Выбор типа бака и Определение его размеров

Схематично некоторые виды баков показаны на рис. 26 и 27.

Самым простым является бак овальной формы с гладкими стенками (рис. 26, а). Однако, при значительной мощности трансформатора поверхность такого бака недостаточна, чтобы рассеять выделенное тепло, и её искусственно увеличивают.

Для этих целей используют баки со стенками в виде волны (рис. 27, а), трубчатые баки (рис. 26, б), у которых в корпус бака вварены ряды охлаждающих труб (до четырех рядов), по которым нагретое масло стекает сверху вниз, охлаждаясь окружающим воздухом, и баки с навесными радиаторами (рис. 27,б). Радиаторы имеют развитую поверхность охлаждения и крепятся к корпусу бака при помощи вваренных в него патрубков с фланцами (сверху входной патрубок радиатора, снизу - выходной).

В указанных баках происходит естественное масляное охлаждение, при котором масло циркулирует под действием разности температур в верхних и нижних слоях масла, а корпус бака охлаждается за счет естественной конвекции и излучения (вид охлаждения М).

В трансформаторах свыше 10000 кВА применяют искусственное охлаждение:

дутьё, при котором охладители (радиаторы) обдуваются струей воздуха от вентилятора (тип охлаждения Д), и принудительную циркуляцию масла с помощью насоса (Ц).

При выборе конструкции бака ориентируются на мощность трансформатора (табл. 33).

 

Таблица 33. Типы баков силовых масляных трансформаторов

Тип бака	Рисунок в [1]	Вид охлаждения	Пределы применения по мощности, кВ-А
Бак с гладкими стенками	-	М	До 25-40
Бак со стенками в виде волн	9,14	М	От 40-63 до 630
Бак с вваренными охлаждающими гнутыми трубами (трубчатый)	9,15	М	От 40-63 до 1600
Бак с навесными радиаторами с прямыми трубами	9,16	М	От 100 до 6300
Бак с навесными радиаторами с гнутыми трубами	9,17	М	От 2500 до 10000
Бак с навесными радиаторами с гнутыми трубами и дутьем	9,6	Д	От 10000 до 80000
Бак с навесными радиаторами с принудительной циркуляцией масла и с дутьем	-	ДЦ	От 63000 и выше

 

B

                                                                                                                     

Рис. 26. Баки масляных трансформаторов: гладких (в плане) (а) и с охлаждающими трубами (б), 1-корпус бака, 2-приваренные трубы

 

Рис. 27. Баки масляных трансформаторов со стенками в виде волн (а)

и с навесными радиаторами (б), 1-корпус бака, 2-волна, 3-навесной радиатор

 

Сначала необходимо определить размеры гладкого бака: ширину B, длину А и высоту Н (рис. 26).

Ширина бака

,

где  – наружный диаметр обмотки BH,  – добавочный размер, зависящий от расположения отводов. Отводы от обмоток НН и ВН располагаются по разные стороны от трансформатора. Поэтому

,

где S ₁, S ₂ – расстояние от отвода обмотки ВН до этой обмотки и до стенки бака (рис. 28), S ₃ – расстояние отвода обмотки НН до обмотки ВН, S ₄ – расстояние отвода обмотки НН до стенки бака,  и  – диаметры отводов ВН и НН с учетом изоляции. Рекомендуемые размеры S в зависимости от испытательного напряжения указаны в табл. 34, Рекомендуемые диаметры отводов  мм,  мм. Диаметр отводов с изоляцией

  = d + 2 δ_ИЗ, где δ_ИЗ – толщина изоляции отвода по табл. 34.

 

Рис. 28. Расстояния до отводов

 

Таблица 34. Минимально допустимые изоляционные расстояния от отводов

Испытательное напряжение, кВ	До заземленных частей, мм		До обмотки ВН, мм
	Толщина изоляции на одну сторону, мм	S 2, S 4	Толщина изоляции на одну сторону, мм	S 1, S 3
До 25	0	22	0	25
	2	20	2	20
35	0	28	0	33
	2	20	2	20
45	0	37	-	-
	2	25
55	0	45	0	50
	2	32	2	30
85	2	50	0	90
	4	40
	6	35	2	50

 

Длина бака

,

где С – расстояние между осями стержней магнитопровода

(рис. 5 и п. 3.11).

 

Высота бака

,

где l _C – длина стержня магнитопровода; – высота ярма;  – минимально допустимое расстояние от ярма до крышки бака, зависящее от высшего напряжения обмоток: при U _ВН = 6 - 10 кВ;  = 0,16 м; при 20 кВ – 0,3м; при 35 кВ – 0,4 м.

Поверхность стенок гладкого бака

, м².

Поверхность крышки определяется как площадь овала (рис. 26, а) с учетом того, что сверху к баку приварена рама, на которую помещается крышка, и эта рама имеет ширину 0,08 м:

 , м².

Для гладкого бака поверхности охлаждения конвекцией и излучением равны:

,

где коэффициент 0,5 учитывает закрытие части поверхности крышки.

