插螺旋扰流铝带型片式散热器的传热系数 较普通型的有了 3%-8%的提高.因为油浸自冷散热器空气恻与油恻热阻之比为 8-10,因此可以 推断油恻的换热系数提高了 50%以上,如果采用强迫风冷方式,减小空气热阻,这两种散热器的传 热系数还会成倍提高. 半圆凸筋搓板纹型和交错凹圆点型的传热系数提高不大. 这说明了不同散热片的片型对于散热 能力有着不同的影响,并非所有的翅片都可以提高传热效率. 2.5.2 循环流量的不同 采用了翅片的片式散热器由于油道容积的减少, 使得循环油量比普通型要少. 半圆凸筋搓板纹 型散热器比普通型油量少 10%左右,其余的比普通型油量少 2%-3%. 2.5.3 不同损耗下散热器的总传热系数不同 从实验结果可见,在变压器损耗不同时,同一片式散热器总传热系数不同,损耗越高,总散热 系数越大,但并不按比例增加.而对于对比实验的两组散热器,如三角尖凸筋搓板纹型与普通型散 热器,前者在提高总传热系数以及降低油温方面的有事随着损耗的加大而变得越来越不明显,这是 因为随着电加热器输入的损耗加大,模拟变压器担负的散热量占系统总散热量(即输入电功率)的 份额加大而使散热器担负的散热量份额减小所致. 2.6 实验结论 通过实验研究了改变片式散热器的片型或结构对其散热性能与阻力特性的影响, 实验表明三角 尖筋搓板纹型与内插螺旋扰流铝带型(螺距与宽度之比为 7 较合理)散热器的散热能力比普通型有 一定的增加,半圆凸筋搓板纹型散热器的阻力增加较多,但对变压器温度场无不利影响,交错凹圆 点纹型散热器的阻力也只有少量增加,但变压器的温度场变坏(顶层油温升高);实验为片型的选 择提供了实验依据. 3.用数值计算方法的进一步改进 3.1 改进的原因 当散热器片数较多时, 离变压器最远的外端散热片其与环境空气对流和辐射换热条件最好, 假 设其流量与其他散热片的流量相同,则油在里面冷却的速度是最快的,造成油的粘度增加最快,从 传热角度来看是浪费了一些散热面积,从流动的角度看则增加了阻力,如果将靠外端的散热片中心 距减小就可以解决这个问题.既减少了传热面积,又因片式散热器中流动阻力主要是摩擦阻力而减 少了阻力,起到均衡各散热片传热与流动条件的作用,还节约了散热片金属材料. 因此可以考虑将散热器上下集管做成倾斜的, 以达到以上效果, 并且还可以利用重力加快油的 流动.在改进时,核心目的在于使各散热片的出口的油温以及粘度差别尽量减小,同时又不影响整 体散热能力. 对于这种改进的散热器进行了一系列的数值仿真运算. 3.2 模型的建立 图5图6如图 5 所示为变压器的模拟图, 由四片散热片组成. 计算中主要通过调节上下集管与水平面的 交角来改变各散热片的中心距.第一片散热片中心距为 750 毫米,宽260 毫米,厚10 毫米,各片 间距 50 毫米.图6为假想的边界条件,散热器位于其中,每条边长扩大 3 倍以上.边界条件包括 前表面作为等效变压器,模拟变压器这个热源,其余的表面则定为恒温条件,既室温.这个模型可 以粗略的表现散热器的一边散热条件好,另一边散热条件差. 用Fluent 软件计算时,散热器入口流量为 0.012kg/s,温度为 329K.为了便于计算,所有的散 热器的散热片都为平面,虽然不同于实际情况,但是相互之间条件相同,仍然具有可比性. 3.3 计算结果 通过出口的平均油温可以比较具有不同角度集管的散热器的散热能力之差别. 表9出口油温 图7普通散热器粘性图 图8集管倾斜 5 度散热器粘性图 图9集管倾斜 10 度散热器粘性图 图10 15 度角散热器粘性分布 图11 20 度角散热器粘性分布 图12 25 度角散热器的粘性分布 3.4 计算结果分析以及结论 通过以上数据可以发现 5 度角,到30 度角六个散热器的出口平均温比普通型分别增加了 0.16 %,0.19%,0.32%,0.47%,0.6%,1%.