高春艷，梁坤峰，李軍號(hào)，李心平，周銘麗

(河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)用電負(fù)荷的不斷增加，變壓器容量持續(xù)增長(zhǎng)，變壓器的散熱問(wèn)題已逐漸成為影響室內(nèi)變壓器安全性和可靠性的主要因素[1-2］，因此，為了保證變壓器室的環(huán)境運(yùn)行溫度，研究通風(fēng)方式、通風(fēng)量等因素對(duì)變壓器室通風(fēng)散熱特性的影響，對(duì)降低變壓器的故障率，延長(zhǎng)變壓器的使用壽命具有重要意義。目前，對(duì)于室內(nèi)變壓器通風(fēng)散熱的研究主要集中在利用自然通風(fēng)條件改善變壓器室內(nèi)環(huán)境方面[3-5］，但是由于變壓器室內(nèi)負(fù)荷在高溫氣候條件下急劇增大，單純采用自然通風(fēng)方法難以實(shí)現(xiàn)變壓器室進(jìn)出風(fēng)溫差5～10℃的要求。文獻(xiàn)[6-8］對(duì)于變壓器室自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合的復(fù)合通風(fēng)方式進(jìn)行了研究，提出了機(jī)械排風(fēng)口的合理布置位置和最佳配置方式，為解決高溫氣候條件下變壓器室通風(fēng)降溫問(wèn)題提供了理論依據(jù)，但其研究在評(píng)價(jià)變壓器室的通風(fēng)散熱狀況時(shí)，仍采用房間的溫度和速度分布場(chǎng)特征，評(píng)價(jià)因素單一，尚未提出反映溫度和速度分布的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論建立了室內(nèi)變壓器通風(fēng)散熱系統(tǒng)模型，對(duì)夏季變壓器室的通風(fēng)散熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了室內(nèi)氣流組織的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布規(guī)律，探討了不同的送風(fēng)方式、風(fēng)機(jī)的使用對(duì)室內(nèi)散熱系統(tǒng)的影響，并采用空氣齡指標(biāo)對(duì)變壓器室的通風(fēng)散熱特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 模型

1.1 物理模型

針對(duì)110 kV變壓器(型號(hào):SZ10-40000/110)室，提出了3種室內(nèi)通風(fēng)方案，3種通風(fēng)方案物理模型包括兩臺(tái)散熱器和兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口，散熱器安裝于主變壓器兩側(cè)，對(duì)稱分布;每個(gè)散熱器有6組散熱片，每組由24片散熱片組成，每片散熱片間距為7 mm，每組散熱器間距為59 mm，共144片，對(duì)流散熱面積為1 152 m2，冷卻風(fēng)機(jī)型號(hào)為T35-11系列的軸流風(fēng)機(jī)。

方案1如圖1a所示，進(jìn)風(fēng)口包括室外側(cè)百葉進(jìn)風(fēng)口和室內(nèi)側(cè)百葉進(jìn)風(fēng)口，室外側(cè)百葉進(jìn)風(fēng)口設(shè)置于主變壓器室大門下部;室內(nèi)側(cè)百葉進(jìn)風(fēng)口設(shè)置于主變室大門相對(duì)的主變室墻體下部，進(jìn)風(fēng)口高度為0.45 m，長(zhǎng)×寬為3.0 m×2.5 m。方案2的進(jìn)風(fēng)口位于散熱器正下方，進(jìn)風(fēng)口長(zhǎng)×寬尺寸為3.75 m×2.00 m，并在散熱器下方設(shè)置了6臺(tái)風(fēng)機(jī)，如圖1b所示。方案3與方案1具有相同的風(fēng)口設(shè)置，但是在散熱器下方設(shè)置了與方案2相同的6臺(tái)風(fēng)機(jī)，如圖1c所示。

圖1 3種通風(fēng)方案物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化問(wèn)題，作如下假設(shè):(Ⅰ)室內(nèi)空氣低速流動(dòng)，且符合Bossinesq假設(shè)。(Ⅱ)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。(Ⅲ)不考慮漏風(fēng)影響，認(rèn)為房間氣密性良好。

在上述假設(shè)下，速度和溫度變量的控制方程如下。

連續(xù)性方程:

式中，ux、uy和 uz分別為流速在 x、y 和 z方向的分量，m/s。

動(dòng)量方程:

式中，τij為應(yīng)力張量;μ為黏度，Pa·s;p為靜壓，Pa;ρ為流體密度，kg/m3;gi為i方向的重力加速度，m/s2;Fi為由熱源、污染源等引起的源項(xiàng)。

能量方程:

式中，k為空氣導(dǎo)熱率，W/(m·K);kt為湍流擴(kuò)散引起的導(dǎo)熱率，W/(m·K);h為焓，kJ;T為溫度，℃;Sh為體積熱源，kJ;cp為比熱容，kJ/(kg·℃);μt為湍流黏度，Pa·s;Prt為湍流普朗克數(shù)，取 0.85。