Для баков с дополнительными охлаждающими элементами необходимо определить конструктивные параметры этих элементов, чтобы найти их поверхности излучения и конвекции.

Рассмотрим порядок такого расчета.

1.определяем допустимое превышение температуры масла над температурой воздуха с учетом перегрева обмоток

,

где величина берется для наиболее нагретой обмотки (п.3.12).

2.Определяем допустимое превышение температуры стенки бака над воздухом

,

где - перепад температуры между маслом и стенкой бака, который предварительно можно принять равным 5-7°.

Если соблюдается неравенство

,

то температуру можно использовать в дальнейшем расчете. Если неравенство не соблюдается, то

Коэффициент 1,2 учитывает, что температура масла в верхних слоях приблизительно на 20% выше средней. Найденные значения используются в дальнейших расчетах.

3. Ориентировочная поверхность излучения бака, определяемая внешним периметром бака с учетом выступов от навесных радиаторов, труб, волн:

,

где - определенная ранее поверхность гладкого бака, К - коэффициент увеличения поверхности, равный: К = 1 для гладкого бака, К = 1,2-1,5 для баков с волнами и трубами, К = 1,5-2 для баков с навесными радиаторами.

4. Необходимая поверхность теплоотдачи конвекцией

5. Определяем коэффициент увеличения поверхности охлаждения бака по сравнению с поверхностью гладкого бака

и требуемую дополнительную поверхность

.

По найденному значению П _доп или К _У определяем число и размеры дополнительных элементов и находим уточненные значения поверхностей, по которым окончательно рассчитываем превышение температуры.

 

Бак со стенками в виде волн

На рис. 27, а показаны основные размеры дополнительных элементов – волн. Здесь b - глубина волны, t – шаг волны, а, c – ширина воздушного и масляного каналов. На эти размеры накладываются ограничения:

, .

Через эти размеры можно выразить коэффициент увеличения поверхности охлаждения конвекцией и найти необходимое соотношение между размерами масляного канала

.

При получении этого соотношения учитывается коэффициент затруднения конвекции воздуха в воздушных каналах К _В = 0,95. Чтобы этот коэффициент не был слишком мал, рекомендуется, чтобы выполнялось условие

b / c  8-10. Подбором величин b и c получаем нужное соотношение b / c, и определяем поверхности излучения и конвекции бака с волнами:

,

где Н В= Н - 0,1- высота волнистой стенки

В этих формулах:

шаг волны:

t = a + c + 2 δ,

где δ =1 мм толщина стенки бака;          

развернутая длина волны

l B=2 + t – 0,86c;

число волн

коэффициент затруднения конвекции

.

 

Бак с охлаждающими трубами

Применяются круглые трубы диаметром 30 и 51 мм и овальные размером 70 х 20 мм. При учебном проектировании ограничиваемся применением круглых труб диаметром 51 мм.

При выборе числа рядов труб можно ориентироваться на опытные значения коэффициента увеличения поверхности К у, или на мощность трансформатора:

Число рядов труб	1	2	3	4
Коэффициент увеличения поверхности, Ку	2,8	4	5,2	5,7
Мощность, кВА	До 160	250 - 630	1000 - 1600	-

 Коэффициенты получены при следующих рекомендуемых размерах (рис. 26,б):

расстояние между осями труб по высоте бака

t p=0.075м;

расстояние между трубами по периметру бака

t =0.07м

радиус изгиба труб R =0.15м

Соседние трубы разных рядов располагаются одна над другой

(на рис.26, б два ряда).

Прямой участок а определяется для каждого ряда труб. Для самого внутреннего ряда принимается а =0,05м.

Далее для каждого следующего ряда добавляется t р=0,075м.

Расстояние прямых участков а указаны в табл. 35:

 

Таблица 35. Длина прямого участка труб в метрах в зависимости от числа рядов

(а1  для наружного ряда)

Размер а	Число рядов труб
	1	2	3	4
а 1	0,05	0,125	0,2	0,275
а 2	-	0,05	0,125	0,2
а 3	-	-	0,05	0,125
а 4	-	-	-	0,05

 

Расстояние  между центрами отверстий наружного ряда труб зависит от высоты бака Н и от суммы расстояний на которые эти отверстия смещаются от дна и крышки бака

=Н – h.

Рекомендуемая величина h зависит от длины прямого участка наружного ряда труб:

a 1, м	0,05-0,08	0,1-0,15	0,17-0,2	0,25-0,28
h,м	0,13	0,16	0,19	0,25

Для второго ряда труб, считая от наружного

= - ,

для третьего и четвертого

= - , = - .

Число труб в одном ряду по периметру бака

Полная поверхность всех труб

Птр= m ·П1(l 1 + l 2 + l 3 + l 4),

где П1 =0,16  –поверхность трубы, длиной в один метр, l п - длина трубы данного ряда, определяемая по формуле

l п = +2ап+1,14 R.

В последней формуле а n, bn  - горизонтальные и вертикальные прямые участки данного ряда труб, R =0.15 - радиус закругления труб.

Поверхность излучения бака с трубами

где d =0,051м - диаметр трубы, a 1- из табл.35 в зависимости от числа рядов труб.