可见依次缩小散热片中心距的高度在一定范围内可以认 为散热能力变化不大,当倾斜角度大于 25 度时,散热能力则有了比较大降幅. 通过比较以上各种角度散热器的粘性分布图,可以发现集管倾斜角度大于 15 度时,下集管的 粘性分布在同一高度趋于一致,有效的减少了流动阻力以及下集管内部油温不同而换热造成的损 失. 综合以上,可以发现本算例中,如果倾斜角度取 15-25 之间的某一个值可以使散热能力与流动 达到最优化.因此,有理由认为这种依次改变散热片中心距高度的做法对散热器是有利的,减少了 无效散热面积. 参考文献 【1】 贾子瑜,王秀莲等.SF6 变压器用片式散热器散热能力实验. 【2】 【2】 王国华,油浸式变压器用热交换装置综述(上). 【3】 【3】 王国华,油浸式变压器用热交换装置综述(中). 【4】 王国华,油浸式变压器用热交换装置综述(下). 作者简介 黄素逸:华中科技大学教授、博士生导师.享受政府特殊津贴.国家自然科学基金第六、七届 评审组成员;《国家重点基础研究发展规划》项目咨询组专家;教育部科技委第三届学部组成员; 湖北省科学技术进步奖励委员会委员.获国家奖三等奖一项,省部级三等奖二项.主持完成国家自 然科学基金6项、国防基金4项、总装基金1项、"973"国家重点基础项目1项. 叶翔,李中洲:华中科技大学能源学院研究生.
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改进变压器用片式散热器的研究 -----黄素逸 摘要: 变压器用油浸自冷片式散热器换热效率的提高,主要取决其结构的优化设计.本文通 过实验,说明了选择合理翅片对于提高换热能力有着很大的促进作用.同时,通过数值计算的方法 比较了常规上下集管散热器和经过一定改进后的散热器的换热情况, 得出了一些对于换热器设计的 有意建议. 关键词:变压器;翅片;片式散热器;改进 1. 绪论 油浸式变压器运行时,内部绕组,铁心等部件产生损耗.损耗转换为热量并通过变压器油的热 传导和对流作用传递给油箱壁,使绕组,铁心,油箱壁和油面温度上升.而温升直接影响到绕组绝 缘材料的寿命,因此必须把温升控制在一定的范围内.采用散热器进行散热是必须的. 片式换热器是目前变压器用的主流散热器, 如何找到提高散热器总传热系数的方法用于增强片 式散热器的散热能力,对于节约变压器的制造成本并延长其使用寿命是很有意义的. 由于国家对电力行业的大量投入, 一些超大容量的变压器也急需合适的散热器配套使用, 这些 对于散热器的研究提出了更高的要求.在居民区及一些对噪音,能耗有特殊要求而不能采用强迫冷 却方式的地方,如何提高散热器自冷的效果也是一个很现实的问题. 以下工业界使用的散热器分类 本文主要研究的是油浸自冷式散热器, 用于功率比较小, 或者对噪音控制要求高而只能用自冷 方式的场合. 2. 对翅片的实验研究 2.1 实验方案 实验采用对比的方式进行.普通的片式散热器如图所示: 国内设计的散热器一般片型为两块带一定数量纵向浅凹槽的冷轧钢板压合, 两块板间纵向均匀 N 条焊缝以形成 N+1 条油道. 对比的散热器改变了原有的片型冷轧时的模具结构这样就改变了片型内部结构. 实验中主要有 以下四中: 1.搓板纹型散热片 2.单面尖筋搓板纹型散热片 这两种搓板纹型散热片是在单片冷轧钢板上冲压出横向外凸的半园形或者三角形 3.圆点型散热片 圆点纹型散热片是在单片冷轧钢板上冲压出内凹的直径约为 10 毫米的圆点,圆点在板上均匀 交错分布.这种散热片取消了常规的油道,圆点相当于焊点,圆点纹处正好是两块钢板的铆合处, 油在交错布置的圆点间绕行,不断改变方向. 4.内塞绕流带散热片 这种散热片是在普通的散热片的单个油道内塞入一根麻花形铝带,其弯曲形状配合油道尺寸. 对比实验提供了能模拟变压器内部绕组等损耗发热的装置. 