УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

Полезная модель относится к теплотехнике, в частности к теплообменным аппаратам, в которых теплоноситель испаряется и конденсируется, и может быть использована для обеспечения теплового режима силового трансформатора тепловой электрической станции.
Известен трансформатор [SU 1072118 A1, МПК5 H01F 27/18, опубл. 07.02.1984], содержащий активную часть, представляющую собой магнитопровод с насаженными на его стержни чередующимися обмотками, размещенную в кожухе с боковыми гофрированными стенками. Между катушками размещены тепловые трубы, тепловоспринимающая часть которых размещена между катушками обмотки, а теплоотдающая часть в гофрах кожуха. Тепловая труба выполнена плоской. В ее тепловоспринимающей части выполнен полукруглый вырез для размещения стержня магнитопровода, а теплоотдающая часть тепловой трубы выполнена из упругого металлического листового материала.
Размещение теплоотдающей части устройства в гофрах кожуха существенно уменьшает эффективность отвода тепловой энергии от магнитопровода трансформатора.
Известна испарительно-конденсационная система охлаждения для токопроводящих элементов [RU 2513118 С2, МПК H01F 27/18 (2006.01), опубл. 20.04.2014], содержащая испаритель, конденсатор, средство охлаждения конденсатора, трубопроводы, связывающие между собой конденсатор и испаритель. Испаритель выполнен с возможностью постоянного и плотного контакта с охлаждаемой поверхностью токопроводящего элемента. Уровень охлаждающей жидкости в испарителе расположен выше верхней границы токопроводящего элемента. При этом вход трубопровода, соединяющего испаритель и конденсатор, расположен выше уровня охлаждающей жидкости в испарителе. Конденсатор расположен выше, чем испаритель, и состоит, по меньшей мере, из двух соединенных емкостей, выполненных с возможностью конденсации газообразного охладителя, образовавшегося в результате нагрева и испарения охлаждающей жидкости, во второй емкости, соединенной при помощи трубопровода с испарителем.
Наличие соединительных трубопроводов создает дополнительные гидравлические сопротивления и уменьшает эффективную теплопроводность системы. Использование насосов для перекачки теплоносителя и вентиляторов для обдува конденсатора создает зависимость системы от электропитания.
Наиболее близкой, принятой за прототип, является система охлаждения трансформатора [RU 2349979 C1, МПК H01F 27/12, опубл. 20.03.2009], содержащая магнитопровод и обмотки с отводами, включающая металлический бак с крышкой и дном, заполняемый маслом, теплообменники. Металлический бак выполнен расширенным в нижней части с образованием по периметру бака над дном горизонтальной площадки с отверстиями, в которых закреплены равномерно по периметру бака теплообменники, выполненные в виде цилиндрических вертикальных тепловых труб с зонами нагрева и охлаждения.
Недостатком такой системы охлаждения трансформатора является увеличение массоогабаритных показателей трансформатора. Установка тепловых труб у торцов трансформатора ухудшает теплоотвод, поскольку при естественной циркуляции масла зона повышенной температуры образуется под крышкой трансформатора.
Полезная модель направлена на расширение арсенала средств аналогичного назначения.
Предложенное устройство для охлаждения трансформатора тепловой электрической станции, также как в прототипе, содержит цилиндрический вертикальный теплообменник с зонами нагрева и охлаждения и металлический бак, заполненный маслом, в котором размещен магнитопровод и обмотки с отводами.
Согласно полезной модели теплообменник выполнен в виде герметичного корпуса из немагнитного материала с высоким коэффициентом теплопроводности, который установлен на верхнюю крышку металлического бака трансформатора тепловой электрической станции. Корпус вакуумирован по крайней мере до 80 кПа и заполнен диэлектрическим хладагентом с коэффициентом заполнения от 8,5 до 25%. Верхняя крышка корпуса выполнена конусообразной с гидрофильной поверхностью изнутри.