Поверхность конвекции бака с трубами

где Кф - коэффициент, учитывающий изменение условий конвекции данной поверхности по сравнению с вертикальной гладкой стеной. Его значения: Кф =1,4 при расположении труб в один ряд, Кф =1,34 при двух рядах, Кф =1,3 при трех, Кф =1,26 при расположении в четыре ряда.

 

Бак с навесными радиаторами

Такие баки применяются наиболее часто. Их достоинство – возможность получения большей поверхности охлаждения, чем при других конструкциях, и возможность выделить изготовление радиаторов в отдельное производство. Размеры навесных радиаторов нормализованы, их поверхность охлаждения известна, поэтому при расчете необходимо выбрать тип радиатора и их количество для обеспечения нужной поверхности охлаждения бака и его минимальных габаритов.

На рис. 29 показано расположение радиаторов на баке, их габариты и рекомендованные расстояния между ними.

                            

                             а)                                                         б)

Рис. 29. Расположение радиаторов по высоте (а) и периметру (б) бака

1 – стенка бака, 2 – радиатор; 3 – патрубок, соединяющий бак и радиатор

 

Радиатор имеет два коллектора, к которым привариваются охлаждающие трубы – прямые или изогнутые. Фланцы коллекторов присоединяются к патрубкам бака. Одним из основных размеров является расстояние между осями патрубков А_Р (рис. 29, а).

Применятся радиаторы с прямыми трубами и с изогнутыми трубами, по форме аналогичными рис. 26, б. Радиаторы с прямыми трубами менее эффективны, но они дешевле в изготовлении. В свою очередь, радиаторы с прямыми трубами могут иметь один или два ряда труб, а радиаторы с изогнутыми трубами делятся на одинарные и двойные, в которых трубы располагаются с обеих сторон коллектора.

Для всех радиаторов данной конструкции различными являются только расстояния между осями патрубков А_Р и поверхность охлаждения труб. Остальные параметры одинаковые. Размеры B _Р и С_Р (рис. 29), а также рекомендуемые расстояния между радиаторами  и  указаны в табл. 36.

 

 

Таблица 36. Размеры радиаторов в метрах и рекомендуемые минимальные расстояния

Тип радиатора   Размер		с прямыми трубами		с изогнутыми трубами
		один ряд труб	два ряда труб	одинарный		двойной
Ширина по периметру,		0,35	0,5	1,15	0,71
Расстояние от патрубка бака,		0,16	0,25	0,5	1,25
Суммарное расстояние патрубков от дна и крышки h, м		0,185		0,34
Расстояние между радиаторами по периметру бака	На прямом участке, t	0,1	0,1	0,1	0,16
	Расположенные под углом,	0,07	0,07	0,07	0,1
Поверхность коллектора ,		0,15	0,34	0,72	0,66

 

Основные данные радиаторов - расстояния между осями патрубков Ар  и поверхности труб Птр  приведены в табл.37 и 38.

 

Таблица 37. Радиаторы с двумя рядами прямых труб

Ар,м	0,71	0,9	1,15	1,4	1,61	1,8	2,0	2,2	2,4
Поверхность труб Птр,	2,13	2,73	3,53	4,34	4,96	5,6	6,25	6,9	7,53

 

Радиаторы с одним рядом прямых труб выпускаются двух типов:

Ар =0,71м, Птр =0,75 , Ар =0,9м, Птр =0,96 .

 

Таблица 38. Радиаторы с изогнутыми трубами одинарные  

  

Ар, м	1,88	2,0	2,285	2,485	2,685	3,0	3,25	3,75	4	4,25
Поверхность труб ,Птр,м2	11,45	12,1	13,55	14,55	15,6	17,2	18,85	21	22,3	24,6

 

Поверхность радиаторов двойных в два раза больше, чем одинарных при том же значений Ар.

Полная поверхность одного радиатора равна сумме поверхностей труб и коллектора:

.

Выбор радиатора начинается с определения размера А р:

,

где h берется из табл.36.

Выбор типа радиатора можно начать с самого простого радиатора - с прямыми трубами и проверочным расчетом убедиться в возможности его применения.

Находим из таблиц по величине Ар поверхность труб Птр и коллектора Пкк, затем определяем поверхность конвективного теплообмена радиатора, приведенную к поверхности гладкой стенки:

Коэффициент Кф учитывает изменения конвективного теплообмена по сравнению с гладкой стенкой. Для прямых труб его можно принять равным Кф =1,26, при изогнутых – Кф= 1,4.

Определяем число радиаторов

,

где Пдоп- определенная ранее требуемая дополнительная поверхность конвективного теплообмена.

Проверяем приближенно возможность размещения радиаторов по периметру бака (рис. 29,б):

.

Если выбранные радиаторы не размещаются по периметру бака, то надо взять другой тип радиатора. Допустимо также несколько увеличить высоту бака для применения радиатора с более высоким Ар.

После окончательного выбора типа и числа радиаторов определяем поверхности бака:

при теплоотдаче излучением

,

при теплоотдаче конвекцией