標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程湍流模型為:

k湍流動(dòng)能輸運(yùn)方程:

ε湍流動(dòng)能耗散率輸運(yùn)方程:

式中，cμ=c'μcD，采用k-ε模型求解紊流對(duì)流換熱問(wèn)題時(shí)，控制方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及 k、ε 方程。方程組中，c1、c2、cμ、ck、σε、σT均為常數(shù)[9］，取值按經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表 1。

1.3 邊界條件

變壓器的發(fā)熱量與負(fù)載大小有關(guān)，計(jì)算式為

式中，Qb、Qr為空載損耗和負(fù)載損耗;I、Ie為變壓器運(yùn)行電流和額定電流。

主變壓器室的散熱通風(fēng)量V的計(jì)算式為

式中，Q為主變壓器的散熱量;c為空氣的比熱容，其值為1.005 kJ/(kg·℃);t0為空氣進(jìn)口溫度，取35℃;ρ為空氣的密度，35℃時(shí)為1.11 kg/m3;ti為空氣出口溫度，取45℃(進(jìn)排氣溫差不大于15℃)。

風(fēng)速大小計(jì)算式為

式中，V為散熱通風(fēng)量;Ai為進(jìn)風(fēng)口總面積。

綜上所述，模型的主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 k-ε模型中的常數(shù)

表2 計(jì)算參數(shù)

2 數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 模擬結(jié)果

圖2為方案1模擬結(jié)果，由圖2a和圖2b可知:散熱器截面上溫度分布比較均勻，溫度在48℃左右;房高3 m(散熱器上方)以上區(qū)域的空氣溫度分布明顯不均勻，且高度方向上溫度梯度較大，其中散熱器正上方區(qū)域的空氣溫度范圍為51～68℃，其他區(qū)域的空氣溫度范圍為35～50℃。房高3 m以下區(qū)域，散熱器局部溫度在46℃左右，其他區(qū)域溫度分布較均勻。出風(fēng)口溫度分布在45～50℃，有較大的波動(dòng)范圍。由圖2c速度云圖可知:進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速較大，由于負(fù)壓的原因，形成了小區(qū)域的局部渦流，隨著距進(jìn)風(fēng)口距離增大，風(fēng)速有所降低，在出風(fēng)口處風(fēng)速有增大的趨勢(shì)，達(dá)到1.3 m/s。

圖2 方案1的模擬結(jié)果

圖3為方案2的模擬結(jié)果，圖3中散熱器溫度在40℃左右，變壓器散熱均勻。由于房間水平方向熱源無(wú)橫向擴(kuò)散作用，該方向上溫度分布比較均勻，散熱器水平方向以下溫度在37℃左右，散熱器水平方向以上溫度在38℃左右，出口處空氣溫度在39℃以下;在房間高度方向上，出現(xiàn)了較為明顯的溫度分層現(xiàn)象，這是由于氣流與散熱器熱交換后溫度升高，氣流在浮升力作用下上升，在上部區(qū)域中上升熱氣流與冷氣流之間發(fā)生相互摻混，導(dǎo)致上部區(qū)域空氣溫度較高。房間整體溫度梯度較小，房間溫度分布相對(duì)均勻，能滿足變壓器出口溫度設(shè)計(jì)要求。從圖3c的速度云圖中可以看出:出口風(fēng)速在1.4 m/s左右，使用了軸流風(fēng)機(jī)，加速了室內(nèi)空氣流動(dòng)，散熱器周圍空氣流速明顯增大，靠近出口處的風(fēng)速慢慢變小。

圖3 方案2的模擬結(jié)果

圖4為方案3的模擬結(jié)果，圖4中散熱器溫度在42℃左右，變壓器散熱均勻。溫度分布在豎直方向上比較均勻，大部分區(qū)域在40℃，只有在進(jìn)風(fēng)口附近溫度為36℃左右;出口溫度為41℃，滿足變壓器出口溫度設(shè)計(jì)要求。由圖4c速度云圖中可以看出:風(fēng)速在1.4 m/s左右，由于使用了軸流風(fēng)機(jī)，加速了室內(nèi)空氣流動(dòng)，散熱器周圍空氣流速較大。

圖4 方案3的模擬結(jié)果

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建模的正確性和模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，完成邊界條件的正確設(shè)置，如送風(fēng)速度、室內(nèi)溫度等，對(duì)變壓器室內(nèi)部空氣流速和溫度進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，空氣流速和溫度測(cè)試儀器采用熱線風(fēng)速儀(KANOMAX 6003/6004)。在X=5.5 m垂直面上測(cè)出不同高度下的溫度、速度，選取空間位置Z=10.75 m和Y=1.5 m處為測(cè)試基點(diǎn)，沿高度Y方向每隔1 m進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)圖5。由圖5可知:在各測(cè)試點(diǎn)位置上，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果的速度和溫度變化規(guī)律比較吻合，但在不同高度上試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果存在一定幅度的波動(dòng)。具體表現(xiàn)為在6 m以下速度的測(cè)試值比模擬值稍大，在6 m以上兩者基本一致，而在相同高度內(nèi)溫度的測(cè)試結(jié)果則要比模擬結(jié)果小，在距離排風(fēng)口較近的高度內(nèi)又要比模擬結(jié)果大一些。這種情況的出現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)受外界環(huán)境、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，以及模擬時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用定壁溫邊界條件與實(shí)際情況有差別等因素有關(guān)。