Выполнение верхней крышки корпуса теплообменника с гидрофильной поверхностью изнутри обеспечивает равномерное стекание конденсата вдоль вертикальных стенок и предотвращает падение капель хладагента из зоны конденсации в зону испарения. Для снижения температуры кипения хладагента корпус теплообменника вакуумирован по крайней мере до 80 кПа. При значениях коэффициента заполнения хладагентом меньших 8,5% происходит полное осушение зоны испарения. При увеличении коэффициента заполнения хладагентом более 25% увеличивается перепад температур между верхней и нижней крышками устройства для охлаждения трансформатора, что приводит к снижению его эффективной теплопроводности.
По сравнению с прототипом массогабаритные показатели устройства для охлаждения трансформатора снижены.
На фиг. 1 представлено устройство для охлаждения трансформатора тепловой электрической станции.
Устройство для охлаждения трансформатора тепловой электрической станции содержит герметичный корпус 1 теплообменника, выполненный из немагнитного материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например, из алюминия или нержавеющей стали, и заполненный диэлектрическим хладагентом 2, например, HFE 7100. Верхняя крышка 3 выполнена в виде конуса с гидрофильной поверхностью изнутри: или с нанесенным органосилоксановым покрытием, или с тщательно отполированной поверхностью. Корпус 1 вакуумирован по крайней мере до 80 кПа. Коэффициент заполнения хладагентом 2 составляет 8,5-25%.
Устройство для охлаждения устанавливают на верхней крышке 4 трансформатора тепловой электрической станции. При подаче напряжения на обмотки 5, 6 магнитопровода 7 образуется магнитный поток. Под действием электрического тока в обмотках 5, 6 выделяется тепловая энергии согласно закону Джоуля-Ленца и, как результат, повышается ее температура. Теплота от обмоток 5, 6 передается в режимах теплопроводности и естественной конвекции теплоносителю (маслу) 8. В результате естественной конвекции нагретое масло продвигается вверх, остывает за счет теплоотвода в крышку 4 трансформатора и опускается вниз. В результате подвода теплоты к крышке 4 трансформатора происходит прогрев нижней крышки 9 корпуса 1 и хладагента 2. С увеличением температуры интенсивность парообразования с поверхности зоны испарения 10 возрастает. Под действием градиента давления пары хладагента 2 продвигаются вертикально к гидрофобной поверхности верхней крышки 3. Отвод тепловой энергии осуществляется с верхней крышки 3 и вертикальных стенок корпуса 1 в окружающую среду. Слой конденсата 11 стекает вдоль вертикальных стенок и возвращается обратно в зону испарения 10.
-2
Анализ режимов работы устройства для охлаждения трансформатора тепловой электрической станции проведен при помощи математического моделирования. Уравнения гидромеханики и теплопереноса решены методом конечных разностей. Рабочему режиму используемого теплообменника соответствует диапазон изменения температур от 1 до 5 К между нижней 9 и верхней 3 крышками устройства. При значениях теплового потока 1500 кВт⋅м, высоте корпуса 1-0,35 м, давлении в газовом канале 80 кПа, коэффициенте заполнения хладагентом 2-8,5% перепад температур между нижней 9 и верхней 3 крышками устройства составил 1,32 К. Температура крышки 4 трансформатора не превышала 308 К.
-2
При значениях теплового потока 1500 кВт⋅м, высоте корпуса 1-0,35 м, давлении в газовом канале 75 кПа, коэффициенте заполнения хладагентом 2-25% перепад температур между нижней 9 и верхней 3 крышками устройства составил 3,97 К. Температура крышки 4 трансформатора не превышала 310 К.
-2
При значениях теплового потока 1500 кВт⋅м, высоте корпуса 1-0,35 м, давлении в газовом канале 75 кПа, коэффициенте заполнения хладагентом 2-16% перепад температур между нижней 9 и верхней 3 крышками устройства составил 2,86 К. Температура крышки 4 трансформатора не превышала 308 К.
Таким образом, предложенное устройство для охлаждения трансформатора тепловой электрической станции обеспечивает его тепловой режим работы.