为使实验结果直观可比, 采用了两 套能准确控制发热元件功率, 结构尺寸相同的模拟变压器分别与普通型, 改进型散热器连接成系统, 系统中充满变压器油,两台装置放置于大房间内,关闭门窗以减少外界环境强制空气对流的影响. 为了得到各种工况下两组片式散热器的散热性能情况, 试验装置中采用了调压器, 电流互感器 来调节发热元件的功率参数, 借助功率表可保证每档工况下对比实验的两组散热器所承担的功率相 同.每组片式散热器上,布置了 10 个热电偶,测片壁上对应的温度,并且用热像仪测量了片壁的 温度场. 2.2 数据测量与处理方法 通过各自连接的功率表读数调节控制两组实验装置的发热元件同时处于相同的功率. 功率分为 640W,800W,1000W 等几档,每调一个档时,再升温的过程中,每隔 30 分钟测量一次各测温点的毫 伏数,同时测量环境温度和风速,当测量结果显示系统工作状态稳定时,隔10 分钟重复测一次作 为系统稳定传热时的实验结果,然后将功率调高一档. 所测温度中,每组散热器有两点分别是进,出散热器的油温,测量的方法是将端头封闭的铜管 斜插入上下集管,铜管与集管结合处焊牢,铜管中充满变压器油,热电偶伸入铜管中.这样,热电 偶所测温度并非上下集管中油的真实温度,但考虑到铜的导热系数很大,所测温度误差很小,且两 组散热器所用测温条件相同,仍然有可比性. 实验用热电偶测定片壁外恻共 8 点的温度,加上红外点温计测定的 4 点温度,共12 点温度数 据,在传热计算时取它们的算术平均值为外壁的平均温度. 实验中用来模拟变压器的内装电加热器的圆筒及与散热器上下集管相连的上下两根横管均未 保温,起到向外散热的作用,故需要测量其外壁温度作为传热计算依据,用红外点温计测量取各测 量点的算术平均值为其平均温度. 散热器内油的平均温升(即油与环境空气的平均温差)取油进出散热器时温升的对数平均值. 所有测温热电偶冷端均连接冰罐,并调校准确.热电偶材料为镍铬-考铜,所测毫伏值精确到 0.001mV,所对应温度精度为 0.01℃. 所有散热器的充油量在实验完毕时用天平称量,精确到 0.001kg 2.3 实验结果 实验结果整理成如下表格 说明:1 号为三角尖筋搓板纹型散热器 2 号普通散热器 3 号为圆筋搓板纹型散热器(单面,另一面为平板) 4 号为单面交错圆点纹型散热器(单面,另一面为平板) 5 号为内塞扰流铝带型散热器 2.4 实验结果计算 利用实验数据可以计算如下项目: 一是各功率下对比实验的两组散热器各自的散热量与传热系 数;二是油自然循环的流量与流速.计算方法和公式参考文献【1】 计算结果如下表: 2.5 结果分析 2.5.1 散热能力的对比 分析对比实验的结果表明, 三角尖凸筋搓板纹型与内插螺旋扰流铝带型片式散热器的传热系数 较普通型的有了 3%-8%的提高.因为油浸自冷散热器空气恻与油恻热阻之比为 8-10,因此可以 推断油恻的换热系数提高了 50%以上,如果采用强迫风冷方式,减小空气热阻,这两种散热器的传 热系数还会成倍提高. 半圆凸筋搓板纹型和交错凹圆点型的传热系数提高不大. 这说明了不同散热片的片型对于散热 能力有着不同的影响,并非所有的翅片都可以提高传热效率. 2.5.2 循环流量的不同 采用了翅片的片式散热器由于油道容积的减少, 使得循环油量比普通型要少. 半圆凸筋搓板纹 型散热器比普通型油量少 10%左右,其余的比普通型油量少 2%-3%. 2.5.3 不同损耗下散热器的总传热系数不同 从实验结果可见,在变压器损耗不同时,同一片式散热器总传热系数不同,损耗越高,总散热 系数越大,但并不按比例增加.而对于对比实验的两组散热器,如三角尖凸筋搓板纹型与普通型散 热器,前者在提高总传热系数以及降低油温方面的有事随着损耗的加大而变得越来越不明显,这是 因为随着电加热器输入的损耗加大,模拟变压器担负的散热量占系统总散热量(即输入电功率)的 份额加大而使散热器担负的散热量份额减小所致. 