圖5 高度方向上速度、溫度的測(cè)試與模擬結(jié)果對(duì)比圖

2.3 結(jié)果分析與空氣齡指標(biāo)

方案1尚不能滿足變壓器通風(fēng)系統(tǒng)散熱需求，出風(fēng)口溫度超過(guò)45℃，超過(guò)變壓器正常使用的空氣溫度，室內(nèi)溫度分布不均勻。方案3與方案1相比，散熱器下部增加了軸流風(fēng)機(jī)，房間整體溫度分布非常均勻，出口溫度在41℃左右。方案2與其他兩種方案相比，風(fēng)口位置不同，但所獲模擬結(jié)果與方案3一致，房間溫度分布比較均勻，出口處空氣溫度在39℃以下，能滿足室內(nèi)變壓器通風(fēng)系統(tǒng)要求。由此可知:使用軸流風(fēng)機(jī)，加速了散熱器周圍空氣的流動(dòng)，提高了空氣與散熱器的換熱效率。

圖6為3種通風(fēng)散熱方案所獲的空氣齡云圖，空氣齡與空氣的流動(dòng)和擴(kuò)散有關(guān)，綜合反映了房間的通風(fēng)換氣效果。圖6a所示方案1的空氣齡云圖中，進(jìn)風(fēng)口水平方向以下空氣齡較小，進(jìn)風(fēng)口處的空氣齡最小，空氣新鮮;散熱器上部到出口處之間空氣齡有所增大，越是靠近進(jìn)風(fēng)口側(cè)墻壁，空氣齡越高，貼墻壁處空氣齡最大，該處空氣更新慢，空氣品質(zhì)差。圖6c所示的是在圖6a模型1的基礎(chǔ)上增加了軸流風(fēng)機(jī)后的空氣齡云圖，可以看出該方案的空氣齡在40 s左右，梯度非常小，分布相當(dāng)均勻。圖6b所示的空氣齡在40 s左右，空氣齡非常均勻，也是由于風(fēng)機(jī)的使用改善了室內(nèi)空氣的分布規(guī)律。

圖6 3種方案的空氣齡分布

綜上3種通風(fēng)方案模擬結(jié)果的分析可知:自然通風(fēng)時(shí)，室內(nèi)的溫度場(chǎng)和空氣齡分布不均勻，通風(fēng)散熱不能滿足設(shè)計(jì)要求;使用軸流風(fēng)機(jī)，不僅能提高室內(nèi)的換熱效率，獲得比較均勻的溫度場(chǎng)和空氣齡分布，充分滿足室內(nèi)變壓器的通風(fēng)散熱要求，而且對(duì)進(jìn)風(fēng)口布置方式的要求降低，不同的進(jìn)風(fēng)口布置方式均能實(shí)現(xiàn)通風(fēng)散熱要求，改善了進(jìn)風(fēng)口布置的靈活性。另外，由于空氣齡分布與空氣的流動(dòng)與擴(kuò)散有關(guān)，可以作為反映室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布情況的一個(gè)綜合評(píng)定指標(biāo)。

3 結(jié)論

(1)室內(nèi)氣流組織的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和空氣齡分布結(jié)果可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)變壓器室的通風(fēng)散熱特性。(2)自然通風(fēng)方案難以滿足高溫天氣時(shí)變壓器室的通風(fēng)散熱要求，使用軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，不僅可提高室內(nèi)的換熱效率，獲得比較均勻的溫度場(chǎng)和空氣齡分布，充分滿足室內(nèi)變壓器的通風(fēng)散熱要求，而且對(duì)進(jìn)風(fēng)口布置方式的要求降低，不同的進(jìn)風(fēng)口布置方式均能實(shí)現(xiàn)通風(fēng)散熱要求，改善了進(jìn)風(fēng)口布置的靈活性。(3)比較方案1和方案3可以得知，使用軸流風(fēng)機(jī)時(shí)，得到了比較均勻的溫度場(chǎng)分布，滿足了變壓器通風(fēng)散熱要求，出風(fēng)口溫度有較大的安全裕度。(4)空氣齡與空氣的流動(dòng)和擴(kuò)散有關(guān)，綜合反映了房間的通風(fēng)換氣效果，可作為反映室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布情況的一個(gè)綜合評(píng)定指標(biāo)。

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