2.6 实验结论 通过实验研究了改变片式散热器的片型或结构对其散热性能与阻力特性的影响, 实验表明三角 尖筋搓板纹型与内插螺旋扰流铝带型(螺距与宽度之比为 7 较合理)散热器的散热能力比普通型有 一定的增加,半圆凸筋搓板纹型散热器的阻力增加较多,但对变压器温度场无不利影响,交错凹圆 点纹型散热器的阻力也只有少量增加,但变压器的温度场变坏(顶层油温升高);实验为片型的选 择提供了实验依据. 3.用数值计算方法的进一步改进 3.1 改进的原因 当散热器片数较多时, 离变压器最远的外端散热片其与环境空气对流和辐射换热条件最好, 假 设其流量与其他散热片的流量相同,则油在里面冷却的速度是最快的,造成油的粘度增加最快,从 传热角度来看是浪费了一些散热面积,从流动的角度看则增加了阻力,如果将靠外端的散热片中心 距减小就可以解决这个问题.既减少了传热面积,又因片式散热器中流动阻力主要是摩擦阻力而减 少了阻力,起到均衡各散热片传热与流动条件的作用,还节约了散热片金属材料. 因此可以考虑将散热器上下集管做成倾斜的, 以达到以上效果, 并且还可以利用重力加快油的 流动.在改进时,核心目的在于使各散热片的出口的油温以及粘度差别尽量减小,同时又不影响整 体散热能力. 对于这种改进的散热器进行了一系列的数值仿真运算. 3.2 模型的建立 图5图6如图 5 所示为变压器的模拟图, 由四片散热片组成. 计算中主要通过调节上下集管与水平面的 交角来改变各散热片的中心距.第一片散热片中心距为 750 毫米,宽260 毫米,厚10 毫米,各片 间距 50 毫米.图6为假想的边界条件,散热器位于其中,每条边长扩大 3 倍以上.边界条件包括 前表面作为等效变压器,模拟变压器这个热源,其余的表面则定为恒温条件,既室温.这个模型可 以粗略的表现散热器的一边散热条件好,另一边散热条件差. 用Fluent 软件计算时,散热器入口流量为 0.012kg/s,温度为 329K.为了便于计算,所有的散 热器的散热片都为平面,虽然不同于实际情况,但是相互之间条件相同,仍然具有可比性. 3.3 计算结果 通过出口的平均油温可以比较具有不同角度集管的散热器的散热能力之差别. 表9出口油温 图7普通散热器粘性图 图8集管倾斜 5 度散热器粘性图 图9集管倾斜 10 度散热器粘性图 图10 15 度角散热器粘性分布 图11 20 度角散热器粘性分布 图12 25 度角散热器的粘性分布 3.4 计算结果分析以及结论 通过以上数据可以发现 5 度角,到30 度角六个散热器的出口平均温比普通型分别增加了 0.16 %,0.19%,0.32%,0.47%,0.6%,1%.可见依次缩小散热片中心距的高度在一定范围内可以认 为散热能力变化不大,当倾斜角度大于 25 度时,散热能力则有了比较大降幅. 通过比较以上各种角度散热器的粘性分布图,可以发现集管倾斜角度大于 15 度时,下集管的 粘性分布在同一高度趋于一致,有效的减少了流动阻力以及下集管内部油温不同而换热造成的损 失. 综合以上,可以发现本算例中,如果倾斜角度取 15-25 之间的某一个值可以使散热能力与流动 达到最优化.因此,有理由认为这种依次改变散热片中心距高度的做法对散热器是有利的,减少了 无效散热面积. 参考文献 【1】 贾子瑜,王秀莲等.SF6 变压器用片式散热器散热能力实验. 【2】 【2】 王国华,油浸式变压器用热交换装置综述(上). 【3】 【3】 王国华,油浸式变压器用热交换装置综述(中). 【4】 王国华,油浸式变压器用热交换装置综述(下). 作者简介 黄素逸:华中科技大学教授、博士生导师.享受政府特殊津贴.国家自然科学基金第六、七届 评审组成员;《国家重点基础研究发展规划》项目咨询组专家;教育部科技委第三届学部组成员; 湖北省科学技术进步奖励委员会委员.获国家奖三等奖一项,省部级三等奖二项.主持完成国家自 然科学基金6项、国防基金4项、总装基金1项、"973"国家重点基础项目1项. 叶翔,李中洲:华中科技大学能源学院